我的汽车设计梦！

   最近许多媒体都在强调车身结构设计，重量变轻、刚性增强等等，其中有许多技术性的概念一般读者们其实不是那么清楚。有的说钢板越厚越好，有的说钢板厚度不重要，重要的是结构特征，也有的说管你用什么材料，只要碰撞结果达到国家标准就可以了，真不行我还可以参考最近推出的N-CAP碰撞标准。

    但是看到一些人在混淆视听，于是我也想参与讨论讨论，趟趟浑水~~~

汽车的长期减重计划

谈到车身结构设计，汽车工程师们最高指导原则便是在不降低刚度和强度的情况下减重。特别是最近几年燃油不断涨价，再加上汽车相关的环保标准越来越严格，汽车工程师一直在寻找方法将汽车减重，以求得更佳的燃油经济性，并且减少废气排放。

过去的几十年汽车的重量确实得到了卓有成效的减轻，也越来越省油。然而汽车减重的努力路途依然遥远，一方面政府对于省油性和废气排放的标准只会越来越严，不可能放松，另一方面车厂之间彼此在汽车省油性上的竞争也越来越激烈，汽车工程师仍然必须继续寻找减轻车重的新方法。

汽车工程师们为车身结构减重主要有两种策略，一是从结构设计着手，希望寻找更有效率的结构设计概念。另一方面则是从材料着手，寻求更高质量、更稳定的钢铁材料和更经济的制造方法，或者是更轻的替代材料。

车身结构轻量化

汽车减重像是一个连锁反应，起源便是车身结构的轻量化，如果车身结构可以设计得更轻，则悬架承载的重量减少，相应得底盘也可以减得更轻，汽车发动机要拉动的重量减少，又可以搭配排气量较小、较轻的引擎。

旧式的轿车及现在的卡车和部分客车是采用所谓“非承载式(full frame)”车身，即车身下方有一个以车架为承载负荷的主体，车身钣金件只是附加在车架上的铁皮而已，在结构上承载负荷的功能较小。近年来车身结构设计的思考已经转变成所谓“单体化(unibody)”架构，即“全承载式车身”，概念上是说车身结构由成型的钢梁和冲压的钣金件焊接结合为一个整体刚性的车壳，基本是所有钣金件都参与承载车身结构负荷。汽车业把这个刚性的车壳叫做“白车身(body in white)”，行话就简单叫做“BIW”。BIW通常占了车身重量的30%，是前面提到的汽车减重连锁反应的源头，在这个部分减重对于最终车身重量的减轻可以达到加倍的效果。

另外结构先进的话，也可以减轻重量，例如大家知道自然界为什么很多植物的秸秆都是圆的吗？那是自然选择的结果。原因是同样的材料，圆形的刚度更好，更不宜折断。

在车身中使用更轻的材料

汽车工程师们也都知道车身结构减重的重要，长期投入结构设计研究的结果是现代汽车的结构设计都已经非常成熟，要从中间再挤出改进的空间也越来越难。在结构设计上减重的策略逐渐达到极限时，汽车工程师开始转向第二个策略，注意如何在钢制的车身中使用密度较小的材料，例如塑料或铝合金等。

汽车材料的改变首先从内饰开始，例如现在几乎所有汽车仪表板都使用塑料材料，装饰护板也大都是轻量化的塑料。此外发动机缸体也逐渐从沉重的铸铁改采铝合金制造，特别是讲究轻量化的高性能车种。 钢铁材料使用的减少另一个原因是高强度的钢板被广泛使用，高强度的钢板其强度大约是一般低碳钢两倍，目前车身上大约20%的钢铁材料是这种高强度钢，使用比例还在继续稳定增加。采用高强度材料因为其强度较高，较少的材料也可以达成原先相同的结构强度，对于减轻整体重量自然也有帮助。

不过尽管汽车工程师们尝试寻找替代材料，钢板仍是现代汽车车身结构的材料最佳选择，在可预见的未来大概也一直会是如此。理由很简单，钢板仍是汽车制造最符合成本的材料，如果论重量计算的话，一般钢板材料的成本大约是铝合金的20%多一点，要用到复合材料的话成本更要贵上十几倍，而即使是使用高强度钢料，材料成本也只增加10%~15%。除了原材料成本低之外，汽车业界对于使用钢板为生产材料，早已累积了非常丰富的经验，钢板材料很容易成形，其强度、耐久性、耐冲击性都经过时间的证实。加上汽车厂在现有钢板成形、组装、回收设备上早已作了大量投资，除非突然有严厉的新法规出现，或者材料科技又重大的创新，不然很难看出钢铁制的车子近期内会有什么大改变。

高强度的钢铁材料

OK，汽车终究还是要用钢来制造。钢制的车子想要减重，唯一可做的是就是，用比较少的钢。前面提到实务上的作法之一，就是改采高强度的钢铁材料。

这里必须先解释一下，所谓材料的“强度”，概念上是说，材料承受多大的力时会发生破坏。钢铁材料有非常多，同样是铁，含碳的成分、合金的成分、或者制造、热处理的方式不一样，承载负荷的强度便会差异非常大。例如高强度低合金钢High-strength low-alloy (HSLA) steel掺入了稀有金属钛和铌，强度可以达到中强度低合金钢的两倍。

不过不管是什么钢，金属的本质还都是铁，强度可以差好几倍，密度却是完全一样的，意思是说，同样的体积不管是什么钢，重量完全一样。因此前面提到采用高强度的钢料，更细、更薄的结构也能达成同样的强度，材料就可以用的更少一些，重量就可以减少一些。

高强度低合金钢已经被发现几十年了，但是用在汽车上只是最近十几年的事，在现代汽车中60%的钢铁材料都是高强度或中强度钢。HSLA钢板成形的可塑性较差是重要的缺点，也是目前材料工程师研究的重点。HSLA还不是强度最高的，再往上去还有强度更高的钢铁材料，但是这些材料不是成本过高，就是可塑性过差，或者有焊接、镀锌困难等问题，因此在汽车工业上采用不多。

强度设计或是刚性设计？

您会问，既然这些高强度的钢料可以进一步减轻车身重量，材料成本也增加不多，如果制造上的问题可以克服，那么何不整部车都采用高强度的材料呢？

这个问题其实很深刻，不是机械行业的很难有清楚的概念。

这里首先要理清一个观念，强度其实不是结构设计上的唯一考虑，甚至不是主要考虑，在汽车结构设计上，最主要的考虑因素是“刚性”。

结构的强度和刚性字面上感觉起来似乎没什么不同，但在结构设计专业上可是完全两码子事儿。前面提到结构“强度”的概念是结构受到多大外力时会产生破坏，在汽车结构上只有大约20%的结构件以强度为最重要考虑，主要是车身结构上处理冲击负荷的部分，例如车前冲击纵梁、保险杠、车身B柱等，通常我们希望在这些主要承受冲击的零件采用高强度钢。

刚性英文是“stiffness”，而在描述汽车结构时常用的英文字则是“rigidity”，主要的概念是结构受到外力时产生变形量的大小，简单的说，受到同样外力变形量很大，表示结构刚性差，变形量小则表示结构刚性好。

早先车身设计上对刚性的考虑只要不要让汽车过度变形，门还可以关上就好。现代汽车提升刚性则成为车身结构设计上真正的焦点。除了提升安全性之外，车身刚性提升还可以改进汽车的操控性和行驶性能，减低发动机或路面不平造成的振动。

材料的刚性是由其“弹性模数(modulus of elasticity)”来代表，就像弹簧都有“弹簧常数”，弹簧常数越大，表示弹簧越“硬”，施力时的变形量越小—刚性越大。这里要提出另外一个重要的概念是，钢铁材料强度的变化范围非常大，但是不管什么钢，弹性模数都是一样的。

简单的说就是强度好代表材料不宜断，但是可能变形大，可以说是“柔韧”，而刚度好代表可能比较硬但是容易断，就平常说的“比较脆”。

提升车身结构的刚性

所以如果结构设计的设计目标是提升刚性，使用高强度钢板不会有任何帮助，因为材料的弹性模数不会改变，如果你要将车子现有的单体结构BIW刚性提高，唯一可以用的策略是增加钢料，其中的学问是如何把钢料补强在最关键的部位，增加少量钢料即能大幅提升刚性。也就是说，如果你在追求减重，采用强度相同但是较薄的高强度钢板，那么刚度就会降低。因此又要在某些要求刚度较高的部位增加钣金厚度。这就形成了一个矛盾，一方面减轻了重量，另一方面又增加了重量。

另外一个有趣的现象是，铝的密度大约是钢的三分之一，但是铝的弹性模数大约也只是钢的三分之一。意思是说，同样的结构采用铝合金材料重量会是采用钢铁材料的三分之一，但是结构刚性也只是采用钢铁材料的三分之一，因此如果同时希望提升刚性和减轻重量的话，要不要改采铝合金材料，这个算盘可就得好好算一算了。

扯了这么多，不晓得对读者们概念上有没有一些帮助。

    简言之就是，采用薄钢板的车身不一定不好，它可以是高强度钢和先进的结构；采用厚钢板的车身也不一定好，它可能是车身减重的技术水平不够。总之一句话，只要达到国家相应标准，采用什么材料不重要。

    最后给您一个家庭作业，测量一下您的爱车刚性够不够。找一个路边人行道之类的，把车子开上去，但是只有一个轮子挂在路肩上。这时候车身重量分布不均匀，一定会造成车身结构的变形，试试看开关您的车门，如果车子刚性不好，门框变形量太大，车门可能会关不起来。其实专业厂家测量车身刚度的方法也就是所谓的单轮悬空法，与上述原理一样。