新車發布會上,廠家往往展示車輛參數,其中包含整車扭轉剛度、車身高強度鋼材的使用比例,甚至A柱鋼材的強度等數據,都關乎車輛性能及安全。剛度和強度到底是什么意思?對車輛性能有什么影響?
強度——Strength
強度是指表示工程材料抵抗斷裂和過度變形的力學性能之一。按外力作用的性質不同,強度主要有屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等。在汽車安全領域,主要涉及屈服強度和抗拉強度,單位用帕斯卡(Pa)或兆帕斯卡(MPa)表示。
屈服強度是指金屬材料發生屈服現象時的屈服極限,即抵抗微量塑性變形的應力。變形分為兩類,一類是可復原的變形,稱為彈性變形,另外一類是不可自行恢復的變形,指的就是塑性變形。
當鋼材在大于屈服強度的外力作用下,將會使零件永久失效,無法恢復。用通俗的話說,彎了,叫塑性變形。
再說抗拉強度,其是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值,也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力,它反映了材料的斷裂抗力。
剛度——Stiffness
剛度也稱剛性,是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度大小取決于零件的幾何形狀和材料種類(即材料的彈性模量)。剛度要求對于某些彈性變形量超過一定數值后,會影響機器工作質量的零件尤為重要,如機床的主軸、導軌、絲杠等。
剛度又分為靜剛度和動剛度,當結構或材料受到靜載荷時,抵抗靜載荷下的變形能力稱為靜剛度;當受到動載荷時,抵抗動載荷下的變形能力稱為動剛度。剛度分析的意義在于控制結構變形,防止發生振動、顫振或失穩。
在汽車宣發領域,剛度多指白車身(bodyinwhite)的扭轉剛度以及彎曲剛度,單位一般用N·m/deg來表示。
強度/剛度越高,有什么好處?
一般來說,強度更關乎車輛的安全,強度越高,車身抵抗外力破壞的能力越強,比如碰撞時車身不容易發生大的變形損壞。然而車身安全性是一個復雜的系統工程,與車輛的結構、材質的強度等多個維度相關,零件強度是一方面,單一零件強度高并不意味著車輛的安全性能就好。
汽車車身剛性指車身抵抗變形的能力。它和車身結構、制造工藝有關。相比強度來說,車身剛性能帶來的好處很不直觀,它不像發動機的馬力或者扭矩能通過配置表直觀了解到。
不少人存在一個誤區——碰撞測試的好壞,約等于車身剛性的好壞。
事實上,車身剛性的衡量指標絕非通過一次或者幾次碰撞測試就可以論證。在大部分的碰撞測試中,主觀看到如車頭、車尾的變形,都是預先設置好的潰縮區,不能完全解釋車的剛性好壞。
真正的車身剛性,是指一輛車抵抗變形的能力,它不僅涉及碰撞性能、抵抗變形性能,還涉及車輛的操控、NVH等多個方面。
簡單來說,車身剛性分為兩大塊,一是扭轉剛度,二是彎曲剛度。扭轉剛度通過在前懸上施加作用力,考察地面應激對整車剛度的影響;彎曲剛度則是在前排座椅安裝點上施加作用力,考察乘員艙內應激對整車的影響。
舉例來說,在越野圈中的交叉軸,考驗的就是車身的剛性。當車輛底盤不處于同一個水平面上,斜坡車輛施加一個外部的力量,讓重心落在前軸單個車輪上,扭轉剛度指的就是這種變化。
如果覺得燒腦,那么簡單記住,越不容易變形,剛性就越高。對汽車來說,車身剛性越高,車輛性能也相對更好。
車身剛性有什么好處?
操控性。在激烈駕駛時,剛性更好的車身能給予輪胎和懸架系統更強的支撐力,從而使車身姿態更加穩定,有利于駕駛員更好地掌控車輛,車身受力的極限決定了過彎速度的上限。
上圖中A字型的車輛前避震頂端拉桿(tower bar),主要用于提升車輪減振器安裝點的動剛度。
在越野時,剛性較弱的車身更容易出現車身變形和扭曲,會導致車門無法關閉的情況,可靠性更好。
舒適性(NVH)。剛性更好的車身在遇到路面顛簸時,可有效減少了車身結構共振,同時,由于車身變形量更小,內飾出現異響的情況也大有改觀。
簡單來說,足夠好的車身剛性是一輛車操穩性的根本,但車身剛性較差,那么這輛車的操穩性大概率比較低。
車身剛性由材料、結構、工藝共同決定。高強度材料能有效提高車身剛性。如屈服強度超過1000Mpa的高強度鋼、硼鋼、鋁合金、碳纖維等材料。
除材料外,結構設計和焊接工藝也至關重要。簡單說,材料不夠,結構來湊,或者說截面面積才是王道。
一輛車的白車身由前后地板及ABCD柱組成,包括ABCD柱在內、前艙、尾箱還有多個環狀結構,這些環狀組成多個橫向封閉空腔是車身剛度的主要構件。空腔面積越大,剛度越大,比單純增加材料厚度更有效率,但又與車內空間相矛盾。
舉一個簡單的例子,一本書拿起來很軟,但把書卷起來后形成一個圓柱形結構時,就變得非常結實穩固。這就是結構帶來的剛度變化。(朋月)