关键词：结构粘接，结构粘合剂，结构泡沫，轻量化
摘要
人们对车辆的需求趋向于安全性更强、重量更轻且燃料利用效率更高等方面，一种采用了先进高强度钢材、工程塑料及轻质金属的轻型车体结构也随之打入市场。如果将上述材料单独使用，就会对最大限度减轻车体重量的潜能造成限制。一种以化学基材的结构粘合剂和结构泡沫塑料的应用，巧妙地将上述三种减轻车体重量的方法结合在一起，克服了安全性、质量和加工成本高等难题。
简介
常规钢材在历史上一直是用于制造车辆结构的关键材料。为了能满足人们对安全性更高、噪声更小的车辆的不断增加的需求，设计中通常采用重型钢结构部件，以符合抗冲撞性及耐久性标准。其结果使得车辆重量加大，而且燃料使用效率降低。
车体重量减轻一千克会产生什么益处？一份文献综述中的数据表明，对于采用内燃机的车辆，其整体质量减轻10%，即相当于其燃料使用效率提高4.5％至6％。同时，该文通过模拟试验，对三种车型和两种行车形态进行了详细分析[1]。文中表明，车辆整体质量每减轻10%，并且同时重新调整动力总成，即可使燃料使用效率提高6.7%。具体来说，一台中高档汽车的车体重量每减轻140千克，其使用寿命内的燃料成本就可降低1,150（若其使用寿命内的行驶距离为150,000千米，则汽油成本为1.2/升，而平均燃料消耗量为每100公里9.6升[2]）。降低燃料消耗量还有利于进一步减少造成温室效应的污染物的排放量。对于满足全球范围内日益严格的排放标准来说，这一点至关重要。目前，对于以燃料为动力其具有替代性的车辆，公众普遍认为其体积小、动力不足、行驶距离短。减轻车体重量是消除所有这些看法的可行之法。车辆重量越轻，越能显现出其具有替代性的发动机的优势，越有利于体现其竞争力。
目前，由于原始设备制造商（OEM）和政府部门日益趋向于安全性更高、重量更轻且燃料使用效率更高的车辆，轻型车体结构随之进入市场。三种主要车体减重理念如下所述：
1. 先进的高强度钢材（AHSS）：通过采用AHSS制造车体，再加上经过优化的钢材设计，可使白车身（无内饰）重量减轻17%至25% [3]。主要应用如如A柱和B柱中的坚强件，可采用较薄的AHSS制造车体，并且还能保持或提高车体的抗冲撞性。
2. 工程塑料 {片状模压材料（SMC）或碳纤维增强聚合物（CFRP）：与相应钢板设计相比，将工程塑料用于设计车身防护底板、车身外车板、备用轮舱和半结构性部件时，可使车体重量减轻30% [4]。
3. 轻质金属，如铝合金和镁合金。按照最新设计方法，采用铝材制造白车身（无内饰），可使车体重量减轻21%至40% [3]。
若单独使用这些方法，所能减轻的车体重量见上表。然而，这些方法之间并非相互孤立。只能巧妙地这三种设计理念结合起来，才能最大限度地减轻车体重量。但是，无论单独将某一理念或将三种理念结合起来用于车体设计时，最大限度减轻车体重量仍将受到安全性/质量要求（车体结构能量吸收量和刚性，以及由异种金属所导致的电偶腐蚀）和控制加工成本需求（对AHSS进行冲压作业时，须加入热膨胀系数不同的异种基材）的限制。
一方面，本文旨在证明汉高出品的以化学基材的结构材料（如结构粘合剂和结构泡沫）如何在进一步减轻车体重量方面发挥作用。另一方面，又可保持目前车辆的安全性/质量水平，并有助于控制加工成本。
基本原理——机械性能
在准静态或动态负荷下，车辆部件的刚性、耐久性和能量吸收量均会由于部件完整性下降而受到限制。点焊点可导致裂纹或局部开裂以及局部翘曲变形。通过降低点焊点（图1A）等处的最大应力，以及拓宽车体部件变形区域面积（如B柱的侧向撞击，图1B），均能避免这些破坏方式并改善部件性能。
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图1. A）将点焊法和粘接法结合起来，可使搭接剪切试件吸收更多能量[5]；
B）可消除由于变形区域拓宽所导致的局部翘曲变形问题[6]。
汉高公司已开发出化学基材的结构材料，这种材料可以保持甚至减轻部件重量时，维持或提高车辆部件的刚性、耐久性和能量吸收。汉高公司的结构材料方案分为两类：结构粘合剂和结构泡沫。结构粘合剂须可在各种环境条件下将粘附体粘接在一起，并长时间维持强有力的粘合效果。在纯粹的增强刚性场合下，粘合剂的模量是最重要的力学参数，而在高应变率成形条件下，对粘合剂而言，高模量与高柔韧性之间的结合对于改善车辆部件性能来说至关重要。
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图2. 增强粘合剂（仅增强）和耐冲击粘合剂在机械性能方面的差异。
图2中列出了增强粘合剂和耐冲击粘合剂在机械性能方面的差异。
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图3. 汉高公司出品的商用结构泡沫的抗压强度曲线。
这两个参数对应力的优化分布及车外板和载体之间能量的优化转移，以及拓宽变形区域面积来说十分重要。
结构泡沫通常不是可泵送粘合剂，而是制成预成型部件。对于预成型部件，可单独采用结构泡沫材料，或将由金属或塑料制成的结构载体与结构泡沫材料一同使用。设计这些部件时，须考虑其插入空腔的内部形状以及车体载荷的预期增值。当结构泡沫材料处于高温状态时（150~200℃，时间至少为15分钟），如汽车用电泳炉，该材料开始膨胀，并在空腔外表层之间、或空腔外表层及结构泡沫载体之间形成强有力的粘接层。若对其施加静态或动态载荷，能量可在外表层之间或外表层与载体之间传输，最大限度地实现粘结力增强效果。抗压强度（见图3）和粘接强度是结构泡沫的关键参数。
当存在电极（例如：盐水）时，电偶腐蚀对于连接异种金属来说是个问题。与其它金属相比，贵金属的导电性更强，因此二者相粘结时，由贵金属制成的汽车部件会加速腐蚀由非贵金属制成的部件。粘合剂固化后，通常会具有优良的阻隔性能，并防止相互导电。因此，若使用异种金属制造车体，结构粘合剂的采用可有效避免电偶腐蚀，并同时改善金属结构的机械性能。
试验数据——如何将上述方法综合起来？
目前，AHSS、工程塑料和轻质金属是为了减轻车体重量而采用的三种主要的设计手段。经研究，这三种设计理念均可与汉高公司以化学基材为基础的结构材料相适用：理想化箱梁即可用于对真实部件进行的案例研究，也可用作客户项目中的商业化解决方案。部分案例研究可按实物试验进行，也可按模拟方式进行试验。
钢材/先进的高强度钢材与汉高公司的结构材料方案
钢材与结构粘合剂
将点焊法与粘接法（粘焊）综合起来，可使有外边缘帽型截面的抗扭刚度提高20%，这在前刊中已刊登过。通过这一方法可将焊点数量减少50%，且不会使粘合剂失效[7]。其次，在搭接剪切强度试验中，粘焊法同样对试件的疲劳耐久性产生了有利影响（汉高公司内部报告）。近期的箱梁试验已证明采用结构粘合剂还能产生其它益处。该研究通过三点弯曲试验，对外边缘帽型截面的箱梁进行了评定，并将经过点焊的箱梁与只经过粘接的箱梁进行了比较。另外，还对两种不同的结构粘合剂进行了对比；一种粘合剂用于改善刚性，另一种则用于改善材料的抗冲击性能。图4表明，若采用抗冲击结构粘合剂粘接钢材，以45度角撞击箱梁时，其能量吸收量可大大提高。在冲击能量相等的情况下，采用抗冲击结构粘合剂连接的箱梁发生位移的几率大大减少。与经过点焊且未采用粘合剂的箱梁相比，采用粘合剂的箱梁其重量增加了20克（或0.5%）。
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有外边缘帽型截面的箱梁
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图4. 经过点焊并采用增强粘合剂进行粘接（不采用点焊）的钢制箱梁和采用耐冲击粘合剂进行粘接（不采用点焊）的钢制箱梁，在进行45度角撞击试验时，其能量吸收量和位移进行比较。
箱梁性能之所以得到改善是因为通过消除局部焊接凸缘分离（见图5）问题而使钢板能量吸收量提高了。
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图5. 对只采用点焊的箱梁和用耐冲击粘合剂（未采用点焊）进行粘接的箱梁在变形量为130 mm的情况下，比较其焊接凸缘分离和能量吸收量。
钢材和结构泡沫
对采用结构泡沫增强的理想化进行了三点弯曲试验，试验中箱梁在边缘部位采用点焊连接。在45度角撞击试验中，采用结构泡沫增强的箱梁的能量吸收量远远高于仅经过点焊的箱梁。在冲击能量相同的情况下，采用结构泡沫增强的箱梁发生的位移减少了约45 %（见图6）。与仅经过点焊的箱梁相比，采用结构泡沫的箱梁的重量增加了200克（或5%）。
采用结构泡沫增强的箱梁也显现出焊接边缘分离（相当于图5中所示的仅经过点焊的箱梁出现的分离结果）。上述内容证明，局部焊接边缘分离会限制试件截面的能量吸收能力。因此，通过粘焊结合耐冲击粘合剂的使用，有可能进一步提高采用结构泡沫增强的箱梁的能量吸收量。
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图6. 在进行45度角冲击试验时，对只经过点焊的钢制箱梁及采用结构泡沫增强的钢制箱梁在能量吸收量和位移方面进行比较。
模拟试验和实物试验[6]均已阐述了结构泡沫可提高能量吸收量的功能。在所列举的实例中，能量可在外板和B柱的加强板之间转移。能量转移可使加强板最大限度地吸收能量，并防止局部翘曲变形（见图7）。与只采用钢材的方案相比，该方案可使每辆车的重量减轻约6千克，且能保持车辆的耐冲撞性。
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图7. 采用结构泡沫进行增强后，由于外板和加强板之间的能量转移，使加强板能量吸收量增加，并消除了局部翘曲变形问题[6]。
工程塑料和汉高公司的结构材料方案
如采用汉高公司推出的结构材料方案，工程塑料与结构泡沫结合可作为钢材加强件的替代品来使用。通过采用结构泡沫和尼龙支架，对其减轻车体重量的潜力进行了模拟研究（见图8）。仅需用带尼龙支架的结构泡沫做成的三个部件，就可替代原先的多个钢制部件。一个钢制部件质量得到改善，而另一个部件的质量则明显下降。通过这些方法，每辆车的车重减轻了12.5千克。40%前端侧角碰撞、IIHS侧面碰撞、侧面撞柱碰撞和顶部挤压等性能，与钢材参考方案之间的误差不超过5%。除了能减轻车重，该研究所开发的解决方案还可降低投资成本并改善工艺过程。这三个部件的应用可减少钢制部件数量、无需采用多个冲压模具，并使组装时的点焊数减少了200多个。车辆组装时，可在部件上设计卡扣进行安装，无须使用额外夹具。这一过程可采用手动或机械方式完成。由于使得零件安装的灵活性增强，因此在组装过程的不同阶段，均可将零件固定在内外板件上，这一过程甚至可在部件供应商的场地进行。
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图8. 汉高案例研究：在尼龙载体上采用结构泡沫塑料，可减轻车体重量并简化工艺。
轻质金属和汉高公司的结构材料方案
轻质结构粘合剂
对于现代的轻量化结构的车辆，可采用其它材料来代替钢材，从而减轻车体重量。为研究轻质金属（如铝和镁）在动态载荷下对能量吸收量的影响，研究中使用了钢材强化箱梁的替代产品，并在动态条件下进行了45度角冲击试验和三点弯曲试验。对分别采用2.0mm铝制加强板和2.0mm镁制加强板制造的钢质箱梁（厚度为1.4 mm，压强为590 MPa）的能量吸收量和重量进行了比较（见图9）。组装箱梁时，仅采用耐冲击结构粘合剂，而未加入其它粘合剂。
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图9. 采用2.0 mm铝制加劲板和2.0 mm镁制加劲板的钢质箱梁（厚度为1.4 mm，压强为590 MPa）的能量吸收量和重量
若采用铝制加劲板，每根箱梁重量约可减轻18.5%，且能量吸收量下降10.7%。
结 论
本文中的信息主要强调了采用以化学基材为基础的结构材料（如：结构粘合剂和结构泡沫）作为一种策略手段对现今车体制造带来的益处。基于以AHSS为制造材料、质量优化后的车辆，若能取代钢制部件或减小其厚度，就可进一步减轻车体重量，并且还可在优化后，保持车辆的安全性/质量水平。结构泡沫和结构粘合剂的组合使用可发挥协同效应，更有利于减轻车体重量。由于所采用的以AHSS为材料的部件较薄或钢材质量较低，使冲压过程得以简化，从而降低了加工成本。
以化学基材为基础的结构材料的应用使异型材料用于车体结构带来了可能性。因此，钢板加强件/泡沫塑料载体可被塑料、铝材或镁材所取代。由于粘合剂固化后，具有电绝缘性能，因此将异型材料用于车体结构后所产生电偶腐蚀的危险性也减到最低程度。
综上所述，若使用以化学基材为基础的结构材料，就可采用具有创新性的工程设计方案，从而满足今后汽车生产要求。
参考文献
[1] Wallentowitz, H., Wohlecker, R., Johannaber, M.和Espig, M.《关于常规ICE车、混合动力车和燃料电池车在燃料经济性方面的重量弹性的测定》,德国亚琛汽车工程技术有限公司（Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen）车体部, 2007年6月
[2]动力为66~220KW的623个大众帕萨特车型数据平均值，引自
[3] Wallentowitz, H., Wohlecker, R.,和Henn, R.《通信模量减少》, 德国亚琛汽车工程技术有限公司（Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen）, 2006年11月
[4]《采用创新技术的SMC型车辆》, 2007年1月，引自
[5]国际钢铁协会：《高强度钢材粘接》
[6] Ishida, K., Fukahori, M., Hanakawa, K., Tanaka, H.,和Matsuda, K. 《利用结构泡沫塑料开发可提高车架强度的技术》, 文件编号2001-01-0313，美国汽车工程师协会（SAE）2001年国际年会
[7] Hornung, M., Doba, T., Agarwal, R., Butler, M.,和Lammerschop, O.《日本粘接学会杂志》,44, 258, 2008
