99% 的人都不知道,“刚”和“强”是两码事?

人气:970 ℃/2024-05-18 02:43:41

文 | HOO

新款 XXX(某车型)大量采用高强度钢,抗扭刚性提高了 xx%,保证了出色的碰撞安全性。

这样的描述不知出现在多少车评文稿中,成了稀松平常、司空见惯、标准话术式的谬误。当专业车评人都没几个分得清强和刚——甚至可能压根不知道这俩词儿居然还要区分,那么大概很少有消费者知道: 强度和刚度 ,是完全独立分开的两码事。

其实真没多复杂。要弄清这两者的差别,以及它们各自决定了啥,并不需要你的高中物理必须及格。

车身,或者说白车身(BIW,body in white),堪称一辆车身上最没存在感、最被忽视、但也最被低估的子系统,在今天这个智能风甚嚣尘上的时代尤甚。或许大部分人从未意识到:汽车的铁壳子 ,居然也是一个技术密集型的玩意儿。

要知道特斯拉那个拉风的一体式铸铝后车身,可不仅是提效降本那么简单。

评价一具车身结构的度量衡有很多,最常见的是强度和刚度。首先你已经知道了,强度不等于刚度,两位各过各的。其中真正与碰撞安全有关系的,是强度而非刚度。一切混用刚与强 ,或是用刚度去论证安全性能的,无一例外,可以直接宣判对车身的了解程度为零。

所谓刚度 ,指的是车身结构抵御弹性形变的能力;而强度 ,则是对变形断裂损毁的抵御能力。大白话讲,当车身受到外力作用时,如果外力消失后车身能自行复原,这时考验的是刚度 ;如果外力消失后车身已经歪瓜裂枣,那么考验的就是强度了。

刚度和强度之间,几乎没有必然或直接的关联。日常生活中,就有强度高而刚度低的例子,比如橡皮擦,你毫不费力就能让它扭曲,但想掰断它却很困难;当然也有刚度高而强度低的例子,比如玻璃,你想让它发生形变要使出吃奶力,但轻轻摔到地上就足以令它粉身碎骨。

刚度是容易被量化的,你肯定听过某某车型抗扭刚度 xxxx N · m/deg(牛 · 米 / 度) 这样的话术。如何理解刚度?汽车并非一块铁坨坨,车身是一个巨大的空心框架,即便是正常行驶过程中,也会因为受到外力作用,而发生一些肉眼不易察觉、外力消失可自动复原的形变。抵御这种形变的能力,即车身的刚度。

像抗扭刚度的单位,比如 1000 牛 · 米 / 度,意味着在标准约束点每施以 1000 牛 · 米的扭曲力矩,才会让整个车身发生 1 度的扭转。车身测试中常用的方法有抗弯刚度和抗扭刚度,其中又数后者最具代表意义。

车身刚度的高低,会直接影响到车身共振频率,影响车辆 NVH 表现,甚至在一些极端情况下,还可能影响车辆的极限操控性能和越野通过性能。

另一边,真正影响碰撞安全的,是车身结构的强度——请把重音落在结构二字。

结构强度是不容易被量化的,能被量化的是材料强度(多少多少兆帕)。结构的强度,要和材料的强度分开看。车企都很喜欢强调自己使用的钢材,是高强度钢 、还是超高强度钢 、强度达到了多少多少兆帕(MPa)等等。这些都是在描述材料强度,但你最好心里明白:材料强度 ≠ 结构强度。

道理也很简单,人体头发的抗拉强度能达到 260MPa,已经达到了车用高强钢的屈服强度,但你不会真觉得自己头发比车用钢坚固。材料强度仅仅是一个基础变量,除此之外,部件的结构设计、物理尺寸、(上升到整车层面后)部件与部件的连接,共同决定着部件 / 整车的结构强度。

好比用砖砌墙,用上了最好的砖,不代表最后砌出最结实的墙;把墙码得更厚、用粘性更强的水泥、上钢筋加固,都可以让更差的砖砌出更好的墙。而真正决定房屋质量和人命安全的,是墙整体的强度,而不是单块砖的强度。

红色铸铝,紫色超高强度钢

刚度和强度不仅不能划等号,在某些时候,二者间还需要权衡。

比如我们耳朵听出茧子的超高强度钢 ,对于车身强度基本百利无一害,但对于刚度却未必。因为碰撞法规既定,车企对于整车碰撞时的车身强度是有一定标准的。那么如果使用更高强度的钢材,比如从高强度到超高强度,在整车强度标准不变的情况下,在减重的大趋势下,几乎必定会使用厚度更薄的超高强度钢。

但决定刚度的变量只有两个:材料的弹性模量、厚度与横截面积。其中,弹性模量几乎只取决于材料的材质。强度高低的不同钢材,弹性模量的差别却很小,只要同为钢材,刚度就只与厚度 / 截面积有关。这样一来,就可能出现超高强度钢材用得更多,车身刚度反而下降的现象,进而引发为了安全和减重,而影响到整车 NVH 表现的尴尬。

特斯拉 Model Y 铸铝后车身的加强结构

所以千万不要听到大比例的高强度、超高强度钢,就觉得高高宜善 、尽是好处没坏处,车身材质的复合化才是大势所趋。高端车、高性能车大量使用铝材和碳纤维,奥妙也在于此。铝材的弹性模量只有钢的 1/3,然而因为铝比钢轻得多,并且铸铝可以自由设置加强结构,于是当使用了铝材,可以灵活地在关键部位增加厚度,最终在减重的同时还能够保证 / 提高刚度。

这么说来,解决问题的办法倒也简单。要么动用钞能力,在不同的位置用适当的(昂贵)材料,超高强度钢、铝尤其是铸铝、碳纤维都往上招呼,同时还要为不同材料之间的连接(钢铝不能焊接),做工艺与流程上的(昂贵)准备,最后产线一响、黄金万两。

要么把车做小把空间做小,更小的车身意味着重量更低、减重压力更小,更小的空间需求允许使用更厚的材料来增加截面积提高刚度,以空间为代价在有限成本下换取性能。

只不过,在同等价位下把车做小、把空间做小,本质上也可以看作是另一种表现形式的,钞能力。

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