有效解决轻结构设计与安全性问题

　　BMW公司未来工作的一个重点是：能够用数学方法精确地表达材料在碰撞、振动和持久性方面的状况。BMW公司的材料专家们采用新型材料与制造工艺相结合的方法，成功地减轻了汽车底盘的重量，解决了轻结构设计与安全性之间的矛盾。

　　

　　从1970年到2000年，轿车的平均重量由1000kg增加到了1300kg，究其原因，首先是刚性的车架结构和不断增加的汽车附件，仅汽车附件的变化就增加了大约100kg的重量。据BMW公司称：其安全气囊的重量约为7.5kg，汽车空调设备的重量约为20kg，汽车动态稳定调节器的重量3kg，如果不将其他汽车零部件进行集成化设计，增加的重量还要大得多。

　　当然，不能孤立地对汽车的轻结构设计品头论足，必须将轻结构设计与汽车性能一起进行评价。例如结合汽车的功能性、舒适性、制造成本、回收再利用以及安全性等进行综合评价。然而在汽车底盘的设计制造中，轻结构设计非常受青睐，这不仅仅是因为它可以减轻汽车的重量，同时还因为它可以提高汽车的驾驶舒适性。

　　所有BMW汽车中均采用了轻合金结构底盘，例如，目前仍在生产的5系列轿车结构不断地使用铝合金材料，使其重量比老式5系列轿车的底盘减轻了大约50kg。同时，重量减轻后的汽车底盘仍然能满足所有的安全性能要求。

　　5系列轿车重量的减轻不能仅仅归功于使用的新材料——以铝代钢，还应归功于底盘零部件结构的重新设计，归功于不断提高的计算机模拟技术和计算机设计软件以及更好的材料性能和加工制造技术。

　　对汽车底盘的设计要求是：尽可能安全和轻便。底盘的零部件即使是在轻微的碰撞后也绝不会断裂或出现裂纹，它们在工作条件下的强度和承载能力原则上设计的很高。

　　钢和铝的材料复合

　　重量与安全的最佳组合只有在将材料和加工制造技术组合之后才能实现。在BMW公司的汽车底盘生产制造中也呈现出材料与制造工艺技术相组合的趋势。一般来讲，通过不断增加铝合金材料用量来达到不断减少钢材用量的目的。同时，高强度、高刚性、重量轻的优质钢零部件也是使用的热门材料。

　　到目前为止，5系列轿车的减重主要是通过内高压变形加工工艺技术来实现的。仅仅由锻件、铸件或者铝合金板材是无法制造出这样的汽车底盘的。这种被称之为IHU的内高压变形加工工艺与金属材料有着密切的关系：只有纵向焊接的铝合金管材才能在内高压变形加工中有着足够的强度。

　　另一个重要的问题是汽车底盘材料的耐腐蚀性问题。因为汽车底盘使用的金属材料一般不进行喷漆防锈处理，在进行底盘材料防腐蚀性能测试时，BMW集团将铝合金部件长期浸泡在有腐蚀性的海水中，以检测它们在长期遭受侵蚀的情况下的耐腐蚀性能。

　　由于铝管在内高压变形加工中能够柔韧地改变其形状，因此人们可以任意设计管材外形。其优点还包括具有很高的强度、较低的重量，除此以外，其壁厚公差也远远小于铸件的壁厚公差。

　　在新型的BMW7系列轿车中，也使用了大量的新材料，例如内高压变形加工技术、弧形管材焊接技术和型材焊接技术生产制造的管材，包括材料复合：钢和铝复合制造的车轮轮轴支架。在3系列轿车中，能够看到铝合金锻造的横拉杆和轮毂，在5系列轿车中，还会看到一种非常特殊的材料复合使用的情况：制动器中灰铸铁摩擦片带有铝质制动块。

　　

　　材料复合也提出了许多新的要求，例如：两种不同材料之间的连接以及不同材质零部件间连接的持久性和耐腐蚀性等。举例来说，BMW5系列轿车发动机与后桥变速器之间的传动轴由铝管制造，其轴端带有分度的齿形。出于强度要求的考虑，分度齿采用的是铝材与钢材复合而成的复合材料，但是这种材料复合所传递的扭矩受到一定的限制；在动力强劲的5系列轿车中，该位置上的传动轴采用的仍然是优质钢材。BMW公司采用摩擦焊对这些不同材质的零部件进行焊接。铝制工件在焊接时加热熔融，与钢质工件产生结合力很强的分子连接，然后对整个传动轴进行喷漆处理，使之与空气和水分隔绝。

　　新型底盘的CAD计算机设计和计算机模拟应具备什么先决条件？当新、老底盘零部件的尺寸差别不大时，只需要利用计算机算法语言将原来旧的尺寸数据转换成新的模式即可，同时，可以将整车的负载分配到各个部件、组件模型上去，并与老式结构的承载性能进行对比。

　　

　　对于全新设计的车型，BMW公司采用专门的检验样车进行对比。通过改变车轴、发动机和整车重量等参数来显示每一款BMW轿车的情况。新研制的车型在特殊设计的试车道上模仿各种可能的道路状况进行试车，以检验汽车的驾驶性能。车轴上各个测量点不断将检测到的数据，例如车轮承受的力和汽车的测向力等数据反馈给检测仪器。利用这种方法，BMW公司可以不经样车制造而快速地测试新车型。

　　多点实体模拟试验

　　根据计算和试验得到的数据，可以在可视化窗口中进行汽车的“多点实体模拟试验”。利用这种多点实体模拟试验，可以确定汽车新型驱动机构内零件的使用寿命，可以对这些零件的持久性能进行分析。在完成上述检测试验之后，才开始制造新车型零部件的样件以及在试验设备上进行检验。

　　传统的材料性能指标的表述，例如：抗拉强度或者断裂延伸率等等已经不能满足现代模拟计算的要求了，不能准确地描述材料在承受负荷时的状况。这些强度或者延伸率指标等仅是新型汽车用材料必须达到的最起码的标准。为了能利用计算机精确地计算出汽车零部件的使用寿命和碰撞后的状态，单坐标或者多坐标的计算数据以及负载传动速度都有着非常重要的意义。

　　BMW公司未来工作的一个重点是：材料性能的数学表达方式。只有当能够用数学方法精确地表达材料（首先是铝合金材料和钢材料）在碰撞、振动和持久性方面的状况时，才有坚实的模拟试验基础。