鋁合金復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化中的運(yùn)用分析

郝斌斌

摘要：隨著人們生活水平和品質(zhì)的不斷提高，汽車(chē)功能日益完善，數(shù)量也在持續(xù)擴(kuò)大，但同時(shí)也在一定程度上帶來(lái)了能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。而在汽車(chē)輕量化中運(yùn)用鋁合金復(fù)合材料則能發(fā)揮良好的節(jié)能降耗作用。對(duì)此，筆者就鋁合金復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化中的運(yùn)用作了著重分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金復(fù)合材料；汽車(chē)輕量化；運(yùn)用

0 引言

汽車(chē)輕量化不僅是汽車(chē)行業(yè)立足的內(nèi)在需求，更是持續(xù)發(fā)展的必然選擇，因此當(dāng)下越來(lái)越多的企業(yè)將目光轉(zhuǎn)移至輕量化研究與創(chuàng)新中，其中鋁合金復(fù)合材料因易加工、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等顯著優(yōu)勢(shì)已在汽車(chē)輕量化中得以廣泛應(yīng)用，相信隨著科技的不斷發(fā)展，鋁合金復(fù)合材料將會(huì)有更大的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用市場(chǎng)。

1 發(fā)展汽車(chē)輕量化的現(xiàn)實(shí)意義

汽車(chē)的廣泛應(yīng)用既是現(xiàn)代化物流的重要工具，也是公眾追求高品質(zhì)生活的一種體現(xiàn)，而且近年來(lái)汽車(chē)產(chǎn)量和銷(xiāo)量一直在持續(xù)增加，雖然極大的方便了人們出行，推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時(shí)也存在一定的負(fù)面影響，特別是油耗和環(huán)保問(wèn)題。而汽車(chē)輕量化理念的推廣和實(shí)踐，不僅有助于節(jié)約油耗、減少排量、保護(hù)環(huán)境，而且對(duì)提升汽車(chē)行駛性能和安全性能也有所幫助。因?yàn)槠?chē)質(zhì)量與油耗關(guān)系密切，若汽車(chē)質(zhì)量降低，在節(jié)約油耗的同時(shí)也能減少二氧化碳以及氮化物、硫化物等物質(zhì)的排放，可見(jiàn)有利于改善環(huán)境質(zhì)量，而且事實(shí)證明，汽車(chē)質(zhì)量的減輕還可以減少汽車(chē)加速時(shí)間，降低動(dòng)力及其傳動(dòng)負(fù)荷，在較低的牽引負(fù)荷狀態(tài)下汽車(chē)能夠展現(xiàn)同樣甚至更好的性能[1]。故輕量化是汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)選擇。

2 鋁合金復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)所在

而在汽車(chē)輕量化中強(qiáng)調(diào)運(yùn)用鋁合金復(fù)合材料，與其自身特點(diǎn)有很大關(guān)系。具體而言，鋁合金復(fù)合材料是一種生命力強(qiáng)大的材料，不僅密度低、尺寸穩(wěn)定、強(qiáng)度較高，而且耐磨性好、抗斷抗疲勞，還具有良好的塑性與模量等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中鍛造鋁合金材料優(yōu)勢(shì)更為突出，即表面光、潔熱鍛不氧化，加工余量小、無(wú)缺陷，強(qiáng)大的剛度可與合金鋼相媲美等，經(jīng)高強(qiáng)度熱處理后的鋁鍛件在汽車(chē)輕量化中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。如豐田公司曾在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞制備中使用鋁合金復(fù)合材料，較之鑄鐵活塞不僅質(zhì)量減輕了5%-10%，還提高了4倍左右的導(dǎo)熱性[2]。雖然如此，但在我國(guó)汽車(chē)輕量化發(fā)展中，鋁合金復(fù)合材料尚未得到有效推廣，畢竟鋁材成本較高，既需要大量的研發(fā)費(fèi)用和維修成本，在深沖、彈性模量等部分力學(xué)性能方面還有待改善，致使其使用效果和應(yīng)用范圍難以達(dá)到預(yù)期效果。

3 鋁合金復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化中的運(yùn)用

3.1 在車(chē)身中的運(yùn)用

在汽車(chē)質(zhì)量中車(chē)身質(zhì)量約占30% ，而且70%左右的油耗是用于承載車(chē)身質(zhì)量的，可見(jiàn)將鋁合金復(fù)合材料運(yùn)用至汽車(chē)車(chē)身制造中十分必要，或者說(shuō)勢(shì)在必行。如早在90年代初世界第一輛全鋁車(chē)身框架轎車(chē)-奧迪A8第1代便誕生了，奧迪公司通過(guò)采用ASF車(chē)身結(jié)構(gòu)，其以鋁板元件為架構(gòu)支撐，且基于所承擔(dān)的任務(wù)采用不同形狀和橫截面積的元件，在保證低質(zhì)量基礎(chǔ)上獲得最佳功能，具體可從車(chē)身構(gòu)造中的A、B、C柱內(nèi)部發(fā)現(xiàn)，不僅減輕了40%左右的質(zhì)量，使得油耗和排放得以大幅降低，而且抗扭轉(zhuǎn)剛度的提高可在一定程度上改變碰撞后的吸能路徑，有助于最大限度的保護(hù)乘員，故整車(chē)的安全性能得到了明顯改善[3]。發(fā)展至今，奧迪A8整車(chē)質(zhì)量和輕量化結(jié)構(gòu)系數(shù)分別達(dá)到了250kg和1.5，可以說(shuō)是汽車(chē)輕量化的一大重要成果。

再如Ford·P2000基于沖壓焊接制造的鋁制車(chē)身骨架，結(jié)合使用現(xiàn)有鋼板加工工藝，使得自車(chē)身質(zhì)量低至135.6kg，整車(chē)質(zhì)量和百公里油耗分別減少了32.8%和22.8%，由此可知，鋁合金復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)身輕量化中的合理運(yùn)用發(fā)揮了良好的節(jié)能降耗效果，值得進(jìn)一步研究和推廣。

3.2 在發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用

發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)質(zhì)量中的比例約為20-30%，顯然運(yùn)用鋁合金復(fù)合材料意義重大。目前最常見(jiàn)的是缸體缸蓋、活塞、曲軸箱、油底殼以及連桿等部位，在此就活塞和缸體缸蓋作重點(diǎn)分析。隨著汽車(chē)制造工藝和性能要求的不斷提高，越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)車(chē)活塞采用了鑄鋁合金材料，這是因?yàn)樽魍鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的活塞需要借助減重降低慣性，達(dá)到降低曲軸配重提高工作效率的目的，且要求具有小的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，并在350℃環(huán)境下能夠發(fā)揮良好的力學(xué)性能，而鑄鋁合金不僅能夠滿足上述要求，而且輕質(zhì)密度低，有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和振以及油耗，故得以應(yīng)用于活塞及連桿中[4]。再者發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋在導(dǎo)熱性、抗腐蝕性等方面對(duì)材料的要求極高，故運(yùn)用性能優(yōu)良的鋁合金復(fù)合材料也是必然的，當(dāng)下很多國(guó)外汽車(chē)公司紛紛制備了全鋁型缸體缸蓋，如日產(chǎn)VQ、凌志IMZ-FEV6等型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼采用的便是鑄造鋁合金復(fù)合材料，但從樣本機(jī)看，與傳統(tǒng)材料相比其質(zhì)量降低了20%左右。

3.3 在底盤(pán)中的運(yùn)用

其實(shí)在汽車(chē)輕量化實(shí)踐過(guò)程中，底板系統(tǒng)不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且潛力較大。對(duì)于懸掛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，鋁合金復(fù)合材料是替代鋼鐵的首選材料，如福特公司經(jīng)使用鋁合金制動(dòng)盤(pán)取代原鑄鐵盤(pán)，雖然成本有所增加，可是降低了2/3的質(zhì)量，并提高了2倍的使用壽命；Neod Lite 車(chē)底盤(pán)在運(yùn)用鋁合金零部件后，使得轉(zhuǎn)向機(jī)殼、萬(wàn)向節(jié)、下控制臂、轉(zhuǎn)向軸以及后制動(dòng)轂等質(zhì)量均有所降低，顯然符合輕量化要求；此外克爾維特與凱迪拉克等車(chē)輛經(jīng)采用鋁合金復(fù)合材料制備的零部件也取得了良好的效果。

3.4 在車(chē)輪中的運(yùn)用

對(duì)于汽車(chē)車(chē)輪質(zhì)量而言，輪轂質(zhì)量占到了70%的比例，試驗(yàn)表明，如果每減輕1kg的輪轂質(zhì)量，在同樣耗費(fèi)1L汽油的情況下汽車(chē)行使距離可增加800m，或者說(shuō)在節(jié)約1L油量的情況下，則有2.5kg的碳無(wú)法得到排放，所以輪轂輕量化既便于普及，也有著較高的鋁化率和節(jié)能環(huán)保功效。同時(shí)運(yùn)用鋁合金復(fù)合材料的輪轂還可發(fā)揮良好的減震、抗腐蝕、散熱作用，且經(jīng)久耐用、容易制造，對(duì)于改善汽車(chē)安全性和舒適性意義重大。預(yù)計(jì)在日后的發(fā)展中，鋁合金輪轂在我國(guó)的需求量會(huì)飛速增長(zhǎng)，故有著廣闊的發(fā)展空間。

3.5 發(fā)展要點(diǎn)分析

由上可知，在汽車(chē)輕量化中的運(yùn)用鋁合金復(fù)合材料已經(jīng)取得了不小的成績(jī)，而且隨著鋁合金復(fù)合材料種類(lèi)的豐富、生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和綜合性能的提高，其會(huì)展現(xiàn)出越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)和影響。但縱觀我國(guó)市場(chǎng)，其尚未得到有效普及，究其原因與高成本有很大關(guān)系。這就要求我們充分認(rèn)識(shí)鋁合金復(fù)合材料作為一種相對(duì)成熟的輕量化材料，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、提高汽車(chē)安全性能有著至關(guān)重要的影響，而且鋁資源豐富、供應(yīng)充足、回收價(jià)值率高，完全能夠適應(yīng)汽車(chē)輕量化發(fā)展形勢(shì)，因此政府和相關(guān)部門(mén)應(yīng)立足長(zhǎng)遠(yuǎn)視角予以政策鼓勵(lì)和科研支持，聯(lián)合汽車(chē)行業(yè)成立研發(fā)機(jī)構(gòu)，加快鋁合金復(fù)合材料創(chuàng)新和應(yīng)用，注重新合金、新工藝、高性能研發(fā)，并適當(dāng)提高鋁合金性價(jià)比，以此推動(dòng)我國(guó)鋁合金復(fù)合材料能夠順利推廣，更好的運(yùn)用于汽車(chē)輕量化發(fā)展之中。

4 結(jié)束語(yǔ)：

總之，無(wú)論是站在節(jié)能環(huán)保的視角，還是縱觀汽車(chē)行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，輕量化已是大勢(shì)所趨，不容置疑，而其能否順利達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于鋁合金復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)。這就要求我們進(jìn)一步加強(qiáng)材料研究和技術(shù)創(chuàng)新，盡快提升鋁合金復(fù)合材料工藝技術(shù)，以期使其更好的服務(wù)于汽車(chē)輕量化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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