汽車輕量化及鎂鋁合金在汽車上的應用

孫瑞霞 楊碩

摘 要：汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。鎂鋁合金的材料特點及性能優(yōu)勢使其成為當今汽車輕量化的首選材料。本文主要闡述鎂鋁合金在汽車上的應用現(xiàn)狀及生產現(xiàn)狀，先進的制造工藝。

關鍵詞：汽車輕量化；鎂合金；鋁合金；現(xiàn)代汽車

1前言

隨著社會發(fā)展以及人們對高品質生活的追求，汽車已經成為了現(xiàn)代化物流以及提高生活質量的重要工具。而隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車產量和保有量也在逐年增加。自2000年以來，中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車的產量迅速增加。2009年，中國汽車產銷量已達1364萬輛，產銷量均躍居世界第一。工信部發(fā)布的2014年全年汽車工經濟運行情況數(shù)據(jù)顯示，去年我國累計生產汽車2372.29萬輛，同比增長7.3%，銷售汽車2349.19萬輛，同比增長6.9%，產銷量保持世界第一。2014年年末全國民15447萬輛（包括三輪汽車和低速貨車972萬輛），比上年末增長12.4%，其中私人汽車保有量12584萬輛，增長15.5%。雖然汽車給人們出行帶來了方便，但是同時帶來了油耗、安全和環(huán)保這3個大問題[1]。從可持續(xù)發(fā)展的要求出發(fā)，汽車輕量化技術的研究已經成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢[2]。

2 汽車輕量化材料的應用

2.1鋁合金在汽車上應用

隨著鋁合金在汽車上的使用量不斷增加，一位美國的資深汽車工程師David Scholes對車用鋁合金的發(fā)展曾預言：未來鋁合金可能應用到汽車上的每一個零件，并且質量完全可能輕過塑料[3][4]。目前，車身有很大一部分部件都使用鋁材如發(fā)動機、熱交換器、車輪以及車身等，鋁合金以其自身的特點使零部件達到很好的重效果。

鋁合金鋼鐵相比，具有質量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點，是應用在汽車上相當成熟的材料。目前的汽車鋁合金主要是鑄鋁、鍛鋁、鋁板。材料和鋁型材?？焖倌啼X合金粉末冶金鋁合金，新材料的開發(fā)，如超塑性鋁合金、鋁基復合材料和泡沫鋁材料鋁合金在汽車中的應用和發(fā)展前景將進一步擴大。在目前的汽車鋁合金中，鑄造鋁占最重要的部分，約占鋁合金汽車80%。主要用于汽車各部分發(fā)動機零件、殼體類零件和底盤上的其他零件。

鋁是地殼中分布最廣而且是儲存最多的金屬之一。它有著很多的優(yōu)良特性。它輕便，還有著很高比高剛度和比強度，是汽車實現(xiàn)輕量化必要的金屬材料。鋁價錢比較低，獲取比較容易?？赏ㄟ^家里加工成各種型材和零件。其主要用于制造汽車的車身面板，散熱系統(tǒng)及結構件和裝飾件。車身板件用鋁合金，可以減少車身重量增加車身抗撞擊能力，對駕駛員有良好的保護性能。

2.2鎂合金在汽車上的應用

鎂合金在汽車的應用的發(fā)展很迅速，鎂合金具有密度小，比強度高，抗沖擊性能好，耐腐蝕，良好的加工性能，成為汽車輕量化最理想的材料，全球的汽車行業(yè)越來越注重汽車的輕量化，鎂、鋁等合金的應用成為各汽車制造廠的首要目標。鎂是目前工業(yè)應用材料中最輕的一種金屬，鎂合金具有很高的比強度和比剛度，鎂資源豐富。鎂合金被公認為當今最有發(fā)展前景的汽車輕量化材料。1936年，大眾公司生產的“甲殼蟲”汽車，它的曲軸箱、傳動箱殼體采用了鎂合金。1982年，隨著鎂合金防腐蝕性能的提高和價格的降低，福特汽車公司再次將鎂合金用于離合器、變速箱、轉向性、制動系等零件上。

3汽車輕量化技術

3.1汽車輕量化技術概況

汽車輕量化技術可分為：結構設計、輕量化材料和制造工藝。其中，結構優(yōu)化設計方面包括：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和多學科設計優(yōu)化；輕質材料的應用包括：高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料；先進的制造工藝包括：液壓成型和激光焊接。

對比汽車質量的下降相比，汽車輕量化技術在不斷的發(fā)展，表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）輕質性材料的使用正在增加。鋁合金，鎂合金，鈦合金，高強度鋼，塑料，粉末冶金，生態(tài)性復合材料和陶瓷的應用也越來越多。

（2）零件的優(yōu)化不斷完善，如采用前輪驅動，高剛性結構和超輕懸掛結構實現(xiàn)輕量化目的。還開發(fā)了計算機輔助集成技術和結構分析技術。

（3）汽車的照明使得汽車制造業(yè)在成形方法和連接技術上不斷創(chuàng)新。

3.2液壓成型

液壓成型技術是典型的輕量化技術。相對于傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝，液壓成型可以減少12%的成本，15%的設備成本。目前采用計算機為主要的技術手段，建立液壓成形液的數(shù)學模型為中心，采用人機相互結合，進行汽車板料液壓成形的工藝技術的設計、計算、制造減壓、生產的過程，已經連成一個有機的整體，使汽車板料的液壓成形的工藝技術進入到推廣和綜合應用的新階段。

目前使用的液壓成形汽車零件主要包括：

（1）懸掛系統(tǒng)零件：如前后副車架、發(fā)動機支架，前后橋，驅動橋殼，保險杠，梯形臂，牽引桿，控制臂，水平安定桿、從動連桿、轉向柱等。

（2）身體結構部分：如屋頂橫梁，車頂縱梁，縱梁，擋風玻璃支架，后縱梁，門檻梁，在梁的后面。

（3）發(fā)動機系統(tǒng)部件：如進氣歧管、排氣歧管。軸、曲軸、三元催化轉換器，等等。

（4）支架，框架部件：如儀表板支架，散熱器支架，座椅框架等。

3.3熱處理強化

鎂鋁合金在鑄態(tài)下的力學性能不能滿足使用要求，通過人處理的方法可以提高零件的力學性能和應用性能。熱處理強化分為以下方面：

（1）加強鑄件的力學性能，提高其可塑性。

（2）減少由于鑄件不均勻、冷卻過快所產生的內應力。

（3）穩(wěn)定鑄件尺寸和性能，防止高溫的影響發(fā)生相變產生體積膨脹現(xiàn)象。

熱處理能改善鎂鋁合金的力學性能，主要方法是淬火。鋁合金以獲得時效強化的前提條件是其中一個或多個元素的固溶度隨溫度降低。

3.4優(yōu)化結構設計

隨著計算力學和計算機硬件的發(fā)展，美國通用汽車公司等汽車公司探討了將有限元法應用于汽車設計的可行性。自2000年以來，CAI在汽車零部件和車輛結構設計中得到了廣泛的應用?；贑AE分析的汽車結構優(yōu)化設計已被應用并逐步發(fā)展成為汽車輕量級的首選。

3.5制造工藝

汽車的環(huán)保、能源、安全是汽車發(fā)展的三大課題?，F(xiàn)代化的汽車正在向輕量化、高速、安全、低成本及低排放與節(jié)能的方向發(fā)展。鎂鋁合金的加工材料具有密度小、比強度高、抗沖擊性能好、耐腐蝕、良好的加工成型性，成為實現(xiàn)輕量化最理想的材料。

4 結語

隨著輕量化材料技術，包括生產工藝、裝配、連接、材料性能的不斷發(fā)展和成熟。未來汽車的輕量化必然成為各國科技發(fā)展的一大目標?；谖覈鴩椋囕p量化有很大的發(fā)展的前途。但是也存在不足之處，比如輕量化技術不純熟，不能達到行業(yè)日益增長的發(fā)展需要，而且鎂鋁合金的知道技術還不夠完善，不能完全發(fā)揮其效用。應該加強這方面技術的質量，以滿足發(fā)展需要。

[參考文獻]

[1]劉靜安.大力發(fā)展鋁合金零部件產業(yè)促進汽車工業(yè)的現(xiàn)代化進程 [J].鋁加工，2005，（ 3） ： 8 -17

[2]陳一龍.汽車輕量化技術發(fā)展狀況及展望 [J].汽車工藝與材料，2012，（ 1） ： 1-4.

[3]Binghan Lora J A.Materials odyssey [J].Automotive Industries，2000，（ 10） ： 83 - 89.

[4]范子杰，桂進良，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展.汽車安全與節(jié)能學報，2014 年， 第 5 卷第 1 期.

（作者單位：黃河交通學院，河南 焦作 454950）