鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用及重卡輕量化實例

陳文博 牛潤澤 潘星 許幫柱 王晨 任沖

摘 要：汽車輕量化可有效地節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，提升車輛的行駛性能與安全性能。文章綜述了汽車用鋁合金材料的性能特點及在汽車輕量化制造中的應(yīng)用范圍。以重卡行業(yè)汽車零部件輕量化的實例進行引入，對鋁合金實際使用情況進行介紹。

關(guān)鍵詞：鋁合金;汽車輕量化;零部件

中圖分類號：TU512.4 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-49-03

Abstarct： Automobile lightweight can effectively save energy， reduce environmental pollution， and improve the driving and safety performance of vehicles. This paper mainly introduces the performance characteristics of automotive aluminum alloy materials and its application scope in automobile lightweight manufacturing. The practical application of aluminum alloy is introduced with the example of automobile parts lightweight in heavy truck industry.

Keywords： Aluminum alloy; Llightweight automobile; Parts

CLC NO.： TU512.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-49-03

引言

汽車輕量化已成為汽車行業(yè)進行市場競爭的重要途徑。本文以鋁合金輕量化為途徑，立足于汽車行業(yè)，簡述不同性能鋁合金的應(yīng)用及實例。

1 鋁合金在汽車工業(yè)中的優(yōu)勢

鋁元素是地殼中含量最多的金屬元素，具有質(zhì)量輕、塑性及耐蝕性好，從加工成本、機械性能、利用率、制造技術(shù)、產(chǎn)品表面性能等方面均具有明顯的優(yōu)越性。

1.1 節(jié)能與環(huán)保優(yōu)勢

經(jīng)過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，整車的質(zhì)量與汽車的油耗之間存在密切關(guān)系。各方觀點認為，汽車行業(yè)對于環(huán)境改善影響較大。VOCs很大程度來自于汽車尾氣，而據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會的研究顯示，汽車每輕量化10%，尾氣排放降低5-6%。據(jù)資料介紹，汽車減輕1Kg自重，每行駛10000Km，可以降低耗油0.7L[1]。

隨著汽車保有量的增加和人們環(huán)保意識的增強，汽車尾氣排放和報廢汽車的處理已成為社會所關(guān)注的問題?？茖W(xué)表明，汽車重量越輕，節(jié)油效果越明顯，汽車廢氣排放就會越少，對環(huán)境的影響越小。同時，鋁制品具有較高的重復(fù)使用率，可以達到80%左右，優(yōu)越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的重要地位。

1.2 汽車行駛性能及安全性能的提高

隨著人們生活水平的提升，在汽車駕駛中對高速、舒適、安全等方面的要求也逐漸提高。在汽車減輕重量后，車身重心降低，汽車行駛更加穩(wěn)定、舒適，轉(zhuǎn)動和震動部件的噪音明顯降低。由于鋁合金的性能和車身構(gòu)造可以充分吸收撞擊時所產(chǎn)生的能量，降低了對汽車的損害，因而更加安全;同時可以降低動力和動力傳動系統(tǒng)的負荷，使汽車在較低的牽引負荷狀態(tài)下表現(xiàn)出原有的或更好的性能[2]。

2 鋁合金在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 鑄造鋁合金

鑄造鋁合金在汽車上的使用量最大，占所有鋁質(zhì)產(chǎn)品的77%左右，大部分汽車生產(chǎn)中都會用到此工藝。鋁合金鑄造工藝中主要包括了重力鑄造、低壓鑄造、精密鑄造、壓鑄等多種工藝類型，以上加工工藝基本具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、易于大批量生產(chǎn)等特點。近幾年，隨著汽車輕量化發(fā)展的更高要求，鑄造鋁合金的加工工藝已開始從重力鑄造和低壓鑄造等向沖壓與旋壓加工方法轉(zhuǎn)變。

鑄造鋁合金主要用于制造發(fā)動機氣缸體、變速器、離合器殼體、搖臂、油缸、制動鉗、制動盤及輪轂等汽車構(gòu)件。其中，鋁合金具有較好的導(dǎo)熱性和抗腐蝕性，符合了汽車發(fā)動機氣缸蓋、氣缸體對材料性能的要求;輪轂用鋁合金憑借其尺寸精度高、高強度、散熱性能良好、質(zhì)量較輕、能夠減少橫向和縱向的振動等特點提高了自身使用率。汽車采用鋁合金輪轂減重效果明顯，輕型車與中型車使用的鋁合金輪轂比傳統(tǒng)鋼質(zhì)輪轂輕30-40%。美國一家公司曾用分離旋壓法制出的整體板材車輪，比鋼板沖壓車輪重量減輕50%左右，相同外徑尺寸的輪轂使用鋁合金輪轂抗壓強度還有所提高，此種方法制造的輪轂不需要組裝作業(yè)，適宜大批量生產(chǎn)[3]。

2.2 變形鋁合金

變形鋁合金擁有組織致密、成分性能均勻、強度高、塑性好、比強度大、批產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定等特點，按是否可以熱處理分強化為可熱處理強化鋁合金及不可熱處理強化鋁合金?？蔁崽幚韽娀X合金包括AL-Cu系合金、AL-Mg-Si系合金、AL-Zn-Mg系合金、AL-其它元素合金;不可熱處理強化鋁合金包括純鋁系合金、AL-Mn系合金、AL-Si系合金、AL-Mg系合金。

變形鋁合金在汽車上主要用于制造車門、熱交換器、防抱死制動系統(tǒng)、保險杠、行李箱、座位、發(fā)動機罩、輪轂罩、消聲罩、制動器總成的保護罩等結(jié)構(gòu)件及裝飾件。其中，變形鋁合金廣泛用于生產(chǎn)汽車的結(jié)構(gòu)件及懸掛件，因其能有效減輕相應(yīng)部件的質(zhì)量;鋁質(zhì)熱交換器的重量比銅質(zhì)熱交換器降低了37%-45%，對于散熱器鋁化率美國達到了60%-70%以上，而歐洲已經(jīng)達到了90%-100%[4]。

2.3 半固態(tài)成型工藝

半固態(tài)成型技術(shù)起源于上世紀，該工藝屬于鋁合金成型工藝中比較先進的一種，鋁合金產(chǎn)品在成型前漿液呈固液共存狀態(tài)，此種狀態(tài)有利于保證鋁合金充型時能夠平穩(wěn)的填充型腔。半固態(tài)成型工藝憑借其能有效的防止鑄造缺陷的產(chǎn)生、提升零部件力學(xué)性能、提高零部件尺寸精度、延長模具使用壽命等優(yōu)勢，在各國汽車生產(chǎn)制造中均得到了重視。

2.4 泡沫鋁材

泡沫鋁材是一種在金屬基體中分布有無數(shù)氣泡的多孔材料。這種材料的質(zhì)量更輕、強重比更高，并且具有高的吸能特性、阻尼特性和吸振特性;將泡沫鋁填充于兩個高強度外板之間制成的三明治板材，可用于保險杠、縱梁和一些支撐零件上時，可以增加撞擊吸能的能力，在輕量化的同時，提高了撞擊安全性[5]。

2.5 鋁基復(fù)合材料

近年來，鋁基復(fù)合材料由于具有高比強度、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、良好的耐磨、尺寸穩(wěn)定性及耐疲勞性等優(yōu)良的力學(xué)性能及物理性能，而受到汽車行業(yè)的重視。日本已經(jīng)開發(fā)出鋁基復(fù)合材料的發(fā)動機活塞，連桿等產(chǎn)品。

我國東南大學(xué)研制了陶瓷纖維增強鋁基復(fù)合材料活塞，已經(jīng)應(yīng)用于汽車發(fā)動機，大馬力柴油機上，活塞壽命提高了3-5倍，發(fā)動機功率也明顯提高，汽車油耗及尾氣排放大大減少;與普通鋁合金相比，這種陶瓷纖維增強鋁基復(fù)合材料的高溫抗拉強度提高了20～40%，線膨脹系數(shù)降低了20%[6]。

3 鋁合金在重卡零部件中的應(yīng)用

鑄造鋁合金應(yīng)用范圍廣泛，公司產(chǎn)品中的鋁端蓋、腳踏板、遙桿支撐塊等結(jié)構(gòu)件以及受力單一產(chǎn)品已選用重力鑄造方式進行加工;臥鋪支撐座、固定支座等受力復(fù)雜的產(chǎn)品通過壓鑄成型加工。變形鋁合金在公司產(chǎn)品中的應(yīng)用考慮了產(chǎn)品重量、成型方式、模具費用等情況。以墊塊產(chǎn)品為例，在相同工況下，產(chǎn)品產(chǎn)生的位移及所受應(yīng)力情況如圖1所示：

通過分析比對，產(chǎn)品使用鋁合金材質(zhì)不僅實現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化，而且增強了產(chǎn)品使用性能，提高了產(chǎn)品安全系數(shù)。

新成型工藝及復(fù)合材料的使用在汽車輕量化過程中十分重要。其中，半固態(tài)成型技術(shù)所成型的產(chǎn)品具有優(yōu)異的力學(xué)性能，氣密性好，尺寸精度高，少、無切削量等特點。公司將其應(yīng)用于前、后懸支座，過渡支架，換擋支座等受力情況復(fù)雜的產(chǎn)品。以操縱系統(tǒng)支座為例：

經(jīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鋁合金材料研究及新型工藝的應(yīng)用，換擋支架的應(yīng)力、變形量大幅減小，安全系數(shù)提升2倍，降重比達到60%左右。

4 汽車工業(yè)中鋁合金的應(yīng)用前景

隨著能源問題、環(huán)保問題的日益突出，人民安全意識的不斷提高，汽車輕量化已成必然趨勢。經(jīng)過多種輕量化材料的研究、試用，鋁合金以力學(xué)性能優(yōu)良，價格便宜，加工方法多樣等優(yōu)勢成為汽車輕量化的主要選材。做為汽車零部件制造企業(yè)，鋁合金輕量化已拉開帷幕，鋁合金汽車零部件的普及不會太遠。未來汽車制造中的鋼質(zhì)零部件，隨著鋁合金加工工藝的拓新，將大面積以鋁質(zhì)產(chǎn)品的形式出現(xiàn)在大眾視野。

參考文獻

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[2] 張屹林，王洪民，王海濤，趙士博.汽車輕量化與鋁合金[J].內(nèi)燃機配件，2004，（05）：37-40.

[3] 鄭暉，趙曦雅.汽車輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2016，41（02）：1-6.

[4] 張志民，栗新.鋁合金材料在現(xiàn)代汽車輕量化制造技術(shù)中的應(yīng)用[J].專用汽車，2001，（7）：40-42.

[5] 馬鳴圖，李志剛，易紅亮，等.汽車輕量化及鋁合金的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2006，（10）：10-14.

[6] 鋼聯(lián)資訊.鋁基復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用[DB/OL].我的鋼鐵，2016.