新材料与工艺手册

[车身轻量化] 国外汽车车体轻量化研发进展

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发表于 2019-12-25 08:16:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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(1.中国航发哈尔滨东安发动机有限公司,黑龙江 哈尔滨 150060;2.中国有色金属加工工业协会,北京 100814)
摘要:随着全球对节能和环保的关注,多个国家政府制定出节能减排的相关政策,汽车制造厂在加快车体轻量化的进度。介绍了国外九大汽车制造企业在乘人车车体轻量化方面的研发进展以及未来目标。
关键词:汽车车体;钢结构;铝结构;混合材料结构
1 概述

随着全球能源价格上涨与能源短缺,以及人们对环保的关注与要求日益严格,各国政府与组织为减少汽车尾气排放对环境的影响,出台种种政策、法规、标准与条例。国外的研究表明,乘人车(car)在城市标准道路上行驶时,油耗的85%左右为其自身质量所消耗;整车质量减轻10%,可节油6%~8%;汽车质量每减轻100 kg,可减少油耗0.3 L/100 km~0.6 L/100 km,温室气体(CO2)排放降低约5 g/km。汽车轻量化不是选择而是必须做的事,是政府与企业必须做的事。汽车轻量化途径不外乎两条:一是改变设计,二是更换材料。现在看来,改变设计的潜力不是没有,还有,但是潜力很少;最有潜力的是更换材料,采用密度比钢与铸铁密度小的材料如铝、镁、复合材料等。但当前性价比最高的是铝,所以当前都在以铝代钢上下功夫,当然也在研发以镁代钢与代铝,但不是主流。例如,以铝合金取代低碳钢制造车体钣金件可使质量减轻50%;用1 1b(1b=0.454 kg)挤压铝合金型材可取代2 1b钢,可节约11.7 L原油(crude oil);铝合金车体结构的强度在与钢结构的相等或更高时,吸收撞击能的能力比钢结构的大1倍余,因而安全性大为提高。

据国外有关研究表明,2020年乘人车(轿车、多用途汽车MPV、多用途跑车SUV)发动机罩盖铝化率可大于70%,其他覆盖件铝化率也会有较大提高,预计2020年欧盟、北美、日本汽车车体铝合金薄板需求量可达1 000 kt。杜克公司(Duker)的分析认为,2020年北美大量采用全铝车体的可能性不会大于15%,部分采用铝合金车体的可达60%。由此可见,在2015年~2020年期间,在制造乘人车时大部分汽车公司的主流车体结构采用混合材料结构,即有钢、铝、镁、复合材料,甚至还有一些原车设备制造厂(OEM)原来着力开发全铝车,现在调头设计生产混合材料车。希望国内有关厂家、单位与组织、人士对这一点不妨关注一下。

杜克公司预测2025年北美生产的新型客货两用车有75%将使用铝车体。由以上的介绍可知,乘人小车车体结构的全铝轻量化有两条路线:一条为一步法,将钢结构一次全部变为铝结构;另一条为二步法,先将钢结构先变为混合材料结构,再变为全铝结构(参见图1)。汽车企业可根据各自情况选择适合自己的轻量化路线:

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[size=0.8em]图1 汽车车体铝化路线示意图
Fig.1 Aluminized steps of auto body

2 国外主要汽车公司在车体轻量化方面的研发

2.1 福特汽车公司

福特汽车公司(Ford Motor Company)是世界上成立最早的汽车制造的企业,也很可能是2025年以前汽车用铝最多的企业。美国法律规定2025年汽车的平均目标油耗为23.17 km/L(54.5 miles per gallon),为了达到此目标,各汽车制造厂都在想方设法多用铝,减轻车的自身质量。福特公司的F-150车是美国销量最好的汽车之一,因为它有高的燃油经济性、坚固性、安全性、价格合理。同时它于2016年4月获得美国公路安全学会颁发的一级安全保险证,获此顶级殊荣的汽车仅F-150系列车。获此证后F-150型车的销量猛增,一年之内上升13%,相当于7万辆。于是该公司汽车的铝化就从F-150系列开始,改制成全铝皮卡车。

决定改变为全铝车的关键因素之一是,公司掌握了可将冲制铝合金钣金件的全部边角废料循环使用的技术,降低了生产成本,每辆全铝车的售价仅比过去钢车的贵150美元。废料回收工厂为美国铝业公司(Alcoa)及诺贝丽斯铝业公司(Novelis)在密苏里州迪尔伯恩市(Dearborn,MI)的工厂,每个月回收的冲压废料为9 072 t,比3万辆F-150汽车的车身质量还多一些。

铝在F-150型皮卡车上的卓越成功应用,大大提升了福特公司扩大铝应用的信心,决定2017年版重型皮卡车F-350、F-450、F-550改为全铝车,它们是超级功能车(Super Duty),是为商业运输设计制造的,可以装更多与更重的货物(参见图2)。这种超级功能皮卡车铝底盘-驾驶室总成(chassis cab)比钢制的轻159 kg。由于这种新F-系列车铝底盘-驾驶室总成的采用,需相应地提高其他零部件的强度,包括大大提高了驾驶室下的箱形框架强度,为了生产全铝超级F-系列皮卡车,正投资13亿美元在福特公司肯塔基州货车厂(Truck Plant)建设新的生产线。

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[size=0.8em]图2 福特公司设计用铝制造的超级皮卡车驾驶室底盘
Fig.2 Cabin chassis of a super PickUp to be made of aluminum by Ford

2.2 美洲虎兰德·罗孚汽车公司

多年来美洲虎汽车公司(Jaguar Land Rover,JLR)不遗余力地研发铝在汽车中的应用,成为这方面在全球的领跑者,2003年推出了铝车体的XJ型高级轿车;2013年,首台全铝多用途跑车(SUV)Range Rover面世;同年,公司首次生产低成本大容量汽车,这仅是其中的几款车型。2015年晚些时候,美洲虎汽车公司对外宣称,2016年将全面加大铝在汽车中的用量,不但包括既有的XF型、XJ型和F-TYPE型车,而且还有两款新型车:F-PACE车,它是首款中型豪华多用途跑车;XE型车,是一种铝密集型的紧凑式运动型轿车。

全新的F-PACE及XE型汽车采用了JLR公司的新型模块式结构,是用高强度6×××系铝合金制造的。车体侧边为一根挤压成形的复杂断面铝合金整体型材,从而可使覆盖件板材厚度由1.5 mm减薄至1.1 mm。新的铝合金模块结构用的RC5754铝合金,是JLR公司、诺贝丽斯公司(Novelis)、创新(英国)公司(Innovate UK)、其他工业部门、高等院校、基金会等的研发成果,用自攻铆钉(self-piercing rivet)、粘接、点焊等将零件连接成模块。F-PACE车也是一种全新的面孔,复合材料背门(tailgate)、镁合金横梁(cross-car beam)、前端托架底盘(front-end carrier)也是用镁合金制的,后地板(rear floor)则是用高强度钢制的。

美洲虎兰德·罗孚汽车公司是一家英国公司,所生产的F-PACE及XE两款车将以2017版汽车登陆北美市场,参见图3。

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[size=0.8em]图3 以铝合金为主的模块结构2017年版的 美洲虎F-PACE(上)及XE(下)车
Fig.3 Module structure of 2017-edition Jaguar F-PACE (up) and XE (down) mainly made of aluminum alloy

2.3 通用汽车公司

根据通用汽车公司(General Motor,GM)的战略发展计划,将致力开发公司创新的混合材料(钢与铝合金冲压件、铸件、挤压件)车体结构。虽然新的2016卡迪拉克(Cadillac)CT6是一款铝密集型车,但仍是一款混合材料车体车。铝材零部件质量占车体用材的62%,其外板与车体下结构是铝的,用13大气压压铸件将铝合金薄板与挤压材件连接起来。为了提升强度和更加安全起见,还用了一些钢制零件。此外,在车的后部加了高强度铝合金保险杠,而前部及侧面的保险杠则是钢的。这种混合材料设计,使公司在生产更大一些车的同时,使车的总质量比原来钢结构车的下降了90 kg。

CT6汽车结构是用通用汽车公司开发的先进工艺连接的,如专利铝点焊技术,不但可以减轻结构质量,而且强度和效率都有提高和改进。采用的其他连接工艺有:激光焊,液流打孔紧固件(flow drill fastener),自攻铆接,铝弧焊,钢点焊,先进的粘接结构长度达183 m。

在生产CT6汽车时,通用汽车公司还采用了取得专利的钢-铝点焊新工艺,不用铆接,将铝支架连接到座椅钢框架上。此工艺应用一种特殊设计的脊棱电极作为焊枪触点。在这方面已拥有19个专利,有硬件方面的;也有控制工艺过程的软件专利。

据称,CT6卡迪拉克结构是通用汽车公司最先进车体系统,主要得益于连接工艺,使得它具有最高的扭转刚度,是一款达到了最有质量效率的车。通用公司决定投资3亿美元在密歇根州底特律-哈姆特拉姆克组装厂(Detroit-Hamtramck Assembly plant)建一些将此工艺转化为生产力的工艺线。诺贝丽斯铝业公司加拿大金斯顿(Kingston)轧制厂向该厂提供ABS(汽车车体薄铝合金板)。

通用汽车公司除投巨资改扩建底特律-哈姆特拉姆克组装厂的铝合金车生产线外,还投资8.77亿美元对美国的三个皮卡车制造厂进行彻底的大规律改扩建,使其尽快生产铝密集型车,建设一些新的组装线、车体焊接车间、涂漆线,以生产新一代的希尔弗拉多(Silverado)皮卡车与多用途跑车。通用公司宣称,这些项目完成后,以及以后一些新的技术革新项目陆续投产,公司生产的汽车就一步一步地满足相关的燃油标准与法规要求。

2.4 奥迪汽车公司

德国奥迪汽车公司(Audi)是一久负盛誉的全铝汽车设计制造者,早在1993年全铝车身A8就已面市,它的奥迪空间构架(Audi Space Frame,ASF)是全铝的,由挤压型材、压铸件、激光焊接的钣金件与薄铝板冲压件组装而成。自此以后,ASF在奥迪公司生产的一系列车上得到应用,如A2、A8、S8、TT及TTS型,它们或是单一铝材的,或是混合材料的。

新型的Audi R8型运动车(图4)用的混合材料ASF,它的质量仅200 kg,它的车体是用批量法生产的,用材为70%铝合金与13%碳纤维增强塑料。车的前端是专业焊接的,中部地板与后端由铝合金铸件与挤压型材组成,然后由机器人在室温下将它们连接,用半空心冲制铆钉、实心铆钉与米制自攻螺钉连接。车身脊骨是用高强度复合材料CFRP制造的,在铝与复合材料之间填以密封材料,以防接触腐蚀。R8 Spider(高性能赛车)的车体结构与R8型运动车的相同,都是德国内卡苏姆(Neckarsulm)制造厂生产的。

2017年版Audi A4及A4 Avant的车体及动力传动系为混合材料结构,结构件材料为铝、高强度钢和镁,但基本材料是铝合金。虽然这两款车的尺寸有所加大,但其质量大大下降,使其成为这类车的最轻者,全得益于铝的应用。过去的A4车的主要结构材料为钢,仅发动机罩是铝的。2017 Audi A4的结构由混合材料件组成,前围板下的许多零件都是用铝合金挤压材与薄板制的,前支柱(front strut)、D-立柱(pillar)上端节结等都是用铝合金压铸的。客厢脊骨、车顶梁、B-立柱、门梁、地板零件等是用热冲压钢制的,钢件质量占车身总质量的17%。转向盘框与后座椅为镁合金的。

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[size=0.8em]图4 混合材料车体结构的Audi R8(铝材占70%)
Fig.4 Audi R8 made of mixed materials with 70% aluminum in the auto body structure

2.5 特斯拉汽车公司

特斯拉汽车公司(Tesla Motors)是电动汽车生产者,知名的全铝Model S及Model X电动车是它的品牌产品。有人认为,为了降低成本,2017年后期版的Model 3电动车的混合材料气氛会更浓一些,虽然各种材料的比例还无法精准确定,但可肯定的是其用铝量会比Model S及Model X的少。特斯拉汽车公司的目标是,使Model 3成为公司电动车的主流,大力降低成本,售价为35 000美元,而Model S的售价70 000美元,Model X的售价80 000美元。分析家认为,降低成本的主要措施是减少铝材用量,特斯拉公司的报告称,如果Model 3未来年销售额能达到140亿美元,那么售价就可以降到32 500美元/辆或更低一些。

2.6 罗尔斯-罗依斯汽车公司

罗尔斯-罗依斯汽车公司(Rolls-Royce Motor Cars)是一家英国汽车制造公司,已将发展全铝车作为公司基本发展战略之一,第一阶段发展目标是2018年初期投放全铝结构车,现正在进行一些路况试验,他们希望新的罗尔斯-罗依斯车可在全世界的标准公路上行驶。

2.7 菲亚特-克莱斯勒汽车公司

菲亚特-克莱斯勒汽车公司(Fiat-Chrysler Automobiles),是由意大利的菲亚特汽车公司(Fabbrica Italiana Automobile Torino,FIAT)与美国的克莱斯勒汽车公司(Chrysler Corporation)合并而成,是世界大型多用途运动车与货车(truck)的主要生产者,面临着必须满足全公司平均油耗标准(CAFE)的压力,必须走汽车轻量化道路。与其他大的汽车公司一样,它必须在2025年以前投资数十亿美元发展节油的高燃油效率的汽车,迫使公司采用如铝及碳纤维这样的轻质量材料。

公司决定在2017 Chrysler Pacifica微型厢式车(minivan)的车体与底盘上增加铝的用量,上翻式车门(liftgate)是用铝合金及镁合金制的,外板为铝合金,内板为镁合金,这是汽车工业首次采用混合材料制造车门,仪表板件梁是用镁合金制的,比过去的高强度钢梁轻22%。底盘的一些零件都是用铝合金制的,如控制臂与托架为铝的,前后转向节用铝合金铸造的,发动机架,等等。因而,Pacifica微型厢式车的净质量比过去钢结构车轻了约113 kg,而且刚性更高了,空气动力学更佳了。

在未来,菲亚特-克莱斯勒汽车公司打算对将投放市场的Jeep Wrangler和Jeep Wagoneer两款车大量使用铝合金。前者的车体为铝合金的,将是市场销的运动型车,而2017年版车是钢-铝混合结构,主结构是钢的。Wagoneer吉普车2018年投放市场,是一款最大与最贵的客货两用吉普车,为了满足燃油标准,采用轻量化车体,是一种铝密集型车。

2.8 阿库拉汽车公司

阿库拉(Acura)汽车公司将于2017年投放市场的NSX运动车,其车体为全铝整体结构壳,混合材料底盘。车架用铝合金挤压材与铸件制造,结构轻,刚度大。用挤压铝材制的每个零件的减重效果都经过精心设计计算,形状与壁厚都恰到好处。零件的连接接点为铝合金压铸件,既有高的强度,又有显著减重效果。有些需要高能量吸收的零件是用高强度钢冲压的,但是关键减重零件全用铝合金板冲压。车体外壁板为铝合金与碳纤维增强复合材料混合结构。在2017NSX运动车中,传动系统为全铝悬架,副车架为铝合金冲压件,一方面可以支承发动机,另方面有较好的吸收震动和噪声效果。

2.9 本田汽车公司

2016本田领航员(Honda Pilot)SUV是一种混合材料结构车,零部件是用超高强热冲压钢、铝合金、镁合金制的,在有最大减重效果的同时,车的刚度与撞击安全性能均有所提高,它的先进兼容性工程(ACETM,Advanced Compatibilrty Engineering)车身结构是由超高强度钢、高强度钢、软钢、铝合金(3.3%)、镁合金(1.7%)与复合材料(0.6%)件构成,达到了强度、刚度、动力学性能与轻量化的最佳组化。发动机罩、前保险杠梁是铝合金的,后者的质量下降了1 kg,同时结构完整性得到提高。在以前的领航员多用途跑车中,操纵吊杆梁(steering hanger beam)由多个钢件组成,而现在为镁合金铸件,不但结构简单了,而且轻了、安装也方便了,表面品质也高了。空心B立柱内侧为复合材料,提升了刚度,此外,在应用复合材料的同时还用了泡沫材料,因此既增大了刚度,又使其质量下降了1.36 kg。放置电池的框架为复合式铸件,质量减轻2.1 kg。新型领航员跑车的抗扭刚度比上版本的大,因而燃油效率提高了,车内噪声小了,乘坐舒适了,更好驾驶了。

3 结束语

本文简介了国外9家大汽车公司在设计制造全铝和/或混合材料汽车车体与底盘结构方面的概况,有全铝的如Audi 8与Ford的F-150,但多数为混合材料(铝、钢、镁、复合材料)结构,仍能满足环保法规与燃油效率标准要求。中国汽车的铝化可分两步走,先过渡到混合材料,再到全铝化,究竟走哪条路可大家讨论,由汽车厂与有关部门决定。

汽车铝化的关键与瓶颈是:生产全铝车或混合材料车除有更好的综合性能外,必须有最佳的性价比,福特汽车公司的F-150就是典范;第二是零部件的连接技术,有铝-铝连接和铝-其他材料连接技术,美国在这方面已取得突破性的成果,如通用汽车公司的铝-钢点焊技术、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)新研发的铝-复合材料激光处理连接法,中国在这方面的研发还很不够,亟待迎头赶上。

推广铝在汽车中应用的关键是开发铝在乘人汽车中的应用,中国汽车2015年的总产量已近2 500万辆,每辆多用10 kg铝,就多消耗铝250 kt/a。2015年欧美发达国家乘人车的用铝量已超过155 kg/辆,中国的不到110 kg/辆,如果2018年中国的乘人车的用铝量能达到130 kg/辆,车产量按2 100万辆匡算,就需用铝2 730 kt,比2015年的多530 kt,所以这应成为中国推广铝应用领域的重点。中国在推广铝在特种汽车中的应用做了许多工作,成就斐然,但是还有很大的空间有待填补。

现在国内汽车工业界在推进汽车轻量化扩大应用铝材方面的力度有待加强,厢式货车的铝化也宜提到日程上。当前汽车用铝材的难点不在铝材供给侧(铝加工企业),而在需求侧(汽车制造企业),中国铝工业界已经可以供应各种各样的铝材。

[size=1.8em]Research progress of light weighting of auto body in foreign countries
ZHENG Xin1,WANG Zhu-tang2
(1.AECC Harbin Dongan Engine Co.,Ltd.,Harbin 150060,China;2.China Nonferrous Metals Fabrication Association,Beijing 100814,China)
Abstract:As more attention has been paid on energy saving and environment conservation,several state governments have established policies related to energy saving and emission reduction and auto manufacturers are accelerating the progress in making auto body more light weighted. This paper has stated the research progress and future goals of auto-body-light weighting of nine foreign auto manufacturers.
Key words:auto body; steel structure; aluminum structure; mixed material structure

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