新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 商用汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用

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发表于 2020-2-27 13:46:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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商用汽车轻量化铝合金在现代汽车生产中的应用
李 剑
(一汽解放汽车有限公司商用车开发院,吉林 长春 130011)
【汽车轻量化在线】摘 要:商务汽车即多用途汽车,它集轿车、旅行车和厢式货车的功能于一身,车内每个座椅都可调整,并有多种组合的方式,具有空间大、功能多、重量大等特点,商用汽车轻量化已经成为了重要发展趋势。基于此,文章首先提出商用汽车轻量化发展方向和意义,进而探究铝合金在汽车生产中的应用,最后针对现存问题提出几点建议。
关键词:商用汽车;轻量化;铝合金;应用
引言

[size=1em]随着我国社会经济不断发展,汽车已经成为了大部分人的运载代步工具,特别是商用汽车的出现,进一步丰富了汽车的功能。但是汽车产业的发展也给我国不可再生资源带来巨大压力,汽车尾气、生产材料大量投入都会影响我国生态环境,特别是在全球变暖的趋势下,如何缓解汽车产业发展和自然环境之间的矛盾是需要重点考虑的问题。汽车产业作为推动国民经济发展的支柱型产业,但依然要对汽车产业发展进行管理与控制,贯彻可持续发展理念、绿色发展理念,给商用汽车“减重”,降低能源损耗和排放,这样才能够推动我国汽车产业长足发展,让城市生态环境更加平衡。

1 商用汽车轻量化发展方向与意义1.1 发展方向

[size=1em]商用汽车虽然空间大、功能全,但庞大的车身和丰富的功能也增加了车辆的自重和能耗,而商用汽车轻量化发展的核心就是应用新材料减轻自重。通过金属密度调查可知,铝、镁、钛合金等材料质量相对较轻,是汽车轻量化的研究重点。其中,铝合金密度为2.7g/m3、镁合金密度为1.7g/m3、钛合金密度为 4.5g/m3。可见,这些合金金属材料可以有效减少商务用车自重、提高行驶性能。镁合金密度最小,因此质量最轻,但是相比铝合金来说,铝合金制造技术已经发展了几十年,工艺更加成熟、成本更低,所以综合性能最强,也是商用汽车轻量化发展中的重要材料。

[size=1em]现如今,国内外汽车制造厂商都纷纷提高了铝合金材料的使用比例,耗铝量已经达到了13%以上,部分发达国家耗铝量已经超过了30%。对于商用汽车来说,轻量化的主要部分就是车身,这是由于商用汽车车身重量可以达到整车重量的40%以上,是轻量化设计与生产中的核心,所以有必要对铝合金材料合理利用。

1.2 轻量化发展意义

[size=1em]商用汽车轻量化有助于现代化汽车的可持续发展。其主要表现在两个方面:

[size=1em]1.2.1 汽车轻量化可以减少行驶排放量、降低能耗

[size=1em]汽车重量和能耗有直接关系,在相同行驶速度下,汽车整体越重能耗越大,而车体越轻能耗越小。通过有关调查显示,车体重量减轻1kg,1L汽油就可以多行驶0.011km(11m),也就是减轻100kg,可以多行驶1公里。同时,减少油耗就意味着降低汽车尾气排放量,从而实现节能环保的目标。

[size=1em]1.2.2 汽车轻量化可以提高行驶性能、保证行驶安全

[size=1em]降低汽车自重可以缩短汽车加速度时间,如想要将汽车加速到100km·h-1,轻量化可以将初始的10s缩短为7s,这样可以有效调整牵引负荷状态,保证汽车的行驶性能,还可以降低汽车行驶中的惯性,提高驾驶安全性。

2 铝合金在现代汽车上生产中的应用

[size=1em]铝作为最常见的轻金属之一,也是地壳中分布最广、储量最多的金属元素,并且铝金属和铝合金性能也非常强,如强度高、重量小、成形性好、力学性强以及工艺成熟。此外,铝材料还可以实现回收再利用。随着我国汽车保有量逐年增加、人们环保意识增强,报废汽车回收和再生广受行业关注,而铝制品性能优势也决定了其回收价值,这是由于铝受到氧化作用会生成氧化铝,是一种防护膜,因此腐蚀率很低。也正是由于铝及铝合金具有众多优势,才决定了在汽车生产领域的地位。

2.1 铝合金成形工艺

[size=1em]现代汽车生产中,铝合金材料应用十分广泛,也符合现代化汽车轻量化发展方向。铝合金在现代汽车生产中应用,必须要有较为成熟的成型工艺,主要包括:

[size=1em]2.1.1 铸造成形工艺

[size=1em]作为铝合金成形生产的主要工艺技术,大部分铝合金材质汽车生产都采用该项技术。还可以将铸造成形工艺细分为精密、重力、压铸、低压、挤压等铸造工艺。该项技术发展较为成熟,具有质量稳定、精密度高、可批量生产等优势。

[size=1em]2.1.2 半固态成形工艺

[size=1em]该项技术作为汽车领域的一种新型铝合金成形生产工艺,可以直接制作出与理想的铝合金产品近似产品。通常情况下,铝合金成形前会有固态、液态两种形态,半熔状态有助于材料质变,而半固态成形工艺可以确保铝合金填充中具有更平稳填充型腔,可以更好的成型。半固态成形工艺可以有效提高部件精度、提升力学性能、减少凝固收缩、延长模具使用寿命。目前该项技术已经成为了汽车领域重点关注的工艺,发展空间很大。但目前该项技术的应用还无法做到大规模汽车量产。

2.2 汽车用铝分类与应用

[size=1em]2.2.1 铸造铝合金的应用

[size=1em](1)发动机

[size=1em]由于发动机运行中会产生大量热能,而铝合金具有良好的导热性、抗腐蚀性,因此可以满足高温、高氧化的性能,可以制作气缸和气缸盖,特别是对于商用汽车发动机来说,铝合金材料的应用比例越来越大。如丰田的凌志 IMZ-FEV6发动机油底壳采用了铸造铝合金等。

[size=1em](2)轮毂

[size=1em]采用铝合金制造轮毂,具有散热性好、高强度、质量轻、精度高、美观、减轻振动等优势,并且德国、美国、日本等汽车强国中铝合金轮毂使用率已经达到了85%以上。铝合金轮毂主要是采用重力铸造、低压铸造工艺。汽车轻量化发展已经是一大趋势,冲压、旋压工艺逐渐有取替重力铸造、低压铸造方案。

[size=1em]2.2.2 变形铝合金

[size=1em]相比铸件,变形铝韧性、强度更强,再加上变形铝中的合金比重较低,可以采用压力加工方式生产零件和型材。

[size=1em](1)车身板

[size=1em]目前变形铝在车身板中的应用十分广泛,包括2千系、5千系、6千系。铝合金板材热处理之后可以制作汽车外壳、车身框架,其中5千系不可采用热处理强化。

[size=1em](2)其他

[size=1em]在汽车悬挂零件中应用铝合金,可以有效降低零部件自重,可以保证汽车行驶的稳定性。而铝质热交换器相比铜制热交换器的重量轻40%以上。日本、美国汽车公司几乎都使用了铝制汽车空调器。在发达国家,铝质散热器的应用也十分广泛,美国应用率达到了65%以上,德国、英国等汽车大国应用率达到了95%以上。

[size=1em]2.2.3 铝基复合材料

[size=1em]铝基复合材料作为一种新型的铝质材料,具有尺寸精度高、强度大、低密度、塑性强、耐磨性好等诸多优势。上世纪80年代丰田公司首次使用铝基复合材料的发动机回活塞,相比铸铁活塞的重量低 10%,导热性提升了 4倍。美国duralcan公司采用铝基复合材料制造了汽车制动盘,相比传统铸铁制动盘重量减少了50%,散热性和耐磨性也非常强。近些年铝基复合材料刹车系统元器件、驱动轴也纷纷采用了铝基复合材料。

3 铝合金在现代汽车生产中的应用问题与建议3.1 问题

[size=1em](1)成本偏高

[size=1em]虽然铝合金相比其他轻质量合金造价更低,但相比传统的汽车钢材价格依然非常高。西方汽车强国已经实现了6011和6016铝合金大批量生产,但是价格依然稳定在3万元/吨以上,而汽车钢材价格不到1万元/吨,即使是去除密度差异,铝合金材料成本依然偏高。

[size=1em](2)力学性能不如钢材

[size=1em]相比钢材,铝合金的弹性模量、强度、深冲性较低。所以选择铝合金制作汽车构件,通常要加厚、加筋设计,因此实际的轻量化没有达到理想标准。

[size=1em](3)维修成本高

[size=1em]如果铝合金汽车在日常驾驶中受到损坏,对维修人员专业性、设备要求更高,损坏严重需要更换部件,这就增加了维修成本。

[size=1em](4)研发费用高

[size=1em]汽车生产中应用新型材料势必会投入大量研发成本,包括试验成本、新型生产工艺成本、生产设备成本等,特别是要更换生产设备和模具,投资量非常大。

3.2 建议

[size=1em](1)成立汽车铝材联合开发机构

[size=1em]汽车制造商、铝材生产企业应加大联合,共同开展汽车铝材的研发、生产、技术服务等。所以,对于我国汽车生产企业来说,成立汽车铝材联合开发机构尤为重要,有助于降低成本、提高科技成果资源转换率。

[size=1em](2)新合金与新工艺

[size=1em]对现有铝合金生产工艺进行创新和改进,不仅要能够提高力学性能,还要强化烘烤硬化性、成形性能。我国汽车行业与国外汽车强国相比,最大的差距是未形成系统的变形铝合金生产工艺或无法大批量生产。

[size=1em](3)提高铝合金性价比

[size=1em]虽然铝合金板材具有种种优势,但最大的限制因素就是铝合金相比钢材成本更高。所以研发机构未来要重点考虑如何提高铝合金的性价比,这样才能够进一步发挥铝合金汽车的轻量化优势。

[size=1em](4)提升政府投资

[size=1em]将分散的科研力量整合,加强轻质汽车材料的研究力度。提高汽车企业新材料的创新性、创造性,构建有自主知识产权的产品与品牌,建立健全科技创新体制,为汽车轻量化发展提供多项支持。

4 结束语

[size=1em]综上所述,汽车轻量化发展任重而道远,因此我们还要进一步加强汽车轻质材料研发,全方位培养现代化汽车人才,提出标准化轻质汽车材料标准,为汽车轻量化发展奠定基础。同时,在加强自主研发的同时,还要积极向国外学习,尽可能拉近与汽车强国之间的距离。



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