汽车轻量化与铝合金

整车与主机

汽车轻量化与铝合金

Lightweight Automobile and Aluminu m Alloy

张屹林 王洪民 王海涛 赵士博

(山东滨州渤海活塞(集团)股份有限公司)

摘要 汽车铝合金化是汽车轻量化的主要途径,汽车轻量化后可以有效地节约能源和减少环境污染。本文综述了铝合金的性能特点,汽车工业用材铝合金化的优势以及当今世界汽车工业中铝合金的应用现状。

关键词 汽车工业 轻量化 铝合金

1 前言

2002年全球汽车产量5796万辆,其中轿车3737万辆,占64.3%。整个汽车工业的快速发展对材料科学不断提出新的要求,带动了汽车材料的更新发展。现代汽车向着轻量化、智能化、高性能化发展,也对材料提出了新的要求。随着世界性能源危机的出现和不断加剧,作为降低汽车燃料消耗率、节省能源的有效途径就是如何减轻车体重量,即实现汽车的轻量化。减轻车重可通过改进汽车结构或采用轻量化材料来实现。前者已无太大潜力可挖,因而汽车行业普遍注重于开发轻量化材料来解决这一难题。铝合金就是自20世纪70年代以来在汽车工业领域应用越来越广泛的一种材料。铝合金自进入汽车工业领域后发展迅猛,用量逐年增加。汽车制造工业已成为最重要的铝材料消费大户。目前发达国家轿车用铝量平均已达133kg,铝化率达12%。目前国产汽车平均用铝量仅为60kg,铝化率不到5%,很有发展潜力。

2 汽车工业用材铝合金化的优势

理论计算表明,适当减轻汽车的重量可以把油耗降低37%,把悬挂装置的负荷降低18%,把震动强度降低5%。为此汽车公司逐步采用轻量化的铝合金材料来取代传统的钢铁结构材料。

铝的比重小,仅为2.7g/cm3(属轻金属),大致为钢的1/3。向铝中加入某种或某几种元素后即构成铝合金,铝合金相对于纯铝可以提高强度、硬度、抗疲劳性能等材料综合性能。某些铝合金的强度甚至高于普通结构钢,现已有抗拉强度超过600兆帕的超高强度高韧性铝合金材料。铝合金及其加工材具有一系列优良特性,诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等。

铝基复合材料就是一种应用范围较广的新型合金材料。铝基复合材料的基体一般采用铝硅合金,常用的增强纤维主要有陶瓷纤维(氧化铝、硅酸铝纤维)、晶须、微粒等,目前用于汽车工业多以液相法制备铝基复合材料。这种复合材料因具有优越的高温性能和良好的耐磨性能和耐疲劳性能,而被成功的用于制造汽车活塞、气缸套、悬架臂、制动卡钳、驱动轴、车轮等汽车零件。另外比较典型的新型铝合金材料还有粉末冶金铝合金、固体泡沫铝合金、快速凝固铝合金、超塑性铝合金等,纷纷在汽车工业中扮演着越来越重要的角色。

铝合金在汽车上的用量增加后带来的效益主要体现在以下几个方面:

2.1 汽车轻量化

汽车轻量化即减轻汽车的自身重量,要实现汽车轻量化则需要在保证汽车使用性能的前提下,尽可能多的选用轻量化材料,如铝及铝合金、镁及镁合金、塑料等。镁及镁合金的价格和安全性限制了它的使用,聚合物类的塑料再回收存在环境污染问题。铝及铝合金资源丰富,成本较低,且铝的比重只有铁的三分之一强,质量轻,比强度高,成型性好,耐腐

蚀,并且80%以上的铝材可以回收再利用,从而使铝及铝合金在汽车工业中得到了最广泛的应用。

根据美国铝学会的报告,汽车上每使用0.45Kg 铝就可减轻车重1Kg。理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。对于一辆1300Kg重的轿车,若重量减轻10%,其燃油消耗可降低8%。

使用铝合金最经典的要属德国奥迪汽车公司1999年推出的新型Audi A2型超轻轿车,该车是世界上第一款大批生产的全铝轿车,车身采用全铝空间框架车身ASF(即仪表板部分由高强度铝结构支撑,空间构架由真空压铸接头的挤压成型段组成,这两者结合成很轻的铝合金车身),整车铝外壳,从前顶柱到行李舱边,包括车门手把都是用铝冲压成型。该车采用铝材使整车质量比传统钢制车身减轻40%以上,仅有895Kg,油耗降到3L,CW值达到了创世界纪录的0.25。

2.2 节能降耗效果明显

据资料介绍,汽车能耗的70%与车重有关,一般情况下,每减轻1公斤车重,1升汽油可使汽车多行驶0.011km,或者说汽车每行驶1万公里可节油0.7公斤。美国目前每辆轿车用铝合金至少100公斤,可减重225公斤,按一辆轿车仅使用10年,行程40万公里计算,则每辆汽车可节省6.3吨汽油。

美国福特公司采用空间框架技术用挤压铝材制造车身框架,车身质量比传统车身几乎轻50%,并且材料利用率非常高。福特公司开发的 综合-2010 型汽车的铝焊接结构车身质量比钢焊接结构车身减轻了450Kg(46%)。在不降低汽车使用性能的基础上,发动机功率由110kW降到了59kW,而油耗仅为4.7L/100km。

2.3 降低排放,有利环保

目前,城市污染的70%以上来自汽车尾气,汽车铝化率越高,重量就越轻,节油效果就越明显,汽车废气排放就越少,环境污染程度就越轻。据推算,如果美国的轿车重量减轻25%,每天可节油75万桶,全年可减少CO2排放量1.01亿吨,带来巨大的节能和环保效果。

2.4 提高车身零件的结构刚性和汽车行驶性能,延长车身使用寿命

汽车轻量化后,质量性能(汽车质量与刚性及底面积之比)均有不同程度的提高。据OPEL公司称,其铝制车身比钢结构车身质量性能提高23%,扭曲刚性提高74%,抗弯性能提高62%。

汽车减轻重量后车身重心降低,汽车行驶更加稳定、舒适,对加速和弹性也有很大好处,同时可使转动和震动部件的噪音明显降低。汽车轻量化后,质量轻,故碰撞时产生的能量小,降低了对汽车的损害。在受到撞击时,由于铝合金的性能和车身构造可以充分吸收撞击时产生的能量,因而更安全。另外,铝材寿命比钢材要长,从而延长了汽车使用寿命。

2.5 降低制造成本

铝合金的回收率很高,目前国外可达80%以上,60%以上的汽车用铝合金材料为再生铝,回收生产1t铝合金要比重新生产1t铝合金少耗能95%,可节约大量能源。用于汽车工业中加工铝合金所需的工装设备投资要比钢、铁少得多。同时,汽车铝制车身框架以铝挤压型材为主,焊点少,减少了加工工序,提高了装配效率,也减少了制造成本。

3 铝合金在汽车上的应用

最早把铝材用到汽车上是印度人,据记载,1896年印度人率先用铝制作了汽车曲轴箱。进入二十世纪早期,铝主要在制造豪华汽车和赛车上有一定的应用,铝制车身的汽车开始出现,如亨利 福特的ModelT型汽车和二、三十年代欧洲赛车场上法拉利360赛车都是铝制车身。在二战期间,每辆汽车平均用铝仅5.44Kg,至1971年已增加到35Kg,而在最近10年中,铝的使用量又增加了2倍多。

3.1 汽车用铝合金材料的品种构成及应用状况

用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多,占80%以上,其中又分为重力铸造件、低压铸件和其他特种铸造零件。变形铝合金包括板材、箔材、挤压材、锻件等。世界各国工业用铝合金材料的品种构成虽然有一定差异,但大体是相同的。其品种构成:铸件占80%左右,锻件占1~3%,其余为加工材。美国汽车工业中变形铝材占较大比例,达36.3%。

铸造铝合金主要用于制造发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、配气机构、机油泵、水泵、摇臂盖、正时齿轮壳体等壳体类零件、发动机部件和保险杠、车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。

变形铝合金主要用于制造车身构架、车门行李箱及车身面板、保险杠、发动机罩、车轮轮辐、轮毂罩、轮外饰罩、制动器总成防护罩、消声罩、防抱制动系统、热交换器、座位、车厢底板等结构件以及仪表板等装饰件。

3.2 铝合金在汽车主要零部件上的应用状况

3.2.1 车身