鋁合金用于新能源乘用車車身輕量化及經(jīng)濟(jì)性分析

劉頔，朱成

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 新能源乘用車輕量化意義及要求

汽車輕量化是改善燃油經(jīng)濟(jì)性、減少污染物和碳排放的重要措施，整個汽車行業(yè)為此做了諸多努力，也取得了很多成果。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源乘用車對輕量化的要求更為迫切。因?yàn)樾履茉闯擞密嚹壳澳軌蚴褂玫膭恿﹄姵氐膯挝槐饶芰颗c傳統(tǒng)汽車使用液體燃料的單位比能量差距巨大，動力系統(tǒng)（主要是電池）通常占整車總質(zhì)量的30%～40%.這就決定了新能源乘用車在與傳統(tǒng)汽車同等排放量的單位能耗（電耗量/100 km）下，不能像傳統(tǒng)汽車那樣靠一次補(bǔ)充能量實(shí)現(xiàn)長距離的行駛。因此，新能源乘用車必須在電氣化的同時采取比傳統(tǒng)意義上的輕量化技術(shù)更先進(jìn)的技術(shù)。

1.1 輕量化是增加續(xù)駛里程的重要措施

對某一新能源汽車車型建模仿真分析，結(jié)果表明，整備質(zhì)量每減重100 kg，在無制動能量回收的情況下，NEDC工況百公里耗電量將下降5.5%，續(xù)航里程增加5.5%.因此，輕量化是提高新能源汽車?yán)m(xù)駛里程的重要措施之一。整車質(zhì)量與NEDC工況續(xù)駛里程、能量消耗率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 整車質(zhì)量與NEDC工況續(xù)駛里程、能量消耗率的關(guān)系

1.2 輕量化增加傳統(tǒng)汽車成本

在傳統(tǒng)汽車上應(yīng)用輕量化的目的是降低油耗，實(shí)現(xiàn)減排。但經(jīng)過研究，同樣的結(jié)構(gòu)件，如果由鋼材料調(diào)整為塑料材料降重100 kg，按降重1/2的比率計(jì)算，材料成本增加約260元； 同樣的結(jié)構(gòu)件，如果由鋼材料調(diào)整為鋁合金材料降重100 kg，按降重1/3的比率計(jì)算，材料成本增加約2 400元。因此，雖然傳統(tǒng)汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用降低了使用成本，但是，增加了車輛成本。不同的材料價格如表1所示。

表1 不同材料價格（單位：元/t）

1.3 輕量化可以降低新能源汽車動力電池成本

對某一新能源汽車車型建模仿真分析，結(jié)果表明，整備質(zhì)量每減重100 kg，電池電量約減少1.1 kW·h，按1 500元/kW·h計(jì)算，成本減少1 650元。對于新能源汽車，在保持相同續(xù)駛里程的前提上，應(yīng)用輕量化技術(shù)可以降低車輛裝載動力電池的成本。新能源汽車不同整備質(zhì)量需裝載電池能量如表2所示。

表2 新能源汽車不同整備質(zhì)量需裝載電池能量（單位：kW·h）

2 新能源乘用車輕量化技術(shù)途徑

整車輕量化的重點(diǎn)在于車身和底盤的輕量化，且它們之間有效集成。新能源乘用車整車輕量化技術(shù)途徑如圖2所示。

2.1 鋁合金車身

目前，世界各大汽車公司都在積極推進(jìn)車身、車體主要部件的鋁材化，圖3為全鋁車身框架。比較常見的車身框架鋁合金材料一般為經(jīng)熱處理的6000系、5000系鋁合金和7000系（Al-Mg-Zn-（Cu）系）鋁合金。7000系鋁合金是以Zn、Mg為主要合金元素的熱處理可強(qiáng)化型鋁合金；Al-Zn-Mg合金具有優(yōu)異的熱變形性能、較高的強(qiáng)度、良好的焊接性能和較好的耐腐蝕性，是一種高強(qiáng)可焊的鋁合金；Al-Mg-Zn-Cu合金則是在Al-Mg-Zn合金的基礎(chǔ)上通過添加Cu元素而得到的一種超高強(qiáng)鋁合金，其強(qiáng)度高于2000系鋁合金。鋁合金型材件、鋁合金沖壓件、鋁合金鑄造件三者的對比情況如表3所示。

圖2 新能源乘用車整車輕量化技術(shù)途徑

圖3 鋁合金車身骨架

表3 鋁合金型材件、鋁合金沖壓件、鋁合金鑄造件的對比情況

2.2 鋁合金底盤

對于鋁合金底盤，要求其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和沖擊、疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)。鋁合金底盤如圖4所示。鋁合金底盤主要使用鍛造件6082-T6鋁合金，它屬于6XXX系變形鋁合金工藝。傳統(tǒng)的鋁合金制造工藝是：擠壓—輥鍛—模鍛—固溶淬火—人工時效；先進(jìn)的鋁合金制造工藝是：擠壓鑄造—模鍛成形—固溶淬火—人工時效。

2.3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）車身覆蓋件

選擇汽車材料時需要考慮一系列因素，比如力學(xué)性能、輕量化、材料穩(wěn)定性、材料的可設(shè)計(jì)性和可加工性等。每一個因素都會對汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、使用等產(chǎn)生不可忽視的影響。近年來，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP）以其獨(dú)有的性能特點(diǎn)，成為頗受關(guān)注的汽車新材料。碳纖維車身質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，比鋼質(zhì)車身輕50%，比鋁車身輕約30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化取得突破性進(jìn)展，整車減重效果可以達(dá)到50%以上。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身覆蓋件如圖5所示。

圖4 鋁合金底盤

圖5 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身覆蓋件

3 鋁合金車身連接工藝

3.1 點(diǎn)焊

鋁的點(diǎn)焊工藝是在電極壓力下，靠電阻熱熔化鋁材，將其連接到一起的工藝，主要用于鋁合金同質(zhì)材料之間的連接。鋁點(diǎn)焊設(shè)備控制器要求控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定，控制器焊接時間設(shè)置毫秒控制，焊接輸出電流10 ms達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。鋁點(diǎn)焊一般采用復(fù)合電極來提高壽命，電極帽表面采用特殊的圓環(huán)式設(shè)計(jì)，可以在鋁材表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力區(qū)，破壞氧化膜，以得到可控制的電阻。鋁點(diǎn)焊的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)多種厚度材料組合的連接，工藝柔性好，而且鋁點(diǎn)焊的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高，單步工藝時間可控制在3 s以內(nèi)。點(diǎn)焊焊接如圖6所示，焊接位置如圖7所示。

3.2 自沖鉚接

圖6 點(diǎn)焊焊接

自沖鉚接是通過電機(jī)提供的動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材中，當(dāng)鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ο屡c鉚釘發(fā)生塑性形變并成型后，充盈于鉚模之中，從而形成一種全新的板材連接技術(shù)。鉚釘技術(shù)具有較高的抗疲勞強(qiáng)度和較強(qiáng)的靜態(tài)緊固力，這意味著運(yùn)用該技術(shù)打造的車型車身剛性更強(qiáng)，當(dāng)面對撞擊時，采用鉚釘技術(shù)的車型能承受更劇烈的撞擊，盡可能地保證車內(nèi)人員的安全。自沖鉚接（SPR）工藝如圖8所示。

圖7 焊接位置（淺灰色線條）

圖8 自沖鉚接（SPR）工藝

3.3 螺栓連接

螺栓連接是通過高速旋轉(zhuǎn)使板料熱變形后攻絲鉚接的冷成型工藝，其原理如圖9所示。螺栓連接的優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。

圖9 螺栓連接（FDS）

3.4 結(jié)構(gòu)膠技術(shù)

由于鋁合金材料對熱比較敏感，如果采用傳統(tǒng)焊接工藝連接車身部件，存在材料強(qiáng)度下降的問題；再加上鋁合金材料受熱易變形，全鋁車身拼合尺寸精度不易控制。所以，全鋁車身以鉚接來代替點(diǎn)焊，并且采用膠合工藝提高各部件的連接強(qiáng)度。同時，采用膠合工藝有助于提升車體的密封性。結(jié)構(gòu)膠連接如圖10所示。

表4 螺栓連接的優(yōu)缺點(diǎn)

鋁與不同材料連接時，還可采用黏膠連接技術(shù)，它在汽車行業(yè)的應(yīng)用也非常廣泛。

4 鋁合金車身連接工藝對比分析

車身各零部件的連接，是指骨架與骨架、蒙皮與骨架、鋼件與鋁件、車門與骨架、內(nèi)飾與骨架等各零部件之間的有效連接。對于全鋁車身結(jié)構(gòu)來說，重點(diǎn)在骨架與骨架、蒙皮與骨架之間的連接。從汽車輕量化的輕量準(zhǔn)則角度講，焊接連接工藝最輕，其次是鉚釘連接工藝，螺栓連接工藝最重；從疲勞強(qiáng)度可靠性的角度講，螺栓連接工藝和鉚釘連接工藝最佳，其次是焊接連接工藝；從生產(chǎn)成本核算的角度講，焊接連接工藝最省，螺栓連接工藝最貴。

5 鋁合金材料用作車身的經(jīng)濟(jì)性分析

以某一A0級乘用車為例，其前防撞梁總成采用輕量化技術(shù)，對原鋼板總成數(shù)據(jù)進(jìn)行CAE分析，獲取模態(tài)、剛度、強(qiáng)度等計(jì)算數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行鋁合金防撞梁的設(shè)計(jì)，采用6系鋁合金材料制造前防撞梁總成，具體如表5所示。用鋁合金材料制作的前防撞梁，與鋼板總成相比，質(zhì)量減輕，但生產(chǎn)成本有所上升。鋼板前防撞梁總成零部件原材料、沖壓、焊裝、涂裝和工裝投入費(fèi)用預(yù)算如表6所示。

由仿真計(jì)算可知，鋼板前防撞梁總成零部件材料凈重合計(jì)（鋼板總成件質(zhì)量）6.2 kg。經(jīng)預(yù)算，在單件產(chǎn)品的總成本中，原材料費(fèi)約為80元，批量生產(chǎn)鋼板前防撞梁總成單件成本為370元（不含模具分?jǐn)偅ｋm然模具生產(chǎn)能夠滿足大批量生產(chǎn)的要求，但是，模具費(fèi)一次性投資比較大，為330萬元。如果考慮模具10萬次攤薄壽命，將費(fèi)用分?jǐn)偟疆a(chǎn)品價格中，為33元/件。如果帶模具分?jǐn)偅瑔渭a(chǎn)品的成本約為400元。經(jīng)過市場調(diào)研，向供應(yīng)商詢價，目前，各種汽車鋁合金材料防撞梁在市場上的使用量越來越大。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，6系鋁合金的強(qiáng)度高、可加工性比較好，可焊接性中，尤其近年來，鋁合金的焊接技術(shù)發(fā)展迅速，鋁合金焊接成本下降，原材料價格基本穩(wěn)定，鋁合金防撞梁的市場價格逐漸降低。經(jīng)市場分析，大批量采購鋁合金防撞梁的價格估計(jì)為450元/件（不包括產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用），而且價格有下降趨勢。因此，對前期開發(fā)費(fèi)用的估算是：一次性投入20～30萬元，即可獲得產(chǎn)品模具（采取委托加工的方式），從而達(dá)到降低單件采購價格的目的。由此可以預(yù)測，未來鋁合金前防撞梁的市場價有更大的下降空間。由上述分析可知，鋁合金前防撞梁比鋼板前防撞梁減重3.4 kg，成本增加約120元，整車?yán)m(xù)駛里程增加0.39 km，能耗降低約0.032 kW·h。在同樣續(xù)駛里程下，綜合成本增加72元。鋼板前防撞梁總成與鋁合金前防撞梁總成的對比情況如表7所示。

圖10 結(jié)構(gòu)膠連接

6 鋁合金用作車身的發(fā)展趨勢

近年來，世界性的能源和環(huán)境問題受到了人們的高度重視，這就要求汽車生產(chǎn)廠商必須盡可能地減輕汽車自重，減少能源消耗，從而減少汽車工業(yè)對環(huán)境造成的不利影響，減少對傳統(tǒng)能源的依賴。而用鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材，將其應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，可以顯著降低汽車自重，提高能耗經(jīng)濟(jì)性。目前，美國、歐洲國家、日本的眾多汽車品牌均大規(guī)模使用了鋁合金材料，比如奔馳、奧迪、寶馬、大眾、福特和豐田等。鋁合金用作車身的發(fā)展趨勢如圖11所示。

在材料方面，鑄造鋁合金大多為共晶和亞共晶的鋁硅合金，少數(shù)零件使用傳統(tǒng)的過共晶鋁硅合金材料。因?yàn)檫^共晶鋁硅合金材料的鑄造性能和機(jī)加工性能比較差，近年來有改用低硅或中硅的亞共晶鋁硅合金的趨勢。針對汽車零部件的不同，相對應(yīng)的鋁合金材料研發(fā)的側(cè)重點(diǎn)也不同。

表5 防撞梁各部件所用材料

表6 鋼板前防撞梁總成零部件原材料、沖壓、焊裝、涂裝和工裝投入費(fèi)用預(yù)算

表7 鋼板前防撞梁總成與鋁合金前防撞梁總成的對比情況

開發(fā)低成本的鋁合金制造和加工技術(shù)，以及鋁合金的回收再生技術(shù)，是降低鋁合金材料生產(chǎn)和使用成本的有效手段，也是鋁合金材料的又一發(fā)展方向。未來將大力發(fā)展多材料結(jié)構(gòu)汽車，要求連接不同類型的材料（比如鑄鐵—鋁、鋁—鎂、鋼—鋁等），所以，異種材料的連接技術(shù)以及對材料的表面處理技術(shù)的研發(fā)，也是今后擴(kuò)大鋁合金在汽車上應(yīng)用的重要發(fā)展方向。新材料的發(fā)展，高性能材料的需求，促使新型材料連接技術(shù)的發(fā)展，使各種材料的連接成為可能，以保證材料的性能。但是，相關(guān)人員不僅要開發(fā)出新型材料連接技術(shù)，獲得高性能的材料，還要保證新型材料連接技術(shù)高效、節(jié)能、環(huán)保。同時，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，未來材料連接在智能化方面的研究也會不斷深入。

圖11 鋁合金用作車身的發(fā)展趨勢

［1］杜坤，劉峰.鋁合金連接技術(shù)的輕量化應(yīng)用［J］.汽車制造業(yè)，2017（06）.

［2］雷步芳，岳峰，李永堂，等.鋁及鋁合金擠壓工藝及設(shè)備［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014.