鋁合金輕量化在汽車(chē)中的應(yīng)用

楊 洋，趙明宇，王冠宇

(黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，哈爾濱 150090)

隨著越來(lái)越多的家庭擁有私家車(chē)，截至2021年，我國(guó)汽車(chē)數(shù)量已達(dá)到3.95億輛，為目前世界上汽車(chē)保有量最高的國(guó)家[1]。隨著汽車(chē)數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，人們更加注重節(jié)能減排，國(guó)家也提升了尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。但我國(guó)在鋁合金輕量化方面的研究起步較晚，2000年輕量化研究取得了較多成果，汽車(chē)產(chǎn)量也突飛猛進(jìn)，成為汽車(chē)第一制造大國(guó)，也是第一消費(fèi)大國(guó)。能源消耗和尾氣排放成為關(guān)注的重要問(wèn)題。鋁合金輕量化與汽車(chē)生產(chǎn)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可降低汽車(chē)重量，增加強(qiáng)度，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 汽車(chē)制造輕量化的發(fā)展與價(jià)值

1.1 汽車(chē)制造輕量化的發(fā)展方向

汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中材料的更換是較為頻繁的。福特公司將汽車(chē)進(jìn)行流水線生產(chǎn)后，汽車(chē)的每一個(gè)模塊都被獨(dú)立出來(lái)，所以材料的替換更為便利。一輛汽車(chē)在原有動(dòng)力系統(tǒng)不變的情況下，如果想增加速度，最有效的辦法是減輕車(chē)身質(zhì)量。金屬新材料包括鋁、鈦、鎂等，其中效果最好的輕量化材料是碳纖維。但碳纖維的價(jià)格較高，不適用于家用車(chē)。目前，最適用于汽車(chē)生產(chǎn)的是鋁合金。20世紀(jì)70年代，鋁合金材質(zhì)開(kāi)始大量出現(xiàn)在汽車(chē)中，有些汽車(chē)的全身鋁合金總比例達(dá)到了15%，德國(guó)某些品牌已經(jīng)高達(dá)25%。如果想繼續(xù)擴(kuò)大這個(gè)比例則需要從汽車(chē)車(chē)架入手，但如果鋁合金想替代現(xiàn)有的車(chē)架，則需要更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 汽車(chē)制造輕量化的價(jià)值

輕量化在汽車(chē)制造中具有重大的價(jià)值，當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)相同時(shí)，整車(chē)質(zhì)量越低，其性能越好。如果想達(dá)到相同的性能，輕量化后的汽車(chē)可以用更低的動(dòng)力系統(tǒng)，以此達(dá)到節(jié)能減排效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)每減輕1 kg，1 L汽油可以多行駛0.012 km[2]。當(dāng)能耗越低且能達(dá)到同樣的效果時(shí)，就可以有效降低尾氣排放，對(duì)環(huán)境的污染也會(huì)有所下降。隨著輕量化的不斷深入研究，新材料的運(yùn)用將超越原有材料的強(qiáng)度，汽車(chē)安全性也會(huì)顯著提升。

2 鋁合金在汽車(chē)中的應(yīng)用

2.1 鋁合金的生產(chǎn)工藝

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，很多材料都在汽車(chē)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但從實(shí)驗(yàn)角度來(lái)看，鋁合金并不是最佳材料，很多金屬材料、新材料的各項(xiàng)指標(biāo)都要優(yōu)于鋁合金，但在考慮綜合因素后，鋁合金的各項(xiàng)數(shù)值最為突出，經(jīng)濟(jì)性最佳，基于這些條件，汽車(chē)工業(yè)中的鋁合金得到了廣泛應(yīng)用。鋁合金工藝發(fā)展之初有很多形式，隨著行業(yè)的不斷規(guī)范與成熟，目前鋁合金工藝主要分為兩類(lèi)，分別是鑄造成型工藝和半固態(tài)成型工藝，其中應(yīng)用最多的是鑄造成型工藝。鑄造成型工藝又可分為精密鑄造工藝、擠壓鑄造工藝、重力鑄造工藝等。鑄造成型工藝的特點(diǎn)是質(zhì)量有保障，可以實(shí)現(xiàn)流水線式生產(chǎn)，能夠達(dá)到高精度作業(yè)。半固態(tài)成型工藝發(fā)展較晚，但技術(shù)性能優(yōu)于鑄造成型工藝，產(chǎn)品用途更廣，用途更為靈活，因?yàn)殇X合金產(chǎn)品在成型前分為固態(tài)和液態(tài)保存，所以半固態(tài)成型工藝的鋁合金產(chǎn)品力學(xué)性能更好、精密度更高，可延長(zhǎng)磨具應(yīng)用時(shí)間。常見(jiàn)的技術(shù)工藝如圖1所示。

圖1 汽車(chē)工業(yè)中鋁合金生產(chǎn)工藝種類(lèi)圖Fig.1 Types of aluminum alloy production process in automobile industry

2.2 鋁合金輕量化在汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國(guó)鋁合金輕量化技術(shù)的不斷突破，我國(guó)汽車(chē)制造廠商使用鋁合金的比例也越來(lái)越高，鋁合金產(chǎn)品在眾多材料中脫穎而出。其性能符合要求，還能實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，目前很多鋁合金零件都可以循環(huán)利用，整體利用率高達(dá)95%以上，這是其他金屬材料無(wú)法比擬的。隨著技術(shù)的不斷突破，鋁合金在汽車(chē)工業(yè)上的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多，無(wú)論是可塑性還是可回收性都是其顯著的優(yōu)勢(shì)，尤其是鋁合金車(chē)架的研發(fā)會(huì)在極大程度上降低整車(chē)質(zhì)量，在強(qiáng)度方面也會(huì)有很大的提升。

根據(jù)CM集團(tuán)調(diào)研顯示，我國(guó)目前汽車(chē)車(chē)鋁板的使用情況是每輛汽車(chē)平均為20kg，占車(chē)架質(zhì)量的10%～15%，這與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的鋁合金使用比例還有一定的差距，材料應(yīng)用研發(fā)有待提升，但隨著電車(chē)時(shí)代的來(lái)臨，我國(guó)汽車(chē)電池已取得了良好發(fā)展。

2.3 鋁合金材料在汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前鋁合金材料在汽車(chē)領(lǐng)域中最為普遍的應(yīng)用是鑄造鋁合金技術(shù)，鑄造鋁合金件可以根據(jù)汽車(chē)的實(shí)際需要采用不同的鑄造工藝來(lái)完成。例如，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中包含大量的鑄造鋁合金零件，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)中很多零件需要很高的耐腐蝕性，同時(shí)又需要極佳的導(dǎo)熱性，與其他的零件之間還需要很高的契合度。鋁合金材料也可以用于輪轂的制造，鋁合金材料強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、精密度高、重量輕，還可以回收，是以低壓鑄造及中立鑄造為核心的鑄造工藝。

鋁合金在車(chē)架中有廣泛應(yīng)用，鋁合金車(chē)架輕量化優(yōu)化是求最優(yōu)解的一個(gè)過(guò)程，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程可以分為三個(gè)步驟[3]。對(duì)鋁合金車(chē)架的設(shè)計(jì)變量選取，設(shè)計(jì)變量選取有較多的方法，為了使設(shè)計(jì)變量選取的精度有所保障，主要使用BOE分析方法，通過(guò)該方法選取出對(duì)整個(gè)車(chē)身結(jié)構(gòu)影響因素較大的變量。再驗(yàn)證，對(duì)BOE分析的變量進(jìn)行近似建模，如果近似建模的精度達(dá)到研究要求，可以直接省略仿真過(guò)程，以有效提升效率。進(jìn)行最終優(yōu)化，也就是求最優(yōu)解的過(guò)程，使用Isight軟件來(lái)完成，運(yùn)用自適應(yīng)模擬退火算法來(lái)求得最優(yōu)解，確保整體參數(shù)不變的情況下減輕車(chē)身重量。具體流程如圖2所示。

圖2 鋁合金車(chē)架輕量化優(yōu)化流程圖Fig.2 Flow chart of lightweight optimization of aluminum alloy frame

變形鋁合金的應(yīng)用。變形鋁合金也叫可壓力加工鋁合金，這種技術(shù)制成的鋁合金質(zhì)量比鑄造鋁合金更輕，強(qiáng)度更高，可塑性好，在批量制造過(guò)程中表現(xiàn)得更加穩(wěn)定，成品幾率更大一些，可以在汽車(chē)很多關(guān)鍵零件上使用，尤其是在汽車(chē)懸掛上進(jìn)行使用，變形鋁合金可大幅度提升汽車(chē)的穩(wěn)定性與安全性。

鋁基復(fù)合材料是近幾年才突破的技術(shù)，它的性能大幅度超越了之前的鋁合金材料，其穩(wěn)定性、強(qiáng)度、抗斷裂能力都要超過(guò)以往的產(chǎn)品，且重量能降低50%以上，未來(lái)可以應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)軸、搖臂等支撐零部件中。

3 鋁合金輕量化在汽車(chē)制造中的發(fā)展方向

3.1 未來(lái)汽車(chē)制造對(duì)鋁合金輕量化的要求

很多汽車(chē)制造企業(yè)宣布停止生產(chǎn)燃油車(chē)，未來(lái)新能源汽車(chē)將成為汽車(chē)市場(chǎng)的主力，新能源汽車(chē)對(duì)環(huán)境污染更小，更加節(jié)約能源。目前，新能源汽車(chē)的代表車(chē)型是電能汽車(chē)，電能汽車(chē)無(wú)排放，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，對(duì)能源消耗很小，但電車(chē)目前存在的問(wèn)題是續(xù)航能力稍弱，現(xiàn)在的車(chē)身重量對(duì)于電車(chē)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)，如果在原有基礎(chǔ)上增加電池組，那么對(duì)車(chē)身又是一種增重，如果降低電池組，車(chē)雖然輕了，但續(xù)航會(huì)更低。因此，新能源汽車(chē)的輕量化是關(guān)鍵。鋁合金輕量化可以解決很多問(wèn)題，不過(guò)其中一個(gè)主要問(wèn)題是成本較高，未來(lái)鋁合金輕量化的發(fā)展要在成本、技術(shù)、實(shí)用性之間達(dá)到一定的平衡，這樣才能使這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展得越來(lái)越好[4]。

3.2 鋁合金輕量化車(chē)架車(chē)身材料的研發(fā)

燃油車(chē)的汽車(chē)整體重量無(wú)法完全降低，當(dāng)汽車(chē)重量低于一定比例時(shí)，對(duì)車(chē)的性能是一種損耗，當(dāng)汽車(chē)重量低于一定比例時(shí)，汽車(chē)需要降低高度來(lái)達(dá)到車(chē)身穩(wěn)定的效果。但汽車(chē)輕量化在電能汽車(chē)中則具有很大的優(yōu)勢(shì)，整車(chē)質(zhì)量降低后，可以通過(guò)增加電池組的方式來(lái)提升重量，不僅保證了車(chē)身的平衡性、安全性，還提升了車(chē)輛的續(xù)航能力。未來(lái)，鋁合金車(chē)架是主要的研究方向。

車(chē)身作為汽車(chē)的主要架構(gòu)之一，集成了很多功能，因此車(chē)身上組成的零件和連接零件較多。汽車(chē)車(chē)身分為內(nèi)板和外板，外板的選擇主要以抗腐蝕能力強(qiáng)和時(shí)效硬化性能強(qiáng)的材料為主，因此，鋁合金材料是較好的選擇。內(nèi)板材料選擇最主要的條件是成形性，其次是較好的抗腐蝕性，無(wú)論是車(chē)身內(nèi)板還是外板使用鋁合金材料都可以滿(mǎn)足各項(xiàng)指標(biāo)，在輕量化上會(huì)有很大的突破?，F(xiàn)代汽車(chē)制造中，車(chē)身不僅附帶功能性，還需要兼顧美觀性，設(shè)計(jì)中應(yīng)增加空氣動(dòng)力學(xué)，通過(guò)車(chē)身設(shè)計(jì)來(lái)降低風(fēng)阻，以達(dá)到節(jié)能效果，如很多流線元素，一方面是為了降低風(fēng)阻，另一方面是為了增加美觀性，當(dāng)車(chē)身處理成流線型時(shí)則需要更好的延展性，成型時(shí)具有一定的難度，目前符合這種車(chē)身技術(shù)要求的鋁合金材料有6111和5182鋁合金。我國(guó)目前也在大力研發(fā)鋁合金材料，標(biāo)準(zhǔn)需要超過(guò)6111和5182鋁合金[5]。未來(lái)，汽車(chē)制造不僅需要提升材料質(zhì)量，還需要提升加工技術(shù)水平，包括直線型材曲線化擠壓技術(shù)、彎曲加工技術(shù)、材料連接技術(shù)等，只有材料和生產(chǎn)技術(shù)全面突破，才能真正取代鋼制車(chē)身。車(chē)身設(shè)計(jì)和應(yīng)用中有較多關(guān)鍵技術(shù)，具體應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 車(chē)身設(shè)計(jì)應(yīng)用流程圖Fig.3 Flow chart of body design application

4 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)輕量化是未來(lái)汽車(chē)制造的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是以新能源為主的車(chē)型更需要輕量化來(lái)支撐。目前，鋁合金材料是汽車(chē)輕量化的最佳選擇，無(wú)論是強(qiáng)度、抗腐蝕性、可塑性都能達(dá)到要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，成本也會(huì)越來(lái)越低。鋁合金輕量化的發(fā)展空間巨大，還需要在材料創(chuàng)新和技術(shù)突破方面加強(qiáng)研究。