淺談鋁合金在(專用)掛車輕量化過(guò)程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

于曉偉

鋁合金在交通裝備上的應(yīng)用，歐美國(guó)家起步較早，其輕量化車輛中，鋁合金應(yīng)用程度很高。其大部分中重型卡車、掛車和專用掛車(下統(tǒng)稱：(專用)掛車)的許多總成部件都可以用鋁材料替代鋼材，使得整車自質(zhì)量控制處于較高水平。目前國(guó)內(nèi)汽車零部件的鋁合金化程度也在不斷提高，但鋁合金輕量化整車，尤其是(專用)掛車對(duì)鋁合金材料的應(yīng)用還處在起步階段。(注：本文所稱“(專用)掛車”是指掛車以及專用掛車(如罐式、廂式、倉(cāng)柵式、自卸式等)。)

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)輕量化高端車輛需求的增加，許多(專用)掛車企業(yè)都展開(kāi)了相應(yīng)的研究開(kāi)發(fā)。同時(shí)國(guó)家也在大力提倡“節(jié)能減排，環(huán)保綠色經(jīng)濟(jì)”，這為鋁合金在(專用)掛車上的發(fā)展應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。

1 (專用)掛車上鋁合金使用加大，帶來(lái)的主要效益

1.1 減重效果明顯。

為了減輕車輛自質(zhì)量，一是改進(jìn)車輛的結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)；二是選用輕質(zhì)材料(如鋁合金、鎂合金、塑料等)。到目前為止，前者已無(wú)太大的回旋余地，因而選用輕質(zhì)的高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等輕合金材料成為輕量化的主要手段。鋁合金材料資源豐富，同時(shí)伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展和鋁冶煉工藝的改進(jìn)，鋁合金的產(chǎn)量迅速增加，成本相應(yīng)下降。鋁合金材料具有良好的輕質(zhì)特性和良好的成型性能、可焊接性、抗蝕性和表面易著色以及可最大限度地回收利用的特性。可以比鋼制車輛減輕質(zhì)量達(dá)35%～40%，是現(xiàn)代專用車輕量化最理想的材料之一。

1.2 節(jié)能效果可觀。

降低燃油消耗的途徑一般為：提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少行駛阻力，改善傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率及減輕車身自質(zhì)量等，其中最有效的措施是減輕車身自質(zhì)量，鋁合金材料的大量使用，正好滿足這一要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般車身自質(zhì)量減輕1 kg，則1 L汽油可使車輛多行駛0.011 km；車輛自質(zhì)量每降低10%，車輛可節(jié)省燃油6%～8%。

1.3 減少大氣污染，改善環(huán)境質(zhì)量。

汽車自質(zhì)量減輕的同時(shí)，也減少了CO2的排放量。自質(zhì)量每減少50%，CO2排放量減少13%，可以大大地降低對(duì)環(huán)境的影響。同時(shí)鋁合金材料是可最大限度地回收利用的材料，目前國(guó)外的鋁合金材料的回收利用率約為80%，有60%以上的汽車用鋁合金材料來(lái)自回收的廢料。

1.4 有助于提高車輛行駛的平穩(wěn)性、舒適性和安全性。

減輕車身自質(zhì)量可提高汽車的行駛性能，如果汽車總質(zhì)量減輕25%，就可以使汽車的加速時(shí)間從原來(lái)的10 s縮短到6 s；由于鋁合金材料良好的吸震性能，使用鋁合金材料制造的車輛振動(dòng)小，還可以在汽車容積不變的情況下減輕車身自質(zhì)量，使車輛運(yùn)行更加平穩(wěn)，裝載空間增大。在受到?jīng)_擊時(shí)，鋁合金結(jié)構(gòu)能夠吸收、分散更多的能量，因而更加安全、舒適。

2 (專用)掛車應(yīng)用鋁合金板材和擠壓型材的技術(shù)特性

2.1 使用鋁合金可以減輕車輛自質(zhì)量。

表1 相關(guān)材料的性能

鋁合金的密度只有2.7 g/cm3，是鋼的1/3。在相同條件下，鋁合金材質(zhì)車輛的自質(zhì)量可減輕35%以上。由于質(zhì)量減輕，在同樣牽引力條件下，鋁合金車輛可增加運(yùn)力10%，節(jié)能9.6%～12.5%；且由于車輛的運(yùn)行阻力F與質(zhì)量W密切相關(guān)，自質(zhì)量減輕可以大大減少運(yùn)行阻力。

式中，F(xiàn)，運(yùn)行阻力；μo，滾動(dòng)阻力系數(shù)；W，車輛質(zhì)量；θ，傾斜角；α，加速度；β，等價(jià)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量比；λ，空氣阻力系數(shù)；A，迎風(fēng)面積；ν，車速。

由公式(1)可知，汽車行駛阻力由4部分組成：滾動(dòng)阻力、爬坡阻力、加速阻力和空氣阻力。除空氣阻力外，其他3項(xiàng)均與整車質(zhì)量W有關(guān)，車輛自身越重，行駛阻力就越大。因此車輛輕量化的關(guān)鍵也是最有效的途徑就是盡可能多的采用鋁合金材料，提高車輛的用鋁比例。

2.2 鋁合金有可與鋼相比擬的抗拉強(qiáng)度，相對(duì)好的彈性模量和高的韌性。

鋁合金型材作為結(jié)構(gòu)材料選用有它材質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，目前結(jié)構(gòu)用材主要集中在5000系和6000系鋁合金中。5000系材質(zhì)的鋁合金不能進(jìn)行時(shí)效硬化處理，可以進(jìn)行冷作加工。6000系材質(zhì)的鋁合金為了提高材料強(qiáng)度可以采用固溶退火、淬火和人工時(shí)效處理，可以根據(jù)情況采用人工時(shí)效處理和自然時(shí)效處理方式獲得需要的材料強(qiáng)度。熱處理后的一些6000系材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到了300 MPa以上，完全可以替代傳統(tǒng)鋼材。在擁有良好的強(qiáng)度的同時(shí)，鋁合金材質(zhì)還具有相對(duì)好的彈性模量和較高的韌性。

2.3 鋁合金材料還具有很好的成形性能(擠壓、鑄造)，可切削加工，絕大多數(shù)鋁合金材料都可以通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接。并且鋁合金材料還具有極好的防腐蝕性能。

鋁合金材料具有良好的擠壓成型性，絕大多數(shù)鋁合金材料都能通過(guò)鎢極惰性氣體保護(hù)焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。而且可以應(yīng)用于鋁合金焊接的線性攪拌摩擦焊和攪拌摩擦點(diǎn)焊的發(fā)明，進(jìn)一步提高了鋁合金的焊接質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)外的(專用)掛車大量應(yīng)用鋁合金擠壓型材，這為擠壓鋁合金型材在車輛上的推廣創(chuàng)造了條件。隨著擠壓技術(shù)的發(fā)展和新合金的研制成功，利用用特種的擠壓工具與模具開(kāi)發(fā)出了一系列大型整體的薄壁邊框高精度復(fù)雜的空心與實(shí)心型材，并對(duì)直線形型材曲線化的擠壓技術(shù)、彎曲加工技術(shù)和結(jié)合技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時(shí)技術(shù)專家與經(jīng)濟(jì)學(xué)家對(duì)無(wú)框架式車身材料的利用率及無(wú)框架式結(jié)構(gòu)車身的剛性與生產(chǎn)效率的提高等進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，用整體型材無(wú)框架式結(jié)構(gòu)車身替代板梁框架式車身結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代化汽車的發(fā)展趨勢(shì)。

單從材料的力學(xué)性能方面看，鋼的彈性變形性能和伸長(zhǎng)率較好，故沖擊性能比鋁材好，而且鋁合金在抗疲勞方面也不如鋼。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，多種適合(專用)掛車的高性能結(jié)構(gòu)用鋁合金相繼推出，特別是近年來(lái)大型鋁合金整體空心型材的擠壓成功，使(專用)掛車結(jié)構(gòu)鋁材組合的設(shè)計(jì)方案成為可能，從而為鋁合金(專用)掛車的發(fā)展鋪平了道路。用型材方案拼焊成的(專用)掛車結(jié)構(gòu)不僅質(zhì)量輕，局部剛度和整體剛度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼結(jié)構(gòu)(專用)掛車，特別是抗扭剛度將大大提高，這樣還有利于提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力。同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了制造及焊接工藝。在組裝時(shí)，為了得到精制且不變形的焊接構(gòu)件，可能要求備有較多的組裝工具和胎具，固定投資較大，但資金的回收卻比耗資很大的常用設(shè)備要快。此外，鋁合金材料的耐火、耐腐蝕能力也比鋼材優(yōu)越的多。并且鋁合金部件便于制造和維修，易于更換，不需要除銹，適用于各種表面處理，而且可以回收利用。

2.4 鋁合金材料在低溫狀態(tài)下能夠保持良好的狀態(tài)，鋁合金型材可以進(jìn)行陽(yáng)極氧化等表面處理，從而達(dá)到防腐蝕和裝飾的目的。這使它不僅可以作為結(jié)構(gòu)材料選用，還可以作為裝飾用材。

鋼材具有低溫脆性，木材和塑料有吸濕性，冷凍后容易變脆，而鋁合金在低溫下則能夠保持良好的狀態(tài)，干凈又容易清理，不吸收和散發(fā)異味，這使它成為冷藏車上首選的材料。鋁合金型材經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化等表面處理后材料表面光亮美觀，耐腐蝕，可以作為廂式車或乘用車內(nèi)外飾的裝飾材料選用。

鋁合金的技術(shù)難點(diǎn)，主要是對(duì)于焊接過(guò)程的工藝控制、環(huán)境控制要求苛刻。鋁合金焊接難度大，焊接工藝要求高，使得焊前處理和焊接過(guò)程都很復(fù)雜。與鋼材相比，鋁合金的成型性能要差很多，無(wú)論是深沖性還是最小折彎半徑都比鋼材差。前期從鋼制車輛轉(zhuǎn)型生產(chǎn)投資成本大，以及原材料的研發(fā)生產(chǎn)成本高；相關(guān)技術(shù)人員匱乏，國(guó)內(nèi)運(yùn)輸市場(chǎng)運(yùn)行不規(guī)范，等等都成為鋁合金材料在(專用)掛車領(lǐng)域推廣的障礙。如何在市場(chǎng)推廣和技術(shù)開(kāi)發(fā)中揚(yáng)長(zhǎng)避短，最大程度地發(fā)揮鋁合金材料性能優(yōu)勢(shì)，這對(duì)我們的企業(yè)戰(zhàn)略制定和技術(shù)人員提出了更高的要求。雖然有諸多難點(diǎn)，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，研究的深入相信都會(huì)得到逐步解決。

3 結(jié)語(yǔ)

鋁合金材料的這些特性和優(yōu)點(diǎn)，為它在(專用)掛車上的廣泛應(yīng)用成為可能。雖然國(guó)內(nèi)鋁合金材料在(專用)掛車上的應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)際交流的增加，業(yè)內(nèi)已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到了鋁合金材料在汽車輕量化需求中的巨大優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)先后有山東叢林福祿好富汽車有限公司、揚(yáng)州中集通華專用車有限公司、東莞永強(qiáng)汽車制造有限公司等多家公司開(kāi)展鋁合金(專用)掛車的研究開(kāi)發(fā)，不斷從國(guó)外引進(jìn)新技術(shù)，加大研發(fā)和市場(chǎng)推廣力度，目前部分車型已經(jīng)批量推向市場(chǎng)。同時(shí)國(guó)家也加大了政策傾斜力度，并且通過(guò)規(guī)范國(guó)內(nèi)道路交通運(yùn)輸市場(chǎng)，加大甩掛車型補(bǔ)貼，調(diào)整(專用)掛車報(bào)廢年限等舉措推動(dòng)了鋁合金車輛在中國(guó)市場(chǎng)的大力發(fā)展。

[1]王宏雁,陳君毅.汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.