商用汽車輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

李劍

摘 要：商務(wù)汽車即多用途汽車，它集轎車、旅行車和廂式貨車的功能于一身，車內(nèi)每個(gè)座椅都可調(diào)整，并有多種組合的方式，具有空間大、功能多、重量大等特點(diǎn)，商用汽車輕量化已經(jīng)成為了重要發(fā)展趨勢(shì)?；诖?，文章首先提出商用汽車輕量化發(fā)展方向和意義，進(jìn)而探究鋁合金在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用，最后針對(duì)現(xiàn)存問題提出幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞：商用汽車;輕量化;鋁合金;應(yīng)用中圖分類號(hào)：U445? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-178-03

Abstract： Business vehicle is a multi-purpose vehicle， which integrates the functions of car， traveling car and van. Each seat in the vehicle can be adjusted， and there are many combinations. It has the characteristics of large space， multi-function and heavy weight. The lightweight of commercial vehicle has become an important development trend. Based on this， this paper first puts forward the development direction and significance of commercial vehicle lightweight， then explores the application of aluminum alloy in automobile production， and finally puts forward some suggestions for the existing problems.Keywords： Commercial vehicle; Lightweight; Aluminium alloy; ApplicationCLC NO.： U445? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-178-03

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為了大部分人的運(yùn)載代步工具，特別是商用汽車的出現(xiàn)，進(jìn)一步豐富了汽車的功能。但是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也給我國(guó)不可再生資源帶來巨大壓力，汽車尾氣、生產(chǎn)材料大量投入都會(huì)影響我國(guó)生態(tài)環(huán)境，特別是在全球變暖的趨勢(shì)下，如何緩解汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自然環(huán)境之間的矛盾是需要重點(diǎn)考慮的問題。汽車產(chǎn)業(yè)作為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，但依然要對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行管理與控制，貫徹可持續(xù)發(fā)展理念、綠色發(fā)展理念，給商用汽車“減重”，降低能源損耗和排放，這樣才能夠推動(dòng)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展，讓城市生態(tài)環(huán)境更加平衡。

1 商用汽車輕量化發(fā)展方向與意義

1.1 發(fā)展方向

商用汽車雖然空間大、功能全，但龐大的車身和豐富的功能也增加了車輛的自重和能耗，而商用汽車輕量化發(fā)展的核心就是應(yīng)用新材料減輕自重。通過金屬密度調(diào)查可知，鋁、鎂、鈦合金等材料質(zhì)量相對(duì)較輕，是汽車輕量化的研究重點(diǎn)。其中，鋁合金密度為2.7g/m?、鎂合金密度為1.7g/m?、鈦合金密度為4.5g/m?。可見，這些合金金屬材料可以有效減少商務(wù)用車自重、提高行駛性能。鎂合金密度最小，因此質(zhì)量最輕，但是相比鋁合金來說，鋁合金制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，工藝更加成熟、成本更低，所以綜合性能最強(qiáng)，也是商用汽車輕量化發(fā)展中的重要材料。

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外汽車制造廠商都紛紛提高了鋁合金材料的使用比例，耗鋁量已經(jīng)達(dá)到了13%以上，部分發(fā)達(dá)國(guó)家耗鋁量已經(jīng)超過了30%。對(duì)于商用汽車來說，輕量化的主要部分就是車身，這是由于商用汽車車身重量可以達(dá)到整車重量的40%以上，是輕量化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中的核心，所以有必要對(duì)鋁合金材料合理利用。

1.2 輕量化發(fā)展意義

商用汽車輕量化有助于現(xiàn)代化汽車的可持續(xù)發(fā)展。其主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1.2.1 汽車輕量化可以減少行駛排放量、降低能耗

汽車重量和能耗有直接關(guān)系，在相同行駛速度下，汽車整體越重能耗越大，而車體越輕能耗越小。通過有關(guān)調(diào)查顯示，車體重量減輕1kg，1L汽油就可以多行駛0.011km（11m），也就是減輕100kg，可以多行駛1公里。同時(shí)，減少油耗就意味著降低汽車尾氣排放量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

1.2.2 汽車輕量化可以提高行駛性能、保證行駛安全

降低汽車自重可以縮短汽車加速度時(shí)間，如想要將汽車加速到100km·h-1，輕量化可以將初始的10s縮短為7s，這樣可以有效調(diào)整牽引負(fù)荷狀態(tài)，保證汽車的行駛性能，還可以降低汽車行駛中的慣性，提高駕駛安全性。

2 鋁合金在現(xiàn)代汽車上生產(chǎn)中的應(yīng)用

鋁作為最常見的輕金屬之一，也是地殼中分布最廣、儲(chǔ)量最多的金屬元素，并且鋁金屬和鋁合金性能也非常強(qiáng)，如強(qiáng)度高、重量小、成形性好、力學(xué)性強(qiáng)以及工藝成熟。此外，鋁材料還可以實(shí)現(xiàn)回收再利用。隨著我國(guó)汽車保有量逐年增加、人們環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，報(bào)廢汽車回收和再生廣受行業(yè)關(guān)注，而鋁制品性能優(yōu)勢(shì)也決定了其回收價(jià)值，這是由于鋁受到氧化作用會(huì)生成氧化鋁，是一種防護(hù)膜，因此腐蝕率很低。也正是由于鋁及鋁合金具有眾多優(yōu)勢(shì)，才決定了在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的地位。

2.1 鋁合金成形工藝

現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，鋁合金材料應(yīng)用十分廣泛，也符合現(xiàn)代化汽車輕量化發(fā)展方向。鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中應(yīng)用，必須要有較為成熟的成型工藝，主要包括：

2.1.1 鑄造成形工藝

作為鋁合金成形生產(chǎn)的主要工藝技術(shù)，大部分鋁合金材質(zhì)汽車生產(chǎn)都采用該項(xiàng)技術(shù)。還可以將鑄造成形工藝細(xì)分為精密、重力、壓鑄、低壓、擠壓等鑄造工藝。該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較為成熟，具有質(zhì)量穩(wěn)定、精密度高、可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。

2.1.2 半固態(tài)成形工藝

該項(xiàng)技術(shù)作為汽車領(lǐng)域的一種新型鋁合金成形生產(chǎn)工藝，可以直接制作出與理想的鋁合金產(chǎn)品近似產(chǎn)品。通常情況下，鋁合金成形前會(huì)有固態(tài)、液態(tài)兩種形態(tài)，半熔狀態(tài)有助于材料質(zhì)變，而半固態(tài)成形工藝可以確保鋁合金填充中具有更平穩(wěn)填充型腔，可以更好的成型。半固態(tài)成形工藝可以有效提高部件精度、提升力學(xué)性能、減少凝固收縮、延長(zhǎng)模具使用壽命。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為了汽車領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的工藝，發(fā)展空間很大。但目前該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還無(wú)法做到大規(guī)模汽車量產(chǎn)。

2.2 汽車用鋁分類與應(yīng)用

2.2.1 鑄造鋁合金的應(yīng)用

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，而鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性、抗腐蝕性，因此可以滿足高溫、高氧化的性能，可以制作氣缸和氣缸蓋，特別是對(duì)于商用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說，鋁合金材料的應(yīng)用比例越來越大。如豐田的凌志IMZ-FEV6發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼采用了鑄造鋁合金等。

（2）輪轂

采用鋁合金制造輪轂，具有散熱性好、高強(qiáng)度、質(zhì)量輕、精度高、美觀、減輕振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，并且德國(guó)、美國(guó)、日本等汽車強(qiáng)國(guó)中鋁合金輪轂使用率已經(jīng)達(dá)到了85%以上。鋁合金輪轂主要是采用重力鑄造、低壓鑄造工藝。汽車輕量化發(fā)展已經(jīng)是一大趨勢(shì)，沖壓、旋壓工藝逐漸有取替重力鑄造、低壓鑄造方案。

2.2.2 變形鋁合金

相比鑄件，變形鋁韌性、強(qiáng)度更強(qiáng)，再加上變形鋁中的合金比重較低，可以采用壓力加工方式生產(chǎn)零件和型材。

（1）車身板

目前變形鋁在車身板中的應(yīng)用十分廣泛，包括2千系、5千系、6千系。鋁合金板材熱處理之后可以制作汽車外殼、車身框架，其中5千系不可采用熱處理強(qiáng)化。

（2）其他

在汽車懸掛零件中應(yīng)用鋁合金，可以有效降低零部件自重，可以保證汽車行駛的穩(wěn)定性。而鋁質(zhì)熱交換器相比銅制熱交換器的重量輕40%以上。日本、美國(guó)汽車公司幾乎都使用了鋁制汽車空調(diào)器。在發(fā)達(dá)國(guó)家，鋁質(zhì)散熱器的應(yīng)用也十分廣泛，美國(guó)應(yīng)用率達(dá)到了65%以上，德國(guó)、英國(guó)等汽車大國(guó)應(yīng)用率達(dá)到了95%以上。

2.2.3 鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料作為一種新型的鋁質(zhì)材料，具有尺寸精度高、強(qiáng)度大、低密度、塑性強(qiáng)、耐磨性好等諸多優(yōu)勢(shì)。上世紀(jì)80年代豐田公司首次使用鋁基復(fù)合材料的發(fā)動(dòng)機(jī)回活塞，相比鑄鐵活塞的重量低10%，導(dǎo)熱性提升了4倍。美國(guó)duralcan公司采用鋁基復(fù)合材料制造了汽車制動(dòng)盤，相比傳統(tǒng)鑄鐵制動(dòng)盤重量減少了50%，散熱性和耐磨性也非常強(qiáng)。近些年鋁基復(fù)合材料剎車系統(tǒng)元器件、驅(qū)動(dòng)軸也紛紛采用了鋁基復(fù)合材料。

3 鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用問題與建議

3.1 問題

（1）成本偏高

雖然鋁合金相比其他輕質(zhì)量合金造價(jià)更低，但相比傳統(tǒng)的汽車鋼材價(jià)格依然非常高。西方汽車強(qiáng)國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6011和6016鋁合金大批量生產(chǎn)，但是價(jià)格依然穩(wěn)定在3萬(wàn)元/噸以上，而汽車鋼材價(jià)格不到1萬(wàn)元/噸，即使是去除密度差異，鋁合金材料成本依然偏高。

（2）力學(xué)性能不如鋼材

相比鋼材，鋁合金的彈性模量、強(qiáng)度、深沖性較低。所以選擇鋁合金制作汽車構(gòu)件，通常要加厚、加筋設(shè)計(jì)，因此實(shí)際的輕量化沒有達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)。

（3）維修成本高

如果鋁合金汽車在日常駕駛中受到損壞，對(duì)維修人員專業(yè)性、設(shè)備要求更高，損壞嚴(yán)重需要更換部件，這就增加了維修成本。

（4）研發(fā)費(fèi)用高

汽車生產(chǎn)中應(yīng)用新型材料勢(shì)必會(huì)投入大量研發(fā)成本，包括試驗(yàn)成本、新型生產(chǎn)工藝成本、生產(chǎn)設(shè)備成本等，特別是要更換生產(chǎn)設(shè)備和模具，投資量非常大。

3.2 建議

（1）成立汽車鋁材聯(lián)合開發(fā)機(jī)構(gòu)

汽車制造商、鋁材生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加大聯(lián)合，共同開展汽車鋁材的研發(fā)、生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)等。所以，對(duì)于我國(guó)汽車生產(chǎn)企業(yè)來說，成立汽車鋁材聯(lián)合開發(fā)機(jī)構(gòu)尤為重要，有助于降低成本、提高科技成果資源轉(zhuǎn)換率。

（2）新合金與新工藝

對(duì)現(xiàn)有鋁合金生產(chǎn)工藝進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，不僅要能夠提高力學(xué)性能，還要強(qiáng)化烘烤硬化性、成形性能。我國(guó)汽車行

業(yè)與國(guó)外汽車強(qiáng)國(guó)相比，最大的差距是未形成系統(tǒng)的變形鋁合金生產(chǎn)工藝或無(wú)法大批量生產(chǎn)。

（3）提高鋁合金性價(jià)比

雖然鋁合金板材具有種種優(yōu)勢(shì)，但最大的限制因素就是鋁合金相比鋼材成本更高。所以研發(fā)機(jī)構(gòu)未來要重點(diǎn)考慮如何提高鋁合金的性價(jià)比，這樣才能夠進(jìn)一步發(fā)揮鋁合金汽車的輕量化優(yōu)勢(shì)。

（4）提升政府投資

將分散的科研力量整合，加強(qiáng)輕質(zhì)汽車材料的研究力度。提高汽車企業(yè)新材料的創(chuàng)新性、創(chuàng)造性，構(gòu)建有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品與品牌，建立健全科技創(chuàng)新體制，為汽車輕量化發(fā)展提供多項(xiàng)支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，汽車輕量化發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，因此我們還要進(jìn)一步加強(qiáng)汽車輕質(zhì)材料研發(fā)，全方位培養(yǎng)現(xiàn)代化汽車人才，提出標(biāo)準(zhǔn)化輕質(zhì)汽車材料標(biāo)準(zhǔn)，為汽車輕量化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在加強(qiáng)自主研發(fā)的同時(shí)，還要積極向國(guó)外學(xué)習(xí)，盡可能拉近與汽車強(qiáng)國(guó)之間的距離。

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