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用铝合金材料实现汽车轻量化

节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势,尤其是节能和环保更是关系到人类可持续发展的重大问题。因此,降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减少汽车自身质量(汽车轻量化)是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。汽车轻量化的途径有两种:一是优化汽车框架结构;另一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前常用的轻质材料为铝合金。

  

目前,世界交通运输业用铝为铝产量的26%,而我国仅为5.7%。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,对交通工具的需求越来越多,因此,铝合金材料在我国交通运输业上的发展空间还很大。

  

现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝合金,这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性,减轻曲轴配重,提高效率,并需要材料有良好的导热性,较小的热膨胀系数,以及在350℃左右有较好的力学性能,而铸铝合金能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝合金件,减轻了质量,从而减少发动机的振动,降低了噪声,使发动机的油耗下降,这也符合汽车的发展趋势。

  

汽车车身约占汽车曾质量的贺30%,对汽车本身来说,约70%的油耗是用在车身质量上的,所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了铝合金车门,然后不断扩大应用。1994年奥迪公司斥资800万欧元建立的铝材中心(1994年~2002年),两年前被更名为“奥迪铝材及轻重化设汁中心。1994年开发第一代AudiA8全铝空间框架结构(ASF),ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平。但汽车自身质量减轻了大约40%。随后于1999年诞生的AudiA2,成为首批采用该技术的批量生产轿车。2002年,奥迪铝材及轻量化设计中心又实现了第二代AudiA8的诞生。

  

在此期间,美国铝业公司开发了全新的汽车生产技术。如今,铝制车身制造的自动化操作程度已达80%,赶上了传统钢制车身生产的自动化水平。奥迪公司与美国铝业公司一直保持着良好的合作关系,双方合作的目标是共同开发一款全新的可以批量生产的全铝车身汽车。

  

美国铝业公司为全球汽车制造商提供品种繁多、性能优异的汽车部件和总成,包括车身覆盖件的铝板、压铸轮毂、配电系统、底盘和悬架部件,以及保险杆、发动机支架、传动轴、车顶系统等总成;包括AudiA8的第二代ASF框架结构、宝马5和7系列的铝制悬架、日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612-Scaglietti的全铝车体结构,以及捷豹XJ采用的真空压铸技术。美铝公司的产品和解决方案使这些车型向着更轻量化、更技术化的方向发展。

目前,制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比钢材的高,为了促进铝合金在汽车上的大量应用,必须降低材料成本。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成形工艺外,回收再生技术可进一步降低铝合金的生产成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术,今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料(如铸铁一铝、钢一铝、铝一镁等),对这些连接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术,是今后扩大铝合金在汽车上应用的重要课题。   汽车广泛应用的铝制轮毂是铝合金在汽车上应用的一个例子,铝合金轮毂的优点是:

  
  • (l)省油。平均每个铝合金轮毂比相同尺寸钢轮毂轻2kg,一台轿车用5个便节省l0kg质量。根据日本试验,5座位轿车质量每减轻lkg,-年约节省20L汽油,而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出,铝合金轮毂价格虽然比一般钢轮毂的高,但每辆汽车行走2万km,所节省的燃料费便足够抵回其增加的成本。
  • (2)增加发动机寿命。根据发动机负荷与功率曲线图,当负荷增大至某一程度后,其功率反呈降低趋势,此边际表示此时每一单位负荷发动机将特别耗油。发动机负荷减轻.自然减少故障,延长寿命。
  • (3)散热好。铝合金的传导系数为钢的3倍,散热效果好,长途高速行驶时也能使轮胎保持在适当的温度,使刹车鼓及轮胎不易老化,增加寿命,降低爆胎的机会。
  • (4)真圆度好。真圆度精度高达0.05mm,运转平衡性能好,有利于消除一般车身超长时方向盘抖动现象。
  • (5)坚固耐用。铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及耐热能力较钢轮的好。
  • (6)美观。一般钢轮毂因生产工艺所限,形式单调呆板。铝合金轮毂则有各式各样的设计,加上光泽、颜色效果好,从而提高了汽车的价值与美观。
  

综上所述,铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的,但是碳纤维增强复合材料以其优异的性能逐渐在航空工业上得到应用,因此铝合金材料在很多工业部门的应用也将受到其他新型材料严峻的挑战,必须不断开发新的铝合金品种,新的加工工艺,更加提高材料的性能,迎接新的挑战。