铝合金轻量化在汽车中的应用

2022-09-05赵明宇王冠宇

黑龙江科学 2022年16期

杨洋，赵明宇，王冠宇

(黑龙江省科学院智能制造研究所，哈尔滨 150090)

随着越来越多的家庭拥有私家车，截至2021年，我国汽车数量已达到3.95亿辆，为目前世界上汽车保有量最高的国家[1]。随着汽车数量的不断增长，人们更加注重节能减排，国家也提升了尾气排放标准。但我国在铝合金轻量化方面的研究起步较晚，2000年轻量化研究取得了较多成果，汽车产量也突飞猛进，成为汽车第一制造大国，也是第一消费大国。能源消耗和尾气排放成为关注的重要问题。铝合金轻量化与汽车生产设计相结合，可降低汽车重量，增加强度，以达到节能减排的目的。

1 汽车制造轻量化的发展与价值

1.1 汽车制造轻量化的发展方向

汽车发展过程中材料的更换是较为频繁的。福特公司将汽车进行流水线生产后，汽车的每一个模块都被独立出来，所以材料的替换更为便利。一辆汽车在原有动力系统不变的情况下，如果想增加速度，最有效的办法是减轻车身质量。金属新材料包括铝、钛、镁等，其中效果最好的轻量化材料是碳纤维。但碳纤维的价格较高，不适用于家用车。目前，最适用于汽车生产的是铝合金。20世纪70年代，铝合金材质开始大量出现在汽车中，有些汽车的全身铝合金总比例达到了15%，德国某些品牌已经高达25%。如果想继续扩大这个比例则需要从汽车车架入手，但如果铝合金想替代现有的车架，则需要更高的技术标准。

1.2 汽车制造轻量化的价值

轻量化在汽车制造中具有重大的价值，当动力系统相同时，整车质量越低，其性能越好。如果想达到相同的性能，轻量化后的汽车可以用更低的动力系统，以此达到节能减排效果。试验发现，汽车每减轻1 kg，1 L汽油可以多行驶0.012 km[2]。当能耗越低且能达到同样的效果时，就可以有效降低尾气排放，对环境的污染也会有所下降。随着轻量化的不断深入研究，新材料的运用将超越原有材料的强度，汽车安全性也会显著提升。

2 铝合金在汽车中的应用

2.1 铝合金的生产工艺

随着汽车工业的不断发展，很多材料都在汽车上进行了实验，但从实验角度来看，铝合金并不是最佳材料，很多金属材料、新材料的各项指标都要优于铝合金，但在考虑综合因素后，铝合金的各项数值最为突出，经济性最佳，基于这些条件，汽车工业中的铝合金得到了广泛应用。铝合金工艺发展之初有很多形式，随着行业的不断规范与成熟，目前铝合金工艺主要分为两类，分别是铸造成型工艺和半固态成型工艺，其中应用最多的是铸造成型工艺。铸造成型工艺又可分为精密铸造工艺、挤压铸造工艺、重力铸造工艺等。铸造成型工艺的特点是质量有保障，可以实现流水线式生产，能够达到高精度作业。半固态成型工艺发展较晚，但技术性能优于铸造成型工艺，产品用途更广，用途更为灵活，因为铝合金产品在成型前分为固态和液态保存，所以半固态成型工艺的铝合金产品力学性能更好、精密度更高，可延长磨具应用时间。常见的技术工艺如图1所示。

图1 汽车工业中铝合金生产工艺种类图Fig.1 Types of aluminum alloy production process in automobile industry

2.2 铝合金轻量化在汽车生产中的应用现状

随着我国铝合金轻量化技术的不断突破，我国汽车制造厂商使用铝合金的比例也越来越高，铝合金产品在众多材料中脱颖而出。其性能符合要求，还能实现循环利用，目前很多铝合金零件都可以循环利用，整体利用率高达95%以上，这是其他金属材料无法比拟的。随着技术的不断突破，铝合金在汽车工业上的应用也会越来越多，无论是可塑性还是可回收性都是其显著的优势，尤其是铝合金车架的研发会在极大程度上降低整车质量，在强度方面也会有很大的提升。

根据CM集团调研显示，我国目前汽车车铝板的使用情况是每辆汽车平均为20kg，占车架质量的10%～15%，这与欧美发达国家的铝合金使用比例还有一定的差距，材料应用研发有待提升，但随着电车时代的来临，我国汽车电池已取得了良好发展。

2.3 铝合金材料在汽车生产中的应用

目前铝合金材料在汽车领域中最为普遍的应用是铸造铝合金技术，铸造铝合金件可以根据汽车的实际需要采用不同的铸造工艺来完成。例如，汽车发动机中包含大量的铸造铝合金零件，因为在发动机中很多零件需要很高的耐腐蚀性，同时又需要极佳的导热性，与其他的零件之间还需要很高的契合度。铝合金材料也可以用于轮毂的制造，铝合金材料强度高、导热性好、精密度高、重量轻，还可以回收，是以低压铸造及中立铸造为核心的铸造工艺。

铝合金在车架中有广泛应用，铝合金车架轻量化优化是求最优解的一个过程，整个优化过程可以分为三个步骤[3]。对铝合金车架的设计变量选取，设计变量选取有较多的方法，为了使设计变量选取的精度有所保障，主要使用BOE分析方法，通过该方法选取出对整个车身结构影响因素较大的变量。再验证，对BOE分析的变量进行近似建模，如果近似建模的精度达到研究要求，可以直接省略仿真过程，以有效提升效率。进行最终优化，也就是求最优解的过程，使用Isight软件来完成，运用自适应模拟退火算法来求得最优解，确保整体参数不变的情况下减轻车身重量。具体流程如图2所示。

图2 铝合金车架轻量化优化流程图Fig.2 Flow chart of lightweight optimization of aluminum alloy frame

变形铝合金的应用。变形铝合金也叫可压力加工铝合金，这种技术制成的铝合金质量比铸造铝合金更轻，强度更高，可塑性好，在批量制造过程中表现得更加稳定，成品几率更大一些，可以在汽车很多关键零件上使用，尤其是在汽车悬挂上进行使用，变形铝合金可大幅度提升汽车的稳定性与安全性。

铝基复合材料是近几年才突破的技术，它的性能大幅度超越了之前的铝合金材料，其稳定性、强度、抗断裂能力都要超过以往的产品，且重量能降低50%以上，未来可以应用在驱动轴、摇臂等支撑零部件中。

3 铝合金轻量化在汽车制造中的发展方向

3.1 未来汽车制造对铝合金轻量化的要求

很多汽车制造企业宣布停止生产燃油车，未来新能源汽车将成为汽车市场的主力，新能源汽车对环境污染更小，更加节约能源。目前，新能源汽车的代表车型是电能汽车，电能汽车无排放，通过电力驱动，对能源消耗很小，但电车目前存在的问题是续航能力稍弱，现在的车身重量对于电车来说是一个很大的负担，如果在原有基础上增加电池组，那么对车身又是一种增重，如果降低电池组，车虽然轻了，但续航会更低。因此，新能源汽车的轻量化是关键。铝合金轻量化可以解决很多问题，不过其中一个主要问题是成本较高，未来铝合金轻量化的发展要在成本、技术、实用性之间达到一定的平衡，这样才能使这个产业发展得越来越好[4]。

3.2 铝合金轻量化车架车身材料的研发

燃油车的汽车整体重量无法完全降低，当汽车重量低于一定比例时，对车的性能是一种损耗，当汽车重量低于一定比例时，汽车需要降低高度来达到车身稳定的效果。但汽车轻量化在电能汽车中则具有很大的优势，整车质量降低后，可以通过增加电池组的方式来提升重量，不仅保证了车身的平衡性、安全性，还提升了车辆的续航能力。未来，铝合金车架是主要的研究方向。

车身作为汽车的主要架构之一，集成了很多功能，因此车身上组成的零件和连接零件较多。汽车车身分为内板和外板，外板的选择主要以抗腐蚀能力强和时效硬化性能强的材料为主，因此，铝合金材料是较好的选择。内板材料选择最主要的条件是成形性，其次是较好的抗腐蚀性，无论是车身内板还是外板使用铝合金材料都可以满足各项指标，在轻量化上会有很大的突破。现代汽车制造中，车身不仅附带功能性，还需要兼顾美观性，设计中应增加空气动力学，通过车身设计来降低风阻，以达到节能效果，如很多流线元素，一方面是为了降低风阻，另一方面是为了增加美观性，当车身处理成流线型时则需要更好的延展性，成型时具有一定的难度，目前符合这种车身技术要求的铝合金材料有6111和5182铝合金。我国目前也在大力研发铝合金材料，标准需要超过6111和5182铝合金[5]。未来，汽车制造不仅需要提升材料质量，还需要提升加工技术水平，包括直线型材曲线化挤压技术、弯曲加工技术、材料连接技术等，只有材料和生产技术全面突破，才能真正取代钢制车身。车身设计和应用中有较多关键技术，具体应用流程如图3所示。