铝合金材料在汽车轻量化领域应用的研究现状

2023-01-13王科学王东波孟庆玉董晓红

铝加工 2022年6期

王科学，王东波，黄勇，孟庆玉，张丽，董晓红

（1.新疆神火碳素制品有限公司，昌吉回族自治州 831502；2.新疆工程学院机电工程学院，乌鲁木齐 830047）

0 前言

自2020年习近平总书记提出“双碳”目标以来，各行各业力图通过科技进步、技术创新等手段助力“双碳”目标的达成，涌现出一批又一批的低碳科技成果。据公布数据显示，2021年全国汽车保有量为3.95亿辆，较2020年增长6.32%，其中新能源汽车仅为7 844万辆，占总量的2.6%，因此降低汽车燃油消耗、减少汽车二氧化碳排放仍是汽车工业发展的重要研究方向。相关研究表明，汽车整车质量下降10%对应油耗将降低6%~8%、排放量降低4%~10%[1]。汽车轻量化是降低汽车燃油消耗以及二氧化碳排放量，助力“双碳”目标早日达成的一项重要举措[2]。目前汽车轻量化主要从工艺轻量化、材料轻质化以及结构合理化三个方向出发来达到为汽车减重的目的。本文从材料轻质化研究出发，对铝合金在汽车轻量化领域的应用进行介绍，为后续铝合金材料的发展提供参考。

1 铝合金材料

1.1 我国车用铝合金材料的研究

我国的铝合金车板已初具规模化生产，但研究主要集中于5×××系与6×××系铝合金。5×××系铝合金以Mg为主要添加元素，其合金强度主要取决于材料中Mg添加量和通过加工硬化得到的形变强化程度，其比强度和成形性能好，是汽车用材料轻量化的首选[3]。6×××系铝合金以Mg和Si为主要添加元素，其中Mg2Si相和Q相为主要强化相，有强度适中、成形性和耐蚀性好、易着色等特性，能在固溶淬火处理后以低屈服强度的状态下供货，因此可用于强度和刚度要求较高的部位。中铝下属企业、南山铝业、南南铝、忠旺等企业纷纷加快6×××汽车板的开发、认证和产业化[4]。

1.2 国外车用铝合金材料的研究

自20世纪60年代开始西方发达国家就已经开始尝试利用铝合金材料实现汽车轻量化。全球汽车铝板产能主要分布在美国、德国、日本等国家，诺贝丽斯作为全球最大的铝轧制产品制造和回收利用企业，不断扩张汽车铝板的产能也从侧面验证了铝材在汽车轻量化领域的重要地位。据国际铝业协会统计数据：2006年，欧美每辆轿车的铝合金平均用量为121 kg，占整车质量的10%左右，2010年的用铝量为152 kg，预计2025年将接近325 kg[5]。目前国外多采用铝制材料实现汽车轻量化设计，如奥迪A8、本田NSX、捷豹XJ等。

2 汽车轻量化

汽车轻量化作为汽车产业重要发展方向，节能减排潜力巨大，其含义就是在满足汽车强度要求、保证汽车安全性能的前提下，通过各种方法使整车质量降低。同时由于整车重量与爬坡、滚动等方面阻力呈正相关，从而通过汽车减重降低阻力、提高动力，降低车辆燃油消耗，达到节能减排的目的。目前汽车轻量化主要研究方向大体如图1所示，主要从工艺、材料以及结构三个方向出发对传统车辆进行改造，以达到轻量化的目的。

图1 汽车轻量化研究方向

高强度、高寿命及低质量的材料是现今汽车产业所追求的目标。铝合金材料凭借其密度低，导热性好、抗腐蚀性效果好，同时在发生车祸时可充分吸收车辆撞击产生的能量等特征因而成为车用轻质材料最为火热的一个选择。同时铝合金材料在应用过程中被腐蚀的概率低，回收利用损耗率仅为5%，平均使用寿命长，对于缓解资源日益匮乏，推动经济、环境和能源的可持续发展有巨大的贡献[6]。

3 铝合金材料在汽车轻量化的应用

3.1 汽车车身

汽车车身作为整车中最为大型的构件，在汽车重量中约占30%，油耗量高达70%。实现汽车轻量化关键就在于实现车身轻量化[7]。相关资料显示，在第二代本田Acura NSX中铝材的应用量达79.0%[8]；在第五代路虎（Land Rover Discovery）中铝材应用量达到62.9%[9]。广汽汽车工程研究院林佳武等[10]以真空条件下高压铸造的铝合金后纵梁替代传统钢制总成，对产品的耐撞性、结构等进行了设计，并针对后撞工况、安装点刚度进行了仿真分析。结果证明，在满足强度等要求的情况下，后纵梁重量与原件相比减轻31%。广汽汽车工程研究院张鹏、刘志敏等[11]以68款车型样本为数据，探究了采用铝合金材料制白车身对汽车轻量化的影响，分析结果得出轻量化系数与铝合金使用比例成反比，铝合金制白车身是汽车轻量化的有效举措。

3.2 汽车底盘

汽车底盘是汽车核心部件之一，底盘重量约占整车重量三成，次于白车身和动力总成，其轻量化的研究对推动汽车轻量化具有重大意义。张广和、胡全达等[12]从目前市场分布情况、铝合金轻量化研究等方面出发，对其成型工艺、车辆实例设计等进行了研究。分析结果显示，铝合金密度低，经改良转向节自重降低，挤压铸造成型将成为车辆底盘轻量化的主选。中国重汽黄玉财[13]对轻型载货车底盘如何实现轻量化进行了研究，表明使用轻质化材料是实现其轻量化主要方式之一，其中以轻质铝合金材料最佳。柳州五菱的陆大兴、刘林等[14]从铝合金汽车底盘轻量化工艺、产品以及趋势出发，论述了铝合金底盘轻量化现状及挤压铸造新成型工艺，认为挤压铸造将推动铝合金材料更广泛的应用。Evangelos Ch.Tsirogiannis[15]等针对氢燃料电池动力汽车底盘提出了一种空间框架结构的铝合金设计，将工程方法与零件合并、设计和制造相结合。

3.3 汽车发动机

作为汽车的动力源，汽车发动机是汽车得以运动的最关键部分，它决定着汽车整体性能，对汽车的使用寿命以及驾驶体验具有重要影响。铝制缸体、缸盖以及进气歧管等可使发动机减重30%~40%，同时可使发动机压缩比提高，热应力减少，提高发动机功率[16]。王立新、袁峰[17]对发动机实现轻量化方案进行了研究，表示实现发动机轻量化的最终结果是实现发动机具体零部件的轻量化。提出了采用低强度紧固件、以铝代钢可以实现其重量及成本的双降。武汉理工大学陈云、李杰等[18]为实现汽车轻量化的诉求，采用挤压铸造的方式生产铝合金发动机悬挂支架，对其整个铸造过程进行了设计，并进行了生产验证。结果表明该举措能满足使用要求。K.Ikeda[19]等针对汽车发动机罩提出了一种新型具有波浪形横截面的铝制发动机罩，其所需要的吸能空间更小，在减重的同时仍能满足强度要求。

3.4 汽车轮毂

汽车轮毂在整车中起着支撑质量、驱动汽车行驶等作用。常见轮毂轻量化方法主要有：减小轮毂尺寸、换用轻质材料以及改进工艺三种[20]。而铝合金材料导热性能强，可提高车辆的制动性能，在相同体积下质量仅有传统碳钢材料的30%，同时在高速转动时惯性阻力小，有利于降低轮胎阻力减小油耗，提高车辆行驶的安全性[21-22]。中北大学的张治民所带领的团队[23]针对传统钢制轮毂难以减重的问题，提出了铝合金轮毂正向-反向-径向复合挤压成形新方法。该方法生产出的轮毂在满足质量要求的前提下，减重高达60%，为车辆轻量化研究提供了一种新途径。肖占龙，孙跃东等[24]用SolidWorks建立相关轮毂模型，并对不同制造材料轮毂进行受力及模态分析，并对比其结果，证明了铝合金材料对轮毂轻量化的推动作用。Ying Shi[25]等也利用UG对车轮进行建模，并以ANSYS对其进行受力分析，结果显示其铝合金材料满足车轮强度的要求。