铝合金在汽车轻量化中的应用及重卡轻量化实例

陈文博 牛润泽 潘星 许帮柱 王晨 任冲

摘 要：汽车轻量化可有效地节约能源，减少环境污染，提升车辆的行驶性能与安全性能。文章综述了汽车用铝合金材料的性能特点及在汽车轻量化制造中的应用范围。以重卡行业汽车零部件轻量化的实例进行引入，对铝合金实际使用情况进行介绍。

关键词：铝合金;汽车轻量化;零部件

中图分类号：TU512.4  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）16-49-03

Abstarct： Automobile lightweight can effectively save energy， reduce environmental pollution， and improve the driving and safety performance of vehicles. This paper mainly introduces the performance characteristics of automotive aluminum alloy materials and its application scope in automobile lightweight manufacturing. The practical application of aluminum alloy is introduced with the example of automobile parts lightweight in heavy truck industry.

Keywords： Aluminum alloy; Llightweight automobile; Parts

CLC NO.： TU512.4  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）16-49-03

引言

汽车轻量化已成为汽车行业进行市场竞争的重要途径。本文以铝合金轻量化为途径，立足于汽车行业，简述不同性能铝合金的应用及实例。

1 铝合金在汽车工业中的优势

铝元素是地壳中含量最多的金属元素，具有质量轻、塑性及耐蚀性好，从加工成本、机械性能、利用率、制造技术、产品表面性能等方面均具有明显的优越性。

1.1 节能与环保优势

经过大数据统计分析，整车的质量与汽车的油耗之间存在密切关系。各方观点认为，汽车行业对于环境改善影响较大。VOCs很大程度来自于汽车尾气，而据世界铝业协会的研究显示，汽车每轻量化10%，尾气排放降低5-6%。据资料介绍，汽车减轻1Kg自重，每行驶10000Km，可以降低耗油0.7L[1]。

随着汽车保有量的增加和人们环保意识的增强，汽车尾气排放和报废汽车的处理已成为社会所关注的问题。科学表明，汽车重量越轻，节油效果越明显，汽车废气排放就会越少，对环境的影响越小。同时，铝制品具有较高的重复使用率，可以达到80%左右，优越的性能决定了铝合金材料在汽车轻量化领域中的重要地位。

1.2 汽车行驶性能及安全性能的提高

随着人们生活水平的提升，在汽车驾驶中对高速、舒适、安全等方面的要求也逐渐提高。在汽车减轻重量后，车身重心降低，汽车行驶更加稳定、舒适，转动和震动部件的噪音明显降低。由于铝合金的性能和车身构造可以充分吸收撞击时所产生的能量，降低了对汽车的损害，因而更加安全;同时可以降低动力和动力传动系统的负荷，使汽车在较低的牵引负荷状态下表现出原有的或更好的性能[2]。

2 铝合金在汽车生产中的应用

2.1 铸造铝合金

铸造铝合金在汽车上的使用量最大，占所有铝质产品的77%左右，大部分汽车生產中都会用到此工艺。铝合金铸造工艺中主要包括了重力铸造、低压铸造、精密铸造、压铸等多种工艺类型，以上加工工艺基本具有产品质量稳定、尺寸精度高、易于大批量生产等特点。近几年，随着汽车轻量化发展的更高要求，铸造铝合金的加工工艺已开始从重力铸造和低压铸造等向冲压与旋压加工方法转变。

铸造铝合金主要用于制造发动机气缸体、变速器、离合器壳体、摇臂、油缸、制动钳、制动盘及轮毂等汽车构件。其中，铝合金具有较好的导热性和抗腐蚀性，符合了汽车发动机气缸盖、气缸体对材料性能的要求;轮毂用铝合金凭借其尺寸精度高、高强度、散热性能良好、质量较轻、能够减少横向和纵向的振动等特点提高了自身使用率。汽车采用铝合金轮毂减重效果明显，轻型车与中型车使用的铝合金轮毂比传统钢质轮毂轻30-40%。美国一家公司曾用分离旋压法制出的整体板材车轮，比钢板冲压车轮重量减轻50%左右，相同外径尺寸的轮毂使用铝合金轮毂抗压强度还有所提高，此种方法制造的轮毂不需要组装作业，适宜大批量生产[3]。

2.2 变形铝合金

变形铝合金拥有组织致密、成分性能均匀、强度高、塑性好、比强度大、批产质量稳定等特点，按是否可以热处理分强化为可热处理强化铝合金及不可热处理强化铝合金。可热处理强化铝合金包括AL-Cu系合金、AL-Mg-Si系合金、AL-Zn-Mg系合金、AL-其它元素合金;不可热处理强化铝合金包括纯铝系合金、AL-Mn系合金、AL-Si系合金、AL-Mg系合金。

变形铝合金在汽车上主要用于制造车门、热交换器、防抱死制动系统、保险杠、行李箱、座位、发动机罩、轮毂罩、消声罩、制动器总成的保护罩等结构件及装饰件。其中，变形铝合金广泛用于生产汽车的结构件及悬挂件，因其能有效减轻相应部件的质量;铝质热交换器的重量比铜质热交换器降低了37%-45%，对于散热器铝化率美国达到了60%-70%以上，而欧洲已经达到了90%-100%[4]。

2.3 半固态成型工艺

半固态成型技术起源于上世纪，该工艺属于铝合金成型工艺中比较先进的一种，铝合金产品在成型前浆液呈固液共存状态，此种状态有利于保证铝合金充型时能够平稳的填充型腔。半固态成型工艺凭借其能有效的防止铸造缺陷的产生、提升零部件力学性能、提高零部件尺寸精度、延长模具使用寿命等优势，在各国汽车生产制造中均得到了重视。

2.4 泡沫铝材

泡沫铝材是一种在金属基体中分布有无数气泡的多孔材料。这种材料的质量更轻、强重比更高，并且具有高的吸能特性、阻尼特性和吸振特性;将泡沫铝填充于两个高强度外板之间制成的三明治板材，可用于保险杠、纵梁和一些支撑零件上时，可以增加撞击吸能的能力，在轻量化的同时，提高了撞击安全性[5]。

2.5 铝基复合材料

近年来，铝基复合材料由于具有高比强度、高热导率、低热膨胀系数、良好的耐磨、尺寸稳定性及耐疲劳性等优良的力学性能及物理性能，而受到汽车行业的重视。日本已经开发出铝基复合材料的发动机活塞，连杆等产品。

我国东南大学研制了陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞，已经应用于汽车发动机，大马力柴油机上，活塞寿命提高了3-5倍，发动机功率也明显提高，汽车油耗及尾气排放大大减少;与普通铝合金相比，这种陶瓷纤维增强铝基复合材料的高温抗拉强度提高了20～40%，线膨胀系数降低了20%[6]。

3 铝合金在重卡零部件中的应用

铸造铝合金应用范围广泛，公司产品中的铝端盖、脚踏板、遥杆支撑块等结构件以及受力单一产品已选用重力铸造方式进行加工;卧铺支撑座、固定支座等受力复杂的产品通过压铸成型加工。变形铝合金在公司产品中的应用考虑了产品重量、成型方式、模具费用等情况。以垫块产品为例，在相同工况下，产品产生的位移及所受应力情况如图1所示：

通过分析比对，产品使用铝合金材质不仅实现了产品轻量化，而且增强了产品使用性能，提高了产品安全系數。

新成型工艺及复合材料的使用在汽车轻量化过程中十分重要。其中，半固态成型技术所成型的产品具有优异的力学性能，气密性好，尺寸精度高，少、无切削量等特点。公司将其应用于前、后悬支座，过渡支架，换挡支座等受力情况复杂的产品。以操纵系统支座为例：

经产品结构优化、铝合金材料研究及新型工艺的应用，换挡支架的应力、变形量大幅减小，安全系数提升2倍，降重比达到60%左右。

4 汽车工业中铝合金的应用前景

随着能源问题、环保问题的日益突出，人民安全意识的不断提高，汽车轻量化已成必然趋势。经过多种轻量化材料的研究、试用，铝合金以力学性能优良，价格便宜，加工方法多样等优势成为汽车轻量化的主要选材。做为汽车零部件制造企业，铝合金轻量化已拉开帷幕，铝合金汽车零部件的普及不会太远。未来汽车制造中的钢质零部件，随着铝合金加工工艺的拓新，将大面积以铝质产品的形式出现在大众视野。

参考文献

[1] 李玲，董建雄，黄云飞.汽车轻量化的研究和应用现状[J].汽车与配件，2015，（32）：67-71.

[2] 张屹林，王洪民，王海涛，赵士博.汽车轻量化与铝合金[J].内燃机配件，2004，（05）：37-40.

[3] 郑晖，赵曦雅.汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用[J].锻压技术，2016，41（02）：1-6.

[4] 张志民，栗新.铝合金材料在现代汽车轻量化制造技术中的应用[J].专用汽车，2001，（7）：40-42.

[5] 马鸣图，李志刚，易红亮，等.汽车轻量化及铝合金的应用[J].世界有色金属，2006，（10）：10-14.

[6] 钢联资讯.铝基复合材料在汽车领域中的应用[DB/OL].我的钢铁，2016.