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鋁合金在歐洲汽車應用狀況及發展趨勢

來源:鋁高 端制造      發布日期: 2023年07月13日
信息摘要:歐洲的汽車工業以其性和高度創新性而聞名于世,隨著節能減排政策壓力不斷增加,為了減少燃油消耗量和二氧化碳排放,改良和創新設計的鋁合金被廣泛應用于汽車設計。
歐洲的汽車工業以其性和高度創新性而聞名于世,隨著節能減排政策壓力不斷增加,為了減少燃油消耗量和二氧化碳排放,改良和創新設計的鋁合金被廣泛應用于汽車設計。據統計,在過去的十年里,乘用車鋁的平均使用量翻了一番,鋁合金減重情況如下圖1所示,基于創新設計理念,在未來幾年里,這一趨勢將會繼續保持。
在輕量化發展過程中,鋁合金與其他新型材料面臨著激烈的競爭,如高強鋼,通過薄壁化設計后依然保持高強度。除此之外,還有鎂、鈦、玻璃或碳纖維復合材料,其中后者在航空航天已具有廣泛應用?,F在多材料設計理念已經融入汽車設計中,正在向合適的材料應用于合適的部位而努力。這其中非常重要的挑戰是連接和表面處理問題,目前已經開發了多種解決方案,如發動機組和動力傳動系部件,框架設計(奧迪A2,A8,寶馬Z8,蓮花Elise),薄板結構(本田NSX,捷豹,羅孚),懸掛(DC-E級,雷諾, 標致)等結構部件。圖2顯示了汽車用鋁的部件。
白車身(BIW)設計策略
白車身是傳統汽車中最重的部分,占整車重量的25%到30%。在白車身設計中有兩個基本變量。
1.用于中小型汽車的“型材空間框架設計”:奧迪A8是一個典型的例子,白車身質量277公斤,由59個型材(61公斤),31個鑄件(39公斤)和170個鈑金件(177公斤)組成,并采用鉚接,MIG焊、激光焊、其他混合焊接、膠粘等連接方式。
2.中到大容量汽車應用的“模鍛鈑金硬殼式結構”,例如,捷豹XJ(X350),2002年款(如下圖4),5公斤質量的“沖壓車身硬殼結構”白車身由22個型材(21公斤),15個鑄件(15公斤)和273塊鈑金件(259公斤)組成,連接方法有粘接、鉚接、MIG焊。
鋁合金在車身上的應用
1. 時效硬化的Al-Mg-Si合金
6xxx系列合金含有鎂和硅。目前用于汽車車身薄板的6xxx合金有A6016(歐洲)、A6111(美國)和A6181A,出于回收利用的考慮其用量在不斷增加。在美國,A6111經常用在0.9-1.0mm的外板,具有高強度和良好的成形性。在歐洲,1-1.2mm的EN-6016具有優良的成形性和耐腐蝕性,被廣泛運用。
2.不可熱處理Al-Mg-Mn合金
由于其特定的高應變硬化,Al-Mg-Mn合金展示優良的成形性和高強度。通過少量添加其它合金元素及改進工藝路線了特定應用(例如表觀質量、耐腐蝕性、熱穩定性)。不可熱處理Al-Mg-Mn合金大量應用于汽車熱軋、冷軋薄板以及液壓成形管。在底盤或車輪中應用具有更高效果,因為非彈簧運動部件質量減小額外增強了駕駛舒適性并降低了噪音水平。
3.型材
在歐洲,基于鋁型材設計,全新的汽車概念得以被提出,例如,鋁合金框架和復雜的子結構。它們在復雜設計和功能集成方面的巨大潛力使其最適合于成本效益型的批量生產。因為在擠壓過程中需要淬火,所以中強度的6xxx和高強度7xxx時效硬化合金被采用。通過后續加熱產生的時效硬化來控制成形性和強度。鋁合金型材主要應用于框架設計、防撞梁和其他碰撞部件。
4.鑄件
鑄件是汽車中應用大的鋁制部件,如發動機缸體、缸蓋和特殊底盤部件。即使是在歐洲市場份額大幅增加的柴油發動機,由于對強度和耐用性的要求越來越高,也正在向鋁鑄件轉變。同時,鋁鑄件也正在應用于框架設計,軸類部件和結構部件,高壓鑄造新型AlSiMgMn鋁合金已經實現更高的強度和延展性。
鋁與其他輕質材料的競爭
最新的白車身設計理念即為通過鋁合金、(超)高強鋼、鎂合金、塑料、復合材料等組合應用實現汽車好的性能。另外一個主要的目標是實現整體的低成本輕量化設計。這即是“輕型汽車”(SLC)項目的主要目標。
SLC項目由38個合作單位:7家主機廠(CRF,DC,保時捷,雷諾,沃爾沃,歐寶、大眾),10家研究結構,10家供應商,8所大學和3家中小企業共同合作,通過評估現有技術和新型技術而設計的新型輕量化汽車。其動機是減少二氧化碳排放和燃油消耗量,以保護全球生態、提高地區經濟和保護消費者利益。
設計過程中主要考慮了成本和性能兩個方面,其中,SLC成本目標是每千克質量降低成本增加目標是小于5歐元,成本包括材料成本、生產成本、投資折舊和回收收入,在原有鋼制車身的基礎上開發一套有效的成本模型。
在性能方面,SLC項目通過特定材料設計、連接方法、零件數量和成本目標設計了三種不同的概念車型,鋼制輕量化車身、超輕車身(ULBC)、輕量化車身(SLBC)。
SLC項目車身設計(如圖7)實現了一個質量減少95kg(34%)的方案,即參照65kg到110kg的標準減重41%且額外增加成本5€/kg。它包括一個鎂制車頂和一個鋼制地板結構,一種高強度鋼和鋁薄板扭轉環形側面結構,B柱是由TWB鋼板與鋁皮設計而成。鋁合金以板材應用于覆蓋件、以型材用于前縱梁、保險杠、后車底部縱梁和以壓鑄件駕駛室結構。
結論
鋁由于其密度低、成型性好、耐腐蝕性好,是許多汽車應用的選擇材料,如底盤、車身和許多結構部件。SLC項目設計清楚地表明,鋁用于車身結構設計在滿足性能要求前提下,可以實現至少30%的減重。并且,對于目前覆蓋件的大多數部件均可應用鋁合金。在某些強度要求較高的情況下,7xxx系列合金依然能夠保持質量優勢。所以,對于大批量應用,鋁合金降重解決方案是經濟的方法。
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