楊 洋，趙明宇，王冠宇

(黑龍江省科學院智能制造研究所，哈爾濱 150090)

隨著越來越多的家庭擁有私家車，截至2021年，我國汽車數(shù)量已達到3.95億輛，為目前世界上汽車保有量最高的國家[1]。隨著汽車數(shù)量的不斷增長，人們更加注重節(jié)能減排，國家也提升了尾氣排放標準。但我國在鋁合金輕量化方面的研究起步較晚，2000年輕量化研究取得了較多成果，汽車產(chǎn)量也突飛猛進，成為汽車第一制造大國，也是第一消費大國。能源消耗和尾氣排放成為關(guān)注的重要問題。鋁合金輕量化與汽車生產(chǎn)設(shè)計相結(jié)合，可降低汽車重量，增加強度，以達到節(jié)能減排的目的。

1 汽車制造輕量化的發(fā)展與價值

1.1 汽車制造輕量化的發(fā)展方向

汽車發(fā)展過程中材料的更換是較為頻繁的。福特公司將汽車進行流水線生產(chǎn)后，汽車的每一個模塊都被獨立出來，所以材料的替換更為便利。一輛汽車在原有動力系統(tǒng)不變的情況下，如果想增加速度，最有效的辦法是減輕車身質(zhì)量。金屬新材料包括鋁、鈦、鎂等，其中效果最好的輕量化材料是碳纖維。但碳纖維的價格較高，不適用于家用車。目前，最適用于汽車生產(chǎn)的是鋁合金。20世紀70年代，鋁合金材質(zhì)開始大量出現(xiàn)在汽車中，有些汽車的全身鋁合金總比例達到了15%，德國某些品牌已經(jīng)高達25%。如果想繼續(xù)擴大這個比例則需要從汽車車架入手，但如果鋁合金想替代現(xiàn)有的車架，則需要更高的技術(shù)標準。

1.2 汽車制造輕量化的價值

輕量化在汽車制造中具有重大的價值，當動力系統(tǒng)相同時，整車質(zhì)量越低，其性能越好。如果想達到相同的性能，輕量化后的汽車可以用更低的動力系統(tǒng)，以此達到節(jié)能減排效果。試驗發(fā)現(xiàn)，汽車每減輕1 kg，1 L汽油可以多行駛0.012 km[2]。當能耗越低且能達到同樣的效果時，就可以有效降低尾氣排放，對環(huán)境的污染也會有所下降。隨著輕量化的不斷深入研究，新材料的運用將超越原有材料的強度，汽車安全性也會顯著提升。

2 鋁合金在汽車中的應(yīng)用

2.1 鋁合金的生產(chǎn)工藝

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，很多材料都在汽車上進行了實驗，但從實驗角度來看，鋁合金并不是最佳材料，很多金屬材料、新材料的各項指標都要優(yōu)于鋁合金，但在考慮綜合因素后，鋁合金的各項數(shù)值最為突出，經(jīng)濟性最佳，基于這些條件，汽車工業(yè)中的鋁合金得到了廣泛應(yīng)用。鋁合金工藝發(fā)展之初有很多形式，隨著行業(yè)的不斷規(guī)范與成熟，目前鋁合金工藝主要分為兩類，分別是鑄造成型工藝和半固態(tài)成型工藝，其中應(yīng)用最多的是鑄造成型工藝。鑄造成型工藝又可分為精密鑄造工藝、擠壓鑄造工藝、重力鑄造工藝等。鑄造成型工藝的特點是質(zhì)量有保障，可以實現(xiàn)流水線式生產(chǎn)，能夠達到高精度作業(yè)。半固態(tài)成型工藝發(fā)展較晚，但技術(shù)性能優(yōu)于鑄造成型工藝，產(chǎn)品用途更廣，用途更為靈活，因為鋁合金產(chǎn)品在成型前分為固態(tài)和液態(tài)保存，所以半固態(tài)成型工藝的鋁合金產(chǎn)品力學性能更好、精密度更高，可延長磨具應(yīng)用時間。常見的技術(shù)工藝如圖1所示。

圖1 汽車工業(yè)中鋁合金生產(chǎn)工藝種類圖Fig.1 Types of aluminum alloy production process in automobile industry

2.2 鋁合金輕量化在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國鋁合金輕量化技術(shù)的不斷突破，我國汽車制造廠商使用鋁合金的比例也越來越高，鋁合金產(chǎn)品在眾多材料中脫穎而出。其性能符合要求，還能實現(xiàn)循環(huán)利用，目前很多鋁合金零件都可以循環(huán)利用，整體利用率高達95%以上，這是其他金屬材料無法比擬的。隨著技術(shù)的不斷突破，鋁合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用也會越來越多，無論是可塑性還是可回收性都是其顯著的優(yōu)勢，尤其是鋁合金車架的研發(fā)會在極大程度上降低整車質(zhì)量，在強度方面也會有很大的提升。

根據(jù)CM集團調(diào)研顯示，我國目前汽車車鋁板的使用情況是每輛汽車平均為20kg，占車架質(zhì)量的10%～15%，這與歐美發(fā)達國家的鋁合金使用比例還有一定的差距，材料應(yīng)用研發(fā)有待提升，但隨著電車時代的來臨，我國汽車電池已取得了良好發(fā)展。

2.3 鋁合金材料在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前鋁合金材料在汽車領(lǐng)域中最為普遍的應(yīng)用是鑄造鋁合金技術(shù)，鑄造鋁合金件可以根據(jù)汽車的實際需要采用不同的鑄造工藝來完成。例如，汽車發(fā)動機中包含大量的鑄造鋁合金零件，因為在發(fā)動機中很多零件需要很高的耐腐蝕性，同時又需要極佳的導熱性，與其他的零件之間還需要很高的契合度。鋁合金材料也可以用于輪轂的制造，鋁合金材料強度高、導熱性好、精密度高、重量輕，還可以回收，是以低壓鑄造及中立鑄造為核心的鑄造工藝。

鋁合金在車架中有廣泛應(yīng)用，鋁合金車架輕量化優(yōu)化是求最優(yōu)解的一個過程，整個優(yōu)化過程可以分為三個步驟[3]。對鋁合金車架的設(shè)計變量選取，設(shè)計變量選取有較多的方法，為了使設(shè)計變量選取的精度有所保障，主要使用BOE分析方法，通過該方法選取出對整個車身結(jié)構(gòu)影響因素較大的變量。再驗證，對BOE分析的變量進行近似建模，如果近似建模的精度達到研究要求，可以直接省略仿真過程，以有效提升效率。進行最終優(yōu)化，也就是求最優(yōu)解的過程，使用Isight軟件來完成，運用自適應(yīng)模擬退火算法來求得最優(yōu)解，確保整體參數(shù)不變的情況下減輕車身重量。具體流程如圖2所示。

圖2 鋁合金車架輕量化優(yōu)化流程圖Fig.2 Flow chart of lightweight optimization of aluminum alloy frame

變形鋁合金的應(yīng)用。變形鋁合金也叫可壓力加工鋁合金，這種技術(shù)制成的鋁合金質(zhì)量比鑄造鋁合金更輕，強度更高，可塑性好，在批量制造過程中表現(xiàn)得更加穩(wěn)定，成品幾率更大一些，可以在汽車很多關(guān)鍵零件上使用，尤其是在汽車懸掛上進行使用，變形鋁合金可大幅度提升汽車的穩(wěn)定性與安全性。

鋁基復(fù)合材料是近幾年才突破的技術(shù)，它的性能大幅度超越了之前的鋁合金材料，其穩(wěn)定性、強度、抗斷裂能力都要超過以往的產(chǎn)品，且重量能降低50%以上，未來可以應(yīng)用在驅(qū)動軸、搖臂等支撐零部件中。

3 鋁合金輕量化在汽車制造中的發(fā)展方向

3.1 未來汽車制造對鋁合金輕量化的要求

很多汽車制造企業(yè)宣布停止生產(chǎn)燃油車，未來新能源汽車將成為汽車市場的主力，新能源汽車對環(huán)境污染更小，更加節(jié)約能源。目前，新能源汽車的代表車型是電能汽車，電能汽車無排放，通過電力驅(qū)動，對能源消耗很小，但電車目前存在的問題是續(xù)航能力稍弱，現(xiàn)在的車身重量對于電車來說是一個很大的負擔，如果在原有基礎(chǔ)上增加電池組，那么對車身又是一種增重，如果降低電池組，車雖然輕了，但續(xù)航會更低。因此，新能源汽車的輕量化是關(guān)鍵。鋁合金輕量化可以解決很多問題，不過其中一個主要問題是成本較高，未來鋁合金輕量化的發(fā)展要在成本、技術(shù)、實用性之間達到一定的平衡，這樣才能使這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展得越來越好[4]。

3.2 鋁合金輕量化車架車身材料的研發(fā)

燃油車的汽車整體重量無法完全降低，當汽車重量低于一定比例時，對車的性能是一種損耗，當汽車重量低于一定比例時，汽車需要降低高度來達到車身穩(wěn)定的效果。但汽車輕量化在電能汽車中則具有很大的優(yōu)勢，整車質(zhì)量降低后，可以通過增加電池組的方式來提升重量，不僅保證了車身的平衡性、安全性，還提升了車輛的續(xù)航能力。未來，鋁合金車架是主要的研究方向。

車身作為汽車的主要架構(gòu)之一，集成了很多功能，因此車身上組成的零件和連接零件較多。汽車車身分為內(nèi)板和外板，外板的選擇主要以抗腐蝕能力強和時效硬化性能強的材料為主，因此，鋁合金材料是較好的選擇。內(nèi)板材料選擇最主要的條件是成形性，其次是較好的抗腐蝕性，無論是車身內(nèi)板還是外板使用鋁合金材料都可以滿足各項指標，在輕量化上會有很大的突破。現(xiàn)代汽車制造中，車身不僅附帶功能性，還需要兼顧美觀性，設(shè)計中應(yīng)增加空氣動力學，通過車身設(shè)計來降低風阻，以達到節(jié)能效果，如很多流線元素，一方面是為了降低風阻，另一方面是為了增加美觀性，當車身處理成流線型時則需要更好的延展性，成型時具有一定的難度，目前符合這種車身技術(shù)要求的鋁合金材料有6111和5182鋁合金。我國目前也在大力研發(fā)鋁合金材料，標準需要超過6111和5182鋁合金[5]。未來，汽車制造不僅需要提升材料質(zhì)量，還需要提升加工技術(shù)水平，包括直線型材曲線化擠壓技術(shù)、彎曲加工技術(shù)、材料連接技術(shù)等，只有材料和生產(chǎn)技術(shù)全面突破，才能真正取代鋼制車身。車身設(shè)計和應(yīng)用中有較多關(guān)鍵技術(shù)，具體應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 車身設(shè)計應(yīng)用流程圖Fig.3 Flow chart of body design application

4 結(jié)語

汽車輕量化是未來汽車制造的發(fā)展趨勢，尤其是以新能源為主的車型更需要輕量化來支撐。目前，鋁合金材料是汽車輕量化的最佳選擇，無論是強度、抗腐蝕性、可塑性都能達到要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，成本也會越來越低。鋁合金輕量化的發(fā)展空間巨大，還需要在材料創(chuàng)新和技術(shù)突破方面加強研究。