王科學(xué)，王東波，黃 勇，孟慶玉，張 麗，董曉紅

（1.新疆神火碳素制品有限公司，昌吉回族自治州 831502；2.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

0 前言

自2020年習(xí)近平總書記提出“雙碳”目標(biāo)以來，各行各業(yè)力圖通過科技進(jìn)步、技術(shù)創(chuàng)新等手段助力“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，涌現(xiàn)出一批又一批的低碳科技成果。據(jù)公布數(shù)據(jù)顯示，2021年全國汽車保有量為3.95億輛，較2020年增長6.32%，其中新能源汽車僅為7 844萬輛，占總量的2.6%，因此降低汽車燃油消耗、減少汽車二氧化碳排放仍是汽車工業(yè)發(fā)展的重要研究方向。相關(guān)研究表明，汽車整車質(zhì)量下降10%對應(yīng)油耗將降低6%~8%、排放量降低4%~10%[1]。汽車輕量化是降低汽車燃油消耗以及二氧化碳排放量，助力“雙碳”目標(biāo)早日達(dá)成的一項(xiàng)重要舉措[2]。目前汽車輕量化主要從工藝輕量化、材料輕質(zhì)化以及結(jié)構(gòu)合理化三個(gè)方向出發(fā)來達(dá)到為汽車減重的目的。本文從材料輕質(zhì)化研究出發(fā)，對鋁合金在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，為后續(xù)鋁合金材料的發(fā)展提供參考。

1 鋁合金材料

1.1 我國車用鋁合金材料的研究

我國的鋁合金車板已初具規(guī)模化生產(chǎn)，但研究主要集中于5×××系與6×××系鋁合金。5×××系鋁合金以Mg為主要添加元素，其合金強(qiáng)度主要取決于材料中Mg添加量和通過加工硬化得到的形變強(qiáng)化程度，其比強(qiáng)度和成形性能好，是汽車用材料輕量化的首選[3]。6×××系鋁合金以Mg和Si為主要添加元素，其中Mg2Si相和Q相為主要強(qiáng)化相，有強(qiáng)度適中、成形性和耐蝕性好、易著色等特性，能在固溶淬火處理后以低屈服強(qiáng)度的狀態(tài)下供貨，因此可用于強(qiáng)度和剛度要求較高的部位。中鋁下屬企業(yè)、南山鋁業(yè)、南南鋁、忠旺等企業(yè)紛紛加快6×××汽車板的開發(fā)、認(rèn)證和產(chǎn)業(yè)化[4]。

1.2 國外車用鋁合金材料的研究

自20世紀(jì)60年代開始西方發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始嘗試?yán)娩X合金材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。全球汽車鋁板產(chǎn)能主要分布在美國、德國、日本等國家，諾貝麗斯作為全球最大的鋁軋制產(chǎn)品制造和回收利用企業(yè)，不斷擴(kuò)張汽車鋁板的產(chǎn)能也從側(cè)面驗(yàn)證了鋁材在汽車輕量化領(lǐng)域的重要地位。據(jù)國際鋁業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：2006年，歐美每輛轎車的鋁合金平均用量為121 kg，占整車質(zhì)量的10%左右，2010年的用鋁量為152 kg，預(yù)計(jì)2025年將接近325 kg[5]。目前國外多采用鋁制材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)，如奧迪A8、本田NSX、捷豹XJ等。

2 汽車輕量化

汽車輕量化作為汽車產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向，節(jié)能減排潛力巨大，其含義就是在滿足汽車強(qiáng)度要求、保證汽車安全性能的前提下，通過各種方法使整車質(zhì)量降低。同時(shí)由于整車重量與爬坡、滾動(dòng)等方面阻力呈正相關(guān)，從而通過汽車減重降低阻力、提高動(dòng)力，降低車輛燃油消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。目前汽車輕量化主要研究方向大體如圖1所示，主要從工藝、材料以及結(jié)構(gòu)三個(gè)方向出發(fā)對傳統(tǒng)車輛進(jìn)行改造，以達(dá)到輕量化的目的。

圖1 汽車輕量化研究方向

高強(qiáng)度、高壽命及低質(zhì)量的材料是現(xiàn)今汽車產(chǎn)業(yè)所追求的目標(biāo)。鋁合金材料憑借其密度低，導(dǎo)熱性好、抗腐蝕性效果好，同時(shí)在發(fā)生車禍時(shí)可充分吸收車輛撞擊產(chǎn)生的能量等特征因而成為車用輕質(zhì)材料最為火熱的一個(gè)選擇。同時(shí)鋁合金材料在應(yīng)用過程中被腐蝕的概率低，回收利用損耗率僅為5%，平均使用壽命長，對于緩解資源日益匱乏，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展有巨大的貢獻(xiàn)[6]。

3 鋁合金材料在汽車輕量化的應(yīng)用

3.1 汽車車身

汽車車身作為整車中最為大型的構(gòu)件，在汽車重量中約占30%，油耗量高達(dá)70%。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)車身輕量化[7]。相關(guān)資料顯示，在第二代本田Acura NSX中鋁材的應(yīng)用量達(dá)79.0%[8]；在第五代路虎（Land Rover Discovery）中鋁材應(yīng)用量達(dá)到62.9%[9]。廣汽汽車工程研究院林佳武等[10]以真空條件下高壓鑄造的鋁合金后縱梁替代傳統(tǒng)鋼制總成，對產(chǎn)品的耐撞性、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對后撞工況、安裝點(diǎn)剛度進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果證明，在滿足強(qiáng)度等要求的情況下，后縱梁重量與原件相比減輕31%。廣汽汽車工程研究院張鵬、劉志敏等[11]以68款車型樣本為數(shù)據(jù)，探究了采用鋁合金材料制白車身對汽車輕量化的影響，分析結(jié)果得出輕量化系數(shù)與鋁合金使用比例成反比，鋁合金制白車身是汽車輕量化的有效舉措。

3.2 汽車底盤

汽車底盤是汽車核心部件之一，底盤重量約占整車重量三成，次于白車身和動(dòng)力總成，其輕量化的研究對推動(dòng)汽車輕量化具有重大意義。張廣和、胡全達(dá)等[12]從目前市場分布情況、鋁合金輕量化研究等方面出發(fā)，對其成型工藝、車輛實(shí)例設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究。分析結(jié)果顯示，鋁合金密度低，經(jīng)改良轉(zhuǎn)向節(jié)自重降低，擠壓鑄造成型將成為車輛底盤輕量化的主選。中國重汽黃玉財(cái)[13]對輕型載貨車底盤如何實(shí)現(xiàn)輕量化進(jìn)行了研究，表明使用輕質(zhì)化材料是實(shí)現(xiàn)其輕量化主要方式之一，其中以輕質(zhì)鋁合金材料最佳。柳州五菱的陸大興、劉林等[14]從鋁合金汽車底盤輕量化工藝、產(chǎn)品以及趨勢出發(fā)，論述了鋁合金底盤輕量化現(xiàn)狀及擠壓鑄造新成型工藝，認(rèn)為擠壓鑄造將推動(dòng)鋁合金材料更廣泛的應(yīng)用。Evangelos Ch.Tsirogiannis[15]等針對氫燃料電池動(dòng)力汽車底盤提出了一種空間框架結(jié)構(gòu)的鋁合金設(shè)計(jì)，將工程方法與零件合并、設(shè)計(jì)和制造相結(jié)合。

3.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

作為汽車的動(dòng)力源，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車得以運(yùn)動(dòng)的最關(guān)鍵部分，它決定著汽車整體性能，對汽車的使用壽命以及駕駛體驗(yàn)具有重要影響。鋁制缸體、缸蓋以及進(jìn)氣歧管等可使發(fā)動(dòng)機(jī)減重30%~40%，同時(shí)可使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比提高，熱應(yīng)力減少，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率[16]。王立新、袁峰[17]對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)輕量化方案進(jìn)行了研究，表示實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的最終結(jié)果是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)具體零部件的輕量化。提出了采用低強(qiáng)度緊固件、以鋁代鋼可以實(shí)現(xiàn)其重量及成本的雙降。武漢理工大學(xué)陳云、李杰等[18]為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的訴求，采用擠壓鑄造的方式生產(chǎn)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛支架，對其整個(gè)鑄造過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該舉措能滿足使用要求。K.Ikeda[19]等針對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩提出了一種新型具有波浪形橫截面的鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩，其所需要的吸能空間更小，在減重的同時(shí)仍能滿足強(qiáng)度要求。

3.4 汽車輪轂

汽車輪轂在整車中起著支撐質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)汽車行駛等作用。常見輪轂輕量化方法主要有：減小輪轂尺寸、換用輕質(zhì)材料以及改進(jìn)工藝三種[20]。而鋁合金材料導(dǎo)熱性能強(qiáng)，可提高車輛的制動(dòng)性能，在相同體積下質(zhì)量僅有傳統(tǒng)碳鋼材料的30%，同時(shí)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性阻力小，有利于降低輪胎阻力減小油耗，提高車輛行駛的安全性[21-22]。中北大學(xué)的張治民所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)[23]針對傳統(tǒng)鋼制輪轂難以減重的問題，提出了鋁合金輪轂正向-反向-徑向復(fù)合擠壓成形新方法。該方法生產(chǎn)出的輪轂在滿足質(zhì)量要求的前提下，減重高達(dá)60%，為車輛輕量化研究提供了一種新途徑。肖占龍，孫躍東等[24]用SolidWorks建立相關(guān)輪轂?zāi)Ｐ?，并對不同制造材料輪轂進(jìn)行受力及模態(tài)分析，并對比其結(jié)果，證明了鋁合金材料對輪轂輕量化的推動(dòng)作用。Ying Shi[25]等也利用UG對車輪進(jìn)行建模，并以ANSYS對其進(jìn)行受力分析，結(jié)果顯示其鋁合金材料滿足車輪強(qiáng)度的要求。

4 結(jié)束語

汽車輕量化是汽車領(lǐng)域未來發(fā)展不可置否的趨勢，是助力“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)的重要力量之一。隨著高強(qiáng)輕質(zhì)合金材料成型技術(shù)和加工技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金材料將以更優(yōu)異的加工方法被應(yīng)用于車輛輕量化，未來鋁合金輕量化的需求和發(fā)展將會(huì)更加廣闊。

（1）近年來國家出臺多項(xiàng)政策，如《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長點(diǎn)增長極的指導(dǎo)意見》、《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動(dòng)計(jì)劃（2020-2022年）》等，以推動(dòng)鋁合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，前景向好。

（2）鋁合金材料加工難度大、不易焊接等缺陷限制了其在汽車輕量化領(lǐng)域的發(fā)展。應(yīng)加大對鋁合金材料成型及焊接技術(shù)的研究，從材料成分、處理工藝等方面對鋁合金材料進(jìn)行提升。

（3）鋁合金的成本較高，應(yīng)加快我國報(bào)廢車再生鋁合金技術(shù)的研究，推動(dòng)再生鋁產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高效發(fā)展，以期降低鋁合金材料成本，推動(dòng)鋁合金材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。同時(shí)加強(qiáng)對高強(qiáng)鋁合金生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)，使鋁合金傳統(tǒng)工藝向智能化制造轉(zhuǎn)變，降低生產(chǎn)成本。