试论铝合金材料在汽车轻量化中的应用

1 引言

铝在汽车上最早运用的记载是在18 %年, 印度人用铝做了汽车的曲轴箱。到了二十世纪, 在欧美开始出现全铝车身的汽车, 如亨利福特的M ed e lT 型汽车就是铝制车身。二、三十年代在欧洲的赛车场上法拉利3印等赛车也都是全铝车身。从此之后, 铝在汽车上得到了越来越广泛的运用, 如车轮、悬架和其他部件都开始用铝制造。19 4 年美国生产的每辆轿车中, 平均用铝量为86.7 kg , 比10 年前增加了47 吨,2以刃年, 每辆车的平均用铝量为1 16 k g ; 到20 5 年, 每辆汽车的平均用铝量可望上升至大约17 2 k g 。从汽车轻量化的前景看, 铝合金的大量采用是必然趋势。

2 汽车轻量化的基本要求和效果

2.1 汽车轻量化是当代汽车发展的一个重要课题, 对其的基本要求是:

( l) 在保证汽车质量和功能不受影响的前提下, 最大限度地减轻各零部件的质量, 降低燃耗, 减少排放污染。

( 2 )在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时, 努力谋求它的高输出功率、高响应性、低噪声、低振动、良好的操纵性、高可靠性和高舒适性等。

( 3) 在汽车轻量化的同时, 汽车的价格应当下降或保持在合理水平, 具有商业竞争能力, 即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。

2.2 近年来汽车轻量化对于汽车技术的不断发展起到了重要作用, 其显著效果是:

( l) 降低油耗

汽车轻量化使汽车的滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力减小, 这些都可以降低油耗。同时, 如果使动力性能不变, 通过恰当的齿轮传动比也可以使油耗降低, 轿车每轻量化1%可降低油耗0.6% 一1.0% 。

( 2) 改善性能

汽车轻量化, 有利于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能等多方面的性能。其中, 发动机的轻量化还可改善前轮荷重分担率, 进而改善汽车的操纵稳定性。同时, 还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。

( 3) 波及效果

汽车各部分的质量是相互关联的。例如, 发动机质量的减轻, 使有关底盘部分也可以相应地减轻, 即汽车减少的质量将大于发动机减少的质量。

又如, 车身零部件的轻量化, 使支承它的行驶系( 车架、车桥、车轮、悬架等) 负荷减小, 尺寸和质量即可适当减小.同时, 发动机和制动器也可相应减小、减轻。通常, 当平衡系统中某个部位质量减少1吨,给予整个系统的波及效果是质量减少众g时, 称K 为增长因子,K 值因部位而异, 汽车的 值在 一之间 。铝合金材料较传统汽车用材料的优势

3 铝是人们最熟悉的金属之一。

在汽车领域中, 铝材的广泛应用是近20 多年才出现事情, 从七十年代起, 轿车技术上最明显的变化之一是大量启用了轻型材料, 出现了许多用铝部件, 集中在车身构件、发动机、空调器、保险杠、装饰件、车座等部件上。发动机部件用铝材制造减重效果最为明显, 一般可减重30 % 以上。自199 年以来, 汽车制造商制造汽车时的用铝量成倍增长, 制造赛车和轻型货车的用铝量增长了3 倍, 汽车工业普遍认为, 在汽车上以铝替代钢可减少汽车20 % 的重量, 节约燃油12 % 一16 %。

由于铝的比重只有铁的1/ 3 强, 重量轻, 而且铝材几乎可以全部回收, 重新加工使用, 有利于环境保护;有些铝合金材料的物理性能已与车用钢材相似, 具有相当的强度和刚度, 成本上日趋降低。因此, 按照目前的技术来实现汽车轻量化, 最有效的途径就是采用铝材等优质材料代替钢材。目前, 全铝车身还仅限于高档轿车和跑车, 随着时间的推移, 制造成本的不断下降, 将会有更多型号的轿车车身和零部件应用铝合金材料。据预测, 随着汽车技术的发展, 到本世纪中叶, 汽车的主要材料将由钢材转为铝材, 轿车的平均重量将会减轻3 5%。

4 铝合金材料在汽车应用上的难点

铝材应用在汽车上会遇到许多技术上的难题, 加工难度比钢材大得多。例如轿车车身大部分的工件是靠冲压成形, 如果用冲压钢板的方法去冲压铝板, 会出现裂缝和皱褶;典型的浅冲铝合金车身板的可冲压性能与钢基本相同。

但是, 由于铝合金深冲性能较差,为防止断裂, 应尽量减少集中拉伸, 深拉时要进行良好的润滑并采用异形坯料, 以促使金属顺利流进模具。铝合金的冲压成形工模具与钢的几乎可以通用, 但在必要时可将工具外形稍加修改以提供不同的反弹特性。对于某些特殊的铝合金可实施局部或分步作业,例如弯曲、下翻边、折边和孔翻边等。轿车车身大部分的工件都是用焊接组装, 而铝的焊接要比钢材难度大得多; 铝合金和钢的连接特性主要有两点区别: 一是铝合金的热导率和电导率是钢的3 倍; 二是铝点焊焊缝的强度是钢焊缝的此。

由于焊接铝合金所需电流密度是钢的3 倍左右, 所以二者的焊接设备也不完全相同。铝合金的连续焊接( 同时焊多个点) 必须按顺序进行, 但由于其焊接周期时间短( 仅为钢的1/ 9), 所以总的焊接时间与钢的相当。对于大型的强度和质量要求较高的铝合金部件之间的连接, 应用手工或自动的氢弧焊, 但设备要求和成本要高一些。

5 车用铝材的主要类型

5.1 传统铝合金

传统铝合金有铸造铝合金、形变铝合金、锻造铝合金、粉末冶金铝合金等多种类型。铸造铝合金具有优良的铸造性能, 成品率高,主要用于制造离合器壳体、变速箱壳体、后桥壳、转向器壳体、摇臂盖、正时齿轮壳体等壳体类零件, 发动机部件, 以及保险杠、车轮、发动机框架、转向节液压泵体、制动钳、油缸及制动盘等非发动机结构件, 且今后有进一步扩大应用的趋势。形变铝合金在汽车上主要用于制造保险杠、发动机罩、车门、行李箱及车身面板、车轮的轮辐、轮毅罩、轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱制动系统、热交换器、车身构架一、座位、车厢底板等结构件以及仪表板等装饰件。锻造铝合金价格昂贵, 但具有强度高、热锻时不氧化、表面光洁、机械加工余量小、无加工缺陷等优点, 使用前景十分广阔。粉末冶金铝合金目前只在日本有少量应用, 其使用部位主要有汽车空调电动机转子、发动机活塞、气缸衬套、进气门及气门座等。

5.2 泡沫铝材泡沫铝材是一种新型功能材料与结构材料, 早在二十世纪四十年代后期, 人们就对泡沫金属材料有所研究, 但由于发泡工艺等很难控制, 所以直到二十世纪八十年代中期以后, 该种材料的研制才取得长足进展。目前,日本在研究生产与应用泡沫侣材及其它金属泡沫方面已居于世界领先地位。泡沫铝材具有很多优良性能。

其一, 密度小。常用泡沫材料的密度为180 叼时-48 0k 岁耐, 约为铝密度的1/ 10、钦密度的1/ 20、钢密度的1/ 30、木材密度的13/, 有很高的吸收冲击能的能力。其二, 耐高温, 防火性能强, 是一种不可燃的材料, 同时, 在受热状态下不会释放有毒的气体。其三, 抗腐蚀, 耐热性强。其四, 消声性能好, 热导率低, 电磁屏蔽性高, 电阻大, 有过滤能力, 易加工, 可进行涂装表面处理。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板, 即其芯层为泡沫铝或泡沫铝合金, 上下层为铝板或其他金属薄板。用三明治式泡沫铝材制造的某些汽车零件的质量, 只有原钢件质量的1/ 2. 而其刚度却为钢件的10 倍, 绝热性能比铝高95 % , 对频率大于s o H z 的噪声有很强的消声能力。泡沫铝材还是一种热稳定的不可燃材料, 也是一种抗破坏的耐用材料, 并可以完全回收与再生利用。泡沫铝材被认为是一种大有前途的用于未来汽车与其它交通运输工具上的良好材料。

德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的 吉雅 轻便轿车( hG ia 咖d s ter ) 的顶盖板的刚度, 达到原来钢构件的7 倍左右,而其质量却比原钢件轻25 % 。此外, 其还具有更高的吸收冲击能与声能的效果。据测算, 约有2 0% 的汽车车身构件可用泡沫铝材制造, 一辆轿车如能够采用泡沫铝材制造, 可减轻整车质量20 kg 一35 比, 既可节约能源, 又可减轻对环境的污染。

6 结语

这里所述的U S B 通用信源/数采设备, 以及信号发生器、数字示波器和系统辨识机的应用方式具有十分普遍的意义, 许多专用的测试工作都可从中得到借鉴, 只需在软件方面再做一些更专业的工作。