鋁合金復合材料在汽車輕量化中的運用分析

郝斌斌

摘要：隨著人們生活水平和品質(zhì)的不斷提高，汽車功能日益完善，數(shù)量也在持續(xù)擴大，但同時也在一定程度上帶來了能源短缺和環(huán)境污染問題。而在汽車輕量化中運用鋁合金復合材料則能發(fā)揮良好的節(jié)能降耗作用。對此，筆者就鋁合金復合材料在汽車輕量化中的運用作了著重分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金復合材料；汽車輕量化；運用

0 引言

汽車輕量化不僅是汽車行業(yè)立足的內(nèi)在需求，更是持續(xù)發(fā)展的必然選擇，因此當下越來越多的企業(yè)將目光轉(zhuǎn)移至輕量化研究與創(chuàng)新中，其中鋁合金復合材料因易加工、質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕等顯著優(yōu)勢已在汽車輕量化中得以廣泛應用，相信隨著科技的不斷發(fā)展，鋁合金復合材料將會有更大的技術(shù)進步和應用市場。

1 發(fā)展汽車輕量化的現(xiàn)實意義

汽車的廣泛應用既是現(xiàn)代化物流的重要工具，也是公眾追求高品質(zhì)生活的一種體現(xiàn)，而且近年來汽車產(chǎn)量和銷量一直在持續(xù)增加，雖然極大的方便了人們出行，推動了社會經(jīng)濟發(fā)展，但同時也存在一定的負面影響，特別是油耗和環(huán)保問題。而汽車輕量化理念的推廣和實踐，不僅有助于節(jié)約油耗、減少排量、保護環(huán)境，而且對提升汽車行駛性能和安全性能也有所幫助。因為汽車質(zhì)量與油耗關(guān)系密切，若汽車質(zhì)量降低，在節(jié)約油耗的同時也能減少二氧化碳以及氮化物、硫化物等物質(zhì)的排放，可見有利于改善環(huán)境質(zhì)量，而且事實證明，汽車質(zhì)量的減輕還可以減少汽車加速時間，降低動力及其傳動負荷，在較低的牽引負荷狀態(tài)下汽車能夠展現(xiàn)同樣甚至更好的性能[1]。故輕量化是汽車發(fā)展的必然趨勢和現(xiàn)實選擇。

2 鋁合金復合材料的優(yōu)勢所在

而在汽車輕量化中強調(diào)運用鋁合金復合材料，與其自身特點有很大關(guān)系。具體而言，鋁合金復合材料是一種生命力強大的材料，不僅密度低、尺寸穩(wěn)定、強度較高，而且耐磨性好、抗斷抗疲勞，還具有良好的塑性與模量等諸多優(yōu)點。其中鍛造鋁合金材料優(yōu)勢更為突出，即表面光、潔熱鍛不氧化，加工余量小、無缺陷，強大的剛度可與合金鋼相媲美等，經(jīng)高強度熱處理后的鋁鍛件在汽車輕量化中的運用越來越廣泛。如豐田公司曾在發(fā)動機活塞制備中使用鋁合金復合材料，較之鑄鐵活塞不僅質(zhì)量減輕了5%-10%，還提高了4倍左右的導熱性[2]。雖然如此，但在我國汽車輕量化發(fā)展中，鋁合金復合材料尚未得到有效推廣，畢竟鋁材成本較高，既需要大量的研發(fā)費用和維修成本，在深沖、彈性模量等部分力學性能方面還有待改善，致使其使用效果和應用范圍難以達到預期效果。

3 鋁合金復合材料在汽車輕量化中的運用

3.1 在車身中的運用

在汽車質(zhì)量中車身質(zhì)量約占30% ，而且70%左右的油耗是用于承載車身質(zhì)量的，可見將鋁合金復合材料運用至汽車車身制造中十分必要，或者說勢在必行。如早在90年代初世界第一輛全鋁車身框架轎車-奧迪A8第1代便誕生了，奧迪公司通過采用ASF車身結(jié)構(gòu)，其以鋁板元件為架構(gòu)支撐，且基于所承擔的任務采用不同形狀和橫截面積的元件，在保證低質(zhì)量基礎(chǔ)上獲得最佳功能，具體可從車身構(gòu)造中的A、B、C柱內(nèi)部發(fā)現(xiàn)，不僅減輕了40%左右的質(zhì)量，使得油耗和排放得以大幅降低，而且抗扭轉(zhuǎn)剛度的提高可在一定程度上改變碰撞后的吸能路徑，有助于最大限度的保護乘員，故整車的安全性能得到了明顯改善[3]。發(fā)展至今，奧迪A8整車質(zhì)量和輕量化結(jié)構(gòu)系數(shù)分別達到了250kg和1.5，可以說是汽車輕量化的一大重要成果。

再如Ford·P2000基于沖壓焊接制造的鋁制車身骨架，結(jié)合使用現(xiàn)有鋼板加工工藝，使得自車身質(zhì)量低至135.6kg，整車質(zhì)量和百公里油耗分別減少了32.8%和22.8%，由此可知，鋁合金復合材料在汽車車身輕量化中的合理運用發(fā)揮了良好的節(jié)能降耗效果，值得進一步研究和推廣。

3.2 在發(fā)動機中的運用

發(fā)動機在汽車質(zhì)量中的比例約為20-30%，顯然運用鋁合金復合材料意義重大。目前最常見的是缸體缸蓋、活塞、曲軸箱、油底殼以及連桿等部位，在此就活塞和缸體缸蓋作重點分析。隨著汽車制造工藝和性能要求的不斷提高，越來越多的發(fā)動車活塞采用了鑄鋁合金材料，這是因為作往復運動的活塞需要借助減重降低慣性，達到降低曲軸配重提高工作效率的目的，且要求具有小的熱膨脹系數(shù)和良好的導熱性，并在350℃環(huán)境下能夠發(fā)揮良好的力學性能，而鑄鋁合金不僅能夠滿足上述要求，而且輕質(zhì)密度低，有助于減少發(fā)動機噪音和振以及油耗，故得以應用于活塞及連桿中[4]。再者發(fā)動機缸體缸蓋在導熱性、抗腐蝕性等方面對材料的要求極高，故運用性能優(yōu)良的鋁合金復合材料也是必然的，當下很多國外汽車公司紛紛制備了全鋁型缸體缸蓋，如日產(chǎn)VQ、凌志IMZ-FEV6等型號的發(fā)動機油底殼采用的便是鑄造鋁合金復合材料，但從樣本機看，與傳統(tǒng)材料相比其質(zhì)量降低了20%左右。

3.3 在底盤中的運用

其實在汽車輕量化實踐過程中，底板系統(tǒng)不僅容易實現(xiàn)，而且潛力較大。對于懸掛系統(tǒng)來說，鋁合金復合材料是替代鋼鐵的首選材料，如福特公司經(jīng)使用鋁合金制動盤取代原鑄鐵盤，雖然成本有所增加，可是降低了2/3的質(zhì)量，并提高了2倍的使用壽命；Neod Lite 車底盤在運用鋁合金零部件后，使得轉(zhuǎn)向機殼、萬向節(jié)、下控制臂、轉(zhuǎn)向軸以及后制動轂等質(zhì)量均有所降低，顯然符合輕量化要求；此外克爾維特與凱迪拉克等車輛經(jīng)采用鋁合金復合材料制備的零部件也取得了良好的效果。

3.4 在車輪中的運用

對于汽車車輪質(zhì)量而言，輪轂質(zhì)量占到了70%的比例，試驗表明，如果每減輕1kg的輪轂質(zhì)量，在同樣耗費1L汽油的情況下汽車行使距離可增加800m，或者說在節(jié)約1L油量的情況下，則有2.5kg的碳無法得到排放，所以輪轂輕量化既便于普及，也有著較高的鋁化率和節(jié)能環(huán)保功效。同時運用鋁合金復合材料的輪轂還可發(fā)揮良好的減震、抗腐蝕、散熱作用，且經(jīng)久耐用、容易制造，對于改善汽車安全性和舒適性意義重大。預計在日后的發(fā)展中，鋁合金輪轂在我國的需求量會飛速增長，故有著廣闊的發(fā)展空間。

3.5 發(fā)展要點分析

由上可知，在汽車輕量化中的運用鋁合金復合材料已經(jīng)取得了不小的成績，而且隨著鋁合金復合材料種類的豐富、生產(chǎn)工藝的進步和綜合性能的提高，其會展現(xiàn)出越來越大的優(yōu)勢和影響。但縱觀我國市場，其尚未得到有效普及，究其原因與高成本有很大關(guān)系。這就要求我們充分認識鋁合金復合材料作為一種相對成熟的輕量化材料，對于實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、提高汽車安全性能有著至關(guān)重要的影響，而且鋁資源豐富、供應充足、回收價值率高，完全能夠適應汽車輕量化發(fā)展形勢，因此政府和相關(guān)部門應立足長遠視角予以政策鼓勵和科研支持，聯(lián)合汽車行業(yè)成立研發(fā)機構(gòu)，加快鋁合金復合材料創(chuàng)新和應用，注重新合金、新工藝、高性能研發(fā)，并適當提高鋁合金性價比，以此推動我國鋁合金復合材料能夠順利推廣，更好的運用于汽車輕量化發(fā)展之中。

4 結(jié)束語：

總之，無論是站在節(jié)能環(huán)保的視角，還是縱觀汽車行業(yè)的長遠發(fā)展，輕量化已是大勢所趨，不容置疑，而其能否順利達成這一目標的關(guān)鍵在于鋁合金復合材料的生產(chǎn)技術(shù)。這就要求我們進一步加強材料研究和技術(shù)創(chuàng)新，盡快提升鋁合金復合材料工藝技術(shù)，以期使其更好的服務于汽車輕量化發(fā)展。

參考文獻：

[1]鐘奇，施 毅，劉博. 鋁合金在汽車輕量化中的應用[J]. 關(guān)注，2015，02：23-24.

[2]尚雪梅，任曉莉. 鋁合金材質(zhì)在汽車輕量化中的應用及其成形技術(shù)探析[J]. 科技視界，2014，09：450-451.

[3]王永光. 鋁合金復合材料在汽車輕量化上的應用[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2014，13：111-114.

[4]朱則剛. 鋁合金復合材料在汽車輕量化上的應用[J]. 輕金屬，2013，09：11-12.