鋁合金材料在汽車輕量化領域應用的研究現狀

王科學，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.新疆工程學院機電工程學院，烏魯木齊 830047）

0 前言

自2020年習近平總書記提出“雙碳”目標以來，各行各業力圖通過科技進步、技術創新等手段助力“雙碳”目標的達成，涌現出一批又一批的低碳科技成果。據公布數據顯示，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發展的重要研究方向。相關研究表明，汽車整車質量下降10%對應油耗將降低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”目標早日達成的一項重要舉措[2]。目前汽車輕量化主要從工藝輕量化、材料輕質化以及結構合理化三個方向出發來達到為汽車減重的目的。本文從材料輕質化研究出發，對鋁合金在汽車輕量化領域的應用進行介紹，為后續鋁合金材料的發展提供參考。

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模化生產，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化程度，其比強度和成形性能好，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相為主要強化相，有強度適中、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度的狀態下供貨，因此可用于強度和剛度要求較高的部位。中鋁下屬企業、南山鋁業、南南鋁、忠旺等企業紛紛加快6×××汽車板的開發、認證和產業化[4]。

1.2 國外車用鋁合金材料的研究

自20世紀60年代開始西方發達國家就已經開始嘗試利用鋁合金材料實現汽車輕量化。全球汽車鋁板產能主要分布在美國、德國、日本等國家，諾貝麗斯作為全球最大的鋁軋制產品制造和回收利用企業，不斷擴張汽車鋁板的產能也從側面驗證了鋁材在汽車輕量化領域的重要地位。據國際鋁業協會統計數據：2006年，歐美每輛轎車的鋁合金平均用量為121 kg，占整車質量的10%左右，2010年的用鋁量為152 kg，預計2025年將接近325 kg[5]。目前國外多采用鋁制材料實現汽車輕量化設計，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業重要發展方向，節能減排潛力巨大，其含義就是在滿足汽車強度要求、保證汽車安全性能的前提下，通過各種方法使整車質量降低。同時由于整車重量與爬坡、滾動等方面阻力呈正相關，從而通過汽車減重降低阻力、提高動力，降低車輛燃油消耗，達到節能減排的目的。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、材料以及結構三個方向出發對傳統車輛進行改造，以達到輕量化的目的。

圖1 汽車輕量化研究方向

高強度、高壽命及低質量的材料是現今汽車產業所追求的目標。鋁合金材料憑借其密度低，導熱性好、抗腐蝕性效果好，同時在發生車禍時可充分吸收車輛撞擊產生的能量等特征因而成為車用輕質材料最為火熱的一個選擇。同時鋁合金材料在應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，推動經濟、環境和能源的可持續發展有巨大的貢獻[6]。

3 鋁合金材料在汽車輕量化的應用

3.1 汽車車身

汽車車身作為整車中最為大型的構件，在汽車重量中約占30%，油耗量高達70%。實現汽車輕量化關鍵就在于實現車身輕量化[7]。相關資料顯示，在第二代本田Acura NSX中鋁材的應用量達79.0%[8]；在第五代路虎（Land Rover Discovery）中鋁材應用量達到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鋼制總成，對產品的耐撞性、結構等進行了設計，并針對后撞工況、安裝點剛度進行了仿真分析。結果證明，在滿足強度等要求的情況下，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款車型樣本為數據，探究了采用鋁合金材料制白車身對汽車輕量化的影響，分析結果得出輕量化系數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，次于白車身和動力總成，其輕量化的研究對推動汽車輕量化具有重大意義。張廣和、胡全達等[12]從目前市場分布情況、鋁合金輕量化研究等方面出發，對其成型工藝、車輛實例設計等進行了研究。分析結果顯示，鋁合金密度低，經改良轉向節自重降低，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[13]對輕型載貨車底盤如何實現輕量化進行了研究，表明使用輕質化材料是實現其輕量化主要方式之一，其中以輕質鋁合金材料最佳。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、產品以及趨勢出發，論述了鋁合金底盤輕量化現狀及擠壓鑄造新成型工藝，認為擠壓鑄造將推動鋁合金材料更廣泛的應用。Evangelos Ch.Tsirogiannis[15]等針對氫燃料電池動力汽車底盤提出了一種空間框架結構的鋁合金設計，將工程方法與零件合并、設計和制造相結合。

3.3 汽車發動機

作為汽車的動力源，汽車發動機是汽車得以運動的最關鍵部分，它決定著汽車整體性能，對汽車的使用壽命以及駕駛體驗具有重要影響。鋁制缸體、缸蓋以及進氣歧管等可使發動機減重30%~40%，同時可使發動機壓縮比提高，熱應力減少，提高發動機功率[16]。王立新、袁峰[17]對發動機實現輕量化方案進行了研究，表示實現發動機輕量化的最終結果是實現發動機具體零部件的輕量化。提出了采用低強度緊固件、以鋁代鋼可以實現其重量及成本的雙降。武漢理工大學陳云、李杰等[18]為實現汽車輕量化的訴求，采用擠壓鑄造的方式生產鋁合金發動機懸掛支架，對其整個鑄造過程進行了設計，并進行了生產驗證。結果表明該舉措能滿足使用要求。K.Ikeda[19]等針對汽車發動機罩提出了一種新型具有波浪形橫截面的鋁制發動機罩，其所需要的吸能空間更小，在減重的同時仍能滿足強度要求。

3.4 汽車輪轂

汽車輪轂在整車中起著支撐質量、驅動汽車行駛等作用。常見輪轂輕量化方法主要有：減小輪轂尺寸、換用輕質材料以及改進工藝三種[20]。而鋁合金材料導熱性能強，可提高車輛的制動性能，在相同體積下質量僅有傳統碳鋼材料的30%，同時在高速轉動時慣性阻力小，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]。中北大學的張治民所帶領的團隊[23]針對傳統鋼制輪轂難以減重的問題，提出了鋁合金輪轂正向-反向-徑向復合擠壓成形新方法。該方法生產出的輪轂在滿足質量要求的前提下，減重高達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建立相關輪轂模型，并對不同制造材料輪轂進行受力及模態分析，并對比其結果，證明了鋁合金材料對輪轂輕量化的推動作用。Ying Shi[25]等也利用UG對車輪進行建模，并以ANSYS對其進行受力分析，結果顯示其鋁合金材料滿足車輪強度的要求。

4 結束語

汽車輕量化是汽車領域未來發展不可置否的趨勢，是助力“雙碳”目標早日實現的重要力量之一。隨著高強輕質合金材料成型技術和加工技術的不斷發展，鋁合金材料將以更優異的加工方法被應用于車輛輕量化，未來鋁合金輕量化的需求和發展將會更加廣闊。

（1）近年來國家出臺多項政策，如《關于擴大戰略性新興產業投資培育壯大新增長點增長極的指導意見》、《增材制造標準領航行動計劃（2020-2022年）》等，以推動鋁合金產業的發展，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域的發展。應加大對鋁合金材料成型及焊接技術的研究，從材料成分、處理工藝等方面對鋁合金材料進行提升。

（3）鋁合金的成本較高，應加快我國報廢車再生鋁合金技術的研究，推動再生鋁產業的持續高效發展，以期降低鋁合金材料成本，推動鋁合金材料產業結構升級。同時加強對高強鋁合金生產設備的開發，使鋁合金傳統工藝向智能化制造轉變，降低生產成本。