1 汽車(chē)輕量化的意義和途徑
2014年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)2372.29萬(wàn)輛和2349.19萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)7.26%和6.86%;產(chǎn)銷(xiāo)突破2300萬(wàn)輛創(chuàng)歷史新高,再次刷新全球記錄,已連續(xù)六年蟬聯(lián)全球第一。其中,乘用車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)1991.98萬(wàn)輛和1970.06萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)10.15%和9.89%;商用車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)380.31萬(wàn)輛和379.13萬(wàn)輛,同比下降5.69%和6.53%。
新能源汽車(chē)表現(xiàn)搶眼。統(tǒng)計(jì)顯示,2014年新能源汽車(chē)生產(chǎn)7.85萬(wàn)輛,銷(xiāo)售7.48萬(wàn)輛,比上一年分別增長(zhǎng)3.5倍和3.2倍
汽車(chē)保有量的持續(xù)攀升,不僅給能源帶來(lái)危機(jī),同時(shí)傳統(tǒng)汽車(chē)排放的尾氣給環(huán)境帶來(lái)了巨大的危害。去年及今年,全國(guó)大面積持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間被霧霾籠罩,空氣質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了嚴(yán)重污染程度,如何控制和降低汽車(chē)尾氣排放帶來(lái)的污染也是亟需解決的一大課題。
二氧化碳排放量的25%來(lái)自于汽車(chē)排放,因此,汽車(chē)節(jié)能減排對(duì)整個(gè)社會(huì)的節(jié)能減排有重要的意義。
汽車(chē)工業(yè)發(fā)展、汽車(chē)產(chǎn)量增多、汽車(chē)保有量的加大帶來(lái)了三大問(wèn)題:油耗、環(huán)保和安全,針對(duì)這三大問(wèn)題,各國(guó)都制定了相應(yīng)的法規(guī),以使人們更加關(guān)注汽車(chē)輕量化。
我國(guó)《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量核算辦法》規(guī)定,2010年前,乘用車(chē)新車(chē)平均油耗比2003年降低15%以上,即2010年乘用車(chē)平均燃油消耗應(yīng)為8.5升/100km以下,大約相當(dāng)單車(chē)平均排放CO2為200g/km。
據(jù)統(tǒng)計(jì),車(chē)重每減少100公斤,二氧化碳排放可減少約5克/公里,可見(jiàn),汽車(chē)輕量化對(duì)節(jié)能降耗有著非常重要的意義。
實(shí)驗(yàn)證明,若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽車(chē)重量降低1%,油耗可降低0.7%。當(dāng)前,由于環(huán)保和節(jié)能的需要,汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。
就重量而言,金屬材料零部件占汽車(chē)整個(gè)零部件的85%以上,因此,如何使金屬零部件輕量化成了汽車(chē)輕量化的關(guān)鍵,也就是說(shuō),金屬材料零部件輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)工業(yè)現(xiàn)代化最可靠的途徑。
3 鋁合金型材的優(yōu)勢(shì)
鋁合金型材具有一系列優(yōu)良特性,諸如密度小,比強(qiáng)度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易表面著色,良好的加工成型性以及高的回收再生性等,因此,在工程領(lǐng)域內(nèi),鋁一直被認(rèn)為是“機(jī)會(huì)金屬”或“希望金屬”,鋁工業(yè)一直被認(rèn)為是“朝陽(yáng)工業(yè)”。鋁合金型材大量用于汽車(chē)工業(yè),無(wú)論從汽車(chē)制造、汽車(chē)運(yùn)營(yíng)、廢舊汽車(chē)回收等方面考慮,它都帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,而且隨著汽車(chē)產(chǎn)量和社會(huì)保有量的增加,這種效益將更加明顯。
汽車(chē)用鋁合金型材用量增加后所帶來(lái)的效益主要體現(xiàn)在以下幾方面:
(1)促進(jìn)汽車(chē)輕量化,節(jié)能降耗,有利環(huán)保。通常使用1kg鋁合金型材,汽車(chē)自重可以下降2.25kg。
對(duì)于1300kg重的轎車(chē),若其重量下降10%,其燃料消耗可降低6%-8%。在一般情況下,每減輕1kg車(chē)重,1L汽油可使汽車(chē)多行駛0.11km,或者說(shuō)每行駛100km,就可節(jié)省0.7kg汽油。
(2)可回收再利用,進(jìn)一步節(jié)約能源,鋁合金型材零部件,便于重熔回收,目前的回收率不低于85%。再生鋁合金的能耗只有電解鋁的3%-5%,因此可節(jié)約大量的能源。
(3)增加抗蝕性,延長(zhǎng)使用壽命
鋁合金型材在常溫自然條件下,表面就可生成一層致密的氧化膜,此氧化膜可阻止鋁合金基體進(jìn)一步和空氣當(dāng)中的氧氣發(fā)生反應(yīng),因而經(jīng)表面處理的鋁型材材其耐蝕性、耐氧化性能大大高于鋼鐵材料。
(4)有助于提高汽車(chē)行駛的平穩(wěn)性、乘坐的舒適性和安全性
減輕車(chē)重,提高汽車(chē)的行駛性能。美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)提出,如果車(chē)重減輕25%,就可使汽車(chē)加速到60mph的時(shí)間從原來(lái)的10秒鐘減少到6秒鐘;由于使用鋁合金型材是在不減少汽車(chē)容積的情況下減輕汽車(chē)自重,因而使汽車(chē)更穩(wěn)定,在受到?jīng)_擊時(shí)鋁合金型材結(jié)構(gòu)能吸收更多的能量,因而更安全和舒適。
(5)較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與制造適應(yīng)性
在現(xiàn)代化大工業(yè)生產(chǎn)中,哪種材料具有更強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與制造適應(yīng)性,就會(huì)受到設(shè)計(jì)師與工藝師的歡迎,就會(huì)成為工程師與管理工作者的優(yōu)選材料之一。鋁型材在這方面的優(yōu)點(diǎn)是工具與模具的投資較低,因而零部件的生產(chǎn)周期短,可縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的周期,可減輕分期償還成本。
可見(jiàn),鋁合金型材是促進(jìn)汽車(chē)輕量化的最佳選擇。
3.2 鋁合金型材在汽車(chē)上的應(yīng)用實(shí)例
汽車(chē)用鋁合金型材應(yīng)用有:保險(xiǎn)杠防撞梁、吸能盒、車(chē)門(mén)防撞梁、儀表盤(pán)支架、底盤(pán)件、車(chē)身結(jié)構(gòu)件、油管、導(dǎo)軌、行李架、熱交換器等截面一致且形狀復(fù)雜的構(gòu)件。
1)鋁合金防撞梁
鋁合金防撞梁已經(jīng)在合資品牌的中高端車(chē)型上基本普及,正在向低端車(chē)型以及國(guó)產(chǎn)車(chē)型發(fā)展。由于減重效果明顯,在為了幾年內(nèi),有望全面替代鋼防撞梁。橫梁主要材料有6082、7003,吸能盒有6060,底板和拖鉤套為6082。
2)儀表盤(pán)支架
儀表盤(pán)支架主用到的型材有6061和6063,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,減重效果好,對(duì)整車(chē)的降噪有明顯的作用,越來(lái)越多的車(chē)型開(kāi)始采用。
3)底盤(pán)件
底盤(pán)零件已經(jīng)有越來(lái)越多進(jìn)行了鋁化,并且逐漸從鑄件改成了型材件,材料主要有6061和6082。
4)車(chē)身結(jié)構(gòu)件
傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)車(chē)身在主要的力傳遞
5)導(dǎo)軌和行李架
6)熱交換器
7)全鋁車(chē)身
乘用車(chē)
目前乘用車(chē)采用全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)的車(chē)型都是一些國(guó)外的高端車(chē)型貨超級(jí)跑車(chē),如奧迪A8和A2、捷豹XJ等,為型材、板材和鑄件相結(jié)合。而國(guó)內(nèi)的轎車(chē)全鋁車(chē)身主要應(yīng)用于新能源電動(dòng)車(chē)上,主要由型材做成框架。材料有6063、6061和6082等合金。
商用車(chē)
國(guó)內(nèi)關(guān)于全鋁車(chē)身客車(chē)產(chǎn)品的研發(fā),各大廠家走的路線(xiàn)不大一樣。主要有合作開(kāi)發(fā)、自主研發(fā)、整車(chē)進(jìn)口和進(jìn)口材料國(guó)內(nèi)組裝這幾種方式。
全鋁貨車(chē)的應(yīng)用,也有不少企業(yè)在研發(fā)。其中,山東叢林集團(tuán)生產(chǎn)的全鋁甩掛運(yùn)輸車(chē),重量?jī)H有6.8噸,比鋼制車(chē)輕2-3噸,是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最輕的甩掛車(chē)。
3.3 鋁合金型材在汽車(chē)上的發(fā)展趨勢(shì)
由于鋁合金擠壓型材可以簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出鋼鐵無(wú)法生產(chǎn)的各種復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)的型材,作為汽車(chē)輕量化的有效手段之一備受關(guān)注。擠壓型材由于其重量輕,剛性好,作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用在汽車(chē)的各個(gè)部位。
隨著鋁加工技術(shù)的發(fā)展,型材的高精度三維彎曲加工技術(shù),以及6×××系合金材料的組織控制和均一性屈服強(qiáng)度控制熱處理技術(shù)的確立,使擠壓型材在汽車(chē)上的應(yīng)用空間得到了極大的發(fā)展。部分車(chē)型的鋁型材使用量已經(jīng)從90年代的百分之幾上升到百分之二十幾,甚至百分之三十以上了。
由于鋁合金框架的車(chē)體無(wú)論從減重,還是從剛性對(duì)比上,都比鋼制車(chē)體有很大的提高,因此,給全鋁車(chē)身框架的發(fā)展提供了很好的發(fā)展空間。
4 鋁合金型材的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
4.1 鋁合金型材的特點(diǎn)
1) 鋁合金擠壓型材較其他成型方式,具備以下的特點(diǎn):
(1)在擠壓過(guò)程中,被擠壓金屬在變形區(qū)內(nèi)獲得比軋制、鍛造更為強(qiáng)烈和均勻的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài),因此擠壓可充分發(fā)揮被加工金屬的塑性,可用于加工軋制鍛造無(wú)法加工的難變形金屬,同時(shí)可用于制作各種空心或?qū)嵭牡膹?fù)雜截面構(gòu)件。
(2)由于鋁型材幾何截面可變,因而其構(gòu)件的剛度高,可提高車(chē)身的剛性、降低其N(xiāo)VH特性、提高車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制特性。
(3)由于鋁型材截面可控制,可提高構(gòu)件的功能集成程度,降低構(gòu)件數(shù)量,同時(shí)通過(guò)截面匹配還可實(shí)現(xiàn)焊接精確定位。
(4)具有擠壓效益的產(chǎn)品,在淬火時(shí)效后,縱向強(qiáng)度性能(Rm,Rp0.2),遠(yuǎn)比其他方法加工的同類(lèi)產(chǎn)品要高。
(5)擠壓后產(chǎn)品表面色澤好,耐腐蝕性能好,不需要做其他防腐性的表面處理。
(6)擠壓加工靈活性大,工裝模具成本低,設(shè)計(jì)變更費(fèi)用低。
2) 常用汽車(chē)用擠壓鋁合金
汽車(chē)用擠壓鋁材90%以上是用6×××系合金生產(chǎn)的,用3×××、5×××系與7×××系合金擠壓的僅是少數(shù)。多以擠壓型材與管材形式用于汽車(chē)零件制造。
汽車(chē)工業(yè)常用的擠壓鋁合金有3003、3103、5049、6005、6005A、6060、6061、6082、6063、6082、7001、7003、7005、7021、7029、7129合金等,它們的合金元素化學(xué)成分見(jiàn)表3-2,力學(xué)性能見(jiàn)表3-3。3×××系合金用于擠壓管材,而7×××系合金多用于生產(chǎn)保險(xiǎn)杠等。
4 存在的問(wèn)題及對(duì)策
4.1 存在的主要問(wèn)題
雖然我國(guó)汽車(chē)用鋁合金行業(yè)發(fā)展較快,其規(guī)模也較大,但仍存在較大的問(wèn)題。
近幾年來(lái),我國(guó)汽車(chē)鋁合金零部件制造業(yè)雖然有所發(fā)展,但散、亂、差的局面尚未得到解決,規(guī)模小而分散,未形成強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè);缺乏統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào),沒(méi)有制訂符合環(huán)保和節(jié)能要求的強(qiáng)制性法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),管理和生產(chǎn)都比較亂;產(chǎn)品品種不全,質(zhì)量不穩(wěn)定。
我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)大都是靠中外合資建設(shè)起來(lái)的,沒(méi)有形成真正的品牌,汽車(chē)零配件,特別是鋁合金零部件引進(jìn)的多,國(guó)產(chǎn)開(kāi)發(fā)的少,仿造的多,自主創(chuàng)新的少,形成了長(zhǎng)期跟著別人走,總落后人家一頭。
雖然形成了一個(gè)強(qiáng)大的鋁加工體系,但未形成汽車(chē)用鋁合金材料體系,許多有特殊要求的鋁合金及其加工工藝與狀態(tài),許多專(zhuān)用的品種和材料都要依賴(lài)進(jìn)口。
沒(méi)有組建汽車(chē)鋁合金零部件及其配套鋁材的研究開(kāi)發(fā)中心,自主研發(fā)能力差,技術(shù)力量弱,阻礙了新型材料及零部件的開(kāi)發(fā)。
汽車(chē)行業(yè)與鋁加工行業(yè)溝通不夠,未能形成像福特汽車(chē)公司與美鋁公司,奧迪汽車(chē)公司與海德魯鋁業(yè)公司那樣的緊合作關(guān)系?;ゲ涣私?,互不通氣,互不配合,阻礙了各自的發(fā)展。
4.2 解決的對(duì)策
4.2.1 整零之間的戰(zhàn)略關(guān)系需進(jìn)一步優(yōu)化
現(xiàn)在,整車(chē)廠對(duì)零部件提出越來(lái)越高的要求,未來(lái)整車(chē)廠所要求的零部件企業(yè),不是傳統(tǒng)意義上的單純零部件供應(yīng)商,而是能夠給整車(chē)廠提供系統(tǒng)解決方案的供應(yīng)商,特別對(duì)供應(yīng)商系統(tǒng)的集成能力、創(chuàng)新能力有非常高的要求,這就需要零部件企業(yè)在先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的早期,就與整車(chē)廠進(jìn)行非常緊密的合作,在經(jīng)營(yíng)發(fā)展上,互相支撐。從長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略上,他們之間是共創(chuàng)未來(lái)的關(guān)系,為整零企業(yè)創(chuàng)造了和諧發(fā)展環(huán)境和廣闊空間。
4.2.2 進(jìn)一步提升核心技術(shù)水平
產(chǎn)品技術(shù)實(shí)力是企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心要素。國(guó)外零部件企業(yè)的實(shí)力來(lái)自于巨額的研發(fā)投入和持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新,國(guó)內(nèi)企業(yè)在這方面一直有所欠缺。目前,國(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件供應(yīng)商普遍采用“來(lái)圖加工”的模式,即汽車(chē)廠商將產(chǎn)品數(shù)據(jù)和圖樣提供給供應(yīng)商,后者按照?qǐng)D樣進(jìn)行生產(chǎn)制造。多數(shù)企業(yè)沒(méi)有完全產(chǎn)品掌握核心技術(shù),產(chǎn)品市場(chǎng)大多為中、低端,高端很少;面對(duì)未來(lái)汽車(chē)能源多元化發(fā)展的趨勢(shì),以及節(jié)能、環(huán)保、安全要求的日益嚴(yán)格,要求鋁合金零部件企業(yè)不僅擁有基本的開(kāi)發(fā)能力,還應(yīng)擁有超前技術(shù)開(kāi)發(fā)能力。因此,鋁合金零部件企業(yè)應(yīng)該加大研發(fā)力度與投入,以進(jìn)一步提升企業(yè)自身的核心技術(shù)水平。
4.2.3 借助新能源汽車(chē)的發(fā)展大力推廣鋁合金的應(yīng)用
中國(guó)財(cái)政部等部委于2014年2月8號(hào)聯(lián)合發(fā)文明確,將現(xiàn)行新能源汽車(chē)補(bǔ)貼推廣政策執(zhí)行到2015年12月31日,并對(duì)2014年和2015年的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)作出調(diào)整。中央財(cái)政繼續(xù)實(shí)施補(bǔ)貼政策,以保持政策連續(xù)性,加大支持力度,以此推廣新能源汽車(chē)應(yīng)用,促進(jìn)節(jié)能減排。
隨著全球汽車(chē)保有量的不斷攀升,環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,汽車(chē)輕量化所能帶來(lái)的節(jié)能降耗效果已經(jīng)日益深入人心,而鋁合金材料在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用也日益廣泛,已經(jīng)逐漸被行業(yè)內(nèi)公認(rèn)為汽車(chē)輕量化最有前途的金屬材料,被譽(yù)為希望金屬材料。尤其是鋁合金型材,由于開(kāi)發(fā)周期短,模具費(fèi)用低,結(jié)構(gòu)可以任意變化,從而越來(lái)越受到汽車(chē)行業(yè)的重視,應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
目前的新能源汽車(chē)主要以電動(dòng)汽車(chē)為主,而電動(dòng)汽車(chē)的電池能量密度在短期內(nèi)很難有大的突破,導(dǎo)致電池重量難以下降。因此,車(chē)身輕量化就成了必然的選擇。而鋁合金作為最佳的輕量化材料,自然就會(huì)迎來(lái)很好的發(fā)展機(jī)遇。
目前的新能源汽車(chē)主要以電動(dòng)汽車(chē)為主,而電動(dòng)汽車(chē)的電池能量密度在短期內(nèi)很難有大的突破,導(dǎo)致電池重量難以下降。因此,車(chē)身輕量化就成了必然的選擇。而鋁合金作為最佳的輕量化材料,自然就會(huì)迎來(lái)很好的發(fā)展機(jī)遇。
把握好這一政策,將積極促進(jìn)鋁合金汽車(chē)零部件產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),向節(jié)能型、環(huán)保型、高技術(shù)型和高質(zhì)量型發(fā)展。