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汽車輕量化設計多半都是靠大比例使用鋁合金來實現

來源:江蘇中美鋁業有限公司  發布時間:2018-07-25 瀏覽:



      說到汽車的全鋁車身,繞不開的特點就是“輕”,除了那些價格不菲的頂尖超跑會大量運用碳纖維外,汽車輕量化設計多半都是靠大比例使用鋁合金來實現的。

    不過這不意味著鋁合金就便宜了,事實上全鋁車身還有另一個特點就是“貴”,這個不僅僅是材料本身的成本更高,還有門檻更高的制造工藝帶來的成本。所以能用全鋁車身的車型,或許到不了超跑的程度,但也是談不上什么“經濟實惠”了。(例如當年奧迪的ASF全鋁車架也只在上代A8上面有應用,往下的其他車型實在cover不了這個成本,而且最新一代A8也放棄“全鋁”的概念了,在他們覺得合適的地方也還是用上了高強度鋼)

  然而上面兩條都只是鋁合金人盡皆知的特征罷了,細說起來遠不止這么簡單,并且全鋁車身的其他一些特點也都是和這倆特征密切相關的。

  什么是全鋁車身?真的就是100%的鋁嗎?

  應該沒有還會把全鋁理解成純鋁的吧?其實全鋁車身這個概念,是指車身結構部分主要是由鋁合金來制造,不僅僅允許部分非鋁制零件的存在,而且鋁在這里頭也是以合金形式出現的。

  而鋁合金并不是指一種合金,實際上類別也挺多的,國際通行的規則是用一個四位數字加一個字母打頭的狀態代碼來區分鋁合金的種類,比如建筑行業常用的6063-T5,第一位數字是1就代表是純度高于99%的純鋁,2-8分別代表鋁和銅、錳、硅、鎂、鎂+硅、鋅和其他元素組成的合金,9是備用組。后面的數字主要用于區分,就不再贅述具體邏輯,總之每一種配方的鋁合金都有特有的標號,對應特有的特性。目前汽車全鋁車身用到的主要是5系列和6系列,都屬于密度低,抗拉強度和抗疲勞性好的材料,可以在遠低于鋼材重量的情況下實現更高的強度,包括奧迪ASF全鋁車身等都廣泛應用。另外2系列和7系列也也有少量應用,2系銅鋁合金硬度較高,會用在一些車身鈑金件上;7系列主要應用是航空和軍工領域,屬于超硬、耐腐蝕、耐磨損的材料,當然價格也很感人,國內目前7系列鋁材主要依賴進口,不過前段時間蔚來發布的ES8白車身縱梁用到了7003鋁材(如下圖)。另外還有一些特別的鋁鑄件(HPDC)也有不少應用。

  搞清楚這些很多誤解也就不存在了,最起碼知道了“全鋁”并不等于“純鋁”。不同的鋁合金特性有所差別,但用在結構領域的鋁合金都有一個共性就是高強度,他們的硬度與同規格的不銹鋼相比普遍更強,比如一般車身用的6系T4鋁合金在涂裝烘干后屈服強度在200Mpa以上了,而SPCC/DC04也就150-160Mpa。另外全鋁車身并非一個整體,會根據車身不同部位的受力情況分布不同種類的材料(下圖,還是蔚來ES8,其白車身不同材質的鋁合金分布),一般會通過自沖鉚釘、激光焊接、膠接等方式連接,傳說中撞一下整個車身就廢的情況并不真實,可以通過專業工具把受損部分更換掉的,當然更貴是真的。

  1.優秀的輕量化效果。鋼的密度是7.8,而鋁的密度是2.7,傳統汽車中車身約占整車重量的30-40%,用高強度鋼替代普通鋼材能減重約11%,而如果采用鋁合金能減重約40%。鋁合金在一輛整車中能夠使用超過500kg,帶來的效果是整車重量能降低40%左右。比如2012年發布的第四代路虎攬勝是攬勝系列車型首次引入全鋁車身概念,這一代攬勝比第三代車型輕了39%,成功減重350kg。從車上一下減掉了五個成年男性的重量,全鋁車身輕量化好處是不言而喻的,從動力表現、燃油經濟性到操控性能都會有很大提升。

  2.提高車身強度,增加安全性。論絕對強度的話鋁合金會略遜于鋼板,但低密度讓鋁合金有更大的優勢,同等強度鋼板和鋁合金,厚度比為1:1.4,而重量比僅1:0.5,就是說鋁合金僅需一半的重量便能達到同等強度。一般全鋁車身用的鋁合金板件要比普通低碳鋼厚0.2-0.5mm,通過增加厚度能實現比高強度鋼更高的車身鋼性和抗扭性能。

  3.提升操控性。這一點是和前面兩點直接掛鉤的,輕量化能降低車身慣量,增加推重比,相同的動力水平下動力表現能有很大提升。而增加車身鋼性和抗扭性后,相當于車身增加了強化拉桿的效果,能給懸掛調校留出更充足的空間,提升車身極限。另外就是全鋁車身的車型一般也會在底盤懸掛方面進行一些優化,例如很少鋁車身的車型擺臂會又用回鋼材的,而全鋁懸掛組件能減輕簧下質量,對操控提升有一定幫助。

  4.超強的抗腐蝕性能。鋁本身并不穩定,很容易氧化。不過鋁氧化會在表面形成一層致密的氧化層,并且與基體牢固結合,穩定性很高能對鋁基體形成嚴密的保護。并且在濕潤大氣環境下,這個保護層能夠增厚。不過也因為鋁的這種表面屬性以及導電性,全鋁車身的涂裝過程中也比較特別,電泳的槽液要經常更換,成本會更高。

  5.更好的可塑性。這一點也忍不住想提一下,鋁合金能塑造極美的車身曲面,比如捷豹C-Type、D-Type、以及“最美汽車”E-Type的鋁制車體,今天來看依然極富美感,而這種靈龍浮凸的曲面造型,在當時的技術來說,鋼材是極難做出來的。當然今天的沖壓、鈑金技術已經可以讓鋼材呈現出復雜的曲面甚至是銳利無比的折角(奧迪是最好的代表),不過還是有很多車出于設計考慮,在引擎蓋等位置選用鋁合金材質,只是這已經屬于車身覆蓋件的范疇了,和車體無關。

  為什么在全鋁車身性能優勢明顯占優的情況下,今天市面上全鋁車身的占比不過1%?很簡單,貴仍然是主因。

  一方面是純鋁的冶煉和鋁合金的加工成本都較鋼更高,鋁合金本身的價格較高;另一方面是加工工藝比較復雜,鋁合金在融化焊接過程中氧化鋁不溶阻礙填充金屬潤濕,會形成裂縫,需要通過攪拌摩擦焊接及激光熔纖焊等技術實現。而在不適合焊接的地方需要用到柳接和粘合劑連接。例如全鋁車身的捷豹XE全車需要2000多個柳釘,而粘合劑使用也需要對表面氧化層處理保證粘合效果,對環境要求較高,因而帶來較高成本。

  一般一個全鋁車身會用到自沖鉚釘、熱融自攻螺釘、鋁電阻點焊、冷金屬焊接、激光焊接、膠接連接等幾種甚至全部工藝,生產流程的復雜性和自動化程度要求都遠高于傳統車身。

  一個利好消息是電動車時代的到來可能會讓全鋁車身有大的發展,目前世界范圍內在政策的引導下,從傳統車企到新興的品牌都投入了電動車的行列,大量資金的投入讓這個趨勢已經不可逆。在電動車上使用全鋁車身,車重降低10%,電耗可以降低5.5%,從而續航里程增加5.5%。而實現相同里程增量需要增加的電池成本遠高于此。因而相比燃油車輕量化并不可觀的節油效果,輕量化讓電動車增加的續航里程有意義的多。例如大眾e-Golf,通過使用全鋁車身成功減重187kg,而同時優化電池配置后成本降低了635歐元:

  目前市面上入門級的電動車續航里程普遍不高,更多的用于城市通勤。走高端化路線的寶馬i系列直接用上了碳纖維車身,底盤結構采用鋁合金材料,已經推出的i3和i8售價都比較感人。再有就是運用全鋁車身的特斯拉Model S/X和蔚來ES8,而更入門的Model 3已經放棄了全鋁車身,采用成本更低的鋁/鋼混合材料。在可預見的未來,續航里程會長期是純電動車最重要的指標之一,鋁制車身帶來的數百公斤的減重必然會是定位高端的電動車十分看重的一點,而全鋁車身更大范圍的應用或許能夠有助于這一技術降低成本,未來逐步下沉到更入門一些的車型。

  總的來說,鋁合金材質在性能層面表現是遠好過鋼材的,同等條件下全鋁車身能給車輛帶來安全性、操控性、燃油(耗電)經濟性、耐久性等全方位的提升,問題就是成本仍然很高,所以非豪華車很少能用到全鋁車身。福特F-150用上全鋁車身算是很平民化的一次進步了,不過那是美國的平民車,在中國還是豪車。

 

類別:行業資訊

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