歐洲的汽車(chē)工業(yè)以其性和高度創(chuàng)新性而聞名于世，隨著節(jié)能減排政策壓力不斷增加，為了減少燃油消耗量和二氧化碳排放，改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的鋁合金被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的十年里，乘用車(chē)鋁的平均使用量翻了一番，鋁合金減重情況如下圖1所示，基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，在未來(lái)幾年里，這一趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)保持。
在輕量化發(fā)展過(guò)程中，鋁合金與其他新型材料面臨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，如高強(qiáng)鋼，通過(guò)薄壁化設(shè)計(jì)后依然保持高強(qiáng)度。除此之外，還有鎂、鈦、玻璃或碳纖維復(fù)合材料，其中后者在航空航天已具有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在多材料設(shè)計(jì)理念已經(jīng)融入汽車(chē)設(shè)計(jì)中，正在向合適的材料應(yīng)用于合適的部位而努力。這其中非常重要的挑戰(zhàn)是連接和表面處理問(wèn)題，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種解決方案，如發(fā)動(dòng)機(jī)組和動(dòng)力傳動(dòng)系部件，框架設(shè)計(jì)（奧迪A2，A8，寶馬Z8，蓮花Elise），薄板結(jié)構(gòu)（本田NSX，捷豹，羅孚），懸掛（DC-E級(jí)，雷諾， 標(biāo)致）等結(jié)構(gòu)部件。圖2顯示了汽車(chē)用鋁的部件。
白車(chē)身（BIW）設(shè)計(jì)策略
白車(chē)身是傳統(tǒng)汽車(chē)中最重的部分，占整車(chē)重量的25％到30％。在白車(chē)身設(shè)計(jì)中有兩個(gè)基本變量。
1.用于中小型汽車(chē)的“型材空間框架設(shè)計(jì)”：奧迪A8是一個(gè)典型的例子，白車(chē)身質(zhì)量277公斤，由59個(gè)型材（61公斤），31個(gè)鑄件（39公斤）和170個(gè)鈑金件（177公斤）組成，并采用鉚接，MIG焊、激光焊、其他混合焊接、膠粘等連接方式。
2.中到大容量汽車(chē)應(yīng)用的“模鍛鈑金硬殼式結(jié)構(gòu)”，例如，捷豹XJ（X350），2002年款（如下圖4），5公斤質(zhì)量的“沖壓車(chē)身硬殼結(jié)構(gòu)”白車(chē)身由22個(gè)型材（21公斤），15個(gè)鑄件（15公斤）和273塊鈑金件（259公斤）組成，連接方法有粘接、鉚接、MIG焊。
鋁合金在車(chē)身上的應(yīng)用
1. 時(shí)效硬化的Al-Mg-Si合金
6xxx系列合金含有鎂和硅。目前用于汽車(chē)車(chē)身薄板的6xxx合金有A6016（歐洲）、A6111（美國(guó)）和A6181A，出于回收利用的考慮其用量在不斷增加。在美國(guó)，A6111經(jīng)常用在0.9-1.0mm的外板，具有高強(qiáng)度和良好的成形性。在歐洲，1-1.2mm的EN-6016具有優(yōu)良的成形性和耐腐蝕性，被廣泛運(yùn)用。
2.不可熱處理Al-Mg-Mn合金
由于其特定的高應(yīng)變硬化，Al-Mg-Mn合金展示優(yōu)良的成形性和高強(qiáng)度。通過(guò)少量添加其它合金元素及改進(jìn)工藝路線了特定應(yīng)用（例如表觀質(zhì)量、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性）。不可熱處理Al-Mg-Mn合金大量應(yīng)用于汽車(chē)熱軋、冷軋薄板以及液壓成形管。在底盤(pán)或車(chē)輪中應(yīng)用具有更高效果，因?yàn)榉菑椈蛇\(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量減小額外增強(qiáng)了駕駛舒適性并降低了噪音水平。
3.型材
在歐洲，基于鋁型材設(shè)計(jì)，全新的汽車(chē)概念得以被提出，例如，鋁合金框架和復(fù)雜的子結(jié)構(gòu)。它們?cè)趶?fù)雜設(shè)計(jì)和功能集成方面的巨大潛力使其最適合于成本效益型的批量生產(chǎn)。因?yàn)樵跀D壓過(guò)程中需要淬火，所以中強(qiáng)度的6xxx和高強(qiáng)度7xxx時(shí)效硬化合金被采用。通過(guò)后續(xù)加熱產(chǎn)生的時(shí)效硬化來(lái)控制成形性和強(qiáng)度。鋁合金型材主要應(yīng)用于框架設(shè)計(jì)、防撞梁和其他碰撞部件。
4.鑄件
鑄件是汽車(chē)中應(yīng)用大的鋁制部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋和特殊底盤(pán)部件。即使是在歐洲市場(chǎng)份額大幅增加的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于對(duì)強(qiáng)度和耐用性的要求越來(lái)越高，也正在向鋁鑄件轉(zhuǎn)變。同時(shí)，鋁鑄件也正在應(yīng)用于框架設(shè)計(jì)，軸類(lèi)部件和結(jié)構(gòu)部件，高壓鑄造新型AlSiMgMn鋁合金已經(jīng)實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度和延展性。
鋁與其他輕質(zhì)材料的競(jìng)爭(zhēng)
最新的白車(chē)身設(shè)計(jì)理念即為通過(guò)鋁合金、（超）高強(qiáng)鋼、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等組合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)汽車(chē)好的性能。另外一個(gè)主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整體的低成本輕量化設(shè)計(jì)。這即是“輕型汽車(chē)”（SLC）項(xiàng)目的主要目標(biāo)。
SLC項(xiàng)目由38個(gè)合作單位：7家主機(jī)廠（CRF，DC，保時(shí)捷，雷諾，沃爾沃，歐寶、大眾），10家研究結(jié)構(gòu)，10家供應(yīng)商，8所大學(xué)和3家中小企業(yè)共同合作，通過(guò)評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)和新型技術(shù)而設(shè)計(jì)的新型輕量化汽車(chē)。其動(dòng)機(jī)是減少二氧化碳排放和燃油消耗量，以保護(hù)全球生態(tài)、提高地區(qū)經(jīng)濟(jì)和保護(hù)消費(fèi)者利益。
設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮了成本和性能兩個(gè)方面，其中，SLC成本目標(biāo)是每千克質(zhì)量降低成本增加目標(biāo)是小于5歐元，成本包括材料成本、生產(chǎn)成本、投資折舊和回收收入，在原有鋼制車(chē)身的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一套有效的成本模型。
在性能方面，SLC項(xiàng)目通過(guò)特定材料設(shè)計(jì)、連接方法、零件數(shù)量和成本目標(biāo)設(shè)計(jì)了三種不同的概念車(chē)型，鋼制輕量化車(chē)身、超輕車(chē)身(ULBC)、輕量化車(chē)身（SLBC）。
SLC項(xiàng)目車(chē)身設(shè)計(jì)（如圖7）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量減少95kg（34%）的方案，即參照65kg到110kg的標(biāo)準(zhǔn)減重41%且額外增加成本5€/kg。它包括一個(gè)鎂制車(chē)頂和一個(gè)鋼制地板結(jié)構(gòu)，一種高強(qiáng)度鋼和鋁薄板扭轉(zhuǎn)環(huán)形側(cè)面結(jié)構(gòu)，B柱是由TWB鋼板與鋁皮設(shè)計(jì)而成。鋁合金以板材應(yīng)用于覆蓋件、以型材用于前縱梁、保險(xiǎn)杠、后車(chē)底部縱梁和以壓鑄件駕駛室結(jié)構(gòu)。
結(jié)論
鋁由于其密度低、成型性好、耐腐蝕性好，是許多汽車(chē)應(yīng)用的選擇材料，如底盤(pán)、車(chē)身和許多結(jié)構(gòu)部件。SLC項(xiàng)目設(shè)計(jì)清楚地表明，鋁用于車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足性能要求前提下，可以實(shí)現(xiàn)至少30％的減重。并且，對(duì)于目前覆蓋件的大多數(shù)部件均可應(yīng)用鋁合金。在某些強(qiáng)度要求較高的情況下，7xxx系列合金依然能夠保持質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。所以，對(duì)于大批量應(yīng)用，鋁合金降重解決方案是經(jīng)濟(jì)的方法。
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