车身轻量化开发 铝合金板材
张道明
[摘 要]汽车的车身是车的外表，消费者根据车身的外观进行选择。一般情况下，对汽车的设计主要表现在汽车车身方面，因此对汽车车身的研究就相对多点。汽车车身在汽车上占有重要比例，仅车身质量就约占汽车总质量的五分之二。为了满足消费者的需求，在对汽车车身进行优化设计的时候，应当从轻量化入手。
[关键词]铝合金板材；汽车车身轻量化
中图分类号：TU395 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）31-0059-01
引言
二十世纪早期，铝制车身开始出现 ，二、三十年代欧洲法拉利360赛车都是铝制车身。二战期间，每辆车平均用铝仅5.44Kg，至1971年已增加到 35Kg，最近10年中，铝使用量又增加 2倍多。目前每辆轿车铝合金平均用量为121kg，约占整车质量的10%。而所谓“铝密集型汽车”中的铝合金比例更高。如福特 P2000轿车铝合金用量为333kg，达到了37%；Audi A8 则达到了创纪录的 546kg。
1998年德国汽车工业铝用量占铝业总产量38%，达到256万吨，其中，商用车部门铝用量为10.6万吨。奔驰公司新一代S系列轿车有好几种行驶系部件都是使用铝制造的。例如前桥拉杆和横向导臂等是用铝材通过触变铸造法制成，铝铸造前桥整体支承结构质量只有10.5kg，与钢件相比轻35%。
20世纪70年代开始，铝合金被引入汽车车身制造。先后经历了两门四盖：20世纪70年代开始对发动机罩、行李箱盖、汽车挡泥板和车门等采用铝合金，对象都非白车身上的焊接结构件，对车身承载性影响不大。
1 铝合金板材分析
1.1 高强度钢板
板厚减薄且保证强度和使用性能成形性和点焊工艺较差。
1.2 铝合金板
比强度高、面心立方塑性差，常温成形性不如普通深冲钢板Audi A8全铝车身，质量减轻15%，耗油量降低5～8%。目前主要用于高档轿车。
1.3 镁合金
实用金属中是最轻，比强度高、比刚度接近铝合金和钢的绿色材料，有资源优势。密排六方塑性更差，目前还只能适用于压铸成形，抗腐蚀性较低，亟待发展板材轧制和成形工艺技术。
1.4 塑料及其他材料
塑料已大量用于内饰件，用于外表件则存在无法维修问题。热固性增强塑料（玻璃钢）及其他复合材料在汽车工业中应用也在逐渐增加。
2 汽车工业中铝合金分类
铝合金回收率高，国外可达80%以上，60%以上的车用铝合金为再生铝，回收生产1t铝合金比重新生产1t铝合金少耗能95%。汽车工业中加工铝合金装设备投资比钢、铁少。铝挤压型材焊点少，装配效率高，降低制造成本。汽车用铝合金主要是传统铝合金和泡沫铝合金。根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将工业传统铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两类。
20世纪90年代初，日本汽车用铝合金品种构成为，铸造铝合金80%（压铸件52%，其他铸件28%）；变形铝合金18.5%（板材805%，挤压材10%）；锻件1.5%。
铸造铝合金：将液体金属直接浇注在砂型或金属型内，制成各种形状的零件。对这类合金要求具有良好的铸造性，即良好流动性，小的收缩及高的抗热裂形等。
变形铝合金：大都经过热态或冷态的压力加工，即经过轧制、挤压等加工，制成板、管、棒材以及各种异型材，要求具有塑性。怎样才能保证变形铝合金具有很高的塑性，与铁碳合金一样，必须根据它们的相图来决定。
铸造铝合金主要用于制造汽车离合器壳体、变速箱体、后桥壳及正时齿轮壳体等壳罩类零件和发动机部件以及保险杠、轮辋、发动机框架、转向节液压泵体、油缸及制动盘等非发动机结构件。目前，正在进一步扩大应用范围。变形铝合金中合金元素含量较低。常用变形铝合金种的合金含量通常小于5%，但在高强度变形铝合金中可达8～14%。
3 汽车行驶阻力分析
汽车行驶阻力可近似表达：
F=μ0W+Wsinθ+a（1+β）W+λAv2
式中 W——汽车质量；μ0——滚动阻力；θ——倾斜角； a——加速度；
β——等价旋转质量比；λ——空气阻力系数； A——迎风面积；
v——车速。
由上述关系可以看出，汽车行驶阻力由4部分组成：滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力及空气阻力。除了空气阻力主要与车身形状、大小有关外，其他3项均与整车的质量成正比，据资料介绍，汽车能耗的70% 与车重有关。因此，从汽车行驶所受阻力来看，汽车轻量化是节能的一项有效措施。根据资料介绍的理论计算表明，适当减轻车体重量可以把油耗降低37%，把悬挂装置的负荷降低18%，把震动强度降低5%。因此，汽车公司逐步采用轻量化的铝合金材料来取代传统的钢铁结构材料。汽车耗油取决于发动机的排量和车体总质量，减小排量受保证动力性需求限制，优化汽车结构设计和采用轻质材料制造车身降低整车质量为节能的重要途径。
4 汽车轻量化结构分析
4.1 壳式支撑结构
壳式支撑结构很大程度上是现今比较流行带加强筋结构的一种替代品，如Audi公司1985年就已经做过研究试验，本田公司在1990年开始把这种方法用于其产品NSX中。但对于铝合金装配方式的优越性在当时并没有得到实际运用。
4.2 空间框架结构
空间框架结构首次采用在AudiA8，各覆盖件相互连接在一起。与传统车身骨架上覆盖件的车身结构不同。由铝合金多种装配方式已实现全铝车身设计制造。
5 结语
总之，随着社会的不断发展，汽车在人们的生活中所占的地位也越來越重要，而汽车车身轻量化是未来汽车的发展趋势，因此汽车企业应当加强汽车车辆轻量化的优化设计。
参考文献
[1] 王延安，赵长金.汽车车身轻量化设计的途径[J].安徽科技，2013（9）：44-45，46.
[2] 朱则刚.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[J]. 轻金属，2013，09：11-12.endprint
