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行業新聞
國外全鋁車體生產線建設熱火朝天
2016-12-06
  【四川亚洲性爱明星偷拍色图鋁材】隨著全球能源價格上漲與能源短缺,以及人們對環保的關注與要求日益嚴格,各國政府與組織為減少汽車尾氣排放對環境的影響,出台種種政策、法規、標準與條例。國外的研究表明,乘人車在城市標準道路上行駛時,油耗的85%左右為其自身質量所消耗;整車質量降低10%,可節油6%8%;汽車質量每減車100kg,可減少油耗0.3L/100km0.6L/100km,溫室氣體排放降低約5g/km。汽車輕量化不是選擇而是必須做的事,是政府與企業必須做的事。輕量化途徑不外乎兩條:改變設計,更換材料。現在看來,改變設計的潛力不是沒有,但是油水甚少,最有潛力的是更換材料,采用密度比鋼與鑄鐵密度小的材料如鋁、鎂、複合材料等,但當前性價比最高的是鋁,所以當前都在以鋁代鋼上下功夫,當然也在研發以鎂代鋼與代鋁,但不是主流。例如,以鋁合金取代低碳鋼製造車身鈑金件可使質量減輕50%;用11b(磅)擠壓鋁合金型材可取代21bs.鋼,可節約11.7L原油;鋁合金車身結構的強度在鋼結構的相等或更高時,吸收撞擊能的能力比鋼結構的大1倍餘,因而安全性大為提高。
  據國外有關研究表明,2020年乘人車(轎車、多用途汽車MPV、多用途跑車SUV)發動機罩蓋鋁化率可大於70%,其他覆蓋件鋁化率也會有較大提高,預計2020年歐盟、北美、日本汽車車身鋁合金薄板需求量可達1000kt。杜克公司的分析認為,2020年北美大量采用全鋁車身的可能性不會大於15%,部分采用鋁合金車身的可達60%。由此可見,在2015年2020年期間,在製造乘人車時大部分汽車公司的主流車身結構采用混合材料結構,即有鋼、鋁、鎂、複合材料,甚至還有一些原車設備製造廠原來著力開發全鋁車現在調頭設計生產混合材料車。
  杜克公司預測2025年北美生產的新型客貨兩用車有75%將使用鋁車身。由以上的介紹可知,乘人小車車身結構的全鋁輕量化有二條路線:一條為一步法,將鋼結構一次全部變為鋁結構;另一條為二步法,將鋼結構先變為混合材料結構,再變為全鋁結構。汽車企業可根據各自情況選擇適合自己的輕量化路線。
  國外主要汽車公司在研發乘人車車身輕量化方麵的概況簡介於下。
  福特汽車公司
  福特汽車公司(Ford Motor Company)是世界上成立最早的汽車製造的企業,也很可能是2025年以前汽車用鋁最多的企業。美國法律規定2025年汽車的平均目標油耗為23.17km/L,為了達到此目標,各汽車製造廠都在想方設法多用鋁,減輕車的自身質量。福特公司的F-150車是美國銷量最好的之一,因為它有高的燃油經濟性、堅固耐用、安全性高、價格合理,同時它於2016年4月獲得美國公路安全學會頒發的一級安全保險,獲此頂級殊榮的汽車僅F-150係列車。獲此證後F-150型車的銷量猛增,一年之內上升13%,相當於7萬輛。於是公司汽車的鋁化就從F-150係列開始,改製成全鋁皮卡車。
  決定改變為全鋁車的關鍵因素之一是公司掌握了可將衝製鋁合金鈑金件的全部邊角廢料循環使用的技術,降低了生產成本,每輛全鋁車的售價僅比過去鋼車的貴150美元。廢料回收工廠為美國鋁業公司及諾貝麗斯鋁業公司,每個月回收的衝壓廢料為9072t,比3輛F-150汽車車身質量還多一些。
  鋁在F-150型皮卡車上的卓越成功應用,大大提升了福特公司擴大鋁應用的信心,決定2017年版重型皮卡車F-350、F-450、F-550改為全鋁車,它們是超級功能車,是為商業運輸設計製造的,可以裝更多與更重的貨物。這種超級功能皮卡車鋁底盤-駕駛室總成比鋼製的輕159kg。由於這種新F係列車鋁底盤駕駛室總成的采用,需相應地提高其他零部件的強度,包括大大提高了駕駛室下的箱形框架強度,為了生產全鋁超級F-係列皮卡車,正投資13億美元在福特公司肯塔基州貨車廠建設新的生產線。
  美洲虎蘭德羅孚汽車公司
  多年來美洲虎汽車公司(Jaguar Land Rover,JLR)不遺餘力地研發鋁在汽車中的應用,成為這方麵在全球的領跑者,2003年推出了鋁車身的XJ型高級轎車;2013年,首台全鋁多用途跑車(SUV)Range Rover麵世;同年,公司首次生產低成本大容量汽車,這僅是其中的幾款車型。2015年晚些時候,美洲虎汽車公司對外宣稱,2016年將全麵加大鋁在汽車中的用量,不但包括既有的XF型、XJ型和F-TYPE型車,而且還有兩款新型車;F-PAC車,它是首款中型豪華多用途跑車;XE型車,是一種鋁密集型的緊湊式運動型轎車。
  全新的F-PACE及XE型汽車采用了JLR公司的新型模塊式結構,是用高強度6XXX係合金製造的。車身側邊為一根擠壓成形的複雜斷麵鋁合金整體型材,從而可使覆蓋件板材厚度由1.5mm減薄至隻有1.1mm。新的鋁合金模塊結構用的RC5754鋁合金,是JLR公司、諾貝麗斯公司、創新(英國)公司、其他工業部門、高等院校、基金會等的研發成果,用自攻鉚釘粘接、點焊等將零件連接成模塊。F-PACE車也是一種全新的麵孔,複合材料背門、鎂合金橫梁、前端托架底盤也是鎂合金的,後地板則是高強度鋼的。
  美洲虎蘭德羅孚汽車公司是一家英國公司,所生產的F-PACE及XE兩款車將以2017版汽車登陸北美市場。
  通用汽車公司
  根據通用汽車公司(General Motor,GM)的戰略發展計劃,將致力開發公司創新的混合材料(鋼與鋁合金衝壓件、鑄件、擠壓件)車身結構。雖然新的2016卡迪拉克CT6是一款鋁密集型車,但仍是一款混合材料車身車。鋁材零部件質量占車身用才的62%,其外板與車身下結構是鋁的,用13大氣壓壓鑄件將鋁合金薄板與擠壓材件連接起來。為了提升強度和更加安全起見,還用了一些鋼製零件。此外,在車的後部加了高強度鋁合金保險杠,而前部及側麵的保險杠則是鋼的。這種混合材料設計,使公司在生產更大些車的同時,使車的總質量比原來鋼結構車下降了90kg,一舉雙得。
  CT6汽車結構是用通用汽車開發的先進工藝連接的,如專利鋁點焊技術,不但可以減輕結構質量,而且強度和效率都有提高和改進。采用的其他連接工藝有“激光焊,液流打孔緊固件,自攻鉚接,鋁弧焊,鋼點焊,先進的粘接結構長度達183m。
  在生產CT6汽車時,通用汽車公司還采用了取得專利的鋼-鋁點焊新工藝,不用鉚接,將鋁支架連接到座椅鋼框架上。此工藝應用一種特殊設計的脊棱電極作為焊槍觸點,在這方麵已擁有19個專利,有硬件方麵的,也有控製工藝過程的軟專利。
  據稱,CT6卡迪拉克結構是通用汽車公司最先進車身係統,主要得益於連接工藝,使得它具有最高的扭轉剛度,是一款達到了最有質量效率的車。通用公司決定投資3億美元在密歇根州底特律-哈姆特拉姆克組裝廠建一些將此工藝轉化為生產力的工藝線。諾貝麗斯鋁業公司加拿大金斯頓軋製廠向該廠提供ABS(汽車車身薄鋁合金板)。
  通用汽車公司除投巨資改擴建底特律-哈姆特拉姆克組裝廠的鋁合金車生產線外,還投資8.77億美元對美國的三個皮卡車製造廠進行徹底的大規模改擴建,使其盡快生產鋁密集型車,建設一些新的組裝線、車身焊接車間、塗漆線,以生產新一代的希爾弗拉多皮卡車與多用途跑車。通用公司宣稱,這些項目完成後,以及以後一些新的技革項目陸續投產,公司生產的汽車就一步一步地滿足相關的燃油標準與法規要求。
  奧迪汽車公司
  德國奧迪汽車公司(Audi)是一家久負盛譽的全鋁汽車設計製造者,早在1993年全鋁車身A8就已麵市,它的奧迪空間構架(Audi Space Frame,ASF)是全鋁的,由擠壓型材、壓鑄件、激光焊接的鈑金件與薄鋁板衝壓件組裝而成。自此以後,ASF在奧迪公司生產的一係列車上得到應用,如A2、A8、S8、TT及TTS型,它們或是單一鋁材的,或是混合材料的。
  新型的Audi R8型運動車(圖4)用的混合材料ASF,它的質量僅20kg,它的車身是用批量生產的,用材為70%鋁合金與13%碳纖維增強塑料。車的前端是專業焊接的,中部地板與後端由鋁合金鑄件與擠壓型材組成,然後由機器人在室溫下將它們連接,用半空心衝製鉚釘、實心鉚釘與米製自攻螺釘連接。車身脊骨是用高強度複合材料CFRP製造的,在鋁與複合材料之間填以密封材料,以防接觸腐蝕。R8 Spider(高性能賽車)的車身結構與R8型運動車的相同,都是德國內卡蘇姆(Neckarsulm)製造廠生產的。
  2017年板Audi A4及A4 Avant的車身及動務傳動係為混合材料結構,結構件材料為鋁、高強度鋼和鎂,但基本材料是鋁合金。雖然這兩款車的尺寸有所加大,但其質量大大下降,使其成為這類車的最輕者,全得益於鋁的應用。過去的A4車的主要結構材料為鋼,僅發動機罩是鋁的。2017 Audi A4的結構由混合材料件組成,前圍板下的許多零件都是用鋁合金擠壓材與薄板製的,前支柱(Front strut)、D-立柱(Pillar)上端節結等都是用鋁合金壓鑄的。容廂脊骨、車頂梁B-立柱、門梁、地板零件等用熱衝壓鋼製的,鋼件質量占車身總質量的17%。轉向盤框與後座椅為鎂合金的。
  特斯拉汽車公司(Tesla Motors)是電動汽車生產者,知名的全鋁Models及Model X電動車是它的品牌產品。有人認為,為了降低成本,2017年後期版的Model 3電動車的混合材料氣氛會更濃一些,雖然各種材料的比例還無法精準確定,但可肯定的是其用量比Model S及Model X的少。特斯拉汽車公司的目標是,使Model 3成為公司電動車的主流,大力降低成本,初始售價為35000美元,而Model S的售價70000美元,Model X的售價80000美元。分析家認為,降低成本主要措施是減少鋁材用量,特斯拉公司的報告稱,如果Model 3未來年銷售達到140億美元,那麽售價就可以降到32500美元/輛或更低一些。
  羅爾斯-羅依斯汽車公司
  羅爾斯-羅依斯汽車公司(Rolls-Royce Motor Cars)是一家英國汽車製造公司,已將發展全鋁車作為公司基本發展戰略之一,第一階段發展目標是2018年初期投放全鋁結構車,現正在進行一些路況試驗,他們希望新的羅爾斯-羅依斯車可在全世界的標準公路上行駛。
  菲亞特-克萊斯勒汽車公司
  菲亞特-克萊斯勒汽車公司(Fiat-Chrysler Automobiles Torino,FIAT)與美國的克萊斯勒汽車公司(Chrysler Corporation)合並而成,是世界大型多用途運動車與貨車的主要生產者,麵臨著必須滿足全公司平均油耗標準壓力,必須走汽車輕量化道路。與其他大的汽車公司一樣,它必須在2025年以前投資數十億美元發展節油的高燃油效率的汽車,迫使公司采用如鋁及碳纖維這樣的輕質材料。
  公司決定在2017 Chrysler Pacifica微型廂式車的車身與底盤上增加鋁的用量,上翻式車門是用鋁合金及鎂合金製的,外板為鋁合金,內板為鎂合金,這是汽車工業首次采用混合材料製造車門,儀表板件梁是用鎂合金製的,比過去的高強度鋼梁輕22%。底盤的一些零件都是用鋁合金製的,如控製臂與托架為鋁的,前後轉向節用鋁合金鑄造的,發動機架等等。因而,pacifica微型廂式車的淨質量比過鋼結構車輕了約113kg,而且剛性更高了,空氣動力學更佳了。
  在未來,菲亞特-克萊斯勒汽車公司打算對將投放市場Jeep Wrangler和Jeep Wagoneer兩款車大量使用鋁合金。前者的車身為鋁合金的,將是最暢銷的運動型車,而2017版本是鋼-鋁混合結構,主結構是鋼的。Wagoneer吉普車2018年投放市場,是一款最大與最貴的客貨兩用吉普車,為了滿足燃油標準,采用輕量化車身,是一種鋁密集型車。
  阿庫拉汽車公司
  阿庫拉(Acura)汽車公司將於2017年投放市場NSX運動車的車身為全鋁整體結構殼,混合材料底盤。車架用鋁合金擠壓材與鑄件製造,結構輕,剛度大。用擠壓鋁材製的每個零件的減重效果都經過精心設計計算,形狀與壁厚都恰到好處。零件的連結接點為鋁合金壓鑄件,既有高的強度,又有顯著減重效果。有些零要高能量吸收的零件是用高強度鋼衝壓的,但是關鍵減重零件全用鋁合金板衝壓。車身外壁板為鋁合金與碳纖維增強複合材料混合結構。在2017 NSX運動車中,傳動係為全鋁懸架,副車架為鋁合金衝壓件,一方麵可以支承發動機,另方麵有較好的吸收震動和噪動和噪聲效果。
  本田汽車公司
  2016年本田領航員(Honda Pilot)SUV是一種混合材料結構車,零部件是用超高強熱衝壓鋼、鋁合金、鎂合金製的,在有最大減重效果的同時,車的剛度與撞擊安全性能均有所提高,它的先進兼容性工程車身結構是由超高強度鋼、高強度鋼、軟鋼、鋁合金(3.3%)、鎂合金(1.7%)與複合材料(0.6%)件構成,達到了強度、剛度、動力學性能與輕量化的最佳組化。發動機罩、前保險杠梁是鋁合金的,後者的質量下降了1kg,同時結構完整性得到提高。在以前的領航員多用途跑車中,操縱吊杆梁由多個鋼件組成,而現在為鎂合金鑄件,不但結構簡單了,而且輕了、安裝也方便了,表麵品質也高了。空心B立柱內側為複合材料,提升了剛度,此外,在應用複合材料的同時還用了泡沫材料,因此既增大了剛度,又使其質量下降了1.36kg。放置電池的框架為複合金鑄件,質量減輕2.1kg。新型領航員跑車的抗扭剛度比上版本的大,因而燃油效率提高了,車內噪聲低了,乘座舒適了,更好駕駛了。
  結束語
  本文簡介了國外9家大汽車公司在設計製造全鋁和/或混合材料汽車車身與底盤結構方麵的概況,有全鋁的如Audi 8與Ford的F-150,但多數為混合材料(鋁、鋼、鎂、複合材料)結構,仍能滿足環保法規與燃油效率標準要求。中國汽車的鋁化可分兩步走,先過渡到混合材料,再到全鋁化,究竟走哪條路可大家討論,由汽車廠與有關部門決定。
  汽車鋁化的關鍵與瓶頸是:生產全鋁車或混合材料車除有更好的綜合性能外,必須有最佳的性價比,福特汽車公司的F-150就是典範;第二是零部件的連接技術,有鋁-鋁連接和鋁-其他材料連接技術,美國在這方麵已取得突破性的成就,如通用汽車公司的鋁-鋼點焊技術、橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)新研發的鋁-複合材料激光處理連接法,中國在這方麵的研發還不夠,亟待迎頭趕上。
  推廣鋁在汽車中應用關鍵是開發鋁在乘人汽車中的應用,中國汽車2015年的產量已近2500萬輛,每輛多用10kg鋁,就多消耗250kt/a。2015年歐美發達國家乘人車的用鋁已超過155kg/輛,而中國的還不到110kg,如果2018年的乘人車的用鋁量通達到130kg/輛,產量按2100萬輛匡算,則就需用量2730kt,比2015年多530kt,所以應成為中國推廣鋁應用領域的重中之重。中國在推廣鋁在特種汽車中的應用做了許多工作,成就斐然,但是還有很大的空間有待填補。
  現在尚未見國內汽車工業投資幾十億元或幾百億元建設全鋁或混合材料車身及底盤結構的報道,與國外的轟轟烈烈建設相比,有點顯得冷冷清清;廂式貨車的鋁化也宜提到日程。當前汽車用鋁材的難點不在供給側,而在需求側,中國鋁工業可以供應各種各樣的鋁材。