全铝车身应用

全铝车身的研究发展从80年代末，世界上欧、美、日等很多汽车生产厂家与铝业公司合作就加强了对铝制汽车车身的研究，并取得了令人鼓舞的成就。1995年德国奥迪公司首先开始批量生产铝制车身，把车身用铝的研究推向了高潮，铝合金在整车使用材料中的比例逐年提高。1990-1998这8年间，北美汽车工业的用铝量增长了102%，是一种典型的美国轿车所用材料近几年变化的情况。 1.汽车车身轻量化的重要性 环保是汽车发展的三大课题(环保、能源、安全)之一，通过近几年的研究，汽车用铝的环保价值受到人们的重视。由于汽车制造大量采用铝合金使汽车总质量减轻，从而降低了燃油的消耗；由于油耗低、质量轻、汽车的废气排放就少，污染程度就下降；废旧汽车的回收率高，铝质汽车零件基本上都可回收；回收再生所需要能源少，并且铝可以多次循环再生，对其性能来讲没有多大变化。对于两个特定的车身覆盖件采用铝板后与采用钢板的对比结果列入表1。表1 轻量化实例零件名称钢板厚(mm)板质量(kg)铝板厚(mm)板质量(kg)轻量化率(%)发动机罩外板0.758.501.003.9054发动机罩内板0.7510.471.004.5054 有专家预测，到2000年每辆轿车用铝量可达130kg。轿车车身质量约占整车的50%，所以车身是轻量化设计的关键部件，车身轻量化可使发动机负荷相应减轻，底盘部件的受力也会减轻，整车性能将表现更好。 燃料经济性是汽车的重要指标，节省燃油既是能源问题，又是环保问题，尤其是还与广大汽车用户的燃油费支出有直接关系。有专家说，每减轻45kg汽车自身质量，1L汽油能增加6km的行程；还有另一种计算方法，车身每减轻100kg，每百公里可节省燃油0.4-1.0L。对汽车本身来说，大约70%的油耗是用在车身质量上的，这就说明汽车车身轻量化对整车燃料经济性是至关重要的。 2.车身用铝的研究成果及应用 日本住友轻金属工业公司与美国雷诺尔兹铝制品公司共同开发出一种代号为SG112-T4A的车身铝合金板材，硬度比普通铝板高1.5倍，同时也具有良好的冲压加工性。此种材料在冲压加工时较软便于拉延，而通过涂装即热处理后，硬度提高近1倍(表2)。表2 SG112-T4A铝板与普通铝板硬度比较材料SG112-T4A涂装前SG112-T4A涂装后普通铝板硬度MPa110210140 虽然SG112-T4A的板材价格是钢板的2倍，但质量可减轻50%，并且点焊工作量也减少30%以上，是一种很理想的车身用铝板。 汽车用铝在日本已经制定了JISH4000标准，从1000到7000进行了分类，用于汽车的铝合金，包括热处理型6000系列和非热处理型5000系列，其中5038和5183是汽车车身最常用的型号。表3列出日本的铝合金分类和特性，表4是主要铝合金板的机械性能及其与冷轧钢板的比较。 德国汽车车身用铝已经规范化，应用实例见表5。表3 铝合金的种类和特性合金主要合金成分典型合金型号拉伸强度(MPa)用途非热处理型合金1000系Fe、Si、Cu1070、1050、1100、120050-200日用品、散热片、罩盖、铭牌、包装、建材、印刷板、电线、装饰品、反射板3000系Mn3003、3004、3005100-300日用品、散热片、包、罐、建材、彩铝4000系Si4032、4043、4343活塞、气缸盖、热交换器、焊条、建材5000系Mg5052、5082、5182、5083100-400建材、车辆、船舶、照相机、扣钉、低温油箱、压力容器热处理型合金2000系Cu、Mg2011、2017、2024300-500飞机、气缸盖、活塞、电位器、钢钉、油压部件6000系Mg、Si6061、6063、6262150-400建材、车辆、家俱、船舶、家电、照相机、电线、网球拍7000系Zn、Mg7003、7N01、7075350-700飞机、车辆、船舶、散热片、垒球棒表4 主要铝合金板的机械性能种类屈服极限(N/mm2)拉伸强度(N/mm2)延伸率(%)平均延伸率(%)硬度HVn值r值1100-031953830240.290.851100-H2413914213450.853003-0401073329300.210.673003-H141571695490.070.503004-0621772522480.280.713004-H2417521598760.120.715052-01072132422520.320.745052-H242122691310800.131.055182-01252643128260.310.615182-H242733501110910.130.756061-04512530250.280.666061-T41972712420640.200.74冷轧钢板1812984623450.212.00表5 德国汽车车身用铝实例铝合金型号使用部位ALMg5.4Mn0.3-W装饰件、行李箱内板ALMg25-W强度要求不高的加强板ALMg0.4Si1.2发动机罩、行李箱盖ALMg5仪表板、后靠背支架、门柱内衬板 奥迪公司在1995年首先批量生产的Audi A8型轿车是使用铝质材料制造汽车车身的最具代表性的成功之作。由铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框架，称为ASF(Aluminum Space Frame)。这种梁有直的也有弯曲的，梁的壁厚比相同尺寸的钢要增加0.7-0.8倍。 空间框架的联接是由真空压铸铝件完成的。这种铝铸件要求强度高，多用在应力集中的节点处，主要的承载部位通过一种称做MIG的焊接方法联接。这种压铸铝接头件的高强度是通过优化结构和增加壁厚来达到的。铸件能够做成很复杂的形状来满足结构需要，并保证这种车身节点有最佳的刚度。 车身外覆盖件是由铝合金板冲压加工制造，铝板的厚度比钢板要增加0.2-0.25倍，有的覆盖件的加强板也采用了挤压铝型材。 覆盖件与骨架的联接是通过冲压铆钉铆接完成的，铆接的强度比点焊高30%，在所有的联接中铆接占68%，其它的联接方法有焊接、钩钳等。 在车门防撞结构中，采用了具有网状断面的挤压型材料做防撞梁，并且把车门与支柱、门槛等骨架设计成有重叠部分的结构，能很好地满足防撞要求。 铝挤压型材、铝真空压铸件及铝合金板是Audi A8铝车身的三种基本元素。由于采用轻金属铝，使车身质量减轻40%。铝空间框架的设计使车身的静态扭转刚度提高40%。 由于铝材的吸能性好，在碰撞中的安全性有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱折，能吸收大量的冲击力，从而保护了后面的乘坐区。除了板材的吸能性外，又由于车身质量的减轻，在碰撞时产生的动能也会减小，也能相应降低冲击力。在以56km/h的速度进行碰撞测试时车门仍能开启。 德国联合铝业公司(VAN)开发出一种超轻质的波状夹层结构的铝材，外层是铝合金薄板，中间为铝油制成波状，用强力胶把三层粘起来，三层的板厚分别是0.8、0.2、0.5中间层铝油的波距为8.4mm，波高为4.2mm。 德国的卡曼(Karmann)公司研究出一种也是夹层铝板，但外层是铝板冲压加工成需要的形状，中间再充填粉未状铝，铝末在受到高温时就膨胀成泡沫状，与外层铝板一起固化成型。其工艺特点是板件的成型在高温发泡之前。这种方法加工的车身板件刚度提高10倍，而质量减轻50%。 世界各主要汽车制造厂在近几年中都有铝制车身的概念车或批量生产的车型问世，实例见表6。表6 全铝车身开发实例年份车型概况1995本田ArgentoVivo1995年东京车展上展出双座敞篷跑车，铝质挤压成型梁组成空间构架，用粘接和焊接方法装配，骨架质量91kg，整车质量1240kg1996Ford水星黑貂全铝车身，减轻182kg，整车质量1270kg，粘接技术的应用成功是一大特色GM电动车EV-1全铝车身CheryslerNeonLite由于使用铝材，使整车质量减轻284kg，燃油里程效率提高3倍CHerysler普利茅斯猎兽使用408kg铝材，使整车质量减轻21%，发动机罩、活动顶盖、车门、翼子板等大型覆盖件用6022-T6型铝合金板冲压制造、铝质构件的连接采用钢接和胶接相结合1997日产AIX97东京车展上的概念车，铝挤压成型的框架CevCherysler97法兰克福车展上推出采用铝质底盘而车身是塑料和钢板制造1998FordP2000采用冲压焊接制造的铝质车身骨架，可用现有钢板的加工方法加工，白车身质量135.6kg，比金牛座轻52.7%，整车轻32.8%，市区百公里油耗减少22.8% 3.目前车身用铝存在的问题 近几年虽然车身用铝有了很大的发展，也有一些批量生产、大量生产的车型推向了市场，但是还存在不少问题。 a.成型性还需继续改善。铝合金板材的局部拉延性不好，容易产生裂纹。如发动机罩内板因为形状比较复杂，为了提高其拉延变形性能采用高楼铝合金，延伸率已超过30%，但还是