且看铝材显锋芒,研发汽车轻量化材料

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盖世汽车讯
据外媒报道,对全球车企而言,实现车辆减重依然是头等大事,因为美国从2025年将开始执行更为严苛的联邦燃油经济性新规及其他污染控制法规。于是,车企纷纷将目光转向铝材制造商及挤压合金制造商,进而推进车企的汽车轻量化进程。

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据外媒报道,大众集团北美公司正式加入了“面向未来轻量化创新中心”并成为银卡会员,旨在研究轻量化金属材料,为实现汽车轻量化做准备。

据沃德汽车(WardsAuto)的调研结果表明,铝金属质地较轻,可靠性强,有助于车企满足于美国
2025年执行的燃油经济性新规。各大车企不得不满足新规的严苛要求,但又不想牺牲车辆的性能或美观度为代价。为此,铝材在汽车外饰及结构件上的应用呈现快速增长趋势,车企纷纷用铝材取代分量较重的钢材,并积极致力于在其他车身部件上的应用,如:车身钣金件及车身覆盖件等。

大众集团北美公司旗下品牌包括大众品牌、奥迪、宾利、兰博基尼和布加迪。大众集团北美公司是首个加入LIFT的车企。LIFT是由美国轻量化材料制造创新机构运营的,其资金来源于政府和一些财团的资助。LIFT致力于研发各种轻量化解决方案,应用范围极其广泛,从航空航天到军事应用。LIFT成员包括全美200多家公司、大学、非盈利性机构等,服务范围辐射全美。

如今,有不少车型采用了铝材并均获得了用户的好评,如:最畅销车型福特F-150及捷豹路虎旗下的多款车型。由于许多轿车与卡车在采用铝材后,其在美国的碰撞测试中表现优异,并获得了5星级安全评分。与此同时,消费者也希望其购买的车辆能够实现省油、耐用、安全及性能的提升。

大众集团北美公司对于研究如何实现车内部件的轻量化,提升车辆的动力和性能,并且减少制造成本非常感兴趣。LIFT的研发工作可对大众集团提供帮助。奥迪材料部负责人Dr.
Hagen
Seifert表示:“未来轻量化材料对车辆至关重要,它不仅可以提升车辆的燃油经济性,还能提升车辆的性能。LIFT创新性的研究方法、工业化网络以及经验丰富的学术专家吸引了我们,致使我们决定加入该机构。”

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轻量化铝材的研发创新

威尼斯人游戏网址,车企纷纷加大研发力度,致力于研发新款轻量化铝合金、挤压合金。与此同时,车企还研发全新的装配工艺,或在现有装配工艺上加以改进。车企还对铝厂及挤压合金厂进行投资,这也是众多车企的一项重要策略。车企正在不断加深与汽车设计师及工程师的协作,旨在研发具有创造性的解决方案,进一步降低轿车与卡车的重量。

举个例子,萨帕北美挤压公司(Sapa Extrusion North
America)于2016年4月在底特律郊区启用了一家研发中心,专注于汽车领域。该研发中心与公司的业务团队紧密合作,为OEM制造商提供服务。该研发中心拥有强大的研发团队,其中有一位专家精通搅拌摩擦焊(friction
stir
welding)技术,另有8名冶金学家(metallurgists)致力于新合金研发、产品研发及应用。另有一位取得博士学位的机械工程师,他专门负责计算机建模(computational
modeling),优化挤压合金设计,完成车辆的轻量化优化工作。

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鉴于新规标准越发严苛,新轻量化材料的研发成本也随之上升,这一点不足为奇。据沃德汽车的调研结果显示,受访者对现有材料的信心不是太足,车企不得不研发新材料以应对美国2025年的新规要求。

根据美国2025燃油经济性标准及温室气体排放总统令的要求,2017-2025款轻型车的平均油耗必须达到54.5
mpg(约合23
kmpl)。据估计,到2023年,75%的汽车减重将通过外饰件及结构件来实现,其中车身及车架的占比近一半。欲实现该目标,则需要研发轻量化材料。

车企面临多方面挑战 致力于产品技术研发

如今,车企持续为旗下车型增添新功能,进而导致车辆的重量不断上升,为此,车企不得不致力于轻量化研究,研发新的电动系统及其他燃料动力系统。由于上述系统采用了更为轻质的材料,在提升设备能效的同时应对全球法规带来的压力。车企积极研发轻质铝合金及挤压铝合金,旨在研发并获得更具成本效益的轻量化方案。

消费需求的变化也为车企带来了新的挑战,用户要求车企为车辆提供更多的新功能,而这类功能通常依赖于分量较重的钢材或相近的材料。为满足安全性、车辆性能并搭配车载信息娱乐系统,这类需求迫使车企面临车身增重的难题。为此,铝材制造商持续创新及设计,力图用挤压铝合金及其他先进的铝合金材料取代铁与钢材,最终实现汽车的轻量化。

据达克全球(Ducker
Worldwide)预计,2015年美国新车所产的铝材重量约为400磅,该机构是汽车行业趋势类数据供应商。据该机构预计,截止至2025年,铝材在皮卡车身件中的占比将超过75%,在大型轿车中的占比为24%,在SUV中的占比为22%,在微型车车身及覆盖件的占比为18%。

汽车中最常用到铝材为铝合金及挤压铝合金5000-
及6000系列,目前萨帕北美挤压公司等公司将重心放在提升6000系列合金,该铝合金最具成本效益。为紧抓轻量化这一市场机遇,萨帕等公司还在研发其他合金系统。

研究人员在俄亥俄州立大学的精密成形中心(Center for Precision
Forming)进行了碰撞性能测试,其采用了两根截然不同的B柱。前者采用热冲压技术,由硼钢(boron
steel)制成,后者则采用了7000系铝合金。两者的测试结果相近,但铝合金件的成本降低了近四成。

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研发或提升铝材制造工艺

通用等车企一边引入新装配材料,一边要求旗下工程师研发新的制造工艺。为此,通用旗下车辆的铝合金及挤压铝合金用量正在不断上升。通用的工程师们发现,相较于低碳钢,上述材质弹性好、易于加工、耐腐蚀性较强。通用采用挤压铝合金制造车架横梁,用铝板制造车身钣金件,用复杂的一体式部件逐渐替代由多个部件组成的装配件,省去了各部件的整合装配流程。

据《福布斯》透露,新款全尺寸豪车凯迪拉克CT6的宝马5系车型的重量轻,因为前者采用了多种材料,车辆的关键结构件均采用铝材,将其铝的性能发挥至极致,提升了轻量化的应用效果。此外,通用工程师们还研发了一款焊嘴(welding
tip),可用于钢、铝材料的焊接操作。这是一项重大的技术突破,因为焊接钢、铝两种材质难度大,主要是因为两种的熔点温度差别较大。

铝材的其他优点

除分量较轻以外,众多车企之所以青睐挤压铝合金,原因有以下几点:该材料可提升车辆的安全性,目前已投产的各类车型充分证明了这一点,由于该合金件设计精准,能量吸收表现好。另一项优点在于铝材易于回收,其材料的增值空间大。铝密集型车辆(aluminum-intensive)可媲美传统的钢制车辆。当车辆报废时,由于铝材的可回收和再利用性,还能增加了不少经济价值。在实现轻量化的进程中,车企也注意到了镁材,其关注度持续上升。

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