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鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長
作者：泡沫消防車-水罐消防車-消防車價格-高空作業(yè)車-消防灑水車-湖北江南專用特種汽車公司 瀏覽次數(shù)：3927 發(fā)布時間：2012-02-03 10:36:53
鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長 為減輕重量，鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長。除結(jié)構(gòu)件、行走機構(gòu)和發(fā)動機屬件之外，鋁在外覆件范圍也獲得重要的應(yīng)用。比塑料更具吸能性并同時可再塑特性，這就給予鋁在未來提供更加好的機會。即便鋁的成本明顯高于鋼板，而且加工工藝更為復(fù)雜，但也阻擋不了這種趨勢的發(fā)展..
鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長
為減輕重量，鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長。除結(jié)構(gòu)件、行走機構(gòu)和發(fā)動機屬件之外，鋁在外覆件范圍也獲得重要的應(yīng)用。比塑料更具吸能性并同時可再塑特性，這就給予鋁在未來提供更加好的機會。即便鋁的成本明顯高于鋼板，而且加工工藝更為復(fù)雜，但也阻擋不了這種趨勢的發(fā)展。
隨著技術(shù)的發(fā)展，在汽車上鋁除單獨應(yīng)用之外，還與諸如鋼加以復(fù)合，制造三層復(fù)合Feran(鋁—鋼—鋁)，用于消聲器設(shè)備、熱保護裝置、氣缸蓋密封等以及其它保護汽車不受發(fā)動機和廢氣設(shè)備熱量影響的零部件。鋁與優(yōu)質(zhì)鋼的復(fù)合，通過一種控制很精密的輥壓方法保持大約30%的變形性能，從而達到可成形性的高要求。這種材料用在諸如汽車在保持優(yōu)質(zhì)鋼精美條件下而又要求減重的那些地方。還有一種所謂鋁涂覆法(Aluminal-Verfaren)，就是對鋼件涂敷鋁。這是一種有利于環(huán)境保護的選用方法。這種水溶性電鍍工藝，是用鋁或者鋁合金進行表面涂覆。涂層厚在5μ以上，無氣隙，具有突出的可成形性，而且提供極端使用條件下好的防銹保護能力。除此之外，一種面世不久的鋁一木質(zhì)夾層復(fù)合板(AluWood)越來越頻繁地用到商用車車身上。AluWood，是一種具有可維修性和具良好回收能力的木質(zhì)芯其兩面貼以鋁薄板的復(fù)合板，外層是僅0.4mm(包括很薄的涂漆)。這種AluWood以各種不同的厚度供貨。AluWood與目前常用的Plywood(膠合板)的結(jié)構(gòu)與特性比較見表1?？梢钥闯觯珹lufod@較之Plywood性能良好
鋁合金的耐腐蝕性能突出。由于具有這種性能，故能降低維修成本，并讓二手車的價值得以提高。鋁制件很少要求表面處理(如果不是出于美學(xué)考慮的話)，但是必須以傳統(tǒng)的清洗流程以及采用專門的鋁用清洗品或者清洗劑作為前提條件。首先是不能破壞金屬表面上的氧化層，避免局部臟污和積水。在維修方法上，利用焊接、加熱和彎曲等傳統(tǒng)的工藝方法都可行。重要的是，應(yīng)該控制在特別應(yīng)力范圍內(nèi)對凸緣的熱影響，避免或者限制超過合金的延展性能。鋁的彈性模量比鋼板低，而導(dǎo)熱和導(dǎo)電能力卻是鋼的3倍，這在修理中造成額外的難度。焊接位置的強度卻比鋼低一半，因此提高其粘接技術(shù)具有重要的意義。目前用鋁作為外覆件的制造商Audi(A2和A8為180%)，BMW，Jaguar，M-B，Peugeot，Porsche，Renault和Volkswagen，在開發(fā)過程中除利用激光和MIG混合焊接工藝之外也采用一種新的連接技術(shù)，這可能實現(xiàn)更快的生產(chǎn)周期，但目前還不能用于修理之中。
鋁在保險杠上應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上，一系列的結(jié)構(gòu)元件在防撞方面起著關(guān)鍵的作用。其中，首先包括前后保險杠橫梁，以及在汽車前部所謂的防撞箱形結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)件應(yīng)能在強烈負荷下塑性變形，并由此而吸收能量。重要的是，所需力與經(jīng)過整個變形行程的能量吸收盡可能平衡。
由于汽車制造商仍然把減重置于優(yōu)先考慮地位，所以相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件應(yīng)該盡可能輕。塑料不能提供所要求的性能因此原則上只能在兩種具有良好變形性的金屬之間進行選擇。即要么選擇鋼利料，要么選擇與鋼具有可比性的“新手”—鋁。
(1)結(jié)構(gòu)件好變形下的防撞 純理論上看，雖然一種具有大約50kJ/kg吸能能力的優(yōu)質(zhì)奧氏體不銹鋼明顯優(yōu)于僅20kJ/kg的鋁合金7108，但在碰撞實踐中發(fā)生的情況卻完全是另一回事。重要的是，一個結(jié)構(gòu)件的變形或不變形，不應(yīng)該是局限在一個小小的范圍，而應(yīng)該盡可能地包含在結(jié)構(gòu)件的整個體積。
安全件：發(fā)生事故時，保險杠橫梁以及防撞箱形結(jié)構(gòu)在強烈的負荷下發(fā)生塑性變形，并吸收能量
(2)結(jié)構(gòu)強度起決定性作用 按類似方式，必須確保保險杠橫舞這種起支承作用的結(jié)構(gòu)件不會提早被局部壓陷。除材質(zhì)之外，幾何形狀(結(jié)牲強度)也起著決定性作用。在同一種箱形梁結(jié)構(gòu)的情況下，壁厚同斷面寬度之比是關(guān)鍵的，如果這比例超過1:24，那么這根支承梁太細小，會提早被壓陷。然而為了滿足其它功能，保險杠橫截面不允許選擇的任意地小。
(3)箱形斷面的優(yōu)點 為使材料得到合理利用必須設(shè)計出適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?，以使在橫截面的任伺一個位置上的實際負荷盡可能地一樣大，壁厚和幾何形狀必須做相應(yīng)變化。對于這種結(jié)構(gòu)件的設(shè)計方案，型材相對于板成形件給予設(shè)計者提供了更多的附加自由度。對于每一種型材，都存在依據(jù)其功能而設(shè)計出原始幾何形狀多種可能性。此外，設(shè)計者也能依據(jù)下面的變形操作合理設(shè)計出來，例如通過改變壁厚(可以加厚角部位置)。這在板材或者管材上是不可行的，或者即便可行也只會耗費過大。
(4)鋁更顯著吸收能量 在充分考慮了結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計之后，即使鋁質(zhì)防撞元件的重量輕，它卻能比鋼質(zhì)防撞元件吸收更大的能量。例如在計算機檢測試驗表明，VWGolf的鋁質(zhì)防撞方案的吸能效果比鋼方案提高5%，而且在重量上輕32%。這就是為什么鋁質(zhì)防撞元件布置在汽車前部和尾部范圍的另一個重要理由。
(5)成本上對鋁不利 鋁的大不利條件是其材料價格高，大約是鋼的4倍。因此，制造商已經(jīng)對先進的高效制造技術(shù)進行了巨大投資。目前，有一種在歐洲的擠壓設(shè)備，其壓力為65mn(0500噸)，用來加工作為防碰撞元件的高強度(7000)鋁合金。其它處理(熱處理、變形、機械加工以及后調(diào)整所要求的組織狀態(tài)都是通過一種封閉的設(shè)備即在某種程度上的全自動壓力傳輸線或者加工中心上完成。大量的機械手搬運零件，后包裝發(fā)送
這種與自動化相聯(lián)系的成本優(yōu)點，向企業(yè)展示出另一種市場環(huán)節(jié)。所以，這種方法的附加自由度，給予設(shè)計者開辟了將附加功能與元件相結(jié)合的機會，使能夠在后續(xù)加工過程中節(jié)約成本。
; 鋁作為汽車或半掛車底盤材料的應(yīng)用鋁在汽車上的應(yīng)用沒有任何問題，即便用作夾層結(jié)構(gòu)的車身覆板，或者用作一種箱式車身結(jié)構(gòu)的車身攔板，或者甚至用作白卸車馬槽，也都至少沒有問題。然而，鋁是否能作為底盤材料？專家們正越來越關(guān)注鋁材料及其在汽車底盤上應(yīng)用。
(1)組織結(jié)構(gòu); 在制造一種有效能的鋁質(zhì)底盤的基本準則，是其靜力學(xué)特性、動力學(xué)特性和耐沖擊性。在結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，鋁和鋼的不同首先在于彈性性能。因此，為相同剛性而設(shè)計的元件并不具備相同的外部形狀。一般而言，鋁質(zhì)元件具有比較高的強度，即比較低的利用系數(shù)和更好的吸能性能。鋁結(jié)構(gòu)的使用壽命與相應(yīng)的負荷周期數(shù)以及隨之出現(xiàn)的自身局部應(yīng)力有關(guān)。在同整個或者局部結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)元件組合中，底盤的實際應(yīng)用是關(guān)鍵。在疲勞強度方面，對于一種堅實結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)注意通過避免負荷集中、通過平緩過渡和在無負荷范圍的連接以及良好的處理和后處理來減小負荷的規(guī)模。使用壽命強烈地取決于良好的加工處理，尤其是涉及到焊接工作和后處理(對各種不同結(jié)構(gòu)的負荷分析以及連接實例都表明悍榕過程對于結(jié)構(gòu)性能具有不利的影響)。零件位置、結(jié)合點等，者懼有重要的意義。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計準則 在計算半掛車底盤結(jié)構(gòu)時應(yīng)用兩個靜力學(xué)準則——強度和剛度按強度準則設(shè)定尺寸時，作為計算基礎(chǔ)的特性性能是材料的屈服點(σO.2)。只要負荷是在σO.2之下，那么材料就會發(fā)生彈性變形，而且在負荷結(jié)束之后就回復(fù)原位。實際應(yīng)用中，采用的是一個安全系數(shù)“S”(>1)，必須注意σ從未高出σ0.2/S。
在按剛度準則設(shè)定尺寸時，作為計算基礎(chǔ)的性能是材料的彈性模量(E-Modul)。另一種性能稱為慣性矩“I”，它專用于一種型材的橫截面?！癊*I”被看作是剛度。
; 是選用強度或是剛度？在制造一種鋼結(jié)構(gòu)時，設(shè)計師往往應(yīng)用材料的強度，然后檢驗彎曲是不是保持在要求范圍之內(nèi)。在設(shè)計一種鋁合金結(jié)構(gòu)時，則往往先按剛度準則，然后來檢驗強度。
; (3)鋼和鋁之間的性能比較 鋁合金的密度(ρ)、屈服點σO-2和σ彈性模量(E)，通常低于鋼合金。但是，在鋁合金中屈服點與密度之比(σ0.2/ρ)和屈服點與彈性模量之比(σ0.2/E)卻大于鋼材料：
結(jié)果是，鋁合金結(jié)構(gòu)輕于鋼合金結(jié)構(gòu)，對于相同剛度的結(jié)構(gòu)(例如半掛車)，鋁合金結(jié)構(gòu)抵抗因靜力過載而引起斷裂的能力高于一種鋼結(jié)構(gòu)。
鋁型材的慣性矩是鋼型材的3倍。這易于獲得輕的結(jié)構(gòu)。但由于鋁結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)輕，所以鋁結(jié)構(gòu)必然要高一些。圖解表示出設(shè)計成同樣彎曲的不同車架縱梁的情況，其重量是很不一樣的。在實際應(yīng)用中，用于半掛車的鋁縱梁往往比鋼質(zhì)縱梁高30%，然而卻達到大約50%的減重效果。
更高的鋁車架縱梁，其缺點必須通過在地板設(shè)計上富于獨創(chuàng)性的解決方案來加以補償，以此創(chuàng)造出一個充足的裝載面。如果在相同高度情況下，也許繼續(xù)開發(fā)鋁擠壓技術(shù)能夠進一步減輕重量。這種技術(shù)能夠制造更加復(fù)雜的形狀，并通過將質(zhì)量盡可能設(shè)置得遠離重心位置，從而使慣性矩得以優(yōu)化。
(4)半掛車底盤鋁初加工材料 在對鋼和鋁加以比較并分析了強度和鋼度準則之后，下面將討論制造半掛車底盤的初加工材料——鋁擠壓型材。
制造商在設(shè)計一種底盤的時候，必須思考怎樣將諸如擠壓型材這樣的初加工材料進行切割、翻邊、彎曲以及應(yīng)如何將之焊接一起的方法。一位主任汽車設(shè)計師說，“理想的初加工材料想必應(yīng)是一種具有一個整體車架縱梁截面形狀的擠壓型材。
今天，用于制造鋁質(zhì)底盤車架縱梁件見鋁解決方案，有下面三種情況：1)單體大型擠壓型材2)2個擠壓型材(一大一小)；3)2個小型擠壓型材和1塊板。 種方案提供的優(yōu)點，是大限度地簡化了制造。但是，型材的截面貫穿縱梁的整個長度范圍都是不變的。而半掛車底盤上半掛連接器范圍必須降低高度，因此這種解決方案只適用于有限數(shù)量的汽車型式。第二種方案可消除這個問題。上面的大型材可以切回到半掛牽引器平面上必要的高度，而將下面的型材彎曲，以便能符合曲線的變化。然后進行一次焊接。然而這種方案不能對上面的型材加以彎曲。第三種方案可以實現(xiàn)這一點。將板按必要的形狀剪切，上下型材按要求作相應(yīng)的彎曲，需要進行2處焊接。
對上述三種方案的選擇，取決于半掛牽引車的型式以及制造商的優(yōu)先選用權(quán); 除典型的解決方案之外，近又有兩種新的方案浮現(xiàn)水面，但目前尚不知其任何細節(jié)。據(jù)說，底盤車架將地板聯(lián)成一體。半掛車底盤的地板代替了上面型材。底盤為螺栓連接，是一種無焊接的基型產(chǎn)品
(5)擠壓和熱軋方法 鋁具有在整個金屬加工業(yè)中唯一能成形多種擠壓型材的能力，沒有任何其它金屬能以如此多的不同幾何形狀按擠壓方法進行大批量生產(chǎn)。這個優(yōu)點主要在于鋁在低于500℃的溫度下具有良好的成型性能。今天，我們能得到的型材，其橫截面長軸線達到715mm。
諸如鋁板這樣的軋制品，其原材料是一種厚度大約200-600mm重約500-20000kg的矩形粗軋鋁錠。熱軋過程開始時，鋁錠的溫度通常為450-550℃，然后由于在軋輥之間使用了冷卻劑而使溫度降低了伯100-150℃。視尺寸和合金而定，鋁錠軋制10-25次，以達到終薄板厚度。</DIV>
擠壓型材，主要使用AA6xxx系合金。這種合金含0.4-1.2%鎂和硅添加劑，有時侯還加少量的銅、鉻或者錳。在140-150℃溫度下它們被人工時效(硬化)，具有良好的防蝕和易于焊接的性能。而軋制品一般使用AA5xxx系列合金
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