【技术帖】白车身铝合金轻量化的应用现状和发展趋势

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摘要:为了探讨白体铝合金的轻量化效应和投资成本,总结了68种模型的基准数据。总结了铝合金在A级模型白体上的应用趋势,并分析了白车身的一般结构。总结了不同厂家的铝合金车身轻量化应用的零件和成型类型。此外,通过车辆开发项目的相关数据,定量研究了白车身铝合金的轻量化效应和成本增量,并通过统计方法预测了未来的方法。轻质材料的发展方向为人体。

关键词:白车身,轻质铝合金,成本

1前言

轻量化是汽车制造商应对日益严格的二氧化碳排放法规的重要手段之一,也是提高车辆制动性能,安全性和动力性的有效途径。汽车白车身的质量约为全身质量的20%至30%。因此,轻量化的白车身是减轻汽车重量的重要途径。在过去二十年中,随着铝合金挤压,铸造,热成型和其他加工技术的成熟,以及铝合金的热连接和机械连接等各种新工艺,铝合金已经在汽车车身中开发出来。白色。它已被广泛用于轻量化。根据国内车型轻质铝合金白车身的现状和2010年至2017年欧洲车身68款车型的基准数据,从不同角度分析了铝合金的应用。通过比较不同厂家的应用模式和应用范围,分析了铝合金白车身轻量化减重效果和成本增量,预测了铝合金材料在未来轻量化车身应用中的发展趋势。

2白体铝合金轻量化应用现状

2.1国内汽车应用的现状

对于铝合金在国内白车身上的应用,研究了2018年4月前列出的主流车型的应用。表1显示了合资品牌和自有品牌使用的铝合金模型的数量和级别的比较。

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自主品牌铝合金车身轻量化11款,与合资品牌34款车型差距较大,应用水平较差,起步较晚。除Weilai ES8型号外,其他型号均适用于避碰。光束,头发覆盖这些主要场景。

2.2国外汽车应用的现状

请参阅2017年欧洲车身会议的白车身基准数据。表2中列出了异物白色铝合金的减重应用。从表2中可以看出,12个型号中的9个表现出铝合金。欧洲使用最多(5辆),美国最少(1辆),日本也有3款。大多数车型的应用部件主要是防撞梁,开合部件,塔架,只有豪华车型的白车身框架采用铝合金,如奥迪A8(参数图片),除外适用于铝合金的所有部件。除了前后地板,防火墙和前侧构件外,白体铝合金的比例最高,为65.3%。从表2中还可以看出,6系列是最广泛使用的等级,包括6系列铝板和6系列挤压铝。 6系铝板在奥迪A8(D5)白车身上的应用率为42.9%,主要应用于四门双盖,前后底板。 5系列铝仅次于6系列,主要用于铝板,如路虎揽胜(参数图片)VELAR采用5系列铝板,最高可达26.4%。板上不使用7系列铝,但少量用于挤压铝,如雪佛兰BOLT(参数图片),本田第10代雅阁(参数图片),沃尔沃XC60(参数图片)等型号防御7系列铝合金应用于防撞梁,充分利用了7系铝合金的强度。

2.3白体铝合金轻量化应用部件

总结了国内外典型铝合金轻质白车身的应用部件,如表3所示。从表3可以看出,A级轿车的白车身为E级轿车。铝合金的应用,水平越高,应用比越大。铝合金的应用主要受成本限制。虽然自主品牌采用铝合金车身白色,燃料车辆较少,但新兴的国产电动车一般采用不同等级的铝合金轻量化车身部件,这意味着为了降低车身质量换取更大的电池容量或续航里程。这种需求推动了自主品牌白车身铝合金的轻量化过程。

从白车身部分的角度来看,防撞梁和发罩是铝合金门槛应用的最低部分,其次是后备箱盖,挡泥板和其他覆盖部件。铝合金在包括B柱和纵梁在内的白车身中的应用对设备成本,循环和连接过程质量控制有很高的要求,目前完全由国外奢侈品牌制造商掌握。从车身连接过程来看,钢铝混合体比纯铝体困难得多,因此已成为国内厂商的研发热点。此外,随着碳纤维和镁合金成本的下降和工艺的成熟,各大豪华汽车制造商的研发重点从全铝车身转向钢,铝,镁和碳纤维多材料混合车身。

3白体铝合金轻量化效果及成本分析

3.1白体铝合金的轻量化效果

轻质白车身的最终目标是减轻重量,但重量减轻仍必须满足结构强度和刚度要求。其强度是确保车身碰撞和变形的安全性,直接受到碰撞安全规定的约束。虽然车身刚度不涉及法律法规,但它会直接影响车辆的操纵稳定性和NVH性能。在世界范围内,白车身轻量系数通常用作体重减轻效果的评估指标。轻量化因素的改进是汽车开发的持续改进。图1显示了高尔夫和奥迪A8代的轻量化,都显示出发展的逐渐下降。

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为了研究重量因子与铝合金用量之间的关系,选择2010年至2017年的欧洲车身参展商作为研究对象,以及除敞篷车和大型碳纤维模型以外的传统车型用作样品。图2显示了白车身的重量减少系数与白车身中使用的铝量之间的关系。图中的虚线是模型样本散射的线性回归趋势线。从图2中可以看出,所用白体铝合金的比例越大,重量系数越小。铝合金比率低于20%的模型的权重系数大多高于2.0,最高接近6,但使用超过40%的轻质系数基本上低于2.5,铝合金的比例为93.1% 。第三代A8的白车身轻量化系数达到了最低1.2。可以预测,在碳纤维和镁合金的成本降低到可以大规模应用的水平之前,铝合金将是减少白车身重量的有效方式。

3.2铝合金轻量化成本分析

轻量系数是用于白车身轻量效果的评估方法,并且包括用于质量减小和刚度增强的指标。减轻体重是铝合金的优点,但扭转刚度是铝合金的缺点。提高铝合金抗扭刚度的方法是优化结构,增加材料厚度,用挤压铝和铸铝代替铝板。但是,结构优化带来了连接过程约束的问题。由于厚度过大,一些铸铝件不能进行铝点焊,只能通过自冲铆接(SPR)或电弧焊接使用。

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此外,挤压铝型材部件与其他部件之间的连接是单侧喷枪。 C型铆钉枪不能实现SPR连接过程。只能使用Flow Dril Screw(FDS)和ImpAcT/RivTac(高速拍摄)。钉铆和其他连接工艺。传统的钢焊点焊手动焊钳通常成本不到8万元,大型自动焊钳不超过15万元,但SPR和FDS铆钉枪系统的价格高达50至100万元,并且铆接高速钉铆钉技术系统价格高达160万,导致连接过程成本急剧上升。近年来,高强度钢的抗拉强度突飞猛进,成型和制造技术难以突破,其连接工艺设备可以跟随普通强度钢体。表4显示了高强度钢板和铝合金板之间的材料特性比较。从表4可以看出,除了密度之外,铝合金在其它方面比高强度钢板差。

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件,则计算钢体和铝体的连接工艺成本通过计算抽象模型。相比之下,铝体的单个接头的加工成本是钢体的4至5倍。根据白车身3000焊接当量的计算,与钢体相比,白车身连接组装工艺的成本为1200-1800元/套,而传统钢体的焊接成本不超过1000元/套。

白色铝合金的焊接成本是钢白体的三倍,原材料的成本是钢体的4到5倍。因此,大的成本增加是限制铝合金应用的重要原因。

此外,通过对白车身零件水平的分析,表5显示了轻质车身白车身的一些铝车身零件和超高强度钢零件的减重效果和相应的成本增加信息。开发项目。对于大多数零件,铝合金与普通高强度钢,冷轧钢和镀锌钢板相比具有减轻重量的优点,但成本增加也很大。另外,对于防撞梁,超高强度钢不仅具有比铝型材更好的减重效果,而且还具有巨大的成本优势。从以上分析可以看出,铝合金的应用取决于有限的减重效果和制造商的高成本增量之间的权衡。此外,目前的高强度钢技术正在突飞猛进,铝合金的轻量化优势正在逐步提高。减弱。

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4白体轻质材料的未来趋势

4.1铝合金与高强度钢的比较

由于过去十年开发的各种高强度钢具有原材料价格低,强度高,连接工艺质量一致性好的优点,铝合金不再是轻量化的唯一选择。特别是对于车身的关键负载区域的部件,高强度钢的使用在强度,刚度和成本方面具有很大的优势。图3显示了近年来欧洲车身白色车身使用铝合金和高强度钢的情况。可以看出,白色体中使用的铝合金的量减少,同时保持高强度钢的量。持续上涨,特别是热成型钢和先进高强度钢的数量增幅最大。

上述ECB(欧洲车身)基准数据代表了全球汽车行业钢铁和铝的总体平均应用。以下是对模型白体的材料数据的分析。由于制造商和消费者对豪华旗舰车型的低价格敏感度,他们的材料的演变基本上可以从技术层面反映轻质材料的应用趋势。

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图4显示了铝合金和高强度钢用于连续四个奥迪A8白车身。从图4可以看出,从1994年的第一代到2017年的第四代,材料来自单一的铝基材料。材料分布逐渐演变成铝和钢材料的混合物。

在过去的三代中,挤压铝和铸铝的比例大大降低,减少的份额已被普通的高强度钢,先进的高强度钢和热成型钢所取代。基于身体强度和刚性的考虑是最重要的。原因。此外,最新一代A8还在座椅后面的后面板上使用了碳纤维增强复合材料。回顾以往A8的车身材料,发展路径是:第一代全铝车身引入铝合金空间框架结构(ASF),第二代经过不断优化后更轻,第三代开始加入超高强度钢,第四代增加了普通高强度钢,先进高强度钢,热成型钢和引进碳纤维的比例。

在不成熟的高强度钢技术的情况下,全铝ASF是当时奥迪轻量化的最佳解决方案。但是现在各种新材料的成型和连接技术正在变得越来越成熟,复合材料已成为奥迪目前的最佳解决方案。此外,捷豹XJ和路虎揽胜的材料变化也可以验证全铝与钢和铝混合的趋势。

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4.2白体轻质材料的未来趋势

一个。铝合金零件的成本高于高强度钢;

湾铝合金一般采用SPR铆接,FDS机械连接,冷金属转移(CMT),激光焊接,搅拌摩擦焊等特殊连接方式。白体连接工艺的成本是高强度钢的4~5倍。

C。根据不同批次的铝合金零件,材料特性不一致,连接工艺参数对此敏感。诸如电弧焊和激光焊接的连续连接过程的体变形远大于钢体的体变形。 SPR和FDS连接过程受铆枪的影响。铆接模具和铆钉耗材的影响较大,铝合金接合过程的质量远低于钢体的接合质量;

d。铝体开发周期长,制造能力低的原因。由于以上四个原因,对于燃料汽车而言,铝合金只能在豪华车型上大量使用超过35万元,而对于超过35万元的豪华车型,铝合金将逐渐扩散至大多数白车身覆盖。零件和减震器及其他结构件;对于10万元级的普通型号,只需将发罩,防撞梁和挡泥板与简单的连接工艺应用即可。对于B柱,纵梁,门槛,顶板纵梁等关键力传递结构构件,高强度钢将成为趋势趋势,无论模型的等级如何。

此外,对于新能源电动汽车,由于电池的成本和重量远远高于白车身,需要减少车辆质量以换取更大的电池容量或增加续航里程比传统燃料汽车更迫切,因此铝合金大规模应用将出现在近年来已进入快车道的新能源汽车中。钢铝混合将是最广泛使用的铝合金轻量化应用模型,并且模型的价格越高,所用铝合金的量越高。然而,铝合金含量超过90%的近铝体不再是技术基准和趋势,更复杂,更强大的混合材料体将取而代之。

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作者:易周彭志敏陈琳琳全宾万全