行業(yè)新聞
國外全鋁車體生產(chǎn)線建設(shè)熱火朝天
2016-12-06
【四川德豐鋁材】隨著全球能源價(jià)格上漲與能源短缺，以及人們對環(huán)保的關(guān)注與要求日益嚴(yán)格，各國政府與組織為減少汽車尾氣排放對環(huán)境的影響，出臺種種政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)與條例。國外的研究表明，乘人車在城市標(biāo)準(zhǔn)道路上行駛時(shí)，油耗的85%左右為其自身質(zhì)量所消耗；整車質(zhì)量降低10%，可節(jié)油6%8%；汽車質(zhì)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(yè)必須做的事。輕量化途徑不外乎兩條：改變設(shè)計(jì)，更換材料。現(xiàn)在看來，改變設(shè)計(jì)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、復(fù)合材料等，但當(dāng)前性價(jià)比最高的是鋁，所以當(dāng)前都在以鋁代鋼上下功夫，當(dāng)然也在研發(fā)以鎂代鋼與代鋁，但不是主流。例如，以鋁合金取代低碳鋼制造車身鈑金件可使質(zhì)量減輕50%；用11b（磅）擠壓鋁合金型材可取代21bs.鋼，可節(jié)約11.7L原油；鋁合金車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度在鋼結(jié)構(gòu)的相等或更高時(shí)，吸收撞擊能的能力比鋼結(jié)構(gòu)的大1倍余，因而安全性大為提高。
據(jù)國外有關(guān)研究表明，2020年乘人車（轎車、多用途汽車MPV、多用途跑車SUV）發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋鋁化率可大于70%，其他覆蓋件鋁化率也會有較大提高，預(yù)計(jì)2020年歐盟、北美、日本汽車車身鋁合金薄板需求量可達(dá)1000kt。杜克公司的分析認(rèn)為，2020年北美大量采用全鋁車身的可能性不會大于15%，部分采用鋁合金車身的可達(dá)60%。由此可見，在2015年2020年期間，在制造乘人車時(shí)大部分汽車公司的主流車身結(jié)構(gòu)采用混合材料結(jié)構(gòu)，即有鋼、鋁、鎂、復(fù)合材料，甚至還有一些原車設(shè)備制造廠原來著力開發(fā)全鋁車現(xiàn)在調(diào)頭設(shè)計(jì)生產(chǎn)混合材料車。
杜克公司預(yù)測2025年北美生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的全鋁輕量化有二條路線：一條為一步法，將鋼結(jié)構(gòu)一次全部變?yōu)殇X結(jié)構(gòu)；另一條為二步法，將鋼結(jié)構(gòu)先變?yōu)榛旌喜牧辖Y(jié)構(gòu)，再變?yōu)槿X結(jié)構(gòu)。汽車企業(yè)可根據(jù)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(fā)乘人車車身輕量化方面的概況簡介于下。
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制造的企業(yè)，也很可能是2025年以前汽車用鋁最多的企業(yè)。美國法律規(guī)定2025年汽車的平均目標(biāo)油耗為23.17km/L，為了達(dá)到此目標(biāo)，各汽車制造廠都在想方設(shè)法多用鋁，減輕車的自身質(zhì)量。福特公司的F-150車是美國銷量最好的之一，因?yàn)樗懈叩娜加徒?jīng)濟(jì)性、堅(jiān)固耐用、安全性高、價(jià)格合理，同時(shí)它于2016年4月獲得美國公路安全學(xué)會頒發(fā)的一級安全保險(xiǎn)，獲此頂級殊榮的汽車僅F-150系列車。獲此證后F-150型車的銷量猛增，一年之內(nèi)上升13%，相當(dāng)于7萬輛。于是公司汽車的鋁化就從F-150系列開始，改制成全鋁皮卡車。
決定改變?yōu)槿X車的關(guān)鍵因素之一是公司掌握了可將沖制鋁合金鈑金件的全部邊角廢料循環(huán)使用的技術(shù)，降低了生產(chǎn)成本，每輛全鋁車的售價(jià)僅比過去鋼車的貴150美元。廢料回收工廠為美國鋁業(yè)公司及諾貝麗斯鋁業(yè)公司，每個(gè)月回收的沖壓廢料為9072t，比3輛F-150汽車車身質(zhì)量還多一些。
鋁在F-150型皮卡車上的卓越成功應(yīng)用，大大提升了福特公司擴(kuò)大鋁應(yīng)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(yè)運(yùn)輸設(shè)計(jì)制造的，可以裝更多與更重的貨物。這種超級功能皮卡車鋁底盤-駕駛室總成比鋼制的輕159kg。由于這種新F系列車鋁底盤駕駛室總成的采用，需相應(yīng)地提高其他零部件的強(qiáng)度，包括大大提高了駕駛室下的箱形框架強(qiáng)度，為了生產(chǎn)全鋁超級F-系列皮卡車，正投資13億美元在福特公司肯塔基州貨車廠建設(shè)新的生產(chǎn)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）不遺余力地研發(fā)鋁在汽車中的應(yīng)用，成為這方面在全球的領(lǐng)跑者，2003年推出了鋁車身的XJ型高級轎車；2013年，首臺全鋁多用途跑車（SUV）Range Rover面世；同年，公司首次生產(chǎn)低成本大容量汽車，這僅是其中的幾款車型。2015年晚些時(shí)候，美洲虎汽車公司對外宣稱，2016年將全面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(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)，是用高強(qiáng)度6XXX系合金制造的。車身側(cè)邊為一根擠壓成形的復(fù)雜斷面鋁合金整體型材，從而可使覆蓋件板材厚度由1.5mm減薄至只有1.1mm。新的鋁合金模塊結(jié)構(gòu)用的RC5754鋁合金，是JLR公司、諾貝麗斯公司、創(chuàng)新（英國）公司、其他工業(yè)部門、高等院校、基金會等的研發(fā)成果，用自攻鉚釘粘接、點(diǎn)焊等將零件連接成模塊。F-PACE車也是一種全新的面孔，復(fù)合材料背門、鎂合金橫梁、前端托架底盤也是鎂合金的，后地板則是高強(qiáng)度鋼的。
美洲虎蘭德羅孚汽車公司是一家英國公司，所生產(chǎn)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(jù)通用汽車公司（General Motor，GM）的戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，將致力開發(fā)公司創(chuàng)新的混合材料（鋼與鋁合金沖壓件、鑄件、擠壓件）車身結(jié)構(gòu)。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(zhì)量占車身用才的62%，其外板與車身下結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和更加安全起見，還用了一些鋼制零件。此外，在車的后部加了高強(qiáng)度鋁合金保險(xiǎn)杠，而前部及側(cè)面的保險(xiǎn)杠則是鋼的。這種混合材料設(shè)計(jì)，使公司在生產(chǎn)更大些車的同時(shí)，使車的總質(zhì)量比原來鋼結(jié)構(gòu)車下降了90kg，一舉雙得。
CT6汽車結(jié)構(gòu)是用通用汽車開發(fā)的先進(jìn)工藝連接的，如專利鋁點(diǎn)焊技術(shù)，不但可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且強(qiáng)度和效率都有提高和改進(jìn)。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(diǎn)焊，先進(jìn)的粘接結(jié)構(gòu)長度達(dá)183m。
在生產(chǎn)CT6汽車時(shí)，通用汽車公司還采用了取得專利的鋼-鋁點(diǎn)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(yīng)用一種特殊設(shè)計(jì)的脊棱電極作為焊槍觸點(diǎn)，在這方面已擁有19個(gè)專利，有硬件方面的，也有控制工藝過程的軟專利。
據(jù)稱，CT6卡迪拉克結(jié)構(gòu)是通用汽車公司最先進(jìn)車身系統(tǒng)，主要得益于連接工藝，使得它具有最高的扭轉(zhuǎn)剛度，是一款達(dá)到了最有質(zhì)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(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的工藝線。諾貝麗斯鋁業(yè)公司加拿大金斯頓軋制廠向該廠提供ABS（汽車車身薄鋁合金板）。
通用汽車公司除投巨資改擴(kuò)建底特律-哈姆特拉姆克組裝廠的鋁合金車生產(chǎn)線外，還投資8.77億美元對美國的三個(gè)皮卡車制造廠進(jìn)行徹底的大規(guī)模改擴(kuò)建，使其盡快生產(chǎn)鋁密集型車，建設(shè)一些新的組裝線、車身焊接車間、涂漆線，以生產(chǎn)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(xiàng)目完成后，以及以后一些新的技革項(xiàng)目陸續(xù)投產(chǎn)，公司生產(chǎn)的汽車就一步一步地滿足相關(guān)的燃油標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)要求。
奧迪汽車公司
德國奧迪汽車公司（Audi）是一家久負(fù)盛譽(yù)的全鋁汽車設(shè)計(jì)制造者，早在1993年全鋁車身A8就已面市，它的奧迪空間構(gòu)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沖壓件組裝而成。自此以后，ASF在奧迪公司生產(chǎn)的一系列車上得到應(yīng)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(yùn)動(dòng)車（圖4）用的混合材料ASF，它的質(zhì)量僅20kg，它的車身是用批量生產(chǎn)的，用材為70%鋁合金與13%碳纖維增強(qiáng)塑料。車的前端是專業(yè)焊接的，中部地板與后端由鋁合金鑄件與擠壓型材組成，然后由機(jī)器人在室溫下將它們連接，用半空心沖制鉚釘、實(shí)心鉚釘與米制自攻螺釘連接。車身脊骨是用高強(qiáng)度復(fù)合材料CFRP制造的，在鋁與復(fù)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(jié)構(gòu)與R8型運(yùn)動(dòng)車的相同，都是德國內(nèi)卡蘇姆（Neckarsulm）制造廠生產(chǎn)的。
2017年板Audi A4及A4 Avant的車身及動(dòng)務(wù)傳動(dòng)系為混合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件材料為鋁、高強(qiáng)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(zhì)量大大下降，使其成為這類車的最輕者，全得益于鋁的應(yīng)用。過去的A4車的主要結(jié)構(gòu)材料為鋼，僅發(fā)動(dòng)機(jī)罩是鋁的。2017 Audi A4的結(jié)構(gòu)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制的，前支柱（Front strut）、D-立柱（Pillar）上端節(jié)結(jié)等都是用鋁合金壓鑄的。容廂脊骨、車頂梁B-立柱、門梁、地板零件等用熱沖壓鋼制的，鋼件質(zhì)量占車身總質(zhì)量的17%。轉(zhuǎn)向盤框與后座椅為鎂合金的。
特斯拉汽車公司（Tesla Motors）是電動(dòng)汽車生產(chǎn)者，知名的全鋁Models及Model X電動(dòng)車是它的品牌產(chǎn)品。有人認(rèn)為，為了降低成本，2017年后期版的Model 3電動(dòng)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(zhǔn)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(biāo)是，使Model 3成為公司電動(dòng)車的主流，大力降低成本，初始售價(jià)為35000美元，而Model S的售價(jià)70000美元，Model X的售價(jià)80000美元。分析家認(rèn)為，降低成本主要措施是減少鋁材用量，特斯拉公司的報(bào)告稱，如果Model 3未來年銷售達(dá)到140億美元，那么售價(jià)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）是一家英國汽車制造公司，已將發(fā)展全鋁車作為公司基本發(fā)展戰(zhàn)略之一，第一階段發(fā)展目標(biāo)是2018年初期投放全鋁結(jié)構(gòu)車，現(xiàn)正在進(jìn)行一些路況試驗(yàn)，他們希望新的羅爾斯-羅依斯車可在全世界的標(biāo)準(zhǔn)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 Automobile Torino,FIAT）與美國的克萊斯勒汽車公司（Chrysler Corporation）合并而成，是世界大型多用途運(yùn)動(dòng)車與貨車的主要生產(chǎn)者，面臨著必須滿足全公司平均油耗標(biāo)準(zhǔn)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(shù)十億美元發(fā)展節(jié)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(zhì)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制的，外板為鋁合金，內(nèi)板為鎂合金，這是汽車工業(yè)首次采用混合材料制造車門，儀表板件梁是用鎂合金制的，比過去的高強(qiáng)度鋼梁輕22%。底盤的一些零件都是用鋁合金制的，如控制臂與托架為鋁的，前后轉(zhuǎn)向節(jié)用鋁合金鑄造的，發(fā)動(dòng)機(jī)架等等。因而，pacifica微型廂式車的凈質(zhì)量比過鋼結(jié)構(gòu)車輕了約113kg，而且剛性更高了，空氣動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)型車，而2017版本是鋼-鋁混合結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，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）汽車公司將于2017年投放市場NSX運(yùn)動(dòng)車的車身為全鋁整體結(jié)構(gòu)殼，混合材料底盤。車架用鋁合金擠壓材與鑄件制造，結(jié)構(gòu)輕，剛度大。用擠壓鋁材制的每個(gè)零件的減重效果都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)計(jì)算，形狀與壁厚都恰到好處。零件的連結(jié)接點(diǎn)為鋁合金壓鑄件，既有高的強(qiáng)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(qiáng)度鋼沖壓的，但是關(guān)鍵減重零件全用鋁合金板沖壓。車身外壁板為鋁合金與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)。在2017 NSX運(yùn)動(dòng)車中，傳動(dòng)系為全鋁懸架，副車架為鋁合金沖壓件，一方面可以支承發(fā)動(dòng)機(jī)，另方面有較好的吸收震動(dòng)和噪動(dòng)和噪聲效果。
本田汽車公司
2016年本田領(lǐng)航員（Honda Pilot）SUV是一種混合材料結(jié)構(gòu)車，零部件是用超高強(qiáng)熱沖壓鋼、鋁合金、鎂合金制的，在有最大減重效果的同時(shí)，車的剛度與撞擊安全性能均有所提高，它的先進(jìn)兼容性工程車身結(jié)構(gòu)是由超高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、軟鋼、鋁合金（3.3%）、鎂合金（1.7%）與復(fù)合材料（0.6%）件構(gòu)成，達(dá)到了強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)性能與輕量化的最佳組化。發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前保險(xiǎn)杠梁是鋁合金的，后者的質(zhì)量下降了1kg，同時(shí)結(jié)構(gòu)完整性得到提高。在以前的領(lǐng)航員多用途跑車中，操縱吊桿梁由多個(gè)鋼件組成，而現(xiàn)在為鎂合金鑄件，不但結(jié)構(gòu)簡單了，而且輕了、安裝也方便了，表面品質(zhì)也高了?？招腂立柱內(nèi)側(cè)為復(fù)合材料，提升了剛度，此外，在應(yīng)用復(fù)合材料的同時(shí)還用了泡沫材料，因此既增大了剛度，又使其質(zhì)量下降了1.36kg。放置電池的框架為復(fù)合金鑄件，質(zhì)量減輕2.1kg。新型領(lǐng)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(nèi)噪聲低了，乘座舒適了，更好駕駛了。
結(jié)束語
本文簡介了國外9家大汽車公司在設(shè)計(jì)制造全鋁和/或混合材料汽車車身與底盤結(jié)構(gòu)方面的概況，有全鋁的如Audi 8與Ford的F-150，但多數(shù)為混合材料（鋁、鋼、鎂、復(fù)合材料）結(jié)構(gòu)，仍能滿足環(huán)保法規(guī)與燃油效率標(biāo)準(zhǔn)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(guān)部門決定。
汽車鋁化的關(guān)鍵與瓶頸是：生產(chǎn)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(jià)比，福特汽車公司的F-150就是典范；第二是零部件的連接技術(shù)，有鋁-鋁連接和鋁-其他材料連接技術(shù)，美國在這方面已取得突破性的成就，如通用汽車公司的鋁-鋼點(diǎn)焊技術(shù)、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）新研發(fā)的鋁-復(fù)合材料激光處理連接法，中國在這方面的研發(fā)還不夠，亟待迎頭趕上。
推廣鋁在汽車中應(yīng)用關(guān)鍵是開發(fā)鋁在乘人汽車中的應(yīng)用，中國汽車2015年的產(chǎn)量已近2500萬輛，每輛多用10kg鋁，就多消耗250kt/a。2015年歐美發(fā)達(dá)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(dá)到130kg/輛，產(chǎn)量按2100萬輛匡算，則就需用量2730kt，比2015年多530kt，所以應(yīng)成為中國推廣鋁應(yīng)用領(lǐng)域的重中之重。中國在推廣鋁在特種汽車中的應(yīng)用做了許多工作，成就斐然，但是還有很大的空間有待填補(bǔ)。
現(xiàn)在尚未見國內(nèi)汽車工業(yè)投資幾十億元或幾百億元建設(shè)全鋁或混合材料車身及底盤結(jié)構(gòu)的報(bào)道，與國外的轟轟烈烈建設(shè)相比，有點(diǎn)顯得冷冷清清；廂式貨車的鋁化也宜提到日程。當(dāng)前汽車用鋁材的難點(diǎn)不在供給側(cè)，而在需求側(cè)，中國鋁工業(yè)可以供應(yīng)各種各樣的鋁材。
