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鋁驅動未來——汽車篇
2018-11-28 10:13:00

鋁的比重(2.7 g/cm3)不及鋼鐵(7.6 g/cm3)和銅(8.5 g/cm3)的一半。作為一種理想的輕質材料,鋁的潛在優勢變得越來越明顯。當然,這僅僅是一種簡單的比較。實際上,每一種汽車零部件的材料選擇,也要考 慮它的專用設計和性能準則。這些準則與具體的性能指標有關,比如機械強度、硬度以及重量等。因此,對于每種汽車零部件,需要針對其預期的性能單獨做出評 估。

    交通領域鋁的應用不但可以減重和提升燃油效率,同時,也能降低溫室氣體的排放。

輕量化
    選擇輕型材料,材料自身特點可以達到減重目的;此外,零部件采用某些加工工藝,可以進一步減輕車體重量。舉例來說,較為復雜的金屬鋁多孔擠壓件,或者高強 度薄壁真空鋁壓鑄件等,均拓展了新設計空間。另外,車輛整體減重后,還會帶來一些其他間接的減重效果。例如,在1994年,在奧迪公司設計A8模型的時 候,在材料選擇方面也面臨抉擇,要么選用鋼制的,總重量達441千克,要么選用鋁制材料替代,重量也相應降到了247千克。一旦該車型最后決定使用鋁作為 車身材料,那么,其他一些額外的減重措施也在考慮之中。比如,為了滿足車輛設定的性能要求(加速,里程油耗),一個更為小巧的發動機或油箱應運而生了。據 奧迪公司稱,諸如此類的非直接減重達到了45千克,為直接減重量,即194千克的23%。也就是說,由于鋁制車身的使用,汽車整體重量實際上被有效地降低 了239千克。對其他車輛減重效果的研究表明,二次減重的比例可達到直接減重數量的50%-100%。 
    二次減重的不同反應了系統集成程 度差異。應該指出的是,由于很多汽車零部件常常在不同型號之間反復轉換,因此并非所有的二次減重都是可以即時獲得的。然而,汽車工業一直在積極地尋求零部 件的優化設計,最終,這些零部件都會達到最優化的目標。另外,鋁工業前沿技術的進步(優化的設計理念,新的更高性能的鋁合金,更好的成型和連接技術等)也 會在不久的將來更好地為汽車減重創造條件。其它巨大的潛在減重方案也可以來自于應用先進的產品形態,包括激光拼焊板和軋制型材。

安全性
    安全性是廠家設計和顧客 選購汽車時的首選要素。當開發設計汽車車身結構時,在強度、碰撞性能和其它車身要求(比如樣式與限制條件)之間找到最佳的結合點又是最重要的。卓越的設計 和輕量化材料的結合可減少傷害、挽救生命。憑借在盡可能低的重量條件下的最佳性能表現,鋁恰好能很好地實現上述目標。

卓越的設計和輕量化材料的結合可減少傷害、挽救生命。

    安全性是廠家設計和顧客選購汽車時的首選要素。當事故發生時,汽車必須能保護司機和乘客的安全。另外,它還必須 把對卷入汽車撞擊事件各方的損害均降到最小,而不論其他各方是車輛,靜止物體或者行人。當開發設計汽車車身結構時,在強度和碰撞安全性能以及其他車身要求 (比如設計和限制條件)之間找到最好的折衷點是最重要的。鋁恰好能很好的滿足以上這些目標,即不僅能使車輛重量盡可能地低,而且性能達到最優。鋁合金的特 性使得設計具有高強度和卓越碰撞能量吸收潛勢的、成本有效的輕型汽車部件成為可能。為了給事故當事人以最好的保護,汽車在設計上提供了一個堅硬且穩定的乘 客艙,環以吸收撞擊能量的緩沖變形區域。鋁單位質量的能量吸收能力是低碳鋼的兩倍,與新近開發的一些高強度鋼品種相比也具有優勢。與鋼部件相比,鋁部件的 強度之所以高,原因在于兩個方面。首先鋁部件更厚一些(為了實現相同的功能,鋁部件一般上要比鋼部件件厚約50%);另外,特別地,使用閉合式鋁制擠壓材 和卓越設計的高品質壓鑄件排除了部件間的的接口,從而使鋁部件的強度更高。因此,在最大減重達40-50%的情況下,部件的強度仍然可以得到提升。同樣的 原理也可以應用于對事故中行人一方的保護。如果鋁制汽車前端結構件和引擎罩設計得當,就可以避免對行人的傷害,降低致命的風險。如此看來,汽車安全性就不 僅僅是一個材料選擇的問題,很關鍵地,還與汽車應用設計和集成理念息息相關。最后的結論就是,為了保證汽車安全和事故發生時參與各方的安全,鋁是優先選擇 的材料,它滿足了相關的要求,例如碰撞吸收能力、行人保護和較低的保養成本等等。 
    這里有幾個鋁密集型汽車案例,它們都有非常好的碰撞安 全性能。奧迪A8車型在車身框架結構方面使用了大型的鋁壓鑄件和擠壓型材;捷豹XJ車型車身則使用了大量鋁板材。具有更廣泛代表意義的是鋁在當前混合材料 設計汽車上,被廣泛應用于輕量化碰撞管理系統,例如在與鋼制車身混合設計中。除了鋁制汽車前端,其他應用包括前后保險杠、碰撞吸能盒、側翼撞擊防護系統 等。 
    如今,不同的檢測手段被用來評估汽車的安全性能(比如,美國公路安全保險協會或歐洲新車安全評鑒協會的碰撞性檢測,歐洲委員會關于行人撞擊的法規等)。在 這些檢測中,鋁制系統均表現出了良好的性能,滿足了所有要求。在動力學研究公司(Dynamic Research Inc.,DRI,2004)為美國鋁業協會(the Aluminum Association, USA)所作的一項研究中,輕量化鋁制車身設計的優勢表露無遺。該研究包括數項模擬測試,目的是檢驗一種運動便利車(SUV)與其他幾種車型的撞擊性能。 研究的第一步,使運動便利車減重20%,尺寸保持不變。第二步,使運動便利車的尺寸稍有增加,而重量保持不變。然后,該運動便利車模擬了不同情況下的 500種虛擬碰撞(例如,單車碰撞,包括碾壓,與固定目標碰撞,比如立柱,雙車碰撞)。轎車與運動便利車,兩輛運動便利車之間的碰撞也分別模擬。結果是, 當對汽車實施減重,而尺寸不變的時候,傷害率下降15%。但需要指出的是,汽車制造商也可以通過改變汽車設計來降低撞擊傷害,在本研究中卻并沒有考慮在 內,也沒有考慮道路上會出現的其他類型車輛的性質。當汽車重量不變,而尺寸稍有增加的時候,傷害率會下降更多,達到了26%。最為重要的是,當兩輛車發生 碰撞時,雙方司機都會感覺到安全性能的提升。

多樣性
    在設計輕型、節能型汽車的結構時,鋁的最大優勢在于它的易成 形性。復雜的儀表盤,就可以采用多種工藝加工,包括從高效率的沖壓工藝一直到低成本小批量的加工工藝。同其他材料相比,鋁材一個有趣的方面是,它可以加工 成各種復雜形狀、不同壁厚的擠壓材、開口或閉合的型材等。凈成型與近凈成型鋁部件可使用鍛壓或其他大規模成型技術來實現,但主要還是使用不同的鑄造加工工 藝。

易于成形是鋁的最大優勢。

    在交通運輸領域,材料間的競爭無時無處不在。問題不在于選擇哪種具體的材料,總的來說,未來將會是混合多種材料 設計。關鍵問題在于對于某種具體的應用,從技術和經濟性兩個方面,有針對性的考慮哪種材料才是最優選擇。材料的選擇也取決于汽車的類型、設計目標、現有的 制造條件以及相關的知識和經驗。 
    關鍵的一步在于設計方法和工程方法的集成,同時還要考慮不同鋁合金的具體性能和不同鋁加工材的性質。關 于材料特性的完備知識(包括碰撞性能)使得基于計算機輔助設計和工程方法之上的快速產品開發成為了可能。相關加工工藝的大量模擬保證了鋁制部件的高效率生 產,同時擁有一貫高質量的結構參數。
在設計輕型、低成本、高效的汽車結構方面,鋁的最大優勢就在于它的易成形性。對于鋁制的復雜儀表盤,就可以 采用多種工藝加工,包括從高效率的沖壓工藝一直到低成本小批量的加工工藝。同其它材料相比,鋁材一個有趣的方面是,它可以加工成各種復雜形狀、不同壁厚的 擠壓材、開口或閉合的型材等。凈成型與近凈成型鋁部件可使用鍛壓或其他大規模成型技術來實現,但主要還是使用不同的鑄造加工工藝。隨著鑄造工藝的不同,鋁 鑄件的尺寸、形狀和性能范圍差異較大。擠壓材或隨后得到的加工材,還有高質量的薄壁鋁壓鑄件,不僅僅有助于增加負載能力和加固功能,同時還可以用來作連接 部件。這樣一來,通過這些加工材的合理應用,就可以開發出新的、具有革命性的的結構化設計解決方案。結果就是,通過部件之間的集成和應用功能的合成,大大 地實現減重和成本壓縮。 
    除了結構化應用外,由于鋁合金其它的一些優點,比如卓越的熱傳輸、導電性能,也在交通行業得以應用。最明顯的例子就是散熱器、內燃機零件及電機等。 
    鋁 在交通運輸領域獲取成功的另一項關鍵因素在于裝配這一環節。裝配的任務從不同合金牌號和產品形態(沖壓板、鑄件、加工過的擠壓件、鍛件等等)的鋁部件之間 的連接到多材料之間的連接,包括鋁與鋼鐵、鎂、塑料和合成材料之間的連接。混合材料的設計會增加復雜程度,原因在于不同材料之間的可選擇連接方法會受到限 制;另外,不同材料接觸還需要考慮熱膨脹系數和潛在的電化學腐蝕效應等因素。過去很多年以來,為鋼鐵結構件開發的連接工藝,大部分也適用于鋁。然而,隨著 鋁部件用量的增加,特別是對于混合材料設計,也誕生了一些新型的連接技術,比如激光焊、摩擦攪拌焊、自沖鉚接和粘接連接等。目前,富有挑戰性的任務是從現 有連接技術中選擇出合適的工藝,來達到最優技術性能,同時還實現有經濟可行性。

經濟性
    汽車制造商使用鋁來為汽車減重,他們的焦點正逐漸轉向系統成 本分析和生命周期成本分析,以期獲得他們預期的結果,即改善駕駛性能、降低燃油消耗與污染物排放。汽車制造業正不斷地考慮如何在一個或多個汽車元部件上全 面實現減重,進而為其它汽車部件提供進一步減重和降低成本的機會。
 

鋁密集型汽車由于燃油經濟性的改善實現了成本經濟性。

    面對每一種車型設計中的每一個材料抉擇,成本都是需要考慮的一個問題。在作某種材料替換時,成本可以被看作是單 個部件成本,也可以是制造成本和產品的系統成本,但正越來越多地融入生命周期成本分析中被考量。汽車制造商使用鋁來為汽車減重,他們的焦點正逐漸轉向系統 成本分析和生命周期成本分析,以期獲得他們預期的結果,即改善駕駛性能、降低燃油消耗與污染物排放。汽車制造業正不斷地考慮如何在一個或多個汽車元部件上 全面實現減重,進而為其它汽車元部件提供進一步減重和降低成本的機會。 
    研究表明,成本有效性的解決方案顯現于生鋁密集型的轎車和卡車身 上。在一定條件下,大容量車輛采用鋁密集車經濟上是可行的。在使用過程中,這些鋁密集型的汽車可大大節約油耗,從而給消費者帶來實實在在的好處。舉個例 子,新型捷豹XJ(Jaguar XJ),由于其采用了輕型的鋁合金車身結構及先進的動力系統,與同類使用鋼鐵結構的汽車相比,在使用期內的成本極低。另外,鋁在金屬回收中憑借其較高的廢 料價值,在資助廢舊汽車處理的工作中扮演著重要角色。

鋁可以反復利用,同時節約原鋁生產環節所需的95%的能源。

    鋁制汽車廢料在美國的消費價格(2010年4月)是1830美元/噸,而鋼制汽車廢料價格是400美元/噸。粉 碎后仍然存在的非金屬廢料在美國本土掩埋,因此這些廢料的價值是負的。在歐共體內,非金屬廢料可以被焚燒或者回收,即使如此,非金屬廢料的價值仍為負的或 者為零。而鋁用量的增加,由于其廢料價值為正,不僅可提升汽車的價值,也可以增加汽車報廢后廢料的價值,同時降低需要在美國掩埋的非金屬廢料的數量。 
    大 量的高效率處理技術被用來回收廢舊汽車中的鋁。該圖就給出了目前回收某種轎車的技術。有些容易拆卸的鋁制零件常常會在拆解初期就先取掉,而含鋁的車身會被 放進錘式粉碎機破碎成碎片。然后,用磁鐵分離出含鐵的部分,再通過旋風離心設備,去除一些細小、較輕的廢料,即得到由塑料、像皮、玻璃、纖維、特種鋼和有 色金屬組成的混合物;之后把以上混合物放在沉浮分離液和渦流分離器中,結果就可以得到鋁廢料。還有一些正在應用或仍處于開發中的分類技術,可進一步提高回 收率和回收材料的質量。 
    使用各種分離技術得到的鋁制廢料目前主要是加工成鋁鑄造合金,用來生產鑄件包括發動機罩、汽缸頭和變速箱。目前,車身中使用的鍛造鋁合金越來越多,因此將來變形合金廢料也會不斷增加。因此,在未來數十年內,從汽車中分離收集變形合金也會變得經濟上可行。


時尚性

    毫不意外,過去兩個世紀中最時尚的一些汽車(還有一些建筑、消費品、時裝配飾),它們使用鋁不僅僅出于功能需 要,也考慮了鋁能帶來的審美效果,以及它的經久耐用、可成形性能和后處理工藝的多樣性。福特的氣流拖車(Airstream trailer),倫敦的愛神(London’s Eros),菲利浦斯塔克的1006椅子(Philippe Starck’s 1006 chair),iPod,寶馬328賽車,所有以上這些時尚產品都充分利用了鋁的輕型、高強度和耐用性,同時,在實現功能目標的同時,通過它們時尚的外表 和感覺體現了各自的文化特征。

經久不衰的時尚產品,包括汽車,其精髓均在于偉大的設計和高質量的材料

    在過去200年中,由創新的運輸解決方案所帶來的不斷增加的行動力一直是時尚的代名詞,從維多利亞和愛德華 (Victorian and Edwardian)的東方快車(Orient Express)和白星油輪(White Star Liners),經過20世紀初期提供奢侈服務飛往異國它鄉的航空飛機,再到社會行動力的終級體現-跑車。 
    經久不衰的時尚產品,包括汽 車,其精髓均在于偉大的設計和高質量的材料。毫不意外,過去兩個世紀中最時尚的一些汽車(還有一些建筑、消費品、時裝配飾),它們使用鋁不僅僅出于功能需 要,也考慮了鋁能帶來的審美效果,以及它的經久耐用、可成形性能和后處理工藝的多樣性。福特的氣流拖車(Airstream trailer),倫敦的愛神(London’s Eros),菲利浦斯塔克的1006椅子(Philippe Starck’s 1006 chair),iPod,寶馬328賽車,所有以上這些時尚產品都充分利用了鋁的輕型、高強度和耐用性,同時,在實現功能目標的同時,通過它們時尚的外表 和感覺體現了各自的文化特征。 
    流線型是風靡美國上世紀30和40年代的設計風格,體現了當時的動感和現代潮流。當時,美國制造業正從大 衰退中逐漸復蘇,流線型以商業創新的模式融合了技術與設計審美。盡管流線型物體在生活和工作中很平常,設計審美還是發現了它與空氣動力學之間的聯系。鋁是 流線型時代的一種完美材料:清潔、光滑、平整、新穎并且可被鑄造和擠壓成擁有誘人曲線的產品外觀。鋁通訊在一篇文章中報道了流線型火車的設計,“在擠壓零 件形狀設計上,工程師不是設計滿足傳統零件形狀的結構,而是根據結構的輪廓,設計出需要滿足該結構的零件形狀”。更重要的是,鋁的輕質可轉化為更高的速 度,結果是,全鋁流線型火車提供了平滑舒適的乘車體驗并創造了新的車速記錄。 
    進入飛機時代,鋁這一極具未來感的材料,以其時尚和功能兼備的性質仍在創造著現代傳奇。它內在持久的高強度和減重等潛在優點得以繼續發揮的同時,鋁成為海陸空交通工具的外觀表現材料。

耐久性
    鋁,即使不經過噴漆和涂覆,也能抵抗水和道路鹽的腐蝕。在對 外觀要求不嚴的零件上,就可以應用鋁,從而避免某些競爭材料所要求的電化學處理、涂覆和噴漆。如果噴漆刮掉或磨破了,也不用擔心鋁生銹;無論是在沙漠酷 熱、北極嚴寒,或者經陽光中的紫外線照射,鋁也不會變脆或強度降低。

 鋁能抵抗水和道路鹽的腐蝕,這也使得鋁成為交通領域應用的不二之選。

    "在合理的設計和生產條件下,鋁合金元件和結構件可以抵抗腐蝕。因此,鋁成為交通運輸行業的首選材料。鋁是一種高活性金屬,易于迅速在空氣中氧化,形成一 層透明的氧化鋁薄膜保護層,阻止氧氣和其它氣體或液體向更深處侵入。保護層僅僅地貼附在金屬鋁的表面,它不會脫落,從而避免暴露出更多的被進一步氧化的新 鮮面。如果這一保護層遭到破壞,將會自動形成新的保護層,從而提供持續的保護。在交通行業,鋁部件存在腐蝕問題,除非遵循一些應用準則。例如,兩種不同的 金屬在諸如水等的電解質中發生接觸,就有可能會發生腐蝕。一種常見的腐蝕就發生在鋁構件與它們的鋼制緊固件之間。主要的預防方法是使用阻隔材料把鋁制元件 與鋼制緊固件分離開來,從而避免接觸。另一個腐蝕的例子如圖所示,汽車的鋁制上車踏板上面覆蓋有毛毯。水分和鹽已滲透過地毯,然后在地毯下方形成與鋁接觸 的鹽溶液。為了糾正這種情況,鋁被替換,并將密封劑填充在整個上車踏板和地毯之間,這樣就形成了一個屏蔽層,阻止水分和鹽的滲透,之后再沒有觀測到進一步 的腐蝕情況。從本質上講,組件就應該以這種方式構造,以盡量避免水分、鹽和灰塵找到藏身之處。"

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