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铝驱动未来——汽车篇
2018-11-28 10:13:00

铝的比重(2.7 g/cm3)不及钢铁(7.6 g/cm3)和铜(8.5 g/cm3)的一半。作为一种理想的轻质材料,铝的潜在优势变得越来越明显。当然,这仅仅是一种简单的比较。实际上,每一种汽车零部件的材料选择,也要考 虑它的专用设计和性能准则。这些准则与具体的性能指标有关,比如机械强度、硬度以及重量等。因此,对于每种汽车零部件,需要针对其预期的性能单独做出评 估。

    交通领域铝的应用不但可以减重和提升燃油效率,同时,也能降低温室气体的排放。

轻量化
    选择轻型材料,材料自身特点可以达到减重目的;此外,零部件采用某些加工工艺,可以进一步减轻车体重量。举例来说,较为复杂的金属铝多孔挤压件,或者高强 度薄壁真空铝压铸件等,均拓展了新设计空间。另外,车辆整体减重后,还会带来一些其他间接的减重效果。例如,在1994年,在奥迪公司设计A8模型的时 候,在材料选择方面也面临抉择,要么选用钢制的,总重量达441千克,要么选用铝制材料替代,重量也相应降到了247千克。一旦该车型最后决定使用铝作为 车身材料,那么,其他一些额外的减重措施也在考虑之中。比如,为了满足车辆设定的性能要求(加速,里程油耗),一个更为小巧的发动机或油箱应运而生了。据 奥迪公司称,诸如此类的非直接减重达到了45千克,为直接减重量,即194千克的23%。也就是说,由于铝制车身的使用,汽车整体重量实际上被有效地降低 了239千克。对其他车辆减重效果的研究表明,二次减重的比例可达到直接减重数量的50%-100%。 
    二次减重的不同反应了系统集成程 度差异。应该指出的是,由于很多汽车零部件常常在不同型号之间反复转换,因此并非所有的二次减重都是可以即时获得的。然而,汽车工业一直在积极地寻求零部 件的优化设计,最终,这些零部件都会达到最优化的目标。另外,铝工业前沿技术的进步(优化的设计理念,新的更高性能的铝合金,更好的成型和连接技术等)也 会在不久的将来更好地为汽车减重创造条件。其它巨大的潜在减重方案也可以来自于应用先进的产品形态,包括激光拼焊板和轧制型材。

安全性
    安全性是厂家设计和顾客 选购汽车时的首选要素。当开发设计汽车车身结构时,在强度、碰撞性能和其它车身要求(比如样式与限制条件)之间找到最佳的结合点又是最重要的。卓越的设计 和轻量化材料的结合可减少伤害、挽救生命。凭借在尽可能低的重量条件下的最佳性能表现,铝恰好能很好地实现上述目标。

卓越的设计和轻量化材料的结合可减少伤害、挽救生命。

    安全性是厂家设计和顾客选购汽车时的首选要素。当事故发生时,汽车必须能保护司机和乘客的安全。另外,它还必须 把对卷入汽车撞击事件各方的损害均降到最小,而不论其他各方是车辆,静止物体或者行人。当开发设计汽车车身结构时,在强度和碰撞安全性能以及其他车身要求 (比如设计和限制条件)之间找到最好的折衷点是最重要的。铝恰好能很好的满足以上这些目标,即不仅能使车辆重量尽可能地低,而且性能达到最优。铝合金的特 性使得设计具有高强度和卓越碰撞能量吸收潜势的、成本有效的轻型汽车部件成为可能。为了给事故当事人以最好的保护,汽车在设计上提供了一个坚硬且稳定的乘 客舱,环以吸收撞击能量的缓冲变形区域。铝单位质量的能量吸收能力是低碳钢的两倍,与新近开发的一些高强度钢品种相比也具有优势。与钢部件相比,铝部件的 强度之所以高,原因在于两个方面。首先铝部件更厚一些(为了实现相同的功能,铝部件一般上要比钢部件件厚约50%);另外,特别地,使用闭合式铝制挤压材 和卓越设计的高品质压铸件排除了部件间的的接口,从而使铝部件的强度更高。因此,在最大减重达40-50%的情况下,部件的强度仍然可以得到提升。同样的 原理也可以应用于对事故中行人一方的保护。如果铝制汽车前端结构件和引擎罩设计得当,就可以避免对行人的伤害,降低致命的风险。如此看来,汽车安全性就不 仅仅是一个材料选择的问题,很关键地,还与汽车应用设计和集成理念息息相关。最后的结论就是,为了保证汽车安全和事故发生时参与各方的安全,铝是优先选择 的材料,它满足了相关的要求,例如碰撞吸收能力、行人保护和较低的保养成本等等。 
    这里有几个铝密集型汽车案例,它们都有非常好的碰撞安 全性能。奥迪A8车型在车身框架结构方面使用了大型的铝压铸件和挤压型材;捷豹XJ车型车身则使用了大量铝板材。具有更广泛代表意义的是铝在当前混合材料 设计汽车上,被广泛应用于轻量化碰撞管理系统,例如在与钢制车身混合设计中。除了铝制汽车前端,其他应用包括前后保险杠、碰撞吸能盒、侧翼撞击防护系统 等。 
    如今,不同的检测手段被用来评估汽车的安全性能(比如,美国公路安全保险协会或欧洲新车安全评鉴协会的碰撞性检测,欧洲委员会关于行人撞击的法规等)。在 这些检测中,铝制系统均表现出了良好的性能,满足了所有要求。在动力学研究公司(Dynamic Research Inc.,DRI,2004)为美国铝业协会(the Aluminum Association, USA)所作的一项研究中,轻量化铝制车身设计的优势表露无遗。该研究包括数项模拟测试,目的是检验一种运动便利车(SUV)与其他几种车型的撞击性能。 研究的第一步,使运动便利车减重20%,尺寸保持不变。第二步,使运动便利车的尺寸稍有增加,而重量保持不变。然后,该运动便利车模拟了不同情况下的 500种虚拟碰撞(例如,单车碰撞,包括碾压,与固定目标碰撞,比如立柱,双车碰撞)。轿车与运动便利车,两辆运动便利车之间的碰撞也分别模拟。结果是, 当对汽车实施减重,而尺寸不变的时候,伤害率下降15%。但需要指出的是,汽车制造商也可以通过改变汽车设计来降低撞击伤害,在本研究中却并没有考虑在 内,也没有考虑道路上会出现的其他类型车辆的性质。当汽车重量不变,而尺寸稍有增加的时候,伤害率会下降更多,达到了26%。最为重要的是,当两辆车发生 碰撞时,双方司机都会感觉到安全性能的提升。

多样性
    在设计轻型、节能型汽车的结构时,铝的最大优势在于它的易成 形性。复杂的仪表盘,就可以采用多种工艺加工,包括从高效率的冲压工艺一直到低成本小批量的加工工艺。同其他材料相比,铝材一个有趣的方面是,它可以加工 成各种复杂形状、不同壁厚的挤压材、开口或闭合的型材等。净成型与近净成型铝部件可使用锻压或其他大规模成型技术来实现,但主要还是使用不同的铸造加工工 艺。

易于成形是铝的最大优势。

    在交通运输领域,材料间的竞争无时无处不在。问题不在于选择哪种具体的材料,总的来说,未来将会是混合多种材料 设计。关键问题在于对于某种具体的应用,从技术和经济性两个方面,有针对性的考虑哪种材料才是最优选择。材料的选择也取决于汽车的类型、设计目标、现有的 制造条件以及相关的知识和经验。 
    关键的一步在于设计方法和工程方法的集成,同时还要考虑不同铝合金的具体性能和不同铝加工材的性质。关 于材料特性的完备知识(包括碰撞性能)使得基于计算机辅助设计和工程方法之上的快速产品开发成为了可能。相关加工工艺的大量模拟保证了铝制部件的高效率生 产,同时拥有一贯高质量的结构参数。
在设计轻型、低成本、高效的汽车结构方面,铝的最大优势就在于它的易成形性。对于铝制的复杂仪表盘,就可以 采用多种工艺加工,包括从高效率的冲压工艺一直到低成本小批量的加工工艺。同其它材料相比,铝材一个有趣的方面是,它可以加工成各种复杂形状、不同壁厚的 挤压材、开口或闭合的型材等。净成型与近净成型铝部件可使用锻压或其他大规模成型技术来实现,但主要还是使用不同的铸造加工工艺。随着铸造工艺的不同,铝 铸件的尺寸、形状和性能范围差异较大。挤压材或随后得到的加工材,还有高质量的薄壁铝压铸件,不仅仅有助于增加负载能力和加固功能,同时还可以用来作连接 部件。这样一来,通过这些加工材的合理应用,就可以开发出新的、具有革命性的的结构化设计解决方案。结果就是,通过部件之间的集成和应用功能的合成,大大 地实现减重和成本压缩。 
    除了结构化应用外,由于铝合金其它的一些优点,比如卓越的热传输、导电性能,也在交通行业得以应用。最明显的例子就是散热器、内燃机零件及电机等。 
    铝 在交通运输领域获取成功的另一项关键因素在于装配这一环节。装配的任务从不同合金牌号和产品形态(冲压板、铸件、加工过的挤压件、锻件等等)的铝部件之间 的连接到多材料之间的连接,包括铝与钢铁、镁、塑料和合成材料之间的连接。混合材料的设计会增加复杂程度,原因在于不同材料之间的可选择连接方法会受到限 制;另外,不同材料接触还需要考虑热膨胀系数和潜在的电化学腐蚀效应等因素。过去很多年以来,为钢铁结构件开发的连接工艺,大部分也适用于铝。然而,随着 铝部件用量的增加,特别是对于混合材料设计,也诞生了一些新型的连接技术,比如激光焊、摩擦搅拌焊、自冲铆接和粘接连接等。目前,富有挑战性的任务是从现 有连接技术中选择出合适的工艺,来达到最优技术性能,同时还实现有经济可行性。

经济性
    汽车制造商使用铝来为汽车减重,他们的焦点正逐渐转向系统成 本分析和生命周期成本分析,以期获得他们预期的结果,即改善驾驶性能、降低燃油消耗与污染物排放。汽车制造业正不断地考虑如何在一个或多个汽车元部件上全 面实现减重,进而为其它汽车部件提供进一步减重和降低成本的机会。
 

铝密集型汽车由于燃油经济性的改善实现了成本经济性。

    面对每一种车型设计中的每一个材料抉择,成本都是需要考虑的一个问题。在作某种材料替换时,成本可以被看作是单 个部件成本,也可以是制造成本和产品的系统成本,但正越来越多地融入生命周期成本分析中被考量。汽车制造商使用铝来为汽车减重,他们的焦点正逐渐转向系统 成本分析和生命周期成本分析,以期获得他们预期的结果,即改善驾驶性能、降低燃油消耗与污染物排放。汽车制造业正不断地考虑如何在一个或多个汽车元部件上 全面实现减重,进而为其它汽车元部件提供进一步减重和降低成本的机会。 
    研究表明,成本有效性的解决方案显现于生铝密集型的轿车和卡车身 上。在一定条件下,大容量车辆采用铝密集车经济上是可行的。在使用过程中,这些铝密集型的汽车可大大节约油耗,从而给消费者带来实实在在的好处。举个例 子,新型捷豹XJ(Jaguar XJ),由于其采用了轻型的铝合金车身结构及先进的动力系统,与同类使用钢铁结构的汽车相比,在使用期内的成本极低。另外,铝在金属回收中凭借其较高的废 料价值,在资助废旧汽车处理的工作中扮演着重要角色。

铝可以反复利用,同时节约原铝生产环节所需的95%的能源。

    铝制汽车废料在美国的消费价格(2010年4月)是1830美元/吨,而钢制汽车废料价格是400美元/吨。粉 碎后仍然存在的非金属废料在美国本土掩埋,因此这些废料的价值是负的。在欧共体内,非金属废料可以被焚烧或者回收,即使如此,非金属废料的价值仍为负的或 者为零。而铝用量的增加,由于其废料价值为正,不仅可提升汽车的价值,也可以增加汽车报废后废料的价值,同时降低需要在美国掩埋的非金属废料的数量。 
    大 量的高效率处理技术被用来回收废旧汽车中的铝。该图就给出了目前回收某种轿车的技术。有些容易拆卸的铝制零件常常会在拆解初期就先取掉,而含铝的车身会被 放进锤式粉碎机破碎成碎片。然后,用磁铁分离出含铁的部分,再通过旋风离心设备,去除一些细小、较轻的废料,即得到由塑料、像皮、玻璃、纤维、特种钢和有 色金属组成的混合物;之后把以上混合物放在沉浮分离液和涡流分离器中,结果就可以得到铝废料。还有一些正在应用或仍处于开发中的分类技术,可进一步提高回 收率和回收材料的质量。 
    使用各种分离技术得到的铝制废料目前主要是加工成铝铸造合金,用来生产铸件包括发动机罩、汽缸头和变速箱。目前,车身中使用的锻造铝合金越来越多,因此将来变形合金废料也会不断增加。因此,在未来数十年内,从汽车中分离收集变形合金也会变得经济上可行。


时尚性

    毫不意外,过去两个世纪中最时尚的一些汽车(还有一些建筑、消费品、时装配饰),它们使用铝不仅仅出于功能需 要,也考虑了铝能带来的审美效果,以及它的经久耐用、可成形性能和后处理工艺的多样性。福特的气流拖车(Airstream trailer),伦敦的爱神(London’s Eros),菲利浦斯塔克的1006椅子(Philippe Starck’s 1006 chair),iPod,宝马328赛车,所有以上这些时尚产品都充分利用了铝的轻型、高强度和耐用性,同时,在实现功能目标的同时,通过它们时尚的外表 和感觉体现了各自的文化特征。

经久不衰的时尚产品,包括汽车,其精髓均在于伟大的设计和高质量的材料

    在过去200年中,由创新的运输解决方案所带来的不断增加的行动力一直是时尚的代名词,从维多利亚和爱德华 (Victorian and Edwardian)的东方快车(Orient Express)和白星油轮(White Star Liners),经过20世纪初期提供奢侈服务飞往异国它乡的航空飞机,再到社会行动力的终级体现-跑车。 
    经久不衰的时尚产品,包括汽 车,其精髓均在于伟大的设计和高质量的材料。毫不意外,过去两个世纪中最时尚的一些汽车(还有一些建筑、消费品、时装配饰),它们使用铝不仅仅出于功能需 要,也考虑了铝能带来的审美效果,以及它的经久耐用、可成形性能和后处理工艺的多样性。福特的气流拖车(Airstream trailer),伦敦的爱神(London’s Eros),菲利浦斯塔克的1006椅子(Philippe Starck’s 1006 chair),iPod,宝马328赛车,所有以上这些时尚产品都充分利用了铝的轻型、高强度和耐用性,同时,在实现功能目标的同时,通过它们时尚的外表 和感觉体现了各自的文化特征。 
    流线型是风靡美国上世纪30和40年代的设计风格,体现了当时的动感和现代潮流。当时,美国制造业正从大 衰退中逐渐复苏,流线型以商业创新的模式融合了技术与设计审美。尽管流线型物体在生活和工作中很平常,设计审美还是发现了它与空气动力学之间的联系。铝是 流线型时代的一种完美材料:清洁、光滑、平整、新颖并且可被铸造和挤压成拥有诱人曲线的产品外观。铝通讯在一篇文章中报道了流线型火车的设计,“在挤压零 件形状设计上,工程师不是设计满足传统零件形状的结构,而是根据结构的轮廓,设计出需要满足该结构的零件形状”。更重要的是,铝的轻质可转化为更高的速 度,结果是,全铝流线型火车提供了平滑舒适的乘车体验并创造了新的车速记录。 
    进入飞机时代,铝这一极具未来感的材料,以其时尚和功能兼备的性质仍在创造着现代传奇。它内在持久的高强度和减重等潜在优点得以继续发挥的同时,铝成为海陆空交通工具的外观表现材料。

耐久性
    铝,即使不经过喷漆和涂覆,也能抵抗水和道路盐的腐蚀。在对 外观要求不严的零件上,就可以应用铝,从而避免某些竞争材料所要求的电化学处理、涂覆和喷漆。如果喷漆刮掉或磨破了,也不用担心铝生锈;无论是在沙漠酷 热、北极严寒,或者经阳光中的紫外线照射,铝也不会变脆或强度降低。

 铝能抵抗水和道路盐的腐蚀,这也使得铝成为交通领域应用的不二之选。

    "在合理的设计和生产条件下,铝合金元件和结构件可以抵抗腐蚀。因此,铝成为交通运输行业的首选材料。铝是一种高活性金属,易于迅速在空气中氧化,形成一 层透明的氧化铝薄膜保护层,阻止氧气和其它气体或液体向更深处侵入。保护层仅仅地贴附在金属铝的表面,它不会脱落,从而避免暴露出更多的被进一步氧化的新 鲜面。如果这一保护层遭到破坏,将会自动形成新的保护层,从而提供持续的保护。在交通行业,铝部件存在腐蚀问题,除非遵循一些应用准则。例如,两种不同的 金属在诸如水等的电解质中发生接触,就有可能会发生腐蚀。一种常见的腐蚀就发生在铝构件与它们的钢制紧固件之间。主要的预防方法是使用阻隔材料把铝制元件 与钢制紧固件分离开来,从而避免接触。另一个腐蚀的例子如图所示,汽车的铝制上车踏板上面覆盖有毛毯。水分和盐已渗透过地毯,然后在地毯下方形成与铝接触 的盐溶液。为了纠正这种情况,铝被替换,并将密封剂填充在整个上车踏板和地毯之间,这样就形成了一个屏蔽层,阻止水分和盐的渗透,之后再没有观测到进一步 的腐蚀情况。从本质上讲,组件就应该以这种方式构造,以尽量避免水分、盐和灰尘找到藏身之处。"


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