铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用

２０１１年第ｌＯ期轻金属

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・综述・

铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用

朱则刚

（湖北十堰东风汽车公司，湖北十堰４４２００１）

摘要：推广汽车轻量化，加大铝质配件材料的应用，是我国汽车工业发展的当务之急，对解决我国能源短缺，道路超栽、运输效率低下具有很重要的意义。加大铝质配件应用是汽车轻量化的措施之一，分析了汽车轻量化的铝合金材料结构性能，阐述了轻量化以铝为首的轻质材料在汽车上的应用措施，介绍了汽车工业的快速发展将给铝质散热器带来巨大的市场前景。论述了商用车采用铝合金车轮减轻车辆的自重显著，研究了国外汽车制造商大力研发车身轻量化技术，同时指出了轻质材料是汽车安全、节能、环保核心的技术优势和轻量化措施。关键词：铝合金复合材料；汽车轻量化；市场前景

中图分类号：ＴＧｌ４６．２１文献标识码：Ａ文章编号：１００２—１７５２（２０１１）１０一０３—４

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汽车轻量化是当今世界汽车创新工程的技术发展方向，是２１世纪世界汽车技术创新的前沿和热点。世界各国的汽车企业围绕节能、节材、环保、降低成本以及提高动力性、经济性、可靠性、安全性和舒适性等基本性能，开展了新技术、新材料、新工艺、新产品的研究开发工作，其核心就是汽车轻量化。与钢相比，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工等特点，但成本较高，是近２０年来在载货汽车上使用最多的轻量化材料。推广汽车轻量化，加大铝质配件材料的应用，是我国汽车工业发展的当务之急，对解决我国能源短缺，道路超载、运输效率低下具有很重要的意义。

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对普通轿车而言，即车身自重减少ｌＯＯｋｇ，燃油效率就可以提升６％～８％。轻量化车身的另一个好处就是同等动力输出条件下，动力表现更好。而且铝材本身具有良好的耐腐蚀性、可焊性、易成型性和导热性等特点，用铝合金复合材料制成的汽车散热器具有体积小、重量轻、抗震性好、寿命长等优点。目前，汽车工业已成为中国的支柱产业，尤其近几年，中国汽车工业已进入快车道，并已成世界汽车生产大国和世界上最有潜力的消费市场。２０１０年，我国汽车总产量将达到１６００万辆，中国汽车内需达到１０００万辆，与产量一样，在基数越来越高的基础上实现连续多年两位数增长。汽车工业的发展，汽车保有量的增大，在促进我国制造业发展和给人们生活带来方便的同时，也产生了油耗、排放和安全三大问题；轻量化是汽车工业节能减排的重要手段，而轻量化必然导致铝合金在汽车上的大量应用。

车辆每减重ｌＯＯｋｇ，ＣＯ：的排放量即可减少大约５９／ｋｍ。一般情况下汽车每减少１０％的重量，其燃油消耗便可降低６％一８％。典型的铝质零件一次减重效果可达３０％一４０％，二次减重则可进一步提高到５０％。因此，随着运输车辆的不断增加，轻量化设计已成为降低运输车辆排放的迫切之需。目前，欧美等均在这方面加大了研究与推广力度，特别

汽车轻量化的措施之一是加大铝质

配件应用

汽车轻量化是全世界汽车工业的发展方向，而

汽车轻量化的首选材料是铝合金。轻量化技术的直接好处是节能环保。在驾驶方面，汽车轻量化后，加速性提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面也均有改善。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距离减小。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。研究表明，汽车上每应用ｌｋｇ铝材，可获得２ｋｇ的减轻效果。汽车整备质量每减少１０％，

收稿日期：２０１０—１１－２９

万方数据

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朱则刚：铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用２０１１年第ｌＯ期

是在美国，有关车辆轻量化采用高强度减重材料的项目可以得到政府相关部门立项。２００６年欧美日的小汽车平均用铝量已经达到１２７ｋｇ／辆。欧洲铝协（ＥＡＡ）预测，在２０１５年前，欧洲小汽车用铝量将增至３００ｋｇ／辆，如果轿车的零部件，凡是可用铝合金制造的都用其代替，那么每辆车的平均用铝量将达到４５４ｋｇ，轻量化的效果将大大提高。汽车重量每减轻１０％，最多可实现节油８％。每使用１蚝铝，可使轿车寿命期减少２０ｋｇ尾气排放。同时，铝是绿色环保材料，易回收，可循环回收。采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的６倍一１２倍。

国内Ｂ级车，Ｃ级车以及跑轿车的相继研发和上市，为铝合金汽车轻量化的应用提供了很好的市场和应用基础，同时汽车铝合金的应用也为国内Ｂ级车，Ｃ级车以及整个行业提供了一个技术升级的前提。目前应用于汽车的铝合金包括：车身覆盖件的铝合金板材；铸铝件；挤压型材；锻造铝合金；铝线材／铝合金复合材料等其他应用。

２汽车轻量化的铝合金材料结构性能

铝的密度约为钢的１／３，是汽车应用最广泛的轻量化材料。（１）铸造铝合金。汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的７６％、铝压铸件的７７％为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。

（２）变形铝合金。变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。由于轻量化效果明显，铝合金在车身上的应用正在扩大。

（３）铝基复合材料。铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好，但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。目前，铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能。

３

以铝为首的轻质材料在汽车上的应用措施

万方数据

（１）轻质材料发动机。机体是发动机中单件质量最大的零件，一般都超过发动机质量的１／４，甚至

接近１／３。降低发动机缸体质量：采用铝合金或者

镁合金，变密度设计。

（２）轻质材料变速器壳体。变速器壳体、离合器壳体、操纵盖以及换档拨叉等零件目前已经广泛应用铝、镁合金，镁合金的密度为１．８９／ｃｍ３，是铝合金的２／３，不足钢的１／４，大众汽车公司和奥迪汽车公司启动了使用镁合金的战略，福特汽车公司也在其轻型载货车的离合器壳体中使用了镁合金。

（３）轻质材料底盘悬挂。ＡＵＤＩ轻量化概念落实于底盘悬挂系统的研发生产，悬挂各项组件也换上铝合金，其他包括轻量化的刹车卡钳、碳纤维陶瓷刹车碟盘等，还有包括重量更轻的行李厢盖与掀背尾门材质，以及方向盘支架与仪表内衬结构采用更轻量化的镁合金材质。

（４）全铝车身设计。Ｆｏ柑・Ｐ２０００采用冲压焊接制造的铝质车身骨架，可用现有钢板的加工方法加工，白车身质量１３５．６ｋｇ，整车轻３２．８％，市区百

公里油耗减少２２．８％。

（５）轿车全铝车身设计实例。奥迪Ａ８是大型豪华轿车，但它的整车质量，仅相当于一辆中型轿车。奥迪Ａ８铝合金框架支撑着全铝合金车身的创新技术被称为“ＡＳＦ”——即奥迪空间框架技术，ＡＳＦ车身结构由挤压的铝部件及压铸件组成，该架构支撑铝板元件，如：车顶板，它是与架构刚性连接的能承受车身的载荷。ＡＳＦ的元件因形状、横截面有很大的不同，取决于它们各自承担的任务，就像骨骼，它们以低的重量组合成最佳的功能。在车身的Ａ、Ｂ、Ｃ柱的内部便可以见到这样的设计。奥迪

Ａ８Ｌ

０９年型在不安装车门、发动机罩和尾部箱盖的

情况下车身仅重２２０ｋｇ，其轻量结构系数达到了１．５，毫无争议地摘得了同级别车型中的桂冠。车身轻量化直接带来的益处就是油耗和排放的大幅降低。从车身结构来看，框架和全铝车身的紧凑联接如同一个优良的蜂窝结构，因此乘员舱要比传统的钢质车身坚固。奥迪Ａ８的“ＡＳＦ”车身与比它重６０％的钢质车身进行了碰撞对比试验，结果Ａ８车身竞达到了相等的安全指标。目前在市场上销售的

ＡＵＤＩ

Ａ８与Ｒ８、ＴＴＣｏｕｐｅ与ＴＴＲｏａｄｓｔｅｒ等车款，都

可以说是ＡＳＦ铝合金轻量化车身结构最佳的代言者，目前市售Ａ８车身结构重量仅有２１８ｋｇ，而进一步采用镁铝合金结构的Ｒ８，其车身结构更仅有２１０ｋｇ卡罗拉、皇冠采用ＧＯＡ车身，在保证车辆安全性

２０１１年第１０期轻金属

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的同时，保证了车辆的轻巧，结合ＣＡＥ（计算机模拟控制）技术，车身构造兼具”可吸收力的车身”和”高

强度车厢”双重概念，并轻量化的要求。

４汽车工业的快速发展将给铝质散热

器带来巨大的市场前景

汽车散热器历来以铜为主，铝质汽车散热器主要耗用各种规格的板、带、箔、焊接管材。传统的汽

车散热器采用铜和锡制造。然而汽车朝着轻型化方

向发展，促成复合钎焊铝箔在汽车热交换上获得了广泛应用。复合钎焊铝箔中间为ＡＬ—Ｍｎ芯材，两表面包覆ＡＬ—Ｓｉ钎料。铝合金具有一系列优良特性，实现汽车轻型化的主要途径是提高汽车用材的铝化程度。发达国家汽车散热器、空冷器、冷凝器和蒸发器等热交换零部件的铝化率已达９５％以上，然而我国国产汽车散热器大多仍采用铜箔，急需更新

换代。

２０世纪８０年代，由于真空钎焊技术的发展，美国生产的汽车有５０％安装了复合钎焊铝箔热交换器，到了９０年代工业发达国家汽车热交换器复合钎焊铝箔使用率已达９０％以上。这不仅因为铝的价格比铜低，而且复合钎焊铝箔制汽车散热器重量比铜箔的约轻３７％一４５％，促进了汽车的轻型化。１９９３年我国复合钎焊铝箔用量只有１０００ｔ，１９９４年为３０００ｔ，１９９５年需求量达到５０００ｔ。２０１０年，国内汽车年需求量将达到１６００万辆，年均将净增汽车２０００万辆，２０１５年全国汽车产能将超过３４００万辆，到２０２０年中国汽车保有量将超过２亿辆。若９０％采用复合钎焊铝箔制汽车热交换器，年需铝质散热器９０００万台。我国汽车工业的快速发展将给铝质汽车散热器带来巨大的市场前景，同时复合铝材附加值高，巨大的市场需求必将给企业带来显著的经济效益。轿车、轿卡、轻卡、客车等大部分车型均已使用铝质散热器，重卡最终也将更新换代成铝质散

热器，已不容置疑。５

商用车采用铝合金车轮车辆自重显

著减轻

在汽车轻量化的研究与应用上，我国与世界发

达国家还有很大差距。在美国，通常长１４ｍ的二轴厢式半挂车，车辆自重在７ｔ以下。我国常用的１３ｍ二轴厢式半挂车，自重均在７ｔ左右。从解决自重问题上看，我们还有很多问题需要研究。

（１）汽车轻量化实质上就是零部件轻量化。采万方数据

用锻造铝合金车轮，可以很大程度减轻车的自重。比如，一辆拖挂４０ｔ的重卡和半挂车运输系统，一共有２２个车轮，加上前后备胎共有２４个。以目前我们经常用的钢质车轮计算，如果换成锻造铝合金车轮，重量可减轻近６００ｋｇ。不仅如此，由于铝合金材料具有散热好和防止轮胎橡胶老化的特点，装上锻造铝合金车轮的卡车、客车、挂车可节省２６％的轮胎消耗。由此可见，节能减排的效果明显。在美国和加拿大，大量商用车都配装了锻造铝合金车轮。欧洲、南非、澳大利亚大量采用的也是锻造铝合金车轮。工艺品般漂亮的锻造铝合金车轮配装在各种各样的商用车辆上，对汽车的轻量化，能用铝的地方就用铝。现在的车辆大多为钢结构材质，很少有人愿意尝试用质量更轻的铝结构材质。同样一辆车，采用铝制材料，由于结构强度问题，其重量至少可以减半，对节能减排的好处是不言而喻的。但是，由于锻造铝合金价格是钢车轮的３倍，这一关键成本要求

容易使人望尔却步。

（２）减重必然多拉，假定公路普通货物整车的

运输价格为０．５形吨公里。如果我们将一辆４０ｔ

重型半挂车的车架（纵梁、横梁）、油箱、车轮、牵引座、护栏等零部件均换成铝制材质和真空胎。换算下来，总质量可减轻大约３ｔ多。在此前提下，假设（３）锻造铝合金车轮在商用车领域的前景十分看好。节能减排的限制性指标，财政的政策性倾斜，大背景下，锻造铝合金车轮将成为新兴的市场。今后，轻量化车辆的使用成本优势将越来越明显。

国外汽车制造商大力研发车身轻量化技术

与国内厂家为了解决计重收费问题而推出的轻量化卡车不同，国外商用车企业在推出轻量化卡车时，最主要的考虑因素就是降低尾气排放，提升整车

的安全和稳定性能。

对于国外的汽车制造商而言，降低汽车自重是减少燃油消耗、增强车辆安全性的一个重要手段。从发动机的轻量化到车身相关部件的轻量化，欧美已经走过了３０多年的道路。而其中一个重要手段就是发动机相关部件和车身相关部件的铝化。如在

该车每天行驶１０００ｋｉｎ，每天将可节省１０００多元。若一年以３００天计算，减重后的半挂车比未减重的可节省支出数十万元。目前国内已有一些物流公司在这方面尝到了甜头。

这些都使中国汽车工业的轻量化成为必然。在这种６

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朱则刚：铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用２０１１年第１０期

美国、加拿大、欧洲、南非、澳大利亚，大量商用车都配装了锻造铝合金车轮。通过使用铝、金属合金、金属复合材料以及其他的轻量化零部件，欧洲汽车制造商提高了车辆的燃油经济性，并且减少温室气体排放。２００７年，德国曼将玻璃钢复合材料——片状模塑料（ＳＭＣ）应用到ＴＧ系列重卡驾驶室。而曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯、达夫等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中，都大量选用了ＳＭＣ。而这些

新材料因具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐

腐蚀、耐磨损等）和化学性能（耐热冲击、耐氧化、蠕变等），使整车的安全和可靠性能也进一步提高。

国外汽车厂商致力于汽车轻量化车型的研发，还有一个重要的原因，就是政府在燃油经济性标准上的不断提高和减少ＣＯ：排放的要求。而轻量化车辆在燃油经济性方面的良好表现，让企业把车辆轻量化作为实现节能减排的重要手段。尽管美国没有批准京都议定书，然而联邦政府或州政府都制定了控制温室气体排放的标准。美国加州政府于２００２年通过汽车尾气排放标准，而２００９年５月１９日，奥巴马在白宫宣布了限制汽车温室气体排放和油耗的新法规，要求在２０１６年新车平均燃油经济性（ＣＡＦＥ）达到３５．５英里／加仑，即在２００７年水平基础上提高４２％。根据欧洲汽车制造协会（ＡＣＥＡ）于１９９８年送交欧洲委员会的ＣＯ：削减规划，在２０１５年一２０２０年达到Ｃ０２排放量９０９，／ｋｍ的终极目标。参照欧盟轿车排放标准模式，欧盟委员会考虑，从２０１３年７月起限制卡车ＣＯ：排放量，即每公里排放１７５９，到２０２０年每公里排放量降至１３５９。欧盟目前实施的商用车（２０：每公里排放量为２３０９。而日本的汽车业者一向把汽车的轻量化列为汽车整体设计上一个极重要的指导纲领，在汽车轻量化上不遗余力，因此长期下来，日本汽车的轻量化成果卓著。欧洲主要汽车制造商正在进行“超轻型汽车工程”，目标是在稳定价格的基础上将车重减轻３０％；美国的“新一代汽车共同开发计划”（ＰＮＧＶ）早在１９９３年就已经开始实施，政府每年投入２亿美元，主要用于家庭用车的减重。对于轻量化技术的应用前景，全球的汽车制造商从几十年前就开始尝试。例如，早在１９８５年马自达汽车公司就在其生产的ＲＸ一７上用铝作为机盖材料。１９９０年，本田公司在其生产的ＮＳＸ赛车上应用全铝技术，但是并未在量产车中推

广。

真正将车身轻量化技术大规模应用到车身上的鼻祖，则是德国的豪华品牌车奥迪。

万方数据

以奥迪ｍ．０

ＴＤＩ

ｑｕａｔｔｒｏ为例，从静止加速到

１００ｋｍ／ｈ仅用７．５ｓ，最高时速达２２６ｋｍ。而它的平

均油耗（柴油）不过５．３升／百公里。

如今，在车身轻量化技术上蓄力多年的奥迪，已然成为全球车身轻量化技术的领先品牌。２００３年，奥迪凭借应用ＡＳＦ技术的Ａ８车型，一举问鼎欧洲汽车车身构造领域最高奖项欧洲汽车车身大奖。三年后，奥迪凭借全新的混合车身设计原理再次摘得

此项桂冠。

７轻质材料是汽车安全、节能、环保核

心的技术优势和轻量化措施

（１）轻量化的结构设计和分析是主要的轻量化措施之一，通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量；通过结构的小型化，促进汽车轻量化；采取运动结构方式的变化达到目的，比如采用超轻悬架结构等，使结构更紧凑。

（２）铝镁合金已在汽车上广泛使用，镁合金的

密度１．８９／ｅｍ３，是铝合金的２／３，不足钢的１／４。

（３）轻量化的优势：安全、节能、环保。

（４）轻量化车身技术的另一大突出优势是安全。同等条件下，车身越轻，车身惯性越小，制动距

离越短。

作为行业发展趋势的轻量化技术，是以先进的车身设计、高强度钢板的大量采用、先进的生产制造

工艺为前提的。８

结语

当今汽车科技发展的两大趋势分别是：动力总

成的持续改进（即动力技术的改进与新能源的研发），以及轻量化科技的运用。随着新材料的大规模应用和节能环保标准的日益严苛，车身轻量化技术未来将更具现实意义。随着我国生产技术的不断发展，铝质汽车材料的生产技术将会更加精湛、完善并走向成熟，而铝质配件维修技术也将走向全中国、全世界。我国汽车工业的快速发展将给铝质汽车配件带来巨大的市场前景，同时巨大的市场需求必将给企业、经销商带来显著的经济效益。

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属，２００９，（８）：７１－７５．

［３］王祝堂．汽车铝合金锻件及冲挤件［Ｊ］．铝加工，２０１０，（６）．

［４］肖永清．铝合金汽车配件的焊接技术［Ｊ］．铝加工，２００９，（１）．

（责任编辑杜雅君）

铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

朱则刚， ZHU Ze-gang

湖北十堰东风汽车公司,湖北十堰,442001轻金属

Light Metals2011(10)4次

参考文献(4条)

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引证文献(4条)

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3. 张治民,张星,王强,李保成 重型车辆传动行动构件轻量化设计研究[期刊论文]-机械工程学报 2012(18)4. 幸华超,樊文欣 铝合金材料在减振器结构轻量化中的应用[期刊论文]-机械工程与自动化 2014(01)

引用本文格式：朱则刚. ZHU Ze-gang 铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[期刊论文]-轻金属 2011(10)