汽車輕量化生產趨勢分析：鋁合金材料在汽車輕量化生產中是否必要

引言

國家經濟結構的轉型和高質量發展的要求，對各行各業經濟性和環保性改造提出了底線要求，對於輕量化汽車製造行業來講。

其製造工藝的經濟性和環保性決定了汽車生產的性價比標準，同時也能夠滿足國家對於汽車製造行業中燃料利用率和碳排放的要求。

所以本文將從輕量化汽車的製造材料方面入手，介紹不同材料在未來輕量化汽車製造當中的具體應用，同時給出具體可行的材料選擇建議。

汽車輕量化生產的價值以及可行性分析

在如今的汽車工業生產過程當中，有兩個重要的指標需要重點關註：一個是汽車燃料能耗度，一個是汽車碳排放的合理化控制。

在當今的國際汽車製造廠平均油耗標準當中，汽車製造廠平均油耗標準參數值從1978年的18mile/gal增加到了2020年的35mile/gal，所以隨著全球整體汽車製造廠平均油耗的不斷升高。

在汽車的生產過程當中，對於燃料經濟性的生產指標和碳排放減少指標應該作為21世紀汽車生產設計中重點需要規劃和改善的指標。

• 汽車輕量化生產的物理可行性分析

在汽車的運行過程當中，燃料的消耗主要與汽車的重量成正相關的。當然也會受到其他因素的影響，比如說汽車輪胎與地面的摩擦力，車輛內部空調、音響等耗電設備的使用率等等。

但是從生產工藝的改善的難易程度來說，減輕汽車的重量可以實現汽車油耗的最大化下降，因此可以從這方面入手改善汽車的燃料性價比。

並且大重量的汽車往往需要更高的動力，所以通過減少汽車整體的重量，可以減少車輛對於動力的需求，進而從根本上降低對於油料的消耗。

根據國內外的有關數據顯示，汽車重量基於自身每減少10%左右，其能源的節省率就可以穩定在8%左右。

同時，汽車的重量每減輕100千克，二氧化碳等溫室氣體的排放量就可以減少12克左右。因此，降低汽車整體的重量對於節省燃料以及減少碳排放具有立竿見影的效果。

• 汽車生產輕量化的歷史趨勢

而縱觀汽車生產發展的歷史，可以看到，汽車輕量化生產其實在美國20世紀70年代已經有了改進趨勢，當時美國的汽車各生產廠商開始刻意的減少汽車的重量以及尺寸，從而能夠滿足1978年制定的國際汽車製造廠平均油耗要求。

當時減少汽車重量以及大小主要是通過將車身非承載部分改造成可以承載的結構，從而能夠讓空間重複利用，降低尺寸。

在汽車重量減少方面，主要是通過減少發動機的體積來實現，比如說將六缸或者是八缸的發動機由四缸發動機來替代，這些設計上的改進讓當時美國汽車的平均重量，由1976年的一千八百三十九千克減少到了1986年的一千三百八十五千克。

但是隨著汽車功能性的不斷增加以及多樣化發展，汽車平均的尺寸和重量又不可逆的開始增加。

主要原因還是因為當時汽車不僅變成了人們的出行工具，人們對於汽車運行過程當中的安全性以及娛樂性提出了更高的要求，一些安全裝置以及遊戲音響裝置極大的增加了汽車的重量。

並且因為美國消費者實用性消費觀的興起，人們更加傾向於採購一些尺寸較大、排量更高的大汽車類型，所以當時汽車整體平均重量急劇增加。

但是，隨著2007年全球油價的不斷上漲以及人們環保意識的提高，人們對於汽車輕量化的需求又變得越來越高。

因此，無論是從物理技術角度還是從消費者需求角度，汽車輕量化發展趨勢已然成了一個必然結果。

鋁合金被應用在汽車輕量化生產中的必要性

綜上所述可以看出針汽車重量以及尺寸的改變，主要通過對於汽車製造材料的選擇上入手。

因為汽車功能化以及多樣化的發展趨勢是不可逆的，不能夠為了減少汽車自身的重量而去減少汽車目前的功能，而從材料選擇方面入手可以以最低的成本和最快的速度實現汽車的輕量化製造目標。

提到汽車材料，在20世紀70年代以前，汽車工業主要使用低碳鋼以及鑄鐵作為重大負重零件的原料。

如今汽車行業當中製造車身主體使用的材料還是低碳鋼和高強度鋼，儘管目前低碳鋼的地位正在被被其他的複合材料所取代。

但是作為鋼這種製造材料來講，其被應用在汽車製造工業當中的頻率和佔比仍然是比較高的。

所以，為了汽車輕量化製造有較高的突破，必須研究探討多種用來替代鋼的金屬物質以及複合材料。

比如說通過鋁合金、鎂合金以及其他聚合物、複合材料等等。鋁的特點優勢是比鋼輕，同時其強度跟硬度能夠滿足汽車運行的需求。

但是由於這種鋁合金材料生產工藝比較的複雜，所以從生產價格方面要比較貴，尤其在大量使用的場景當中，無疑會為汽車製造企業帶來巨大的成本。

所以其材料的使用往往聚焦於很多的概念車當中，難以被大規模的量化生產。

鋁合金在輕量化汽車製造中的優勢與不足分析

• 鋁合金單位密度低

綜上所述，鋁合金被應用在汽車當中是得天獨厚的。首先其密度相對鋼來講比較低。低密度就意味著單位體積的低重量。

同時鋁合金的材料性質讓其具有更高的碰撞能量吸收率。鋁合金因為其導熱性能較好還常被應用在一些散熱器和熱交換器當中，所以其散熱效率較高，非常適合被應用在汽車散熱部件的生產和製造過程當中。

• 鋁合金強度等級多樣化

通常製造鋁合金可以通過鑄造的方式和鍛造的方式，其中鑄造鋁合金被應用的更加廣泛。

因為鑄造鋁合金當中硅元素的含量比較多，而硅元素對於提高鋁合金鑄造時鋁元素的流動性具有很強的推動作用。

所以鑄造鋁合金可以結合不同的技術以及溫度條件進行鑄造，從而獲得不同的強度，並用在不同強度要求的汽車配件中。

• 鋁合金的復用性強

鋁合金根據其性質通常被應用在汽車的車身結構以及各種部件主體結構當中，比如說汽車的前置蓋以及後備箱、車蓋以及車身部位等等。

這些部位比較常用的鋁合金通常是鋁鎂合金以及鋁鎂硅合金。比如說鋁鎂合金，屬於非熱處理型的鋁合金。

而鋁鎂硅合金可以進行熱處理，所以鋁鎂合金其成型性比較好，但在壓制過程當中，過大的應力會對其表面產生較大的劃痕，所以不太適合被應用在車身外的部位當中。

而鋁鎂硅合金既可以作為車身外的製作材料，也可以用作車身內部的製作材料。

比如說，許多汽車製造廠將鋁鎂硅合金用來製作車身外的主體框架，同時很多的車輛內部的衝壓件、擠壓件以及各種鑄件也是由鋁鎂硅合金來製造完成的。

• 鋁合金韌性強、壓制難度低

在應用上，鋁合金有很多的性能是鋼材料比不了的，比如說鋁合金的彈性程度相對比較的高，其彎曲的性能以及韌度要明顯優於鋼材，因此其衝撞的緩和性要好。

同時鋁合金的可成型性比較的高，因此在生產製造工藝當中一些彎曲、卷邊等工藝，很容易讓鋁合金能夠成型，其生產的難度相對來講比較的低。

但是鋁合金的確存在一些劣勢，導致其在生產過程當中不能夠大規模應用。

首先就是鋁合金的生產成本要比鋼高兩到四倍左右，同時生產加工鋁合金的過程中需要大量的壓制設備以及表面光滑度要求更高的模具，在整體的生產成本過程當中要高於鋼很多。

但是考慮到鋁合金可以進行回收和循環利用，所以用於汽車當中的鋁合金材料可以進行回收加工，這樣可以降低整體的生產成本。

所以在成本的選擇上，車輛製造行業要根據整體的汽車生產供應鏈效率來去衡量鋁合金的使用成本。

另外，在鋁合金的鏈接焊接上，由於鋁合金的電阻係數比較的低，所以鋁合金進行焊接過程當中，其需要耗費的電量相對更高。

同時鋁合金由於其導熱性能更好，所以在生產過程當中，能量的損耗更高，其需要的能耗資源會高於鋼鐵。

最後，由於鋁的耐腐蝕性能不如鋼材，在生產過程當中以及電離的環境當中，很容易在其表面生成氧化膜，為後續的噴漆工藝和點焊工藝增加工作難度，所以對於鋁合金材料的保存以及運輸成本相對較高。

但是隨著技術的不斷進步以及鋁合金生產工藝的成熟，制約鋁合金成本的卡點最終會不斷弱化。

參考文獻：

《鋁合金汽車輕量化與焊接技術探究》

《汽車鋁合金材料的防腐蝕性能探究》

《車身輕量化-鋁合金材料應用可行性分析》

《鋁合金材料在汽車輕量化中的應用分析》