全铝车身的研究发展

    从80年代末，世界上欧、美、日等很多汽车生产厂家与铝业公司合作就加强了对铝制汽车车身的研究，并取得了令人鼓舞的成就。1995年德国奥迪公司首先开始批量生产铝制车身，把车身用铝的研究推向了高潮，铝合金在整车使用材料中的比例逐年提高。1990-1998这8年间，北美汽车工业的用铝量增长了102%，图1是一种典型的美国轿车所用材料近几年变化的情况。

    1.汽车车身轻量化的重要性

    环保是汽车发展的三大课题(环保、能源、安全)之一，通过近几年的研究，汽车用铝的环保价值受到人们的重视。由于汽车制造大量采用铝合金使汽车总质量减轻，从而降低了燃油的消耗；由于油耗低、质量轻、汽车的废气排放就少，污染程度就下降；废旧汽车的回收率高，铝质汽车零件基本上都可回收；回收再生所需要能源少，并且铝可以多次循环再生，对其性能来讲没有多大变化。对于两个特定的车身覆盖件采用铝板后与采用钢板的对比结果列入表1。

表1 轻量化实例

    有专家预测，到2000年每辆轿车用铝量可达130kg。轿车车身质量约占整车的50%，所以车身是轻量化设计的关键部件，车身轻量化可使发动机负荷相应减轻，底盘部件的受力也会减轻，整车性能将表现更好。

    燃料经济性是汽车的重要指标，节省燃油既是能源问题，又是环保问题，尤其是还与广大汽车用户的燃油费支出有直接关系。有专家说，每减轻45kg汽车自身质量，1L汽油能增加6km的行程；还有另一种计算方法，车身每减轻100kg，每百公里可节省燃油0.4-1.0L。对汽车本身来说，大约70%的油耗是用在车身质量上的，这就说明汽车车身轻量化对整车燃料经济性是至关重要的。

    2.车身用铝的研究成果及应用

    日本住友轻金属工业公司与美国雷诺尔兹铝制品公司共同开发出一种代号为SG112-T4A的车身铝合金板材，硬度比普通铝板高1.5倍，同时也具有良好的冲压加工性。此种材料在冲压加工时较软便于拉延，而通过涂装即热处理后，硬度提高近1倍(表2)。

表2 SG112-T4A铝板与普通铝板硬度比较

    虽然SG112-T4A的板材价格是钢板的2倍，但质量可减轻50%，并且点焊工作量也减少30%以上，是一种很理想的车身用铝板。

    汽车用铝在日本已经制定了JISH4000标准，从1000到7000进行了分类，用于汽车的铝合金，包括热处理型6000系列和非热处理型5000系列，其中5038和5183是汽车车身最常用的型号。表3列出日本的铝合金分类和特性，表4是主要铝合金板的机械性能及其与冷轧钢板的比较。

    德国汽车车身用铝已经规范化，应用实例见表5。

表3 铝合金的种类和特性

表4 主要铝合金板的机械性能

表5 德国汽车车身用铝实例

    奥迪公司在1995年首先批量生产的Audi A8型轿车是使用铝质材料制造汽车车身的最具代表性的成功之作。由铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框架，称为ASF(Aluminum Space Frame)。这种梁有直的也有弯曲的，梁的壁厚比相同尺寸的钢要增加0.7-0.8倍。

    空间框架的联接是由真空压铸铝件完成的。这种铝铸件要求强度高，多用在应力集中的节点处，主要的承载部位通过一种称做MIG的焊接方法联接。这种压铸铝接头件的高强度是通过优化结构和增加壁厚来达到的。铸件能够做成很复杂的形状来满足结构需要，并保证这种车身节点有最佳的刚度。

    车身外覆盖件是由铝合金板冲压加工制造，铝板的厚度比钢板要增加0.2-0.25倍，有的覆盖件的加强板也采用了挤压铝型材。

    覆盖件与骨架的联接是通过冲压铆钉铆接完成的，铆接的强度比点焊高30%，在所有的联接中铆接占68%，其它的联接方法有焊接、钩钳等。

    铝挤压型材、铝真空压铸件及铝合金板是Audi A8铝车身的三种基本元素。由于采用轻金属铝，使车身质量减轻40%。铝空间框架的设计使车身的静态扭转刚度提高40%。

    由于铝材的吸能性好，在碰撞中的安全性有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱折，能吸收大量的冲击力，从而保护了后面的乘坐区。除了板材的吸能性外，又由于车身质量的减轻，在碰撞时产生的动能也会减小，也能相应降低冲击力。在以56km/h的速度进行碰撞测试时车门仍能开启。

    德国联合铝业公司(VAN)开发出一种超轻质的波状夹层结构的铝材，外层是铝合金薄板，中间为铝油制成波状，用强力胶把三层粘起来，三层的板厚分别是0.8、0.2、0.5中间层铝油的波距为8.4mm，波高为4.2mm。

    德国的卡曼(Karmann)公司研究出一种也是夹层铝板，但外层是铝板冲压加工成需要的形状，中间再充填粉未状铝，铝末在受到高温时就膨胀成泡沫状，与外层铝板一起固化成型。其工艺特点是板件的成型在高温发泡之前。这种方法加工的车身板件刚度提高10倍，而质量减轻50%。

    世界各主要汽车制造厂在近几年中都有铝制车身的概念车或批量生产的车型问世，实例见表6。

表6 全铝车身开发实例

    3.目前车身用铝存在的问题

    近几年虽然车身用铝有了很大的发展，也有一些批量生产、大量生产的车型推向了市场，但是还存在不少问题。

    a.成型性还需继续改善。铝合金板材的局部拉延性不好，容易产生裂纹。如发动机罩内板因为形状比较复杂，为了提高其拉延变形性能采用高楼铝合金，延伸率已超过30%，但还是比钢差，所以在结构设计时要尽可能地保证形状不突变，让材料容易流动以避免拉裂。

    b.尺寸精度不容易掌握，回弹难以控制，在形状设计时要尽可能采用回弹少的形状。

    c.因为铝比钢软，在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因使零件表面产生碰伤、划伤等缺陷，所以要对模具的清洁、设备的清洁、环境的粉尘、空气污染等方面采取措施，确保零件的完好。

    d.不能象钢板那样还采用磁力搬运和传递，要设计新的方案。