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铝在汽车制造中的应用范围正不断地增长

作者:泡沫消防车-水罐消防车-消防车价格-高空作业车-消防洒水车-湖北江南专用特种汽车公司 浏览次数:1955 发布时间:2012-02-03 10:36:53
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铝在汽车制造中的应用范围正不断地增长 为减轻重量,铝在汽车制造中的应用范围正不断地增长。除结构件、行走机构和发动机属件之外,铝在外覆件范围也获得重要的应用。比塑料更具吸能性并同时可再塑特性,这就给予铝在未来提供更加好的机会。即便铝的成本明显高于钢板,而且加工工艺更为复杂,但也阻挡不了这种趋势的发展..
       铝在汽车制造中的应用范围正不断地增长
   
     为减轻重量,铝在汽车制造中的应用范围正不断地增长。除结构件、行走机构和发动机属件之外,铝在外覆件范围也获得重要的应用。比塑料更具吸能性并同时可再塑特性,这就给予铝在未来提供更加好的机会。即便铝的成本明显高于钢板,而且加工工艺更为复杂,但也阻挡不了这种趋势的发展。
  随着技术的发展,在汽车上铝除单独应用之外,还与诸如钢加以复合,制造三层复合Feran(铝—钢—铝),用于消声器设备、热保护装置、气缸盖密封等以及其它保护汽车不受发动机和废气设备热量影响的零部件。铝与优质钢的复合,通过一种控制很精密的辊压方法保持大约30%的变形性能,从而达到可成形性的高要求。这种材料用在诸如汽车在保持优质钢精美条件下而又要求减重的那些地方。还有一种所谓铝涂覆法(Aluminal-Verfaren),就是对钢件涂敷铝。这是一种有利于环境保护的选用方法。这种水溶性电镀工艺,是用铝或者铝合金进行表面涂覆。涂层厚在5μ以上,无气隙,具有突出的可成形性,而且提供极端使用条件下好的防锈保护能力。除此之外,一种面世不久的铝一木质夹层复合板(AluWood)越来越频繁地用到商用车车身上。AluWood,是一种具有可维修性和具良好回收能力的木质芯其两面贴以铝薄板的复合板,外层是仅0.4mm(包括很薄的涂漆)。这种AluWood以各种不同的厚度供货。AluWood与目前常用的Plywood(胶合板)的结构与特性比较见表1。可以看出,Alufod@较之Plywood性能良好
 铝合金的耐腐蚀性能突出。由于具有这种性能,故能降低维修成本,并让二手车的价值得以提高。铝制件很少要求表面处理(如果不是出于美学考虑的话),但是必须以传统的清洗流程以及采用专门的铝用清洗品或者清洗剂作为前提条件。首先是不能破坏金属表面上的氧化层,避免局部脏污和积水。在维修方法上,利用焊接、加热和弯曲等传统的工艺方法都可行。重要的是,应该控制在特别应力范围内对凸缘的热影响,避免或者限制超过合金的延展性能。铝的弹性模量比钢板低,而导热和导电能力却是钢的3倍,这在修理中造成额外的难度。焊接位置的强度却比钢低一半,因此提高其粘接技术具有重要的意义。目前用铝作为外覆件的制造商Audi(A2和A8为180%),BMW,Jaguar,M-B,Peugeot,Porsche,Renault和Volkswagen,在开发过程中除利用激光和MIG混合焊接工艺之外也采用一种新的连接技术,这可能实现更快的生产周期,但目前还不能用于修理之中。
铝在保险杠上应用在现代汽车上,一系列的结构元件在防撞方面起着关键的作用。其中,首先包括前后保险杠横梁,以及在汽车前部所谓的防撞箱形结构。这些结构件应能在强烈负荷下塑性变形,并由此而吸收能量。重要的是,所需力与经过整个变形行程的能量吸收尽可能平衡。
 由于汽车制造商仍然把减重置于优先考虑地位,所以相应的结构件应该尽可能轻。塑料不能提供所要求的性能因此原则上只能在两种具有良好变形性的金属之间进行选择。即要么选择钢利料,要么选择与钢具有可比性的“新手”—铝。


(1)结构件好变形下的防撞 纯理论上看,虽然一种具有大约50kJ/kg吸能能力的优质奥氏体不锈钢明显优于仅20kJ/kg的铝合金7108,但在碰撞实践中发生的情况却完全是另一回事。重要的是,一个结构件的变形或不变形,不应该是局限在一个小小的范围,而应该尽可能地包含在结构件的整个体积。

 安全件:发生事故时,保险杠横梁以及防撞箱形结构在强烈的负荷下发生塑性变形,并吸收能量
 (2)结构强度起决定性作用 按类似方式,必须确保保险杠横舞这种起支承作用的结构件不会提早被局部压陷。除材质之外,几何形状(结牲强度)也起着决定性作用。在同一种箱形梁结构的情况下,壁厚同断面宽度之比是关键的,如果这比例超过1:24,那么这根支承梁太细小,会提早被压陷。然而为了满足其它功能,保险杠横截面不允许选择的任意地小。
(3)箱形断面的优点 为使材料得到合理利用必须设计出适当的几何形状,以使在横截面的任伺一个位置上的实际负荷尽可能地一样大,壁厚和几何形状必须做相应变化。对于这种结构件的设计方案,型材相对于板成形件给予设计者提供了更多的附加自由度。对于每一种型材,都存在依据其功能而设计出原始几何形状多种可能性。此外,设计者也能依据下面的变形操作合理设计出来,例如通过改变壁厚(可以加厚角部位置)。这在板材或者管材上是不可行的,或者即便可行也只会耗费过大。
 (4)铝更显著吸收能量 在充分考虑了结构强度的设计之后,即使铝质防撞元件的重量轻,它却能比钢质防撞元件吸收更大的能量。例如在计算机检测试验表明,VWGolf的铝质防撞方案的吸能效果比钢方案提高5%,而且在重量上轻32%。这就是为什么铝质防撞元件布置在汽车前部和尾部范围的另一个重要理由。

(5)成本上对铝不利 铝的大不利条件是其材料价格高,大约是钢的4倍。因此,制造商已经对先进的高效制造技术进行了巨大投资。目前,有一种在欧洲的挤压设备,其压力为65mn(0500吨),用来加工作为防碰撞元件的高强度(7000)铝合金。其它处理(热处理、变形、机械加工以及后调整所要求的组织状态都是通过一种封闭的设备即在某种程度上的全自动压力传输线或者加工中心上完成。大量的机械手搬运零件,后包装发送
这种与自动化相联系的成本优点,向企业展示出另一种市场环节。所以,这种方法的附加自由度,给予设计者开辟了将附加功能与元件相结合的机会,使能够在后续加工过程中节约成本。
; 铝作为汽车或半挂车底盘材料的应用铝在汽车上的应用没有任何问题,即便用作夹层结构的车身覆板,或者用作一种箱式车身结构的车身拦板,或者甚至用作白卸车马槽,也都至少没有问题。然而,铝是否能作为底盘材料?专家们正越来越关注铝材料及其在汽车底盘上应用。
 (1)组织结构; 在制造一种有效能的铝质底盘的基本准则,是其静力学特性、动力学特性和耐冲击性。在结构应用方面,铝和钢的不同首先在于弹性性能。因此,为相同刚性而设计的元件并不具备相同的外部形状。一般而言,铝质元件具有比较高的强度,即比较低的利用系数和更好的吸能性能。铝结构的使用寿命与相应的负荷周期数以及随之出现的自身局部应力有关。在同整个或者局部结构或者结构元件组合中,底盘的实际应用是关键。在疲劳强度方面,对于一种坚实结构应当注意通过避免负荷集中、通过平缓过渡和在无负荷范围的连接以及良好的处理和后处理来减小负荷的规模。使用寿命强烈地取决于良好的加工处理,尤其是涉及到焊接工作和后处理(对各种不同结构的负荷分析以及连接实例都表明悍榕过程对于结构性能具有不利的影响)。零件位置、结合点等,者惧有重要的意义。
(2)结构设计准则 在计算半挂车底盘结构时应用两个静力学准则——强度和刚度按强度准则设定尺寸时,作为计算基础的特性性能是材料的屈服点(σO.2)。只要负荷是在σO.2之下,那么材料就会发生弹性变形,而且在负荷结束之后就回复原位。实际应用中,采用的是一个安全系数“S”(>1),必须注意σ从未高出σ0.2/S。 
在按刚度准则设定尺寸时,作为计算基础的性能是材料的弹性模量(E-Modul)。另一种性能称为惯性矩“I”,它专用于一种型材的横截面。“E*I”被看作是刚度。
; 是选用强度或是刚度?在制造一种钢结构时,设计师往往应用材料的强度,然后检验弯曲是不是保持在要求范围之内。在设计一种铝合金结构时,则往往先按刚度准则,然后来检验强度。
; (3)钢和铝之间的性能比较 铝合金的密度(ρ)、屈服点σO-2和σ弹性模量(E),通常低于钢合金。但是,在铝合金中屈服点与密度之比(σ0.2/ρ)和屈服点与弹性模量之比(σ0.2/E)却大于钢材料:
结果是,铝合金结构轻于钢合金结构,对于相同刚度的结构(例如半挂车),铝合金结构抵抗因静力过载而引起断裂的能力高于一种钢结构。
铝型材的惯性矩是钢型材的3倍。这易于获得轻的结构。但由于铝结构比钢结构轻,所以铝结构必然要高一些。图解表示出设计成同样弯曲的不同车架纵梁的情况,其重量是很不一样的。在实际应用中,用于半挂车的铝纵梁往往比钢质纵梁高30%,然而却达到大约50%的减重效果。
 更高的铝车架纵梁,其缺点必须通过在地板设计上富于独创性的解决方案来加以补偿,以此创造出一个充足的装载面。如果在相同高度情况下,也许继续开发铝挤压技术能够进一步减轻重量。这种技术能够制造更加复杂的形状,并通过将质量尽可能设置得远离重心位置,从而使惯性矩得以优化。
 (4)半挂车底盘铝初加工材料 在对钢和铝加以比较并分析了强度和钢度准则之后,下面将讨论制造半挂车底盘的初加工材料——铝挤压型材。
 制造商在设计一种底盘的时候,必须思考怎样将诸如挤压型材这样的初加工材料进行切割、翻边、弯曲以及应如何将之焊接一起的方法。一位主任汽车设计师说,“理想的初加工材料想必应是一种具有一个整体车架纵梁截面形状的挤压型材。
 今天,用于制造铝质底盘车架纵梁件见铝解决方案,有下面三种情况:1)单体大型挤压型材2)2个挤压型材(一大一小);3)2个小型挤压型材和1块板。 种方案提供的优点,是大限度地简化了制造。但是,型材的截面贯穿纵梁的整个长度范围都是不变的。而半挂车底盘上半挂连接器范围必须降低高度,因此这种解决方案只适用于有限数量的汽车型式。第二种方案可消除这个问题。上面的大型材可以切回到半挂牵引器平面上必要的高度,而将下面的型材弯曲,以便能符合曲线的变化。然后进行一次焊接。然而这种方案不能对上面的型材加以弯曲。第三种方案可以实现这一点。将板按必要的形状剪切,上下型材按要求作相应的弯曲,需要进行2处焊接。
对上述三种方案的选择,取决于半挂牵引车的型式以及制造商的优先选用权; 除典型的解决方案之外,近又有两种新的方案浮现水面,但目前尚不知其任何细节。据说,底盘车架将地板联成一体。半挂车底盘的地板代替了上面型材。底盘为螺栓连接,是一种无焊接的基型产品

(5)挤压和热轧方法 铝具有在整个金属加工业中唯一能成形多种挤压型材的能力,没有任何其它金属能以如此多的不同几何形状按挤压方法进行大批量生产。这个优点主要在于铝在低于500℃的温度下具有良好的成型性能。今天,我们能得到的型材,其横截面长轴线达到715mm。
 诸如铝板这样的轧制品,其原材料是一种厚度大约200-600mm重约500-20000kg的矩形粗轧铝锭。热轧过程开始时,铝锭的温度通常为450-550℃,然后由于在轧辊之间使用了冷却剂而使温度降低了伯100-150℃。视尺寸和合金而定,铝锭轧制10-25次,以达到终薄板厚度。</DIV>
 挤压型材,主要使用AA6xxx系合金。这种合金含0.4-1.2%镁和硅添加剂,有时侯还加少量的铜、铬或者锰。在140-150℃温度下它们被人工时效(硬化),具有良好的防蚀和易于焊接的性能。而轧制品一般使用AA5xxx系列合金
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