轻量化在东风商用车上的应用

轻量化在东风商用车上的应用

在尽管汽车工业的快速发展之后，中国的汽车产量达到创纪录的16182.47万辆，增长了32.44%。然而我们将面临着汽车保有量高速增长衍生的诸多问题,如燃油缺乏、城市拥堵、环境污染等等。其中与汽车用户最直接相关的就是燃油短缺问题。目前我国机动车燃油消耗已超过全国石油消耗的1/3,仅用了3年时间,我国石油进口从1亿吨跃升到2亿吨,石油进口依存度已达55.14%。而汽车轻量化是解决这一问题的有效途径之一。因而在“低碳绿色、节能减排、和谐发展”的国家政策法规的驱动下,国内各汽车制造企业在寻找新能源的同时,汽车轻量化成为重要的研发目标。汽车轻量化是通过新材料及新工艺的应用、汽车结构优化等手段,在确保满足安全、可靠、舒适等综合性能指标前提下,最大限度地降低整车重量,以期降低燃油消耗、获得更高的载质量利用系数,为用户提供经济性良好的交通工具。而轻金属材料铝和镁具有低密度、低能耗、可回收性好、比强度高等优点,其应用领域正从简单壳体汽车零件逐步延伸到承载的复杂结构零件,从而在汽车轻量化过程中扮演了重要角色。在四十余载发展过程中,东风汽车公司不断为用户提供了各种经济舒适的汽车产品:其商用车始终以燃油经济性、较高的载质量利用系数著称;而新兴的乘用车产品同样以品质及经济性满足用户需求。“汽车轻量化,提高产品经济性”始终是东风汽车追求的目标之一。正是如此,轻质金属铝和镁新材料在东风汽车上的大量应用发挥了重要作用。1东风商用车的采用铝和镁1.1铝合金零件及尺寸铝合金在东风商用车早期产品中的应用仅局限于活塞、简单壳体零件(如制动阀、端盖等)及管类零件,且以铸造铝合金用材为主,总体用量不足20kg。进入21世纪后,随着重、中、轻型商用车产品的快速更新和发展,东风不断汲取国外先进制造技术和用材理念,铝合金材料在商用车上的应用范围不断扩大,其应用领域从最初的简单零件向复杂结构零件过渡,在汽车动力总成部件、车身部件、底盘部件中大量应用,铝合金材料从单一的铸造铝合金扩展到变形铝合金等多元化用材。其中主要应用的铸造铝合金材料有ZL101、ZL106、AS10G、YL112、ADC12、AS9U3、A380等,所应用的变形铝合金材料有5A03、5052、2A11、3003、6061等牌号。目前在东风商用车上应用的主要铝合金零件如表1所示。其中尤以新动力dCi11发动机(见图1)所应用的铝合金件为典型代表,其铝合金应用达到国外同类产品先进水平。图2为近年开发应用的其他铝合金商用车零件。使用锻造铝合金车轮的高端东风天龙重型商用车,铝合金用量达到360kg以上,可与国外品牌媲美。同时东风轻型商用车除康明斯动力系统应用铝合金零部件外,近年来开发应用了铝合金车厢、全铝变速箱箱体、铝合金挡泥板支架、备胎架等零部件(如图3所示),使整车重量减轻165kg。在东风品牌乘用车方面,自首辆合资品牌的神龙富康乘用车诞生之际,铝合金材料应用就随着车型的引入而步入批量应用阶段。目前在合资品牌中,东风标致雪铁龙、东风日产、东风本田、东风悦达起亚乘用车各车型铝合金用材水平基本实现与国外同类车型同步。而东风新事业自主品牌乘用车更是以轻金属应用高起点走入市场,旗下车型在发动机系、传动系、底盘行走系、车身系等总成部件中广泛采用铸造铝合金及变形铝合金材料,其零件成形工艺有铝合金金属型重力铸造、高压压铸、旋压、冲压、焊接等多种工艺。表2列出上述东风品牌乘用车所应用的主要铝合金零件及重量。图4为东风旗下乘用车品牌典型铝合金零件。东风旗下的乘用车整车铝合金用量平均已超过100kg,铸造铝合金零件以AlSi系材料为主,旋压、冲压成形零件采用了5000系、2000系变形铝合金材料。1.2镁合金车载零件东风汽车公司从“九五”时期开始涉入镁合金材料应用领域,经过镁合金初期探索应用阶段、快速发展应用阶段,现进入理性开发应用时期。截止目前已开发应用镁合金助力器隔板、踏步、气阀体、转向柱支架、气缸盖罩、变速箱上盖、前端齿轮室等15种镁合金商用车零件以及镁合金方向盘芯骨、平衡杆、气室罩盖、油底壳等5种乘用车零件(见表3),其用材主要为AZ91D、AM60B、AM50、AZ31及AZ91DRE镁合金,主要成形工艺有压铸、金属型重力铸造、精密铸造等。如图5所示,在所开发的镁合金部品中单品最重镁件为金属型重力铸造EQ6102进气歧管(4.5kg);在商用车应用量最大的镁件为压铸153系列车身踏步(16万余件/年);当前大批量应用的商用车镁合金件为新动力系统EQ4H的气缸盖罩(2.2kg,3万件/年)。在乘用车上应用量最大的镁合金件为方向盘芯骨(560~720g,45万件/年)。2单车用铝量量分析尽管东风汽车在铝和镁轻质金属材料的应用领域里取得了长足进步,但面对愈来愈严格的国家排放法规要求和低碳环保的政策导向,甚至还有在激烈市场竞争背景下用户对节油、高效运输的汽车产品的迫切需求,东风汽车的轻量化工作仍很艰巨。同时和国外同类汽车产品的对比中,轻质金属材料铝和镁的应用还存在一定的差距,其主要表现在以下两个方面:1)在东风低端经济车型中轻质金属材料单车用量较少、占整车重量比例较低。2009年北美和日本轻型商用车单车用铝量分别达到了148kg和115kg,约占整车总重的8%~10%;而中低端东风轻型商用车单车平均用铝量约60kg,约占整车总质量的3.5%。图6为北美轻型车2010~2015年单车铝合金平均用量趋势。受轻质金属材料价格成本因素制约,东风轻型商用车的轻金属用量总和预计仍徘徊在100kg左右。同样在普通东风重型商用车中,单车轻质金属用量约为160kg(以DFL1311A为例),约占整车总重量的1.33%。与VOLVOFE牵引车对比,东风重型商用车整车自重还有很大的改善空间。而在东风旗下的低端乘用车车型中,铝和镁用量仅为国外20世纪90年代水平,单车用量约为60~90kg。2)在东风中高端车型中,铝和镁材料的应用受车型模式制约而影响创新;轻质金属材料在特种商用车(箱式列车、固体颗粒运输车)、客车的车厢和罐体等零部件上的应用还处于空白。东风自主品牌乘用车和高端商用车的轻量化工作尚处于向国外品牌的学习阶段,因此其轻质金属零件设计与应用还有很多工作要做。此外,出于国内汽车价格竞争因素影响,诸如仪表板、座椅骨架等大型镁合金件在东风车上的应用仍需时日。而在箱式列车、固体颗粒运输车(要求有较高的载质量利用系数)等特种商用车上,与国外产品差距较大,图7为国外特种商用车铝合金车厢及铝合金罐体,目前东风尚无类似产品。东风客车产品中轻质金属车体框架尚处于研发阶段,而国外及国内部分高端客车已完成了轻质车体框架的开发与批量应用。3铝合金汽车零件在未来的东风商用车产品中,以提高载质量利用系数为目标的轻质铝合金零部件开发应用工作将在特种商用车、客车上展开。东风新型客车将采用2000系、5000系、6000系各类铝合金挤压型材、板材,在保证安全、舒适的前提下,极大地降低自重,为长途客运提供经济高效的交通运输产品。而特种商用车将根据客户需求采用5000系、6000系铝合金生产车厢体框架和罐体、锻造铝合金车轮,从而有效提高装载质量。而在轻型商用车高端产品中开发应用铝合金变截面车架(见图8),设计和开发出与国外同类的轻量化产品以适应国外用户的需求。对于东风乘用车产品尤其是在自主品牌产品中将进一步提高铝合金零部件的应用水平,在未来新车型中推广铝合金缸体、车轮、锻造和真空压铸承载结构零件、铝合金发动机舱盖板等零部件的应用。此外,东风将开展半固态铝合金和泡沫铝合金等新材料在汽车零部件上应用研究工作。受镁合金价格波动及现有镁合金材料性能(如疲劳性能、高速冲击性能及高温蠕变)制约,该材料在东风商用车上的应用仍集中于壳体类零件,但在未来,发展趋势会越来越向大型零件过渡(如柴油发动机气缸罩盖、驾驶员座椅骨架、客车方向盘芯骨等)。未来镁合金在东风乘用车上的应用重心在于拓展镁合金零件的应用比例,其中对于镁合金仪表板、转向柱及其支架、发动机进气歧管、座椅总成、车门内饰板、变速箱体等零件进行重点开发应用。同时,东风将开展镁合金板材及型材在汽车车身零部件上的应用研究。4汽车轻量化进程随着国际油价