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17
2023
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07
铝合金在厢式货车上的应用研究
1 前言
我国汽车轻量化的起步不足10年，技术和应用程度都落后于德美日等发达国家。但随着新能源汽车的发展，材料轻量化日益进步。借助新能源汽车崛起契机，我国汽车轻量化技术对发达国家呈现赶超之势。
我国轻量化材料市场广阔。一方面，对比国外发达国家，我国的轻量化技术起步晚，整车整备质量更大，以国外的轻量化材料占比作为标杆，我国发展的空间还很大；另一方面，受益于政策的驱动，我国新能源汽车行业的快速发展将带动轻量化的需求，促使车企往轻量化方向前进。
排放、油耗标准提高，倒逼汽车行业轻量化加速。我国在2020年全面实行国 VI 排放标准；根据《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》和《节能与新能源汽车技术路线图》所规定的5.0 L/km油耗标准，在目前发动机技术尚难实现本质性突破、减排空间有限的情况下，采取汽车零部件轻量化的措施可以有效地降低车辆排放及油耗，新能源车轻量化已成为行业发展的重要路径。
2016年，中国汽车工程学会发布了节能与新能源汽车技术路线图，根据该路线图对2020-2030年新能源车能耗、续航里程以及制造材料等因素的规划，轻量化将是未来新能源汽车发展的重点方向。轻量化可提高续航里程，解决新能源车“里程焦虑”。续航要求提升，汽车轻量化迫在眉睫，新能源车近年来销量增长明显。根据积分制与《汽车产业中长期规划》的要求，预计到2025年我国新能源车销量将超过600万辆，年复合增速超过38%。
2 铝合金结构特点及其应用
2.1 铝合金特点
材料铝的密度是钢的1/3，质量更轻，具有较高的比强度、很好的挤压性、很强的耐腐蚀性和高可回收性。其特点是以镁为主，耐热性能好，焊接性能好，疲劳强度好，不可热处理强化，能冷加工提高强度；6系特点是以 镁和硅为主，Mg2Si为主要强化相，目前应用最广泛的合金以6063、6061、6005A最多；5052铝板为AL-Mg系合金铝板，镁是5052合金铝板中主要的合金元素，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度高，具有抗疲劳强 度高，塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好的特点，主要用于边板皮、顶盖皮及门板皮等部件；6063铝合金是AL-Mg-Si系中具有中等强度的可热处理强化合金，Mg和Si是主要合金元素，是一种可热处理的强化铝合金型材，主要用在立柱、边板等结构件承载强度铝板的基本特性。铝合金合金牌号简介如表1所示。
2.2 挤压是铝合金重要的成形方法
铝合金挤压成形是一种热加工成形方法，并且整个生产过程铝合金均处于三向压应力状态下成形。整个生产过程可描述成如下：a. 把铝及其他合金熔炼铸造成所需要的铝合金铸棒；b. 把预热后的铸棒放进挤压设备内进行挤压，铝合金坯料在主缸挤压作用下，通过模具的型腔成为所需的型材；c. 为了提高铝型材的力学性能，在挤压过程或挤压后进行固溶处理，随后再进行时效处理，时效处理后的力学性能根据不同的材料及时效制度各异。厢车型材热处理状态如表2所示。
铝合金挤压产品较其他成形方式，具备以下的特点：
a. 在挤压过程中，被挤压金属在变形区内获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，因此可充分发挥被加工金属的塑性，可用于加工轧制锻造无法加工的难变形金属，同时可用于制作各种空心或实心的复杂截面构件。
b. 由于铝型材几何截面可变，因而其构件的刚度高，可提高车身的刚性，降低其 NVH 特性，提高车辆动态控制特性。
c. 具有挤压效益的产品，在淬火时效后，纵向强度性能（R.，Raz），远比其他方法加工的同类产品要高。
d. 挤压后产品表面色泽好，耐腐蚀性能好，不需要做其他防腐性的表面处理。
e. 挤压加工灵活性大，工装模具成本低，设计变更费用低。
f. 同时由于铝型材截面可控制，可提高构件的功能集成程度，降低构件数量，同时设计不同截面还可实现焊接精确定位。
铝合金厢车用挤压铝型材与普碳钢的性能对比如表3所示。
厢式货车用铝合金型材下一步发展方向：进一步提高型材强度和提升挤压成形性能。厢车用铝合金新材料研究方向如图1所示。
3 铝合金厢车结构、强度分析与验证
3.1 铝合金厢式货车结构
厢式货车货柜主要组成：前板总成、左右边板总成、后门侧门总成、底板总成、顶盖总成以及与二类底盘连接的U形螺栓、边护栏、后护栏、挡泥板等附件组成。厢体横梁、立柱、边梁、门板皮为铝合金挤压型材，底板、顶板为5052铝合金平板组成。铝合金厢式货车货柜结构如图2所示。
利用6系铝合金热挤压成形，可形成复杂空心断面的工艺特点，设计了复杂断面的铝型材，可节约材料，可满足产品的强度、刚度的要求，同时结构上可满足各零部件之间的互相连接要求。为此，全铝厢体主要梁设计结构及截面惯性矩I和抵抗矩W如图3所示。
从表4的主要数据比较可以看出，设计铝型材截面各项惯性矩和抵抗矩数据均优于相应铁制梁截面型材数据，刚度系数数据与相应铁制梁截面型材数据基本持平，均符合变形要求。
3.2 最大应力核算
选取关键受力部件横梁作为对象，对最大应力做核算。额定载荷为1.5 t，横梁采用6063-T6铝合金型材，机械性能如表5所示。梁受力可简化为悬臂梁结构，简化受力结构模型如图4所示。
取跨度344mm的横梁，按标准静载荷的3倍4.5t计算横梁承压F=3757 N。
q=F/L式中，q为横梁在荷载作用下的内应力，N/mm；F 为横梁承受的荷载，按标准静载荷的3倍 4.5 t计算；L 为横梁的长度，mm。
因此，内应力q为：
应力计算的公式如下：
最大力矩为：
取力矩绝对值M=274283 N•mm，取最大应力σ=M/（1.05×w）=18.78MPa，最大应力值σ<215 MPa，符合要求。
3.3 各零部件的连接特点
铝合金的焊接性能差，其焊接点强度为母材强度的60%，由于在铝合金表面覆盖一层Al2O3，Al2O3的熔点高，铝的熔点低，铝合金在焊接时，必须快速击碎铝合金表面Al2O3才能焊接，同时Al2O3的残渣会残留在铝合金的溶液中影响铝合金组织，使铝合金焊接点的强度减小，为此全铝货柜在设计时充分考虑其特点，焊接定位为主，主要承载件采用螺栓连接，铆接形式、卯榫结构连接方式连接如图5~图6所示。
全铝厢体主体结构采用直、横梁、立柱、边梁相互咬合连接结构，每根横梁与直之间有4个连接点，连接点采用齿形垫片与横梁齿形边啮合，有效防止滑动。8个角点的三根主要连接梁之间主要采用了钢芯插接，采用螺栓及自锁铆钉固定，在车厢内部在角点位置再增加5mm三角铝板焊接加固，车厢外部无焊接、无连接点外露，保证了车厢的整体外观。
3.4 采用SE同步工程技术
采用SE同步工程技术解决由于尺寸累积偏差大给厢体各部件匹配带来的麻烦，及间隙和平度不合格而且原因的查找又非常困难难题。运用CAE分析（见图7~图8），与铁制厢体作对比分析，校核厢体总体的强度、刚度，找出强度的薄弱环节，并针对薄弱环节采取措施，使设计方案更加优化、更加高效。
4 铝合金厢车轻量化效果
厢式货车货柜用铝合金替代钢材的部件除了货柜本体外，挡泥板、后防护、边护栏、门杠锁、门铰链、后裙边等均可以采用铝合金轻量化。铝合金代替传统的钢制造货柜，可使货厢减轻30%～40%。表6为内空4080mm×2300mm×2200mm货柜减重效果，从根本上解决传统铁制货柜厢体超重、与公告不符、存在法规风险等问题。
铝合金代替传统的钢铁制造汽车零部件，除了可得到优秀的轻量化效果外，还可以实现节油、降排、提高车辆性能的作用。目前关于汽车轻量化对节油说法多种多样，国际铝业协会的研究结果如图9所示。车辆油耗与整备质量间的比重每减小10%，可降低6%~8% 的油耗；依据国内的统计数据，大概每辆乘用车减重100kg，油耗降低0.4L/100km。而轻量化对节油贡献的数据是基于不同的研究方法而得到的结果，因此存在一定的差异，但汽车轻量化对降低燃油消耗量是有显著影响的。
对电动车而言、其轻量化效果更加明显。目前电动汽车的动力电池的单位比能量与传统汽车使用液态燃料的单位比能量差异较大。电动汽车的动力系统（包括电池）的重量往往占整车20%～30%，同时突破电池性能瓶颈是世界难题。在高性能电池技术没有重大突破前，新能源汽车轻量化是提高续航能力的有效途径，车重每减少100kg，电动车续航提升6%~11%（减重质量与续航里程的关系如图10所示）。纯电动汽车目前的续航能力不能满足大多数人的需求，但每减重一定质量，续航能力就能得到一定的提高，可缓解续航里程焦虑、提高用户体验。
5 结语
厢式车铝合金货柜除了本文介绍的铝合金型材焊接全铝结构外，还有铝蜂窝板、铝扣板、铝骨架+铝蒙皮以及铝合金和高强度钢板相结合的铁铝货柜等多种类型。它具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，且无需电泳面漆作防腐，减少了因电泳面漆对环境的影响。铝合金厢式车货柜从根本上解决了传统铁制货柜厢体超重、与公告不符、存在法规风险等问题。
挤压是铝合金重要的加工方式，铝型材具备较好的力学性能，因此部件的截面刚度较高。同时由于截面可变，铝合金可实现多部件功能的复合，是实现汽车轻量化较好的材料。但其广泛应用中存在铝合金货柜设计能力欠缺、成形及焊接问题、新产品开发时间及推广费用等瓶颈，最主要原因还是铝合金回收生态未成熟前铝合金成本比钢材高。
总之，铝合金在汽车上的应用范围将越来越广，使用量也日渐增加。在当前节能减排、汽车新能源行业发展潮流中，随着人们对铝合金性能了解的深入及对铝合金应用问题的有效解决，铝合金挤压材将会更加广泛地应用于汽车轻量化。
文章来源：全球铝合作伙伴
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