基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目（2022D01A50）；校企合作产教融合横向课题（2020xgyh182112）；校
企合作产教融合横向课题（2022xgyh22503）。
大众高尔夫7代作者简介：王科学（1970-），男，河南商丘市人，工程师，主要从事铝电解、炭素生产管理工作。收稿日期：2022-07-29
王科学1，王东波1，黄
勇2，孟庆玉2，张
丽2，董晓红2
（1.新疆神火碳素制品有限公司，昌吉回族自治州831502；2.新疆工程学院机电工程学院，乌鲁木齐830047）摘要：汽车轻量化的发展符合“双碳”目标的诉求，汽车减重将是未来大势所趋。分别从铝合金材料的特性、汽车轻量化的发展、铝合金材料对汽车轻量化的影响以及铝合金材料在汽车车身、底盘、发动机和轮毂的应用进行了概述，并针对铝合金材料加工难度大、成本高等问题提出发展措施，显现了
我国铝合金材料技术开发的紧迫性和必要性。关键词：汽车轻量化；铝合金；技术开发中图分类号：TG146.21
文献标识码：A
文章编号：1005-4898（2022）06-0003-04
doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2022.06.01
0前言
自2020年习近平总书记提出“双碳”目标以
来，各行各业力图通过科技进步、技术创新等手段助力“双碳”目标的达成，涌现出一批又一批的低碳科技成果。据公布数据显示，2021年全国汽车保有量为3.95亿辆，较2020年增长6.32%，其中新能源汽车仅为7844万辆，占总量的2.6%，因此降低汽车燃油消耗、减少汽车二氧化碳排放仍是汽车工业发展的重要研究方向。相关研究表明，汽车整车质量下降10%对应油耗将降低6%~8%、排放量降低4%~10%[1]。汽车轻量化是降低汽车燃油消耗以及二氧化碳排放量，助力“双碳”目标早日达成的一项重要举措[2]
。目前汽车轻量化主要从工艺轻
量化、材料轻质化以及结构合理化三个方向出发来达到为汽车减重的目的。本文从材料轻质化研究出发，对铝合金在汽车轻量化领域的应用进行介绍，为后续铝合金材料的发展提供参考。
1铝合金材料
1.1我国车用铝合金材料的研究
我国的铝合金车板已初具规模化生产，但研究
主要集中于5×××系与6×××系铝合金。5×××系铝合金以Mg 为主要添加元素，其合金强度主要取决于材料中Mg 添加量和通过加工硬化得到的形变强化程度，其比强度和成形性能好，是汽车用材料轻量化的首选[3]。6×××系铝合金以Mg 和Si 为主要添加元素，其中Mg 2Si 相和Q 相为主要强化相，有强度适中、成形性和耐蚀性好、易着等特性，能在固溶淬火处理后以低屈服强度的状态下供货，因此可用于强度和刚度要求较高的部位。中铝下属企业、南山铝业、南南铝、忠旺等企业纷纷加快6×××汽车板的开发、认证和产业化[4]。1.2国外车用铝合金材料的研究
自20世纪60年代开始西方发达国家就已经开始尝试利用铝合金材料实现汽车轻量化。全球汽车铝板产能主要分布在美国、德国、日本等国家，诺贝丽斯作为全球最大的铝轧制产品制造和回收利用企业，不断扩张汽车铝板的产能也从侧面验证了铝材在汽车轻量化领域的重要地位。据国际铝业协会统计数
据：2006年，欧美每辆轿车的铝合金平均用量为121kg，占整车质量的10%左右，2010年的用铝量为152kg，预计2025年将接近325kg [5]。目前国外多采用铝制材料实现汽车轻量化设计，如奥
迪A8、本田NSX、捷豹XJ等。
2汽车轻量化
汽车轻量化作为汽车产业重要发展方向，节能减排潜力巨大，其含义就是在满足汽车强度要求、保证汽车安全性能的前提下，通过各种方法使整车质量降低。同时由于整车重量与爬坡、滚动等方面阻力呈正相关，从而通过汽车减重降低阻力、提高动力，降低车辆燃油消耗，达到节能减排的目的。目前汽车轻量化主要研究方向大体如图1所示，主要从工艺、材料以及结构三个方向出发对传统车辆进行改造，以达到轻量化的目的。
汽车轻量化
采用轻质材料
借助轻量化工艺优化汽车结构
激光焊接液
压
成
形
铝
合
金
高
强
度
钢
镁
合
金
钛
合
金
塑
料
及
复
合
材
料
白
车
身
子
系
统
零
部
新疆交通违章查询件图1汽车轻量化研究方向
高强度、高寿命及低质量的材料是现今汽车产业所追求的目标。铝合金材料凭借其密度低，导热性好
、抗腐蚀性效果好，同时在发生车祸时可充分吸收车辆撞击产生的能量等特征因而成为车用轻质材料最为火热的一个选择。同时铝合金材料在应用过程中被腐蚀的概率低，回收利用损耗率仅为5%，平均使用寿命长，对于缓解资源日益匮乏，推动经济、环境和能源的可持续发展有巨大的贡献[6]。
3铝合金材料在汽车轻量化的应用
3.1汽车车身
汽车车身作为整车中最为大型的构件，在汽车重量中约占30%，油耗量高达70%。实现汽车轻量化关键就在于实现车身轻量化[7]。相关资料显示，在第二代本田Acura NSX中铝材的应用量达79.0%[8]；在第五代路虎（Land Rover Discovery）中铝材应用量达到62.9%[9]。广汽汽车工程研究院林佳武等[10]以真空条件下高压铸造的铝合金后纵梁替代传统钢制总成，对产品的耐撞性、结构等进行了设计，并针对后撞工况、安装点刚度进行了仿真分析。结果证明，在满足强度等要求的情况下，后纵梁重量与原件相比减轻31%。广汽汽车工程研究院张鹏、刘志敏等[11]以68款车型样本为数据，探究了采用铝合金材料制白车身对汽车轻量化的影响，分析结果得出轻量化系数与铝合金使用比例成反比，铝合金制白车身是汽车轻量化的有效举措。
3.2汽车底盘
汽车底盘是汽车核心部件之一，底盘重量约占整车重量三成，次于白车身和动力总成，其轻量化的研究对推动汽车轻量化具有重大意义。张广和、胡全达等[12]从目前市场分布情况、铝合金轻量化研究等方面出发，对其成型工艺、车辆实例设计等进行了研究。分析结果显示，铝合金密度低，经改良转向节自重降低，挤压铸造成型将成为车辆底盘轻量化的主选。中国重汽黄玉财[13]对轻型载货车底盘如何实现轻量化进行了研究，表明使用轻质化材料是实现其轻量化主要方式之一，其中以轻质铝合金材料最佳。柳州五菱的陆大兴、刘林等[14]从铝合金汽车底盘轻量化工艺、产品以及趋势出发，论述了铝合金底盘轻量化现状及挤压铸造新成型工艺，认为挤压铸造将推动铝合金材料更广泛的应用。Evangelos Ch.Tsirogiannis[15]等针对氢燃料电池动力汽车底盘提出了一种空间框架结构的铝合金设计，将工程方法与零件合并、设计和制造相结合。
3.3汽车发动机
作为汽车的动力源，汽车发动机是汽车得以运动的最关键部分，它决定着汽车整体性能，对汽车的使用寿命以及驾驶体验具有重要影响。铝制缸体、缸盖以及进气歧管等可使发动机减重30%~ 40%，同时可使发动机压缩比提高，热应力减少，提高发动机功率[16]。王立新、袁峰[17]对发动机实现轻量化方案进行了研究，表示实现发动机轻量化的最终结果是实现发动机具体零部件的轻量化。提出了采用低强度紧固件、以铝代钢可以实现其重量及成本的双降。武汉理工大学、李杰等[18]为实现汽车轻量化的诉求，采用挤压铸造的方式生产铝合金发动机悬挂支架，对其整个铸造过程进行了设计，并
进行了生产验证。结果表明该举措能满足使用要求。K.Ikeda[19]等针对汽车发动机罩提出了一种
新型具有波浪形横截面的铝制发动机罩，其所需要的吸能空间更小，在减重的同时仍能满足强度要求。
3.4汽车轮毂
汽车轮毂在整车中起着支撑质量、驱动汽车行驶等作用。常见轮毂轻量化方法主要有：减小轮毂尺寸、换用轻质材料以及改进工艺三种[20]。而铝合金材料导热性能强，可提高车辆的制动性能，在相同体积下质量仅有传统碳钢材料的30%，同时在高速转动时惯性阻力小，有利于降低轮胎阻力减小油耗，提高车辆行驶的安全性[21-22]。中北大学的张治民所带领的团队[23]针对传统钢制轮毂难以减重的问题，提出了铝合金轮毂正向-反向-径向复合挤压成形新方法。该方法生产出的轮毂在满足质量要求的前提下，减重高达60%，为车辆轻量化研究提供了一种新途径。肖占龙，孙跃东等[24]用SolidWorks建立相关轮毂模型，并对不同制造材料轮毂进行受力及模态分析，并对比其结果，证明了铝合金材料对轮毂轻量化的推动作用。Ying Shi[25]等也利用UG对车轮进行建模，并以ANSYS对其进行受力分析，结果显示其铝合金材料满足车轮强度的要求。
4结束语
e5汽车轻量化是汽车领域未来发展不可置否的趋势，是助力“双碳”目标早日实现的重要力量之一。随着高强轻质合金材料成型技术和加工技术的不断发展，铝合金材料将以更优异的加工方法被应用于车辆轻量化，未来铝合金轻量化的需求和发展将会更加广阔。
新嘉年华1.0t（1）近年来国家出台多项政策，如《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》、《增材制造标准领航行动计划（2020-2022年）》等，以推动铝合金产业的发展，前景向好。
（2）铝合金材料加工难度大、不易焊接等缺陷限制了其在汽车轻量化领域的发展。应加大对铝合金材料成型及焊接技术的研究，从材料成分、处理工艺等方面对铝合金材料进行提升。
（3）铝合金的成本较高，应加快我国报废车再生铝合金技术的研究，推动再生铝产业的持续高效发展，以期降低铝合金材料成本，推动铝合金材料产业结构升级。同时加强对高强铝合金生产设备的开发，使铝合金传统工艺向智能化制造转变，降低生产成本。
参考文献
[1]刘静安.大力发展铝合金零部件产业促进汽车工业的现
代化进程[J].铝加工，2005（3）：8-17.
[2]王帅.汽车轻量化现状和发展趋势分析[J].汽车实用技
术，2019（11）：242-245.换车本
[3]马鹏程.5×××系铝合金板材的组织和织构对其成形性
和锯齿屈服行为的影响[D].北京：北京科技大学，2015.
[4]张琪.汽车覆盖件用6×××系铝合金板材的研究、产业
化现状及发展趋势[J].有金属加工，2020，49（1）：1-5.
[5]孙文龙.轻质材料应用于汽车轮毂的轻量化技术研究
[D].北京：北京理工大学，2016.
[6]韦漩，王海娟，刘春伟，等.废旧铝合金回收利用的研
究现状[J].过程工程学报，2019，19（1）：45-54.
[7]侯世忠.汽车用铝合金的研究与应用[J].铝加工，2019
（6）：8-13.
[8]Hui LI，Zhaohui YAN，Lingyong CAO.Bake hardening
behavior and precipitation kinetic of a novel Al-Mg-Si-Cu aluminum alloy for lightweight automotive body[J].Materi-als Science&Engineering：A，2018，728：88-94. [9]Y.YU，Y.CHEN，M.LIU.Research on oil tank body
made of foam aluminum sandwich structure[J].Liaoning Gongcheng Jishu Daxue Xuebao，2018，37（1）：154-158.
[10]林佳武，李玄霜，陈宗明，等.真空高压铸造铝合金车
身后纵梁轻量化设计[J].汽车工程，2020，42（3）：383-389+400.
[11]张鹏，刘志敏，陈琳琳，全斌义，周万权.白车身铝合
金轻量化的应用现状和发展趋势[J].汽车工艺与材料，2019（3）：4-8.
[12]张广和，胡全达，江海斌.汽车底盘铝合金化轻量化的
成型工艺研究[J].时代汽车，2021（21）：129-130. [13]黄玉财.轻型载货车底盘轻量化的研究与应用[J].南方
农机，2019，50（23）：128-131.
[14]陆大兴，刘林，姚浩成，宁秀文.汽车底盘铝合金化轻
量化的成型工艺及趋势[J].大众科技，2019，21（5）：66-68.
[15]Evangelos Ch,Tsirogiannis,et al,Lightweight Design and
Welding Manufacturing of a Hydrogen Fuel Cell Powered Car’s Chassis[J].Challenges，2018，9（1）：25-25.
[16]郑海彤.汽车发动机轻量化材料的应用和展望[J].科技
资讯，2015，13（9）：233-234.
[17]王立新，袁峰.汽车发动机轻量化解决方案研究[J].中
国汽车，2022（3）：4-10.
[18]，李杰，罗继相，杜娟，夏望红.铝合金发动机悬
置支架挤压铸造工艺研究[J].铸造，2020，69（2）：167-173.
[19]IkedaK，IshitobiH..Development of aluminum hood struc-
ture for Pedestrian Protection[J].SAE Technical Paper,2003（1）：537-542.[20]闫龙龙.汽车轮毂轻量化方法研究[J].科技风，2019
（6）：158-160.
[21]李海峰.有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用[J].
装备制造技术，2021（4）：143-146.
东风乘用车公司待遇[22]何芳，庄林忠，何国元，李宏祥，裔国宇.汽车轮毂用
A356铝合金合金化的研究进展[J].铸造，2021，70（4）：431-437.
[23]王强，孟模，房庆龄，张治民.复合挤压在铝合金轮毂
成形中的应用研究[J].塑性工程学报，2020，27（12）：18-23.
[24]肖占龙，孙跃东.基于ANSYS的汽车轮毂的轻量化研究
[J].农业装备与车辆工程，2022，60（2）：143-148. [25]Ying SHI，Liang WANG，Peng Yu.The Lightweight Design
and Improvement of Aluminum Alloy Automobile Wheel[J].
Applied Mechanics and Materials，2011，1280：63-64.
Research status of application of aluminum alloy materials in the field
of automobile lightweight
Wang Kexue1,Wang Dongbo1,Huang Yong2,Meng Qingyu2,Zhang Li2,Dong Xiaohong2
(1.Xinjiang Shenhuo Carbon Products Co.,Ltd.,Changji Hui Autonomous Prefecture831502;
2.Xinjiang Institute of Engineering,College of Mechanical and Electrical Engineering,Urumqi830047,China)
Abstract:The development of automobile lightweight is in line with the demand of the"double carbon"
goal,and the weight reduc⁃tion of automobiles will be the trend of the future.This paper summarizes the application of aluminum alloy materials in automobile bodies,automobile chassis,automobile engines and wheel hubs from the characteristics of aluminum alloy materials,the development of automobile lightweight and the impact of aluminum alloy materials on automobile lightweight,and proposes development measures for the difficulty and high cost of aluminum alloy materials,which shows the urgency and necessity of the development of aluminum alloy material technology in China.
Key words:lightweight automobile;aluminum alloy;technology development
有金属2023年走势展望
2022年，大宗商品整体上呈现冲高回落态势，11月，市场预计美联储加息节奏放缓之后，再加上中国调整防疫政策，有金属反弹幅度扩大。展望2023年，中美经济周期再度错位，将出现“中国向上美国向下”，全球通胀会有所回落，但很难回到此前长达40年低通胀的状态，货币政策很难转向宽松。而供应端在2023年会有所放量，需求端同样会出现改善，但是海外衰退导致国内出口需求疲软，有金属大概率重演冲高回落走势。电解铝方面，随着国内铝冶炼企业逐步消化电价优惠取消带来的负面冲击，以及使用新能源发电，成本上升势头会逐步放缓，运行产能将升至45000kt的天花板附近。国内
铝冶炼企业为规避产能天花板额限制会在海外扩产，以及中东地区电解铝产能扩产和欧洲电解铝的扶持，全球电解铝供应还是存在很大的回升空间的。不确定的因素在于新冠肺炎变异是否会带来新的感染，地缘政治冲突会不会扩大导致全球供应链问题越发严重，最终导致欧美通胀超预期再次上升，引发全球经济超预期的衰退。
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