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当铝镁助跑汽车业轻量化

发布时间:2021-09-11 19:05:49 阅读: 来源:摩擦压力机厂家
当铝镁助跑汽车业轻量化

铝、镁助跑汽车业轻量化

近几年汽车行业发展迅速。2011年全球汽车产量为仅8000万辆,2016年达到近9500万辆,年均复合增长率约3.5%。2011年全球汽车销量为7793万辆,2016年达到9386万辆,年均复合增长率达到3.8%。其中我国产销量一直位于世界前列且增速明显,根据中汽协数据,2016年我国的汽车产量为2812万辆,同比增长14.46%,汽车销量为2803万辆,同比增长13.65%,成为推动全球汽车产销量增长的中坚力量。同时,美国、日本、印度、德国等国家汽车销量也居世界前列且销量表现不俗。

汽车行业发展迅速,使得燃油消耗和CO2排放量不断增加。工信部2016年数据中,95家国内乘用车企业中有42家企业的平均油耗实际值大于油耗限值6.9规定,27家进口乘用车企业中有23家企业的平均燃油消耗实际值大于6.9L/km。现行汽油车的CO2排放量接近200g/km,混合动力车的CO2排放量达130g/km。随着汽车销量的增加,总的燃油消耗持续加大,CO2排放量也随之不断增加,已经占到CO2排放总量的20%以上。我国CO2排放量已经居世界首位,且远高于其他国家。

各国纷纷制定节能减排目标,以减轻碳排放对环境的影响。我国、欧盟、日本均制订了2020年油耗限值目标,分别为5L/100Km、4L/100Km、

4.93L/100Km,美国制订了2025年油耗限值降到4.3L/100Km的目标。

2014年12月,我国国家质检总局正式公布新版GB《乘用车燃料消耗量限值》和GB《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》,整体上对车型燃料消耗量限值和企业平均燃料消耗量目标加严了20%。2016年,《节能与新能源汽车发展技术路线图》发布,提出至2030年,乘用车新车油耗3.2升/百公里,商用车油耗同步国际先进水平,新能源汽车销量占汽车总体销量的比例达到40%以上,完全自动驾驶车辆市场占有率接近10%。

在CO2排放方面,欧洲2014年设定的法案要求,从2020年起,欧盟范围内销售的95%的新车的CO2排放平均水平必须达每公里不超过95克,到2021年,这一标准要覆盖所有新车。油耗限值和CO2排放目标彰显了各国对节能减排的迫切需求。

我国“碳配额” “双积分”制度出台,加速汽车业向低油耗低碳排放发展。2016年月,《新能源汽车碳配额管理办法》和《企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理暂行办法》征求意见稿相继发布,分别被称为“碳配额”和“双积分”制度。“碳配额”制度为企业制定了一年的碳配额指标,而企业则可以通过生产和销售新能源汽车的方式生成碳配额,也可通过交易市场进行买卖,通过奖惩分明的方式鼓励企业由高油耗高碳排放的传统燃油汽车更多地向低油耗低碳排放转型。“双积分”制度提出了平均燃料消耗量+新能源汽车生产比例两种积分,使得企业不得不向低油耗车型抓紧布局。

1.2、轻量化已经成为全球汽车业发展的共识

整车轻量化是实现汽车节能减排的最优措施。汽车轻量化是在保证汽车功能的前提下,汽车自制重量的下降。分析比较不同的整车优化方案的节油率,汽车质量每降低10%,能够降低油耗%,相较于其他优化措施,对降低油耗、减少CO2排放的优势更加明显。此外,汽车减重10%,能够使加速时间减少8%,制动距离减少5%,轮胎寿命提高7%,电池能量密度提升9%,疲劳寿命明显提升,转向力明显降低,对汽车的环保性、燃油经济性、动力性、制动性、耐久性、安全性等均有十分明显的提升作用。因此,汽车轻量化也成为目前整车优化的最主要趋势。

在汽车轻量化趋势推动下,国外汽车轻量化发展如火如荼。年,欧洲、日本等的汽车平均重量已降低了25%,未来年,将追求平均车重再降20%-25%。美国计划到2020年,汽车整备质量相较于2010年实现25%的下降。很多国外知名企业均制订了轻量化阶段性目标,其中福特的轻量化目标是到2020年大幅推进车辆轻量化,新款轿车及卡车将采用轻质材料,减重幅度将在Kg。

我国已将汽车轻量化提上日程,并制订了汽车轻量化三步走计划。我国计划于2020年达到单车用铝量190kg、单车用镁量15kg,于2025年达到单车用铝量250kg、单车用镁量25kg,于2030年达到单车用铝量350kg、单车用镁量45kg。从汽车轻量化目标可以看出,我国对汽车轻量化的重视因此,这有望带动汽车轻量化进入新的阶段。

材料是实现汽车轻量化的重要方式之一,主要汽车轻量化材料包括:高强度钢;镁合金、铝合金等轻金属;碳纤维、陶瓷、塑料等非金属。常用的轻量化材料与汽车用材的构成密切相关,通常家庭乘用车用材构成为:钢为54%,铸铁为10%,塑料为8%,铝合金为8%镁合金为1%橡胶玻璃为7%,其他为12%。

1.3、新能源汽车产业蓬勃发展,对轻量化提出新需求

新能源汽车相较于普通汽油车,碳排放量更低,清洁环保性更高。纯电动客车只在发电阶段有CO2排放,柴油车和插电式客车的CO2排放则主要集中在车辆行驶阶段。比较现行汽油车、混合动力车、氢燃料电池车、电动汽车每运行1公里时的CO2排放量,新能源汽车要显著的少于现行的汽油车,特别是电动汽车,每运行1公里的CO2排放量要较汽油车低70%,清洁环保优势明显。

近两年新能源汽车产销两旺,未来仍有望保持高增长。根据中汽协数据,2016年新能源汽车产量51.7万辆,同比上涨52%,销量达到50.7万辆,同比上涨53%,产销量上涨幅度均超过50%。其中纯电动汽车销量为40.9万辆,同比上涨65.3%,插电式混动汽车销量为9.8万辆,同比上涨17.2%。在节能减排、绿色环保的倡导下,未来的10年,预计新能源汽车的产销量仍将保持高速的增长,到2020年,新能源车销量有望达到140万辆。

新能源车的发展对轻量化提出了新的要求。新能源汽车销量增加,带动动力电池需求,但是电池的重量也使得电动车比同级汽油车更笨重一些,所以,十分有必要进行车体的轻量化,以及电池和容器的轻量化,才能实现整车性能的提升。此外,轻量化还能够有效解决新能源车的续航能力不足的问题。

2、铝:“铝代钢”步伐不停,汽车用铝空间广阔

2.1、铝合金量轻质优,掀起“铝代钢”新革命

铝合金量轻质优,是汽车应用的理想材料。铝合金比重只有2.68g/cm3,仅为钢的30%,较钢质量更轻,且在抗腐蚀性、硬度、韧度等方面特点更为突出,因此,已经成为汽车工业的理想材料。

第一,铝合金能够主要适用于广大高产量老用户更新换代装备促进轻量化和节能减排的实现。据美国铝业公司数据,汽车中典型的铝质零件的一次减重效果可达30——40%,二次减重可进一步提高到50%。汽车使用期内,多用1kg铝,轿车、载重汽车、公交客车分别减少CO2排放20kg、28kg和45kg,且铝合金回收率高达85%以上,90%的汽车用铝合金均来资源回收的废料,在资源回收再利用方面优势大。

第二,铝合金抗腐蚀性能优异。铝及铝合金在空气中,其表面能够生成一层致密的氧化膜,耐腐蚀性和耐氧化性能均优于钢铁材料。且铝合金具有卓越的成型性。

第三,铝合金的使用有助提升车辆驾驶的平衡及安全性能。一方面,铝合金对整车的减重是在不减小汽车容积的前提下实现的,汽车因此将更加稳定,受到冲击时,铝合金还能够实现能量吸收和分散,使得驾驶更加安全。

以加工形式分,汽车用铝主要分为压铸、挤压和压延三种形态,其中压铸件在汽车领域的用量占比最高,达到80%左右,挤压件和压延件在汽车上的应用占比各约10%左右。压铸件主要用于发动机、车轮等部位,挤压件主要用于座架、行李架、门梁等,而压延件主要是生产车身用铝板等。

2.2、全铝车身备受宠爱,“四门两盖”有望成最大增长点

目前铝合金铸件、型材在汽车上的应用也较多,但最受关注的是板材。汽车板在覆盖件方面,主要的应用是4门(车门)2盖(引擎盖、货舱盖)1顶(顶棚),此外,一些结构件也用到板材。

全铝车身在汽车的减重及减排方面表现十分出色。铝车身可使汽车整体减重10%——15%,特别是对于商用车而言,全铝车身的骨架可减重30%——45%,蒙皮可减重50%——60%,减重效果将更加明显。根据研究显示,使用1kg铝,能够使汽车减重2.25kg,使汽车生命周期内减少废气排放20kg。奥迪A8LHybird的电机等组件给整车增加了额外130kg的负重,其全铝车身框架结构(ASF)的使用使得整备质量仅2035kg;而东风全铝车身混合动力公交车,车身相较于同类钢制车身减重40%,整车质量较钢制车减少15.2%,燃油经济性更加出色;近年来大热的特斯拉ModelS为了较长的续航能力,搭载了500kg电池组,其车身95%以上均采用铝材,以减轻整车重量。

乘用车:捷豹XFL——全铝车身打造捷豹独特标签。捷豹XFL是于去年上市的国产车型,以“全铝车身”为宣传点,整备质量仅1705kg,作为同级别的最轻车型,掀起了一股全铝车身热潮。轻量化带动了改车型燃油效率的提升,CO2排放量降低至104g/km。XFL在质量大大减轻的同时,韧性和强度也均有提高。此外,铝合金在车身两侧、前后悬架、发动机舱盖和前翼部分得到完美应用,整车的操控性、舒适性、瞬时响应能力均得到大大提升。

商用车:福特F150——全铝车身的首次尝试。福特的F150车型,首次采用了全铝车身的设计,实现了约400公斤的减重,整车动力性能和燃油经济型均得到了大大提升。F150在实现轻量化的同时,全铝的车身为其刚性指数的提高也贡献了极大力量,在北美等市场的销售成绩也是十分亮眼。

2.3、汽车用铝需求有望加速增长

纵观全球,乘用车当中使用全铝车身的比例仍很低,全铝客车的发展更是处于萌芽阶段。目前仅有不足5%的汽车采用全铝车身。除了全铝的车身以外,铝合金在发动机、车轮、座驾等方面代替钢制构件的趋势也逐渐明朗。未来铝合金在汽车工业的应用有望迎来黄金发展期。

我国汽车用铝市场提升空间很大。根据2014年的统计结果,北美的单车用铝量已达到约158kg,约占9%。2015年有望达到10.4%,约179kg。2014年北美汽车中使用铝合金引擎盖的比例从2008年的8%提升到了30%,欧洲汽车中使用铝合金引擎盖的比例从2008年的18%迅速提升至了40%。海外市场铝合金在汽车工业的应用近几年已经实现了高速的发展。而目前我国每辆汽车比如玻纤来取代碳素纤维平均用铝仅约为115kg,与汽车工业发达的北美、欧洲等地区的单车用铝量差距较大。

特别是商用车方面,从全球的铝合金货车分布来看,日本、欧洲和北美的铝合金半挂车保有量占比分别高达80%、54%和54%,均达到了半数以上,铝合金货车市场发展已经较为成熟,而我国的铝合金商用车保有量占比甚至不足千分之二,因此,我国在汽车用铝市场上还有非常大的提升空间。

2020年乘用车用铝合金板需求有望超过26万吨。随着汽车的产量的逐年增长,以及铝材在汽车工业渗透率的加速抬升,根据测算,到2020年,我国仅乘用汽车用铝合金板的需求量就有望超过26万吨,加上铝板在其他结构件方面的应用,以及更为庞大和具备极高的成长性的商用车市场,到2020年,我国的汽车用铝合金板需求量有望达到100万吨。

3、镁:资源得天独厚,汽车“镁化”前景可期

3.1、镁资源丰富,原材料易取

我国探明的镁总储量占世界总产量的2/3,镁资源丰富。目前我国的镁金属主要来自于菱镁矿、白云石、蛇纹石、盐湖卤水和沿海盐场卤水几大类。其中菱镁矿已探明的储量有29.7亿吨,白云石探明的储量大于40亿吨,蛇纹石已探明的储量达30亿吨,盐湖卤水已探明储量达48亿吨。丰富的镁资源是我国进行汽车轻量化的一大优势。

3.2、镁合金轻量化效果优异,汽车工业应用广泛

镁合金作为绿色环保材料,是极具前景的汽车轻量化材料。镁合金具有阻尼减震性能高,比强度、比刚度高,回收率高,回收无污染,易于加工等优点,在汽车上应用时,能够有效减轻汽车质量,提高载荷及有效承载能力,降低废气排放以及燃油成本,提高燃油经济性综合指标,降低汽车噪音及震动,对整车性能的提升效果明显。

镁合金在汽车上应用的轻量化效果显著。在汽车不同的系统中,镁合金潜在取代重量不同。其中最为显著的取代效果体现在壳体和悬挂件上,可减轻取代之前重量的58%,其次是刹车和框架,分别可以减轻重量的54%和50%.。合计所有可取代配件,镁合金大体可以减轻原配件45%的重量,轻量化效果非常显著。

现阶段镁合金在汽车上的应用主要集中于车身、发动机和内饰三大部分。具体的,包括底盘(如刹车支架和支架总成、刹车踏板支架、安全气囊机架、离合器踏板支架和总成);动力传动系统(如交流发电机支架、阀盖、凸轮盖和变速箱);内部设施(如座椅基座、IP支撑柱和支架、方向盘骨架、转向柱支架和轮毂);外部设施(如天窗盖总成、外后视镜骨架和顶棚框架);车轮、底盘前端框架、坐垫和靠背,以及动力传动系统的齿轮箱等等。

3.3、我国单车用镁尚低,汽车用镁合金市场前景可期

北美、欧洲、日本等地汽车用镁持续增长,我国成长空间大。目前北美地区单车用镁量已经达到3.8kg,使用和研发中的镁合金零部件达100多种;日本单车用镁量高达9.3kg,越来越多的在汽车的变速杆、座椅架等部位采用镁合金材料;欧洲车用镁合金因此废旧塑料颗粒处理将成为未来的发展热门铸件的使用量以年均25%的速度增长,PASSAT和AudiA4的单车用镁量甚至已经达到14kg。奔驰、通用、宝马的部分车型,镁合金用量已经超过了20kg。而与此同时,我国单车用镁量约为1.5kg,因此我国汽车用镁合金需求成长空间很大。

预计2020年汽车业对镁合金需求将超过40万吨。2015年国内汽车产量达到2450万辆,同比小幅增长了3.3%,若未来国内汽车销售按照3%的复合增长率计算,到2020年,2025年,2030年汽车产量将分别达到2840万辆,3293万辆,3817万辆。根据最新发布的节能与新能源汽车技术路线图,2020年、2025年和2030年国内单车用镁量目标分别15kg、25kg和45kg,则预计到2020年,2025年,2030年该领域对镁合金的需求量达到42.6万吨,82.3万吨和171.8万吨。与此同时,2015年我国镁合金产量仅24.16万吨,同比缩减6.17%。

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