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锻造铝合金卡客车车轮引领商用车轻量化趋势

作者:未知

  摘要:汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。作为有效的节能手段,汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一。研究表明,约75%的油耗与整车质量有关,降低车辆质量就可以有效降低油耗以及排放。占全球车辆保有量仅30%的商用车辆,消耗着全球70%的油耗,使得商用车车辆轻量化的推广和运用更为紧迫,对节能减排降耗的意义更加重大。本文从国内外目前车辆轻量化技术的发展和背景出发,在研究车辆轻量化的现状和对主要途径进行分析后,论证了锻造铝合金车轮在卡客车商用车辆上的广泛使用将全面引领商用车车辆轻量化时代的到来。
  
  关键词:商用卡客车,轻量化,锻造,铝合金车轮,节能降耗
  Abstract: automobile industry energy conservation and emissions reduction for a country's energy supply and environmental protection has important significance. As an effective means of energy saving, car lightweight technology has become one of the important research subject for the development of auto industry. Research shows that about 75% of the fuel consumption is associated with the vehicle quality, reduce vehicle quality can effectively reduce the fuel consumption and emissions. 30% of the global vehicle ownership only commercial vehicles, consumes 70% of global oil consumption, makes commercial vehicles lightweight extension and use more urgent, for energy conservation and emissions reduction, decreasing the consumption of more significant meaning. This article from the development of current vehicle lightweighting technology at home and abroad and the background, the research vehicle lightweighting through analysis of the status quo and the main way, demonstrates the forging of aluminum alloy wheels in the passenger car widely used in commercial vehicles will lead a comprehensive commercial vehicle lightweighting era.
  Key words: commercial card, lightweight, forging, aluminum alloy wheels, saving energy and reducing consumption
  中图分类号:F407.42文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  
  
  一.汽车轻量化的概述
  1.1 背景
  在全球气候变暖,空气污染严重,原油资源日益紧缺的今天,“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题。作为油耗大户的汽车工业,如何提高车辆的燃油经济性,使得车辆在节能减排降耗方面有更好的表现,世界各国的整车车企和全行业都在积极地研究解决方案。
  车辆轻量化,因其不仅能提高车辆的操控性,同时还能有出色的节油表现成为行业最为关注的节能方案。
  汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量,在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下,降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性,提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究数字显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;若滚动阻力减少10%,燃油效率可提高3%;若车桥、变速器等装置的传动效率提高10%,燃油效率可提高7%。汽车车身约占汽车总质量的30%,空载情况下,约70%的油耗用在车身质量上。因此,车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。降低车辆质量可以有效降低油耗以及排放。
  因此,车辆的轻量化技术无论对传统汽车行业还是新能源汽车(电动,天然气等)都是具有非常重要的战略意义的。
  
  1.2 发展趋势
  商用车在全球车辆保有量的占比为30%,但却消耗着全球70%的油耗。研究和发展适合商用车车辆的轻量化的解决方案在目前的轻量化发展趋势下显得尤为迫切。卡车运输,尤其是重卡,承载着道路运输的主要职能。在美国,重型卡车运送了美国70%的物资,但同时也消耗了美国80%左右的柴油。卡车油耗的控制对于节约物流成本和石油资源至关重要。
  2009年,美国能源部宣布,将在2010-2015年投资2.7亿美元用于研发比目前卡车油耗低50%的新一代卡车,即“超级卡车计划”。为了实现这一目标,美国能源部与部分世界领先的卡车生产企业合作,共同出资,对发动机领域和整车技术的重要领域进行创新性研究,在整车油耗的改进上,从四个方向着手:1.空气动力学优化2.混合动力3.传动系统优化4.轻型材料的澳门永利网上赌场应用,复合材料在驾驶室与挂车上的采用,合金材料在车辆轮毂上的应用。降低现有卡车的油耗,提高排放标准。
  中国的公路货运担负着75%以上的货运量运输任务,成为国民经济和社会发展提供运输保障的重要力量。国家道路运输十二五规划对公路货运业提出了具体要求:到2015年,货运量、货物周转量分别达到300亿吨、58400亿吨公里;与2005年相比,货运车辆单位运输周转量能耗分别下降12%,污染物排放量下降30%;实现100%的营运货车达到燃料消耗量限制标准。建立健全超限运输源头治理的管控体系,全面实施货物装载源头运政派驻和巡查制度,将基层运管力量向货物集散地和运输源头延伸。所以,无论是从节能减排等环保因素,还是从降油耗、降低物流运输成本等经济因素,以及超载限载等政策的推进和管控的进一步加强等道路安全因素来看,货运车辆轻量化的市场需求已经成熟,并将日益受到商用车辆营运者的欢迎。
  同时,中国公路运输业的高速发展,带动了中国卡车市场的大发展。中国商用车的生产,销售已占全球商用车总量的50%左右。而国内商用车生产企业普遍处在产能过剩、车型和技术雷同、质量和品质以低端车型为主的状态,迫切需要从当前粗放型产能扩张向未来集约高效型结构的转型升级。随着近年国内道路运输物流行业的高速发展,国内商用车客户对车辆的要求也越来越高,相比于服务和品牌,用户更关注车辆的耐用程度和自重。因此,不管是满足出口国外市场还是满足国内客户的需求,开发、生产和制造轻量化节油、高品质的商用车成为国内商用车生产企业的发展趋势。
  
  1.3 车辆轻量化的主要途径
  1)主流规格车型持续优化,在规格主参数尺寸保留的前提下,提升整车结构强度,降低耗材用量;
  2)采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等;
  3)采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析,局部加强设计等;
  4)采用承载式车身,减薄车身板料厚度等。
  
  当前的汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。其中,铝具有导电好,导热快,材质轻,可塑性强,循环利用,低炭环保等特性,与碳纤维,镁合金,钛合金等材料比较起来,原材料成本压力也低,更适合普遍使用和推广。随着经济发展而带来的轻量化需求,使得铝成为全球消耗增长速度最快得金属,而中国则是带动铝材消耗量增长的主要动力。中国交通运输领域对铝合金材料的需求年复合增长率为10%,其中汽车的铝消费量占比最大。在汽车轻量化的大趋势下,铝合金型材,板带,铸件,锻件在车辆各个部件上的应用是目前主要的研究发展方向。
  其中,锻造铝合金商用车卡客车车轮的市场化,正是轻型合金材料铝合金在车轮上的成功应用。
  
  二.锻造铝合金商用车车轮是如何实现车辆轻量化的
  2.1锻造铝合金车轮的产生背景
  1948年全球最大的综合铝产品制造商美国铝业发明了世界上第一只锻造铝合金商用车轮毂,从而使得锻造铝合金轮毂这一工艺从最初用来为二战大量生产军用飞机上的轮子完成了到战后转为将生产力致力于制造民用商用车轮的跨越。自此,开启了锻造铝合金轮毂在商用车车轮上的使用。
  
  2.2 锻造铝合金商用车轮的优越性
  和目前卡车客车等商用车普遍使用的钢圈相比,锻造铝合金轮毂具有很多无可比拟的优点:
  1)自身轻。锻造铝合金轮圈的重量只相当于铁圈的二分之一重,以22.5X8.25 的为例;锻造铝合金轮圈为24公斤,钢圈至少45公斤重。
  2)节省燃油。安装锻造铝合金轮圈以后,由于整车的自身载重降低,发动机扭矩的扭力减少,降低了车轮的转动惯性,使汽车加速性能提高,并相应减少了制动能量的需求,从而降低了油耗,百公里测试节省率为每百公里节省2升油(更换锻造铝合金轮圈并使用空调以后的百公里油耗比使用钢圈并未开空调的油耗测试,前者比后者低2.5升油耗/百公里)。
  3)轮胎磨损降低26%。由于锻造铝合金轮圈的特性,它的平衡值几乎为0,不容易变形,再加上锻造铝合金轮圈特有的空气流动,散温快(正常行驶温度比钢圈低20-30度),对悬挂系统的保护较佳,所以对轮胎的磨损大大降低,延长轮胎的使用寿命,使每条轮胎多跑5-8万公里不等)。
  4)刹车的维修费用降低。由于锻造铝合金轮圈的铝合金良好的散热性能,可降低车轮正常行驶时刹车片的温度,所以对刹车系统不耐高温的材料及配件有极佳的保护效果,从而大大降低了刹车系统的维修费用,延长刹车片的寿命。
  5)承载能力高。锻造铝合金轮圈的承载能力是普通钢圈的5倍。锻造铝合金轮圈在承受71.2吨重压力后才变形5厘米。但钢圈只承受13.6吨后已变形5厘米,换句话说,锻造铝合金轮圈的强度超越钢圈的5倍。
  6)提高驾驶的舒适性。由于锻造铝合金轮毂是对一个铝锭完整的经过几次锻造工序将轮辋和轮辐成型出来,并经过全方位的精密加工中心加工后,获得完美的同心圆度。和轮辐轮辋之间通过焊接成型的钢轮相比,锻造铝合金的抗冲击力和强度更高, 同心圆度更精密。在满载荷时,锻造铝合金的车轮平均圆度变形量为0.52mm,钢轮的平均变形量为2.24mm。因此,安装锻造铝合金车轮后,行车感觉方向盘较轻,高速行驶感觉特别平稳,从而提高了驾驶的舒适性。
  7)安全性好。对于高速行驶的汽车来说,因轮胎着地摩擦、制动等产生的高温爆胎、制动效能降低等现象屡见不鲜。而铝合金的热传导系数167W/m.K是钢的热传导系数50W/m.K的三倍,加上铝合金车轮因其结构的特征,极易将轮胎、车底盘所产生的热量排散在空气中。即使在长途高速行驶或下坡路连续刹车的情况下,亦能使汽车保持适当的温度降低爆胎率。此外,铝合金轮辋受到撞击后,不会产生火化,确保危险品运输安全,是关注运输安全企业的首选。
  8)冲击测试。通过日本JWL标准来测试模拟一辆货车以时超50公里撞向路边石墩,相当于910公斤的重量从高处跌下撞向轮胎与车轮。测试的结果:锻造铝合金轮圈只有轻微损坏,而钢圈损坏程度非常严重。铸造铝合金轮圈因为其使用的铸造生产工艺,脆性强,结果为断裂成两部分。
  9)造型美观。锻造铝合金轮圈外观设计自由度大,可以结合车型,做到车、轮一体,尽显完美。
  
  三.锻造铝合金车轮未来将成功引领商用车车辆轻量化发展趋势
  在中国,随着近年来中国公路基础设施建设的快速发展与汽车产业的不断进步,高速公路路网广泛覆盖,公路货物运输在综合运输体系中占有越来越重要的地位。公路货物运输量逐年增长,其增长速度大大高于GDP的增长速度;公路货运平均里程逐年增加;公路货物运输生产方式和经营内容不断扩展,包括传统的整车运输、零担运输以及集装箱、大件货物、危险品货物运输等不断发展和完善。公路货运对商用车的需求量越来越大,使得商用车的市场保有量近年来以10%的速度逐年增加。锻造铝合金商用车轮与目前普遍使用的钢轮相比具备上述这么多的优势,随着它被商用车市场的客户逐步认识、接受和在卡客车商用车辆上被广泛使用,这将全面引领商用车车辆轻量化时代的到来。
  
  3.1 锻造铝合金车轮的国内外发展现状
   1)欧美发达国家商用车锻造铝轮毂使用的比例和发展状况,见表一。
  10年前欧美地区商用车铝轮毂的使用率不到3%,5年前超过了15%,现在已经突破了30%;日本已经超过30%,个别欧洲国家地区也已经到达了40%以上,澳洲竟然有75%之多。3年后欧美发达地区商用车锻造铝轮毂的使用率突破50%已经毫无悬念。
  
  
  2)相比较而言,中国的铝轮毂的使用大约滞后欧美发达国家8--10年。表二以重卡历年来的年生产和销售数量为基数,计算出锻造铝合金车轮在中国市场的占有率,截止至2012年,市场占有量低于0.5%.
  
  
   表二
  
   3.2. 锻造铝合金商用车轮可显著减少碳排放量,更加环保
  将一辆卡车的钢制车轮全部更换为锻造铝合金车轮可节省的碳排放量等于美国家庭的年平均碳排放量。
  一项同行公认的有关锻造铝合金车轮寿命周期的研究结果表明,锻造铝合金车轮载商用车辆上的使用,显著减少了碳排放量。在北美地区,采用锻造铝合金车轮替换18个传统钢制车轮后,在车轮寿命周期内,碳排放量可减少16.3公吨。在欧洲,采用锻造铝合金车轮替换12个传统钢制车轮后,碳排放量减少了13.3公吨。
  
  3.3. 锻造铝合金商用车轮更节省物流成本,经济效益更高
  以40吨半挂车为例,该车有22个车轮加2个备胎共24个车轮,该车每年若跑18万公里。
  1)按每个钢圈的重量48公斤计算,在改用铝合金轮圈(23公斤)后,整车重量减轻600公斤。假如按运输收入吨公里0.30元计算,则每可以增加运输收入32400元(0.3x0.6x180000)。
  2)根据测试结果,铝圈换钢圈后可节油2.5%。如果以重型卡车每公里油耗0.38升,油价8.2元/升,那么每年节省油耗约14022元(8.2x0.38x2.5%x180000)。
  3)铝圈散热效果是钢圈的3倍,从而使轮胎温度降低而延长轮胎使用寿命26%,单只轮胎价格2600元,轮胎平均更换周期为25万公里,则节约轮胎费用每年9271元。
  因此,使用铝轮圈可以使卡车每年降低运营成本、增加经济效益约达55693元以上!
  
  随着中国整体社会对节能降耗减排及减少空气污染的绿色环保的要求和意识越来越强,商用车减少碳排放的法规越来越严苛。和目前商用车轻量化发展过程中出现的其它零部件解决方案相比,锻造铝合金车轮替换方便,制造工艺成熟,成本最低,产生的经济效益最高。同时,锻造铝合金车轮对交通运输业车辆轻量化可持续发展的支持,在卡车、挂车和客车等商用车降低油耗和减少碳排放等方面有无可比拟的优势和锻造铝合金车轮独特的工艺、自身自重更轻及铝合金材料可无限循环回收使用的优良特性,使得锻造铝合金车轮在车辆轻量化发展过程中必将引领中国道路运输业车辆的出行在未来更经济、安全、环保。
    
  参考文献:
  
  《2012年中国公路货运产业发展报告》
  
  作者:Jianping Ticha东南大学经济管理学院MBA在读,就职单位:美铝车轮产品有限公司


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