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Forschung zu Aluminiumlegierungsmaterialien und Anwendungstechnologie für den Automobilleichtbau

Jianru Chen

School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, 255000, Shandong, China

Zusammenfassung: Mit der rasanten Entwicklung der Automobilindustrie haben sich Autos in den letzten Jahren zunehmend in Richtung Leichtbaustrukturen entwickelt. Derzeit wird der Einsatz verschiedener Leichtmetallwerkstoffe, darunter auch Aluminiumlegierungen, immer weiter verbreitet. Aluminiumlegierungen können als neuartiges Leichtbaumaterial für Autos das Gewicht von Fahrzeugen erheblich reduzieren, ihre Kraftstoffeffizienz verbessern und können recycelt werden, wodurch die Anforderungen an Energieeinsparung und Umweltschutz in unserem Land erfüllt werden. Leichtbau ist ein unvermeidlicher Trend in der aktuellen Automobilindustrie und eine wichtige treibende Kraft für die Erreichung der „Dual-Carbon“-Ziele. Mit Fortschritten bei der Formung und Verarbeitung von hochfesten Leichtmetalllegierungen werden Aluminiumlegierungen über noch bessere Verarbeitungstechniken für den Leichtbau im Automobilbereich verfügen und ihre Nachfrage und Entwicklungsaussichten für den Leichtbau werden breiter sein. Dieses Papier konzentriert sich auf Aluminiumlegierungsmaterialien, die für den zukünftigen Leichtbau im Automobilbereich erforderlich sind.

Schlüsselwörter: Automobilleichtbau, Aluminiumlegierungsmaterialien, Anwendungen

1. Einführung

Mit der Entwicklung der Wirtschaft und dem technologischen Fortschritt nimmt die Zahl der Kraftfahrzeuge weltweit zu, was die Arbeit und das tägliche Leben der Menschen erheblich erleichtert. Da sich die Energiekrise in unserem Land jedoch verschärft, steigt auch die Nachfrage nach Autos. Derzeit bewegt sich die Automobilindustrie hin zu leichten, energieeffizienten, kohlenstoffarmen und komfortablen Fahrzeugen. Es ist notwendig, die Qualität der Autos zu verbessern und gleichzeitig die Herstellungskosten zu kontrollieren. Um den Anforderungen der Energieeinsparung und des Umweltschutzes gerecht zu werden, werden Autos entwickelt, die einen geringeren Kraftstoffverbrauch und eine höhere Kraftstoffeffizienz erzielen. Der Einsatz von Aluminiumlegierungen im Leichtbaudesign und in der Leichtbauentwicklung, die Vorteile wie geringe Dichte, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und einfache Verarbeitung aufweisen, entspricht den Anforderungen der Leichtbauentwicklung im Automobilbau[1].

2. Überblick über den Leichtbau im Automobilbereich und die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen

2.1. Automobil-Leichtbau

Beim Leichtbau von Automobilen geht es darum, das Gesamtgewicht der Fahrzeuge zu reduzieren und gleichzeitig deren Leistung, Festigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Dies ermöglicht eine höhere Kraftstoffeffizienz, sodass Autos mehr Leistung erzeugen und letztendlich den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen senken können. Beim Leichtbau von Automobilen muss die Verbesserung der Stabilität und Leistung im Vordergrund stehen und gleichzeitig wirksame energiesparende Designs und kontinuierliche Verbesserungen verschiedener Komponenten implementiert werden. Leichtbau ist ein umfassender Vorteil, der verschiedene Technologien wie Design, Materialien und Herstellung kombiniert, um die Fahrzeugleistung zu verbessern, die Struktur zu optimieren, das Gewicht zu reduzieren und die Kosten zu kontrollieren. Es handelt sich um ein systematisches Ingenieurprojekt, das die Entwicklung der gesamten Automobilindustrie vorantreibt. Für den Leichtbau gibt es verschiedene Ansätze, die wichtigsten sind die Optimierung der Karosseriestruktur, die Verbesserung der Materialausnutzung sowie die Weiterentwicklung von Produktionsprozessen wie Laserschweißen und die Entwicklung neuer Materialien. Unter diesen Ansätzen eignen sich Aluminiumlegierungen hervorragend als Leichtbaumaterialien für Automobile und können den Anforderungen der Leichtbauentwicklung in der Automobilindustrie unseres Landes gerecht werden [2].

Leichtbau ist ein wichtiger Trend in der Entwicklung der Automobilindustrie, und seine Rolle bei der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sollte nicht ignoriert werden. Dabei geht es darum, das Gesamtgewicht von Fahrzeugen durch verschiedene Maßnahmen zu reduzieren und gleichzeitig deren Festigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Darüber hinaus korreliert das Gewicht des Fahrzeugs positiv mit Widerstandsfaktoren wie Steigen und Kippen, so dass eine Reduzierung des Widerstands die Leistung verbessern, den Kraftstoffverbrauch senken und Ziele zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung erreichen kann. Die Verbesserung traditioneller Automobile im Hinblick auf Prozesse, Materialien und Strukturen zur Erzielung von Leichtbau ist zu einem heißen Thema der aktuellen Forschung geworden. Hohe Festigkeit, lange Lebensdauer und niedrige Kosten sind die Ziele der Automobilindustrie. Aluminiumlegierungen sind aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen Wärmeleitfähigkeit, guten Korrosionsbeständigkeit und Energieabsorption bei Kollisionen zu den bevorzugten Materialien für den Leichtbau geworden. Darüber hinaus beträgt ihre Recyclingverlustquote nur 5 % und sie sind korrosionsbeständig. Sie haben einen längeren Lebenszyklus, tragen wesentlich zur Reduzierung des Verbrauchs knapper Ressourcen bei und fördern wirtschaftliche, ökologische und energetische Nachhaltigkeit [3].

2.2. Eigenschaften der Aluminiumlegierung

Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch eine geringe Dichte, hohe Korrosionsbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, einfache Verarbeitung und niedrige Kosten aus. Bezogen auf die Dichte hat Aluminium eine Dichte von nur 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter, was nur einem Drittel der von Eisen entspricht und es damit zu einem Leichtmetall macht. Die meisten Aluminiumprodukte sind relativ leicht und einfach zu verarbeiten. Im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit bildet Aluminium auf seiner Oberfläche leicht einen dichten, stabilen und äußerst oxidationsbeständigen Oxidfilm. Daher weisen Fahrzeuge aus Aluminiumlegierungen eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Fahrzeuge aus Stahl auf, insbesondere in Bereichen, in denen Korrosionsschutz nicht einfach anzuwenden ist, weshalb Aluminiumlegierungen die bevorzugte Wahl sind. Sie verbessern nicht nur das Erscheinungsbild von Automobilen, sondern verlängern auch deren Lebensdauer und erhöhen den Fahrgastkomfort. In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit hat Aluminium eine höhere Wärmeleitfähigkeit, etwa dreimal so viel wie Eisen, und eine hohe Wärmeaustauschrate, wodurch es für Wärmetauscher und Heizkörper geeignet ist. Bezüglich der Festigkeit sind die mechanischen Eigenschaften von Aluminium zwar nicht so gut wie die von Stahl, seine Festigkeit ist jedoch höher als die von Stahl. Durch den Einbau von Aluminium in andere Metallwerkstoffe und deren Wärmebehandlung kann eine höhere Festigkeit erreicht werden. Hinsichtlich der Materialverarbeitung verfügt Aluminium über einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine gute Fließfähigkeit, wodurch es sich für die Bearbeitung komplex geformter Werkstücke eignet. Aus Kostengründen ist Aluminium recycelbar [4]. Derzeit ist Aluminiumrecycling weltweit weit verbreitet und liegt bei über 60 %. Das Recycling von Aluminium kann den Energieverbrauch um mehr als 95 % senken und so den Energiesparanforderungen effektiv gerecht werden. Durch den Einsatz in der Automobilindustrie können Kosten für Formen und Ausrüstung eingespart werden. Darüber hinaus werden bei der Herstellung von Rahmen aus Aluminiumlegierung häufig extrudierte Aluminiumprofile mit niedrigen Schweißpunkten verwendet, was den Produktionsprozess vereinfacht und die Montageeffizienz verbessert.

3. Klassifizierung von Aluminiumlegierungsanwendungen im Automobilleichtbau

3.1. Gussaluminiumlegierung

77 % der in Automobilanwendungen verwendeten Aluminiumlegierungen sind Aluminiumgusslegierungen. Die Ergebnisse zeigen, dass Gussaluminiumlegierungen die Vorteile einer stabilen Qualität und Eignung für die Massenproduktion haben, was sie zu einem breiten Einsatz im Automobil-Leichtbau macht. Derzeit werden Aluminiumgusslegierungen häufig bei der Herstellung von Automobilkomponenten wie Getrieben, Motorzylinderköpfen, Motorzylinderblöcken, Rädern, Kipphebeln und Bremsscheiben verwendet. Unter anderem erfordern Motorzylinderköpfe und Zylinderblöcke eine höhere Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, was durch die Verwendung von Aluminiumgusslegierungen effektiv erreicht werden kann. Räder machen einen erheblichen Anteil des Gesamtgewichts eines Fahrzeugs aus, daher ist die Entwicklung leichter Räder eine Priorität. In dieser Hinsicht kann der Einsatz der Gusstechnologie mit Aluminiumlegierungen dieses Ziel effektiv erreichen. Bei leichten und mittelgroßen Fahrzeugen kann durch die Verwendung von Aluminiumgussrädern das Gewicht der Räder im Vergleich zur Verwendung von Stahlrädern um 30–40 % reduziert werden. Darüber hinaus verfügen Gussaluminiumlegierungsräder auch über die Eigenschaften einer hohen Wärmeableitung, einer hohen Festigkeit, einer hohen Maßgenauigkeit und einer Reduzierung von Quer- und Längsvibrationen [5].

3.2. Verformte Aluminiumlegierung

Aluminiumknetlegierungen zeichnen sich durch stabile Leistung, hohe Festigkeit, hohe Duktilität, gleichmäßige Zusammensetzung und eine dichte Innenstruktur aus. Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden: nicht wärmebehandelbar

Legierungen und wärmebehandelbare Legierungen. Ersteres umfasst Al-Si-Legierungen und reine Aluminiumlegierungen, während letzteres Al-Mg-Si-Legierungen und Al-Cu-Legierungen umfasst. Derzeit werden Aluminiumknetlegierungen häufig in Strukturbauteilen, Aufhängungsteilen sowie dekorativen Teilen wie Türen, Radkappen, Wärmetauschern, Stoßdämpfern, Sitzen, Kofferräumen, Schutzabdeckungen und Schallschutzabdeckungen für Kraftfahrzeuge verwendet. Im Vergleich zu Kupferwärmetauschern können Wärmetauscher aus Aluminiumknetlegierung das Gewicht um 35–45 % reduzieren. In den Vereinigten Staaten machen Aluminiumknetlegierungen 60–70 % der Gesamtmenge an Wärmetauschern aus, während in europäischen Ländern ihr Einsatz 90–100 % der Gesamtmenge an Wärmetauschern ausmacht.

3.3. Schaumaluminium

Aluminiumschaum ist ein metallisches Material mit hoher Porosität und hoher Porosität. Das Produkt zeichnet sich durch leichte Qualität, hohe Festigkeit, gute Absorption, gute Vibrationsdämpfung und Dämpfungsleistung aus. Derzeit wird Aluminiumschaum häufig bei der Herstellung von Karosserieteilen für Automobile wie Heckträgern, Puffern usw. verwendet. Insbesondere zwischen den beiden Außenplatten ist es notwendig, den Aluminiumschaum zu füllen, um eine neue Platte zu bilden, um den Zweck der Gewichtsreduzierung der Komponenten unter der Prämisse der Gewährleistung der Sicherheit der Komponente zu erreichen.

3.4. Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis

Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis sind eine Art Verbundaluminiumlegierung, die in der Automobilindustrie verwendet wird und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Ermüdungsbeständigkeit, eine gute Verschleißfestigkeit und eine hohe Maßgenauigkeit aufweist. Derzeit werden in Japan bereits Verbundwerkstoffe aus Aluminiumlegierungen in Automobilkomponenten wie Motorkolben eingesetzt. Die Southeast University in China hat ein auf Aluminium basierendes Verbundmaterial für Flugzeugtriebwerke entwickelt, dessen Lebensdauer um das Drei- bis Fünffache verbessert werden kann, wodurch die Leistungsfähigkeit von Flugzeugtriebwerken deutlich gesteigert wird [6].

4. Die Anwendungsvorteile von Aluminiumlegierungen im Automobilleichtbau

4.1. Gute Gewichtsreduktionswirkung

Untersuchungen haben gezeigt, dass ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Kraftstoffverbrauch von Autos und Faktoren wie den Abgasemissionen und dem Fahrzeuggewicht besteht. Jede Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 1 kg kann zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 0,7 Liter pro 10.000 gefahrene Kilometer führen, und eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 10 % kann zu einer Reduzierung der Abgasemissionen um 5 bis 6 % führen. Daher ist der Bau von Leichtbaufahrzeugen zu einem wichtigen Thema für große Automobilhersteller geworden. Durch den Einsatz von Aluminiumlegierungen im Automobilbau können hervorragende Leichtbaueffekte erzielt werden. Insbesondere Aluminium hat eine Dichte von 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter, was nur einem Drittel der Dichte von Stahl entspricht. Aluminiumlegierungen sind Materialien mit einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, die nach Kupfer übertroffen wird. Aluminiumlegierungen sind korrosionsbeständige Metalle, die auf natürliche Weise einen Oxidfilm auf der Oberfläche bilden können, was sie zu einem wichtigen Werkstoff für die Automobilproduktion macht.

4.2. Herstellung recyclingfähiger Materialien

Aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit während des Gebrauchs sind Aluminiumlegierungen Metalle, die nicht leicht korrodieren und eine hohe Recyclingquote aufweisen. In den verschiedenen Phasen der Produktion, Nutzung, des Recyclings und der Verarbeitung zu Aluminiumbarren sowie der Weiterverarbeitung zu Produkten beträgt der Verlust an Aluminiummaterial nur etwa 5 %. Unter den verschiedenen Metallrohstoffen weist Aluminium die höchste Recyclingquote auf. Derzeit wird in den meisten Ländern weltweit recyceltes Aluminium in der Automobilproduktion verwendet. Darüber hinaus kann Aluminium aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts und seiner guten Fließfähigkeit zu verschiedenen Teilen mit komplexen Formen verarbeitet werden. Dies kommt nicht nur der Entwicklung der Automobilindustrie zugute, sondern fördert auch das Recycling und die Kreislaufnutzung von Aluminiumlegierungsressourcen in unserem Land.

4.3. Verbesserte Fahrzeugsicherheit und Fahrbarkeit

Der Einsatz von Aluminiumlegierungen im Automobilbau ermöglicht eine Leichtbauweise der Fahrzeuge ohne Einbußen bei der Tragfähigkeit. Dadurch wird der Schwerpunkt des Fahrzeugs abgesenkt,

Verbesserung der Laufruhe und Stabilität. Darüber hinaus werden Vibrationen und Drehgeräusche verschiedener Fahrzeugteile reduziert. Die Eigenschaften von Aluminiumlegierungsmaterialien ermöglichen es ihnen, Aufprallkräfte bei Kollisionen zu absorbieren, was zu Verformungen und Faltenbildung an der Vorderseite des Fahrzeugs führt. Dies reduziert Fahrzeugschäden und erhöht die Sicherheit der Passagiere. Darüber hinaus werden durch den Einsatz von Aluminiumlegierungsmaterialien die Gesamtlast des Fahrzeugs und die Anhängelast wirksam reduziert, wodurch die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs verbessert wird.

5. Aluminiumlegierung in der Automobil-Leichtbauanwendungstechnik

5.1. Gieß- und Formtechnik

Bei der Herstellung von Aluminiumlegierungen für Automobilanwendungen spielen Gießverfahren eine entscheidende Rolle. Ungefähr 80 % der Aluminiumlegierungen für die Automobilindustrie werden mithilfe verschiedener Gussverfahren hergestellt, darunter Präzisionsguss, Schwerkraftguss, Wachsausschmelzguss, Niederdruckguss, Quetschguss und Druckguss. Unter diesen Verfahren ist Druckguss aufgrund seiner Vorteile einer geringen Ausschussrate, einer hohen Produktqualität und einer hohen Maßgenauigkeit das am weitesten verbreitete Verfahren. Beim Extrusionsgießen handelt es sich um ein neues Verfahren, das nur wenig oder gar kein Schneiden erfordert. Es entstehen Bauteile aus Aluminiumlegierungen mit klaren äußeren Formen und dichten inneren Strukturen. Diese Umformtechnik eignet sich zur Herstellung von Bauteilen wie Türverkleidungen und Stoßfängern.

5.2. Halbfeste Formtechnologie

Bei der halbfesten Umformung handelt es sich um einen neuartigen Umformprozess für Aluminiumlegierungen für Automobilanwendungen, der Bauteilen Formgebungseigenschaften verleiht, die den idealen Aluminiumlegierungsteilen näherkommen. Vor der Umformung durchlaufen Aluminiumlegierungen typischerweise Erstarrungs- und Schmelzprozesse. Während dieser Phase, wenn sich die Aluminiumlegierung in einem halbfesten Zustand befindet, kann sie während des Umformprozesses stabiler sein und vollständig genutzt werden, was zu einer verbesserten Umformbarkeit führt. Diese Technik ist besonders wichtig für die Verbesserung der Teilegenauigkeit, die Verringerung der Erstarrungsschrumpfung, die Verlängerung der Teilelebensdauer und die Verbesserung der mechanischen Leistung. Die halbfeste Umformung ist eine vielversprechende neue Technologie, die häufig in Leichtbaukomponenten für die Automobilindustrie eingesetzt wird. Derzeit ist diese Technologie jedoch noch nicht so weit fortgeschritten, dass Aluminiumlegierungsteile in großem Maßstab hergestellt werden können [7].

5.3. Anwendungen hochfester Aluminiumlegierungen

Hochfeste Aluminiumlegierungen weisen eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf und eignen sich daher für Leichtbaukonstruktionen und Anwendungen in verschiedenen Bereichen als Alternative zu herkömmlichem Stahl oder anderen Materialien. Hier sind einige häufige Anwendungen hochfester Aluminiumlegierungen: (1) Automobilherstellung: Hochfeste Aluminiumlegierungen können in verschiedenen Automobilkomponenten verwendet werden, wie zum Beispiel Fahrzeugkarosseriestrukturen, Fahrgestellen, Motorträgern, Aufhängungssystemen und Rädern. Sie können das Gesamtgewicht von Fahrzeugen reduzieren, die Kraftstoffeffizienz und das Fahrverhalten verbessern und bei Kollisionen für eine gute Sicherheit sorgen. (2) Luft- und Raumfahrtindustrie: Hochfeste Aluminiumlegierungen werden häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, darunter Flugzeugrümpfe, Flügel, Triebwerkskomponenten, Flugsteuerungssysteme und mehr. Durch den Einsatz hochfester Aluminiumlegierungen kann das Flugzeuggewicht reduziert, die Treibstoffeffizienz verbessert sowie die Nutzlastkapazität und Flugleistung erhöht werden. (3) Schienenverkehr: Hochfeste Aluminiumlegierungen können im Schienenverkehr für Fahrzeugkarosserien, Waggons, Aufhängungssysteme, Räder und mehr eingesetzt werden. Sie können das Gesamtgewicht von Zügen reduzieren, die Betriebsgeschwindigkeit und die Energieeffizienz verbessern sowie die Stabilität und Laufruhe der Fahrzeuge verbessern. Der Einsatz hochfester Aluminiumlegierungen ermöglicht Leichtbau, reduziert den Energieverbrauch, verringert die Umweltbelastung und verbessert die Leistung und Wettbewerbsfähigkeit von Produkten in verschiedenen Bereichen.

6. Anwendung von Aluminiumlegierungsmaterialien in der Automobilindustrie

6.1. Fahrzeugaufbau

In der Gesamtstruktur von Automobilen macht das Gewicht der Karosserie etwa 30 % aus, während der direkt vom Gewicht der Karosserie abhängige Kraftstoffverbrauch etwa 70 % ausmacht. Dies zeigt die kraftstoffsparende Wirkung leichter Fahrzeugkarosserien und macht Aluminiumlegierungsmaterialien für die Automobilproduktion geeignet. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie ist die Anwendung von

Aluminiumlegierungen in der Automobilindustrie nehmen zu. Nach 1994 stellte Audi zwei Modelle vor, den A8 und den A2, beide aus reinem Aluminium. Das Gewicht dieser beiden Modelle wurde im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen deutlich um etwa 40 % reduziert. Der A2 wog weniger als 900 kg und wurde mit einer jährlichen Produktionsmenge von 50.000 Einheiten zum ersten in Großserie gefertigten Vollaluminiumauto der Welt. Auch der A8 fand großen Anklang und galt als große technische Errungenschaft. Infolgedessen haben große inländische Automobilhersteller Forschung und Entwicklung zu Aluminiumlegierungen und ihren Anwendungen betrieben. Weltweit haben mehrere Unternehmen, darunter Porsche, Volkswagen und Renault, gemeinsam „Leichtbau“-Programme gestartet, umfangreiche Forschungen zu Leichtbaumaterialien durchgeführt und Verbundprozesse eingesetzt. Basierend auf dem Volkswagen Golf der 5. Generation produzierten sie leichte Fahrzeugstrukturen aus verschiedenen Verbundwerkstoffen mit einem Eigengewicht von 180 kg, was zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung von 101 kg im Vergleich zum ersten Golf-Modell führte. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz von Aluminiumlegierungsmaterialien das Gewicht von Fahrzeugen effektiv reduziert werden kann. Darüber hinaus können Aluminiumlegierungen bei Verwendung im selben Fahrzeug auch das Kollisionsverhalten verbessern. Da Fahrzeugkarosserien etwa 30 % der Gesamtmasse des Fahrzeugs und der Kraftstoffverbrauch etwa 70 % ausmachen, kann die Leichtbauweise der Karosserie dazu beitragen, das Gesamtgewicht und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu senken. Die Ergebnisse zeigen, dass Aluminiumlegierungen ein geeignetes Material für die Herstellung von Automobilkarosserien sind. Am Beispiel von Audi wurden in den 1980er Jahren erstmals Aluminiumwerkstoffe für Autotüren verwendet, und 1994 wurden erfolgreich Aluminium-Karosseriestrukturen hergestellt, die das Gesamtgewicht des Fahrzeugs um etwa 40 % reduzierten. Zahlreiche in- und internationale Automobilhersteller haben daher zunehmend Aluminiumlegierungen für Fahrzeugkarosserien eingesetzt und umfangreiche Leichtbauforschung mit verschiedenen Leichtbaumaterialien durchgeführt. Folglich kann der Einsatz von Aluminiumlegierungsmaterialien in der Automobilproduktion das Fahrzeuggewicht wirksam reduzieren.

6.2. Sumpf

Bei der Entwicklung des Automobilleichtbaus besteht ein erhebliches Potenzial zur Optimierung der Fahrwerksstruktur, wodurch das Ziel des strukturellen Leichtbaus relativ einfacher erreicht werden kann. Aluminiumlegierungen sind ein weit verbreitetes Material in Fahrzeugaufhängungssystemen. Cadillac verwendet beispielsweise ein Aufhängungssystem aus Aluminiumlegierung, während Ford Rotoren aus Aluminium verwendet, die zwei Drittel weniger wiegen als Rotoren aus Eisen. Trotz eines leichten Kostenanstiegs verdoppelt sich die Lebensdauer, was insgesamt zu einer Verbesserung der Kosteneffizienz führt. Chryslers „NeodLite“ verwendet Aluminiumlegierungskomponenten in seiner Karosserie, wodurch das Gewicht des Achsschenkels effektiv um 3 kg und das Gewicht des unteren Querlenkers und des Achsschenkels um 2,6 kg reduziert wird. Es ist offensichtlich, dass der Einsatz von Aluminiumlegierungsmaterialien bei der Fahrwerksproduktion nicht nur das Ziel der Gewichtsreduzierung erreicht, sondern auch die Lebensdauer der Komponenten verlängert. Bei Automobilstrukturen ist das Chassis der Teil mit der größten Herausforderung bei der Erreichung des Leichtbaus, aber es ist auch relativ einfacher, das Leichtbauziel zu erreichen. Aluminiumlegierungen werden häufig bei der Herstellung von Automobilchassis verwendet. Ford stellt beispielsweise bewegliche Radnaben her, die 63 % leichter sind als bewegliche Radnaben auf Raupenfahrwerken. Cadillac verwendet Aluminiumlegierungen für verschiedene Komponenten seines Aufhängungssystems. Chrysler verwendet einen Rahmen aus Aluminiumlegierung, der das Gewicht des Achsschenkels um 3 kg, des unteren Querlenkers um 2,6 kg und des Achsschenkels um 1,36 kg reduziert. Obwohl diese Maßnahmen die Produktionskosten des Chassis erhöhen können, verlängern sie auch die Lebensdauer des Chassis. Daher wird durch den Einsatz von Aluminiumlegierungen im Karosseriebau nicht nur das Ziel der Reduzierung des Karosseriegewichts erreicht, sondern auch die Leistung optimiert und die Lebensdauer der Karosseriestruktur verlängert.

6.3. Motor

Der Motor ist die wichtigste Komponente im Antriebssystem eines Automobils und seine Leistung hat direkten Einfluss auf die Gesamtleistung des Fahrzeugs sowie auf die Lebensdauer und den Fahrkomfort. Zylinderblöcke, Zylinderköpfe und Ansaugkrümmer aus Aluminiumlegierung können das Gewicht des Motors um 30–40 % reduzieren und das Verdichtungsverhältnis verbessern, wodurch die thermische Belastung verringert und die Motorleistung erhöht wird. Um Leichtbau zu erreichen, besteht das grundlegende Ziel darin, einige Komponenten leichter zu machen. Um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen, wird empfohlen, Verbindungselemente mit geringer Festigkeit zu verwenden und Stahl durch Aluminium zu ersetzen. Um den Anforderungen des Automobil-Leichtbaus gerecht zu werden, wird für die vollständige Prozessauslegung und Versuchsproduktion üblicherweise das Stranggussverfahren eingesetzt. Praxisergebnisse haben gezeigt, dass diese Maßnahmen den Anforderungen für die praktische Anwendung gerecht werden können. Derzeit verwenden große inländische Automobilunternehmen häufig Motorkomponenten aus Aluminiumlegierungen, darunter Kolben, Kühler, Pleuel und Ölwannen. Für die Kolben verwenden die meisten Fahrzeuge eine Aluminiumlegierung, die das Gewicht und die Trägheit des Kolbens sowie das Gewicht der Kurbelwelle reduziert und so die Effizienz des Kolbens verbessert. Darüber hinaus verfügt dieses Material über eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass es bei Temperaturen bis zu 350 °C eine gute mechanische Leistung beibehält. Darüber hinaus ist die

Durch die Verwendung von Aluminiumlegierungsteilen werden Vibrationen, Lärm und Kraftstoffverbrauch reduziert, was zu erheblichen Verbesserungen führt. Heutzutage verwenden die meisten Automobilhersteller Aluminiumlegierungen in ihren Motoren, einschließlich spezieller Teile wie Ölwannen, Pleuelstangen, Kühler und Kolben. Unter diesen Teilen ist Aluminiumlegierung das am häufigsten verwendete Material, insbesondere für Kolben. Es reduziert effektiv das Gewicht von Kolben und Kurbelwelle, verringert die Trägheit und verbessert die Nutzungseffizienz. Aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten behält es auch bei hohen Temperaturen von bis zu 350 °C eine gute mechanische Leistung bei. Darüber hinaus tragen andere Motorkomponenten aus Aluminiumlegierung dazu bei, die Vibrationsfrequenz zu reduzieren, die Betriebsgeräusche zu verringern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und das Gewicht zu reduzieren.

6.4. Rad

In der Gesamtstruktur eines Autos tragen die Räder das Gewicht des Fahrzeugs und sorgen für die Antriebskraft. Generell gibt es drei Möglichkeiten, die Radnabe leichter zu machen: Verkleinerung der Nabe, Verwendung leichterer Materialien und Verbesserung des Herstellungsprozesses. Darüber hinaus verbessert die hervorragende Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung die Bremsleistung des Fahrzeugs. Darüber hinaus beträgt sein Gewicht nur etwa 30 % des Gewichts von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl. Darüber hinaus verringert es aufgrund seines geringen Trägheitswiderstands bei hoher Drehzahl die Reibung der Reifen, wodurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Fahrsicherheit erhöht wird. Bezogen auf das gesamte Fahrzeug beträgt das Gewicht der Räder etwa 70 % des Fahrzeuggewichts. Durch die Gewichtsreduzierung der Radnabe kann das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert werden. Darüber hinaus bieten Aluminiumlegierungsräder Vorteile wie Korrosionsbeständigkeit, Stoßdämpfung und Haltbarkeit. Durch eine leichte Behandlung der Radnabe kann das Auto leichter werden. Durch die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung von Radnaben kann das Gewicht der Nabe reduziert und Energie gespart werden. Mit jeder Gewichtsreduzierung der Radnabe um 1 kg kann der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs um 800 Kilometer pro Liter Benzin gesenkt werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen gesenkt werden und die Umweltziele mit niedrigem CO2-Ausstoß erreicht werden. Darüber hinaus weisen Radnaben aus Aluminiumlegierung eine gute Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit auf [8].

6.5. Federungssystem

Bei einem Federungssystem handelt es sich um eine Reihe von Vorrichtungen, die zwischen dem Fahrgestell und den Rädern eines Fahrzeugs installiert werden und dazu dienen, die Karosserie und die Räder zu stützen und zu verbinden und gleichzeitig Vibrationen und Stöße zu absorbieren, die durch Straßenunebenheiten verursacht werden. Seine Hauptfunktion besteht darin, Fahrkomfort zu bieten, die Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten und das Fahrverhalten zu verbessern. Im Automobilaufhängungssystem finden Aluminiumlegierungsmaterialien mehrere häufige Anwendungen. (1) Stoßdämpfer: Stoßdämpfer sind entscheidende Komponenten des Aufhängungssystems, die dazu dienen, Vibrationen und Stöße während des Fahrzeugbetriebs zu reduzieren. Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ihres geringen Gewichts häufig zur Herstellung von Stoßdämpfergehäusen und anderen Strukturteilen verwendet. Es trägt dazu bei, die ungefederte Masse des Fahrzeugs zu reduzieren, was zu einer verbesserten Leistung des Federungssystems führt. (2) Aufhängungsarme: Aufhängungsarme verbinden die Räder mit dem Fahrgestell des Fahrzeugs und steuern die Radbewegungen. Aufgrund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit, Steifigkeit und ihres geringen Gewichts werden häufig Aluminiumlegierungsmaterialien für die Herstellung von Aufhängungsarmen ausgewählt. Die Verwendung von Aufhängungsarmen aus Aluminiumlegierung kann das Gesamtgewicht des Aufhängungssystems reduzieren und so das Ansprechverhalten und die Stabilität verbessern. (3) Querlenker: Querlenker spielen eine Rolle bei der Verbindung der Räder und der Karosseriestruktur des Fahrzeugs und steuern die Bewegung der Räder. Einige Fahrzeuge verwenden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Dichte Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Querlenkern. Dies trägt dazu bei, das Gewicht des Federungssystems zu reduzieren und gleichzeitig das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu verbessern. (4) Stabilisatoren: Stabilisatoren (auch Stabilisatoren genannt) werden verwendet, um verschiedene Teile des Aufhängungssystems zu verbinden, um die Absorption von Querkräften zu unterstützen und die Aufhängungsbewegungen des Fahrzeugs zu unterstützen. Stabilisatoren aus Aluminiumlegierung bieten eine gute Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht und tragen so zur Gewichtsreduzierung des gesamten Aufhängungssystems bei. Der Einsatz von Aluminiumlegierungsmaterialien im Aufhängungssystem ermöglicht Automobilherstellern eine Gewichtsreduzierung, eine verbesserte Leistung, einen höheren Fahrkomfort und ein besseres Handling. Gleichzeitig trägt es dazu bei, den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu senken. Die Verwendung einer Aluminiumlegierung führt zu besseren Leichtbaueffekten und einer besseren Gesamtleistung für Automobilaufhängungssysteme.

7. Abschluss

Kurz gesagt, mit dem kontinuierlichen Fortschritt und der Entwicklung der chinesischen Wirtschaft und Gesellschaft sind Umwelt- und Energieprobleme immer ernster geworden. In diesem Zusammenhang das Automobil

Akademisches Journal für Materialien und Chemie

ISSN 2616-5880 Bd. 4, Ausgabe 6: 1-7, DOI: 10.25236/AJMC.2023.040601

Die Industrie muss Leichtbau, Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit durch Optimierung und Transformation von Technologien in den Vordergrund stellen. Beim Automobildesign ist es notwendig, Aluminiumlegierungen zu verwenden, um eine Gewichtsreduzierung, einen geringeren Kraftstoffverbrauch, eine Reduzierung der Kohlenstoffemissionen und eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, Stoßdämpfungsleistung und Haltbarkeit von Fahrzeugen zu erreichen. Der Leichtbau von Automobilen ist eine wichtige Richtung für die zukünftige Automobilforschung und -herstellung. Derzeit haben viele Länder auf der ganzen Welt bedeutende Erfolge im Automobilleichtbau erzielt und erfolgreich Aluminiumlegierungsmaterialien eingesetzt, um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen. Allerdings befindet sich die Forschung zu Aluminiumlegierungsmaterialien für den Automobil-Leichtbau in China noch in den Anfängen und es besteht immer noch ein erheblicher Rückstand im Vergleich zu den fortgeschrittenen Forschungsniveaus im Ausland. Daher müssen Automobilhersteller die Forschung zu Leichtbautechnologien und -methoden für Fahrzeuge aus Aluminiumlegierungen verstärken.

Referenzen

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[2] Liang J, Sun J, Wei W, et al. Dynamische konstitutive Analyse von Aluminiumlegierungsmaterialien, die häufig in Schienenfahrzeugen verwendet werden, Big Data und ihre Anwendung in LS-DYNA[J]. EAI-unterstützte Transaktionen auf skalierbaren Informationssystemen,2022,9(34).

[3] Akhshik M, Tjong J, Bilton A, et al. Vorhersage der Reduzierung von Treibhausgasemissionen mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen: Auf dem Weg zu einer auf künstlicher Intelligenz basierenden Lebenszyklusbewertung für den Automobilleichtbau[J]. Nachhaltige Materialien und Technologien, 2021 (Vorveröffentlichung).

[4] Chih E C, Jerry C, Chieh Y T, et al. Stabile und robuste Steuerungstechnik für Wechselstromquellen, angewendet auf die Ultrapräzisionsbearbeitung von Aluminiumlegierungsmaterialien[J]. IOP-Konferenzreihe: Materialwissenschaft und -technik, 2019,644.

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[7] Laura Z, Massimo D, Antonia C D, et al. Integration der Ergebnisse der Lebenszyklus-Nachhaltigkeitsbewertung mithilfe von Fuzzy-TOPSIS in den Automobilleichtbau[J]. SAE International Journal of Materials and Manufacturing, 2021, 14(3).

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