欧州の自動車産業は、その先進性と革新性の高さで知られています。省エネ・排出削減政策の推進に伴い、燃料消費量と二酸化炭素排出量を削減するため、改良され革新的な設計のアルミニウム合金が自動車設計に広く採用されています。統計によると、過去10年間で乗用車に使用されるアルミニウムの平均量は倍増しており、アルミニウム合金の軽量化は図1に示されています。革新的な設計コンセプトに基づき、この傾向は今後数年間続くと予想されます。
軽量化の過程で、アルミニウム合金は、薄肉設計後も高い強度を維持できる高強度鋼などの他の新素材との激しい競争に直面しています。 さらに、マグネシウム、チタン、ガラス、または炭素繊維複合材料があり、後者はすでに航空宇宙で広く使用されています。 現在、マルチマテリアル設計の概念は自動車設計に統合されており、適切な材料を適切な部品に適用する努力がなされています。 非常に重要な課題は、接続と表面処理の問題であり、エンジンブロックとパワートレイン部品、フレーム設計（アウディA2、A8、BMW Z8、ロータスエリーゼ）、薄板構造（ホンダNSX、ジャガー、ローバー）、サスペンション（DC-Eクラス、ルノー、プジョー）などの構造部品の設計など、さまざまなソリューションが開発されています。 図2は、自動車に使用されるアルミニウムのコンポーネントを示しています。
BIW設計戦略
ホワイトボディは従来の自動車の中で最も重い部品であり、車両重量の25～30%を占めています。ホワイトボディには2つの構造設計があります。
1. 小型・中型車向け「プロファイルスペースフレーム設計」アウディA8は典型的な例で、ホワイトボディの重量は277kgで、59個のプロファイル（61kg）、31個の鋳物（39kg）、170枚の板金（177kg）で構成されています。これらは、リベット接合、MIG溶接、レーザー溶接、その他のハイブリッド溶接、接着などによって接合されています。
2. 中・大型自動車向け「型鍛造板金モノコック構造」例えば、ジャガーXJ（X350）2002年モデル（下図4参照）は、質量295kgの「プレス成形モノコック構造」ホワイトボディで、22個のプロファイル（21kg）、15個の鋳造部品（15kg）、および273個の板金部品（259kg）で構成されています。接合方法は、接着、リベット、MIG溶接などです。
ボディへのアルミニウム合金の適用
1. 時効硬化Al-Mg-Si合金
6000系合金はマグネシウムとシリコンを含有し、現在、A6016、A6111、A6181Aとして自動車のボディーシートに使用されています。欧州では、1～1.2mmのEN-6016が優れた成形性と耐食性を備え、広く使用されています。
2. 熱処理不可のAl-Mg-Mn合金
Al-Mg-Mn合金は、その高いひずみ硬化特性により、優れた成形性と高い強度を示し、自動車用熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板、ハイドロフォームチューブなどに広く使用されています。シャーシやホイールへの適用は、バネ下可動部品の質量軽減により運転快適性が向上し、騒音レベルも低減するため、さらに効果的です。
3. アルミニウムプロファイル
欧州では、アルミニウム合金フレームや複雑な下部構造など、アルミニウムプロファイル設計に基づいた全く新しい自動車コンセプトが提案されました。複雑な設計と機能統合の大きな可能性を秘めており、コスト効率の高い量産に最適です。押出成形時には焼入れが必要となるため、中強度6000系および高強度7000系の時効硬化型合金が使用されています。成形性と極限強度は、その後の加熱による時効硬化によって制御されます。アルミニウム合金プロファイルは、主にフレーム設計、クラッシュビーム、その他の衝突部品に使用されています。
4. アルミ鋳造
鋳物は、エンジンブロック、シリンダーヘッド、特殊シャーシ部品など、自動車において最も広く使用されているアルミニウム部品です。欧州で市場シェアを大きく伸ばしているディーゼルエンジンにおいても、強度と耐久性に対する要求の高まりから、アルミニウム鋳物への移行が進んでいます。同時に、フレーム設計、シャフト部品、構造部品にもアルミニウム鋳物が採用されており、新しいAlSiMgMn系アルミニウム合金の高圧鋳造により、より高い強度と延性を実現しています。
アルミニウムは、その低密度、優れた成形性、優れた耐食性から、シャーシ、ボディ、その他多くの構造部品など、多くの自動車用途に最適な材料です。ボディ構造設計にアルミニウムを使用すると、性能要件を満たすことを前提に、少なくとも30%の軽量化を実現できます。また、現在のカバーのほとんどの部品にアルミニウム合金を適用できます。高強度が求められる場合でも、7000系合金は品質上の利点を維持できます。したがって、大量生産アプリケーションでは、アルミニウム合金による軽量化ソリューションが最も経済的な方法です。
MAT AluminumのMay Jiangによる編集
投稿日時: 2023年12月8日
