1. Wprowadzenie
Odciążanie pojazdów samochodowych rozpoczęło się w krajach rozwiniętych i początkowo było prowadzone przez tradycyjnych gigantów motoryzacyjnych. Dzięki ciągłemu rozwojowi nabrała znacznego rozpędu. Od czasu, gdy Hindusi po raz pierwszy zastosowali stop aluminium do produkcji wałów korbowych do samochodów, aż do pierwszej masowej produkcji samochodów w całości aluminiowych przez Audi w 1999 r., zastosowanie stopu aluminium w motoryzacji dynamicznie się rozwijało ze względu na swoje zalety, takie jak niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa i sztywność, dobra elastyczność i odporność na uderzenia, wysoka zdolność do recyklingu i wysoki stopień regeneracji. Do 2015 r. udział stopu aluminium w samochodach przekroczył już 35%.
Zmniejszanie ciężaru pojazdów w Chinach rozpoczęło się niecałe 10 lat temu, a zarówno pod względem technologii, jak i poziomu zastosowań pozostaje w tyle za krajami rozwiniętymi, takimi jak Niemcy, Stany Zjednoczone i Japonia. Jednakże wraz z rozwojem nowych pojazdów energetycznych zmniejszanie ciężaru materiałów postępuje szybko. Wykorzystując rozwój nowych pojazdów napędzanych energią, chińska technologia zmniejszania ciężaru pojazdów wykazuje tendencję do doganiania krajów rozwiniętych.
Chiński rynek materiałów lekkich jest ogromny. Z jednej strony, w porównaniu z krajami rozwiniętymi za granicą, chińska technologia zmniejszania ciężaru rozpoczęła się późno, a całkowita masa własna pojazdu jest większa. Biorąc pod uwagę poziom odniesienia w zakresie udziału materiałów lekkich w innych krajach, w Chinach nadal jest dużo miejsca na rozwój. Z drugiej strony, szybki rozwój nowego przemysłu pojazdów energetycznych w Chinach, napędzany polityką, zwiększy popyt na lekkie materiały i zachęci firmy motoryzacyjne do przejścia na lżejsze pojazdy.
Poprawa standardów emisji i zużycia paliwa wymusza przyspieszenie zmniejszania ciężaru pojazdów. Chiny w pełni wdrożyły normy emisji China VI w 2020 r. Zgodnie z „Metodą oceny i wskaźnikami zużycia paliwa w samochodach osobowych” oraz „Planem działania w zakresie oszczędzania energii i nowych technologii pojazdów energetycznych” norma zużycia paliwa wynosi 5,0 l/km. Biorąc pod uwagę ograniczoną przestrzeń na istotne przełomy w technologii silników i redukcji emisji, przyjęcie środków dotyczących lekkich komponentów samochodowych może skutecznie zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i zużycie paliwa przez pojazdy. Zmniejszanie masy nowych pojazdów energetycznych stało się istotną ścieżką rozwoju branży.
W 2016 r. Chińskie Towarzystwo Inżynierii Motoryzacyjnej opublikowało „Mapę drogową dotyczącą oszczędzania energii i technologii pojazdów wykorzystujących nową energię”, w której zaplanowano takie czynniki, jak zużycie energii, zasięg i materiały produkcyjne dla nowych pojazdów energetycznych na lata 2020–2030. Kluczowym kierunkiem będzie zmniejszenie masy ciała dla przyszłego rozwoju nowych pojazdów energetycznych. Zmniejszenie masy może zwiększyć zasięg przelotowy i rozwiązać problem „niepokoju dotyczącego zasięgu” w nowych pojazdach energetycznych. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na większy zasięg podróży pilne staje się zmniejszenie ciężaru pojazdów, a sprzedaż nowych pojazdów zasilanych energią znacznie wzrosła w ostatnich latach. Zgodnie z wymogami systemu punktacji oraz „Średnio- i długoterminowego planu rozwoju przemysłu motoryzacyjnego” szacuje się, że do 2025 r. sprzedaż w Chinach nowych pojazdów energetycznych przekroczy 6 milionów sztuk, przy złożonym rocznym wzroście wskaźnik przekraczający 38%.
2. Charakterystyka i zastosowania stopów aluminium
2.1 Charakterystyka stopu aluminium
Gęstość aluminium stanowi jedną trzecią gęstości stali, dzięki czemu jest lżejsza. Ma wyższą wytrzymałość właściwą, dobrą zdolność do wytłaczania, dużą odporność na korozję i wysoką zdolność do recyklingu. Stopy aluminium charakteryzują się tym, że składają się głównie z magnezu, wykazują dobrą odporność na ciepło, dobre właściwości spawalnicze, dobrą wytrzymałość zmęczeniową, brak możliwości wzmocnienia poprzez obróbkę cieplną i zdolność do zwiększania wytrzymałości poprzez obróbkę na zimno. Seria 6 charakteryzuje się tym, że składa się głównie z magnezu i krzemu, przy czym główną fazą wzmacniającą jest Mg2Si. Najszerzej stosowanymi stopami w tej kategorii są 6063, 6061 i 6005A. Płyta aluminiowa 5052 to płyta aluminiowa ze stopu aluminium serii AL-Mg, z magnezem jako głównym pierwiastkiem stopowym. Jest to najczęściej stosowany antykorozyjny stop aluminium. Stop ten ma wysoką wytrzymałość, wysoką wytrzymałość zmęczeniową, dobrą plastyczność i odporność na korozję, nie może być wzmocniony przez obróbkę cieplną, ma dobrą plastyczność przy hartowaniu półzimnym, niską plastyczność podczas hartowania na zimno, dobrą odporność na korozję i dobre właściwości spawalnicze. Stosowany jest głównie do elementów takich jak panele boczne, pokrycia dachowe i panele drzwi. Stop aluminium 6063 jest poddającym się obróbce cieplnej stopem wzmacniającym z serii AL-Mg-Si, którego głównymi pierwiastkami stopowymi są magnez i krzem. Jest to poddawany obróbce cieplnej wzmacniający profil ze stopu aluminium o średniej wytrzymałości, stosowany głównie w elementach konstrukcyjnych, takich jak kolumny i panele boczne, w celu zapewnienia wytrzymałości. Wprowadzenie do gatunków stopów aluminium przedstawiono w tabeli 1.
2.2 Wytłaczanie jest ważną metodą formowania stopu aluminium
Wytłaczanie stopu aluminium jest metodą formowania na gorąco, a cały proces produkcyjny polega na formowaniu stopu aluminium pod wpływem trójstronnego naprężenia ściskającego. Cały proces produkcyjny można opisać następująco: a. Aluminium i inne stopy są topione i odlewane w wymagane kęsy stopu aluminium; B. Podgrzane kęsy są umieszczane w urządzeniu do wytłaczania w celu wytłaczania. Pod działaniem głównego cylindra kęs ze stopu aluminium jest formowany w wymagane profile przez wnękę formy; C. W celu poprawy właściwości mechanicznych profili aluminiowych, w trakcie lub po wytłaczaniu, przeprowadza się obróbkę przesycającą, a następnie obróbkę starzeniową. Właściwości mechaniczne po starzeniu różnią się w zależności od różnych materiałów i warunków starzenia. Stan obróbki cieplnej profili samochodów ciężarowych skrzynkowych przedstawiono w tabeli 2.
Wytłaczane produkty ze stopów aluminium mają kilka zalet w porównaniu z innymi metodami formowania:
A. Podczas wytłaczania wytłaczany metal uzyskuje w strefie odkształcenia silniejsze i bardziej równomierne trójstronne naprężenie ściskające niż walcowanie i kucie, dzięki czemu może w pełni odtworzyć plastyczność obrabianego metalu. Można go stosować do obróbki metali trudnych do odkształcenia, których nie można poddać obróbce poprzez walcowanie lub kucie, a także można go stosować do wykonywania różnych skomplikowanych elementów o przekroju pustym lub pełnym.
B. Ponieważ geometrię profili aluminiowych można zmieniać, ich elementy charakteryzują się dużą sztywnością, co może poprawić sztywność nadwozia pojazdu, zmniejszyć jego charakterystykę NVH i poprawić właściwości dynamicznego sterowania pojazdem.
C. Wyroby o wydajności wytłaczania po hartowaniu i starzeniu charakteryzują się znacznie wyższą wytrzymałością wzdłużną (R, Raz) niż wyroby przetwarzane innymi metodami.
D. Powierzchnia produktów po wytłaczaniu ma dobry kolor i dobrą odporność na korozję, co eliminuje potrzebę innej antykorozyjnej obróbki powierzchni.
mi. Przetwarzanie przez wytłaczanie charakteryzuje się dużą elastycznością, niskimi kosztami narzędzi i form oraz niskimi kosztami zmian projektu.
F. Dzięki możliwości kontrolowania przekrojów profili aluminiowych można zwiększyć stopień integracji komponentów, zmniejszyć liczbę komponentów, a różne konstrukcje przekrojów umożliwiają precyzyjne pozycjonowanie spawania.
Porównanie wydajności wytłaczanych profili aluminiowych do samochodów ciężarowych typu box i zwykłej stali węglowej pokazano w tabeli 3.
Następny Kierunek rozwoju profili ze stopów aluminium do samochodów ciężarowych typu box: Dalsza poprawa wytrzymałości profili i zwiększenie wydajności wytłaczania. Kierunek badań nowych materiałów na profile ze stopów aluminium do samochodów ciężarowych typu skrzynia przedstawiono na rysunku 1.
3. Konstrukcja ciężarówki ze stopu aluminium, analiza wytrzymałości i weryfikacja
3.1 Konstrukcja ciężarówki ze stopu aluminium
Kontener skrzyniowy składa się głównie z zespołu panelu przedniego, zespołu lewego i prawego panelu bocznego, zespołu panelu bocznego tylnych drzwi, montażu podłogi, montażu dachu, a także śrub w kształcie litery U, osłon bocznych, osłon tylnych, błotników i innych akcesoriów podłączony do podwozia drugiej klasy. Belki poprzeczne, słupy, belki boczne i panele drzwiowe nadwozia skrzyniowego wykonane są z wytłaczanych profili ze stopu aluminium, natomiast panele podłogowe i dachowe z płaskich płyt ze stopu aluminium 5052. Konstrukcję ciężarówki ze skrzynią ze stopu aluminium pokazano na rysunku 2.
Zastosowanie procesu wytłaczania na gorąco stopu aluminium serii 6 może tworzyć złożone puste przekroje poprzeczne, a konstrukcja profili aluminiowych o złożonych przekrojach może zaoszczędzić materiały, spełnić wymagania dotyczące wytrzymałości i sztywności produktu oraz spełnić wymagania wzajemnego połączenia między różne komponenty. Dlatego też konstrukcję konstrukcyjną belki głównej oraz przekrojowe momenty bezwładności I i momenty oporu W pokazano na rysunku 3.
Porównanie głównych danych w tabeli 4 pokazuje, że przekrojowe momenty bezwładności i momenty oporu zaprojektowanego profilu aluminiowego są lepsze niż odpowiadające im dane profilu belki żelaznej. Dane dotyczące współczynnika sztywności są w przybliżeniu takie same jak w przypadku odpowiedniego profilu belki wykonanej z żelaza i wszystkie spełniają wymagania dotyczące odkształcenia.
3.2 Obliczanie maksymalnego naprężenia
Biorąc za obiekt kluczowy element nośny, belkę poprzeczną, obliczane jest maksymalne naprężenie. Obciążenie znamionowe wynosi 1,5 t, a belka poprzeczna wykonana jest z profilu ze stopu aluminium 6063-T6 o właściwościach mechanicznych jak pokazano w tabeli 5. Belkę uproszczono jako konstrukcję wspornikową do obliczenia siły, jak pokazano na rysunku 4.
Biorąc pod uwagę belkę o rozpiętości 344 mm, obciążenie ściskające belki oblicza się jako F=3757 N w oparciu o 4,5 t, czyli trzykrotność standardowego obciążenia statycznego. q=F/L
gdzie q to naprężenie wewnętrzne belki pod obciążeniem, N/mm; F to obciążenie belki, obliczone w oparciu o 3-krotność standardowego obciążenia statycznego, które wynosi 4,5 t; L to długość belki, mm.
Zatem naprężenie wewnętrzne q wynosi:
Wzór obliczania naprężeń jest następujący:
Maksymalny moment to:
Przyjmując wartość bezwzględną momentu M=274283 N·mm, naprężenie maksymalne σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa oraz wartość naprężenia maksymalnego σ<215 MPa, która spełnia wymagania.
3.3 Charakterystyka połączeń różnych komponentów
Stop aluminium ma słabe właściwości spawalnicze, a jego wytrzymałość w punkcie zgrzewania wynosi tylko 60% wytrzymałości materiału podstawowego. Ze względu na pokrycie warstwy Al2O3 na powierzchni stopu aluminium, temperatura topnienia Al2O3 jest wysoka, podczas gdy temperatura topnienia aluminium jest niska. Podczas spawania stopu aluminium Al2O3 na powierzchni musi zostać szybko rozbity, aby możliwe było spawanie. Jednocześnie w roztworze stopu aluminium pozostaną pozostałości Al2O3, wpływając na strukturę stopu aluminium i zmniejszając wytrzymałość punktu zgrzewania stopu aluminium. Dlatego przy projektowaniu kontenera wykonanego w całości z aluminium należy w pełni uwzględnić te cechy. Spawanie jest główną metodą pozycjonowania, a główne elementy nośne są łączone za pomocą śrub. Połączenia takie jak nitowanie i konstrukcja na jaskółczy ogon pokazano na rysunkach 5 i 6.
Główna konstrukcja całkowicie aluminiowego korpusu skrzyniowego przyjmuje konstrukcję z poziomymi belkami, pionowymi słupami, bocznymi belkami i krawędziowymi belkami, które się ze sobą łączą. Pomiędzy każdą belką poziomą a słupkiem pionowym znajdują się cztery punkty połączenia. W punktach łączenia zastosowano ząbkowane uszczelki, które zazębiają się z ząbkowaną krawędzią belki poziomej, skutecznie zapobiegając przesuwaniu się. Osiem punktów narożnych jest połączonych głównie za pomocą stalowych wkładek rdzeniowych, mocowanych za pomocą śrub i nitów samoblokujących oraz wzmocnionych trójkątnymi aluminiowymi płytami o grubości 5 mm przyspawanymi wewnątrz skrzynki w celu wewnętrznego wzmocnienia pozycji narożników. Zewnętrzny wygląd skrzynki nie zawiera żadnych spawów ani odsłoniętych punktów połączeń, co zapewnia ogólny wygląd skrzynki.
3.4 Technologia inżynierii synchronicznej SE
Technologia inżynierii synchronicznej SE jest wykorzystywana do rozwiązywania problemów spowodowanych dużymi skumulowanymi odchyleniami wymiarowymi pasujących komponentów w korpusie skrzyni oraz trudnościami w znalezieniu przyczyn przerw i uszkodzeń płaskości. Za pomocą analizy CAE (patrz rysunek 7-8) przeprowadzana jest analiza porównawcza z nadwoziami skrzyniowymi wykonanymi z żelaza w celu sprawdzenia ogólnej wytrzymałości i sztywności nadwozia, znalezienia słabych punktów i podjęcia działań w celu skuteczniejszej optymalizacji i ulepszenia schematu projektowego .
4. Lekki efekt ciężarówki ze stopu aluminium
Oprócz nadwozia skrzyniowego stopy aluminium można stosować w celu zastąpienia stali w różnych elementach kontenerów do samochodów ciężarowych typu skrzyniowego, takich jak błotniki, osłony tylne, osłony boczne, zatrzaski drzwi, zawiasy drzwi i krawędzie tylnego fartucha, uzyskując redukcję masy od 30% do 40% dla przestrzeni ładunkowej. Efekt redukcji masy pustego kontenera ładunkowego o wymiarach 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm przedstawiono w tabeli 6. To zasadniczo rozwiązuje problemy związane z nadmierną wagą, nieprzestrzeganiem ogłoszeń i zagrożeniami regulacyjnymi dotyczącymi tradycyjnych przedziałów ładunkowych wykonanych z żelaza.
Zastępując tradycyjną stal stopami aluminium w komponentach samochodowych, można nie tylko osiągnąć doskonałe efekty zmniejszania masy, ale także przyczynić się do oszczędności paliwa, redukcji emisji i poprawy osiągów pojazdu. Obecnie pojawiają się różne opinie na temat wpływu zmniejszenia masy pojazdu na oszczędność paliwa. Wyniki badań Międzynarodowego Instytutu Aluminium przedstawiono na rysunku 9. Każde 10% zmniejszenie masy pojazdu może zmniejszyć zużycie paliwa od 6% do 8%. Jak wynika z krajowych statystyk, zmniejszenie masy każdego samochodu osobowego o 100 kg pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa o 0,4 l/100 km. Wkład zmniejszenia masy w oszczędność paliwa opiera się na wynikach uzyskanych różnymi metodami badawczymi, zatem występują pewne różnice. Jednak zmniejszenie masy pojazdów ma znaczący wpływ na zmniejszenie zużycia paliwa.
W przypadku pojazdów elektrycznych efekt zmniejszenia masy jest jeszcze bardziej wyraźny. Obecnie jednostkowa gęstość energii akumulatorów zasilających pojazdy elektryczne znacznie różni się od gęstości energii tradycyjnych pojazdów na paliwo ciekłe. Masa układu napędowego (łącznie z akumulatorem) pojazdów elektrycznych często stanowi od 20% do 30% całkowitej masy pojazdu. Jednocześnie przełamanie wąskiego gardła wydajności akumulatorów jest wyzwaniem ogólnoświatowym. Zanim nastąpi znaczący przełom w technologii akumulatorów o wysokiej wydajności, zmniejszenie masy będzie skutecznym sposobem na poprawę zasięgu pojazdów elektrycznych. Każde zmniejszenie masy o 100 kg pozwala zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych od 6% do 11% (zależność redukcji masy od zasięgu przedstawiono na rysunku 10). Obecnie zasięg pojazdów całkowicie elektrycznych nie jest w stanie zaspokoić potrzeb większości ludzi, ale zmniejszenie masy o pewną ilość może znacznie poprawić zasięg, złagodzić obawy związane z zasięgiem i poprawić wrażenia użytkownika.
5.Wniosek
Oprócz całkowicie aluminiowej konstrukcji ciężarówki ze skrzynią ze stopu aluminium przedstawionej w tym artykule, istnieją różne typy ciężarówek skrzyniowych, takie jak aluminiowe panele o strukturze plastra miodu, aluminiowe płyty klamrowe, aluminiowe ramy + aluminiowe poszycia oraz hybrydowe kontenery żeliwno-aluminiowe . Mają zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję i nie wymagają farby elektroforetycznej do ochrony przed korozją, co zmniejsza wpływ farby elektroforetycznej na środowisko. Ciężarówka ze skrzynią ze stopu aluminium zasadniczo rozwiązuje problemy nadmiernej masy, niezgodności z ogłoszeniami i zagrożeń regulacyjnych związanych z tradycyjnymi żelaznymi przedziałami ładunkowymi.
Wytłaczanie jest podstawową metodą przetwarzania stopów aluminium, a profile aluminiowe mają doskonałe właściwości mechaniczne, dzięki czemu sztywność przekroju elementów jest stosunkowo wysoka. Ze względu na zmienny przekrój stopy aluminium mogą łączyć wiele funkcji składowych, co czyni je dobrym materiałem do zmniejszania ciężaru pojazdów. Jednak powszechne zastosowanie stopów aluminium wiąże się z wyzwaniami, takimi jak niewystarczające możliwości projektowania przedziałów ładunkowych ze stopu aluminium, problemy z formowaniem i spawaniem oraz wysokie koszty rozwoju i promocji nowych produktów. Głównym powodem jest nadal to, że stop aluminium kosztuje więcej niż stal, zanim ekologia recyklingu stopów aluminium dojrzeje.
Podsumowując, zakres zastosowań stopów aluminium w samochodach będzie coraz szerszy, a ich wykorzystanie będzie stale rosło. W obecnych trendach oszczędzania energii, redukcji emisji i rozwoju nowego przemysłu pojazdów energetycznych, wraz z pogłębiającym się zrozumieniem właściwości stopów aluminium i skutecznymi rozwiązaniami problemów związanych ze stosowaniem stopów aluminium, aluminiowe materiały do wytłaczania będą szerzej stosowane w lekkich samochodach.
Pod redakcją May Jiang z MAT Aluminium
Czas publikacji: 12 stycznia 2024 r
