1.Wprowadzenie
Lekkość samochodów rozpoczęła się w krajach rozwiniętych i początkowo była prowadzona przez tradycyjnych gigantów motoryzacyjnych. Dzięki ciągłemu rozwojowi zyskała ona znaczący rozpęd. Od czasu, gdy Hindusi po raz pierwszy użyli stopu aluminium do produkcji samochodowych wałów korbowych, do pierwszej masowej produkcji samochodów całkowicie aluminiowych przez Audi w 1999 r., stop aluminium odnotował solidny wzrost w zastosowaniach motoryzacyjnych ze względu na swoje zalety, takie jak niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa i sztywność, dobra elastyczność i odporność na uderzenia, wysoka możliwość recyklingu i wysoki współczynnik regeneracji. Do 2015 r. udział stopu aluminium w zastosowaniach samochodowych przekroczył już 35%.
Chińskie odchudzanie samochodów rozpoczęło się mniej niż 10 lat temu, a zarówno technologia, jak i poziom zastosowań pozostają w tyle za krajami rozwiniętymi, takimi jak Niemcy, Stany Zjednoczone i Japonia. Jednak wraz z rozwojem pojazdów o nowej energii, odchudzanie materiałów postępuje szybko. Wykorzystując rozwój pojazdów o nowej energii, chińska technologia odchudzania samochodów wykazuje tendencję do doganiania krajów rozwiniętych.
Rynek materiałów lekkich w Chinach jest ogromny. Z jednej strony, w porównaniu z rozwiniętymi krajami za granicą, technologia lekkiego transportu w Chinach rozpoczęła się późno, a całkowita masa własna pojazdu jest większa. Biorąc pod uwagę punkt odniesienia udziału materiałów lekkich w krajach zagranicznych, w Chinach nadal jest dużo miejsca na rozwój. Z drugiej strony, napędzany polityką, szybki rozwój chińskiego przemysłu pojazdów o nowej energii zwiększy popyt na materiały lekkie i zachęci firmy motoryzacyjne do przejścia na lekkie transporty.
Poprawa norm emisji i zużycia paliwa wymusza przyspieszenie odchudzania samochodów. Chiny w pełni wdrożyły normy emisji China VI w 2020 r. Zgodnie z „Metodą oceny i wskaźnikami zużycia paliwa samochodów osobowych” oraz „Mapą drogową technologii oszczędzania energii i nowych pojazdów energetycznych”, norma zużycia paliwa 5,0 l/km. Biorąc pod uwagę ograniczoną przestrzeń dla istotnych przełomów w technologii silników i redukcji emisji, przyjęcie środków w celu zmniejszenia masy elementów samochodowych może skutecznie zmniejszyć emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazdy. Odchudzanie pojazdów o nowej energii stało się niezbędną ścieżką rozwoju branży.
W 2016 r. China Automotive Engineering Society wydało „Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap”, w którym zaplanowano czynniki takie jak zużycie energii, zasięg i materiały produkcyjne dla nowych pojazdów energetycznych od 2020 do 2030 r. Lekkość będzie kluczowym kierunkiem przyszłego rozwoju nowych pojazdów energetycznych. Lekkość może zwiększyć zasięg i rozwiązać „lęk o zasięg” w nowych pojazdach energetycznych. Wraz ze wzrostem popytu na wydłużony zasięg, lekkość samochodów staje się pilna, a sprzedaż nowych pojazdów energetycznych znacznie wzrosła w ostatnich latach. Zgodnie z wymogami systemu punktacji i „Średnio-długoterminowym planem rozwoju dla przemysłu motoryzacyjnego” szacuje się, że do 2025 r. sprzedaż nowych pojazdów energetycznych w Chinach przekroczy 6 milionów sztuk, a skumulowana roczna stopa wzrostu przekroczy 38%.
2. Charakterystyka i zastosowania stopów aluminium
2.1 Charakterystyka stopu aluminium
Gęstość aluminium stanowi jedną trzecią gęstości stali, co czyni je lżejszym. Posiada wyższą wytrzymałość właściwą, dobrą zdolność do wytłaczania, wysoką odporność na korozję i wysoką możliwość recyklingu. Stopy aluminium charakteryzują się tym, że składają się głównie z magnezu, wykazują dobrą odporność cieplną, dobre właściwości spawalnicze, dobrą wytrzymałość zmęczeniową, niemożność wzmocnienia przez obróbkę cieplną i zdolność do zwiększenia 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. Najczęściej stosowanymi stopami w tej kategorii są 6063, 6061 i 6005A. Płyta aluminiowa 5052 jest płytą aluminiową ze stopu AL-Mg, przy czym głównym elementem stopowym jest magnez. Jest to najczęściej stosowany stop aluminium antykorozyjny. Stop ten ma wysoką wytrzymałość, wysoką wytrzymałość zmęczeniową, dobrą plastyczność i odporność na korozję, nie można go wzmocnić przez obróbkę cieplną, ma dobrą plastyczność w półzimnym utwardzaniu, niską plastyczność w utwardzaniu na zimno, dobrą odporność na korozję i dobre właściwości spawalnicze. Jest on głównie używany do takich elementów jak panele boczne, pokrywy dachowe i panele drzwi. Stop aluminium 6063 to wzmacniany cieplnie stop z serii AL-Mg-Si, w którym głównymi elementami stopowymi są magnez i krzem. Jest to wzmacniany cieplnie profil stopu aluminium o średniej wytrzymałości, stosowany głównie w elementach konstrukcyjnych, takich jak kolumny i panele boczne, w celu zwiększenia wytrzymałości. Wprowadzenie do gatunków stopów aluminium przedstawiono w tabeli 1.
2.2 Ekstruzja jest ważną metodą formowania stopu aluminium
Ekstruzja stopu aluminium jest metodą formowania na gorąco, a cały proces produkcyjny obejmuje formowanie stopu aluminium pod trójstronnym naprężeniem ściskającym. 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 stopu aluminium jest formowany w wymagane profile przez wnękę formy; c. W celu poprawy właściwości mechanicznych profili aluminiowych, obróbka roztworem jest przeprowadzana podczas lub po wytłaczaniu, a następnie obróbka starzeniowa. Właściwości mechaniczne po obróbce starzeniowej różnią się w zależności od różnych materiałów i reżimów starzenia. Status obróbki cieplnej profili samochodów ciężarowych typu skrzyniowego pokazano w tabeli 2.
Wyroby wytłaczane ze stopu aluminium mają szereg zalet w porównaniu z innymi metodami formowania:
a. Podczas wytłaczania wyciskany metal uzyskuje silniejsze i bardziej równomierne trójstronne naprężenie ściskające w strefie odkształcenia niż walcowanie i kucie, dzięki czemu może w pełni wykorzystać plastyczność przetworzonego metalu. Może być stosowany do obróbki trudnych do odkształcenia metali, których nie można przetworzyć przez walcowanie lub kucie, a także do wytwarzania różnych złożonych pustych lub pełnych elementów o przekroju poprzecznym.
b. Ponieważ geometria profili aluminiowych może być zmienna, ich komponenty mają dużą sztywność, co może poprawić sztywność nadwozia pojazdu, zmniejszyć jego charakterystykę NVH i poprawić charakterystykę dynamicznej kontroli pojazdu.
c. Produkty poddane wydajnemu wytłaczaniu mają po hartowaniu i starzeniu znacznie wyższą wytrzymałość wzdłużną (R, Raz) niż produkty przetworzone innymi metodami.
d. Powierzchnia produktów po wytłaczaniu ma dobry kolor i dobrą odporność na korozję, co eliminuje potrzebę innej antykorozyjnej obróbki powierzchni.
e. Przetwarzanie metodą wytłaczania charakteryzuje się dużą elastycznością, niskimi kosztami narzędzi i form oraz niskimi kosztami zmian konstrukcyjnych.
f. Ze względu na możliwość sterowania przekrojami profili aluminiowych można zwiększyć stopień integracji komponentów, zmniejszyć liczbę komponentów i uzyskać precyzyjne pozycjonowanie spawania dzięki różnym projektom przekrojów.
Porównanie wydajności profili aluminiowych wytłaczanych do samochodów ciężarowych o zabudowie skrzyniowej i profili ze zwykłej stali węglowej przedstawiono w tabeli 3.
Następny kierunek rozwoju profili ze stopu aluminium do samochodów ciężarowych typu box-type: Dalsze zwiększanie wytrzymałości profilu i poprawa wydajności wytłaczania. Kierunek badań nad nowymi materiałami do profili ze stopu aluminium do samochodów ciężarowych typu box-type pokazano na rysunku 1.
3. Struktura samochodu ciężarowego ze stopu aluminium, analiza wytrzymałości i weryfikacja
3.1 Konstrukcja samochodu ciężarowego ze stopu aluminium
Kontener skrzyniowy składa się głównie z przedniego panelu, lewego i prawego panelu bocznego, tylnego panelu bocznego drzwi, podłogi, dachu, a także śrub w kształcie litery U, osłon bocznych, tylnych osłon, błotników i innych akcesoriów połączonych z podwoziem drugiej klasy. Belki poprzeczne skrzyni, słupki, belki boczne i panele drzwiowe są wykonane z wytłaczanych profili ze stopu aluminium, natomiast panele podłogi i dachu są wykonane z płaskich płyt ze stopu aluminium 5052. Struktura skrzyniowego samochodu ciężarowego ze stopu aluminium jest pokazana na rysunku 2.
Wykorzystując proces wytłaczania na gorąco stopu aluminium serii 6 można formować złożone puste przekroje poprzeczne, projekt profili aluminiowych o złożonych przekrojach poprzecznych może oszczędzać materiały, spełniać wymagania wytrzymałości i sztywności produktu oraz spełniać wymagania wzajemnego połączenia różnych komponentów. Dlatego konstrukcja belki głównej i momenty bezwładności przekroju I i momenty oporu W są pokazane na rysunku 3.
Porównanie głównych danych w Tabeli 4 pokazuje, że momenty bezwładności przekroju i momenty oporu zaprojektowanego profilu aluminiowego są lepsze niż odpowiadające im dane profilu belki wykonanej z żelaza. Dane współczynnika sztywności są mniej więcej takie same jak dane odpowiadającego profilu belki wykonanej z żelaza i wszystkie spełniają wymagania dotyczące odkształceń.
3.2 Obliczanie maksymalnego naprężenia
Biorąc kluczowy element nośny, belkę poprzeczną, jako obiekt, oblicza się maksymalne naprężenie. Nominalne obciążenie wynosi 1,5 t, a belka poprzeczna jest wykonana z profilu ze stopu aluminium 6063-T6 o właściwościach mechanicznych przedstawionych w tabeli 5. Belka jest uproszczona jako konstrukcja wspornikowa 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 przy 4,5 t, co stanowi trzykrotność standardowego obciążenia statycznego. q=F/L
gdzie q to naprężenie wewnętrzne belki pod obciążeniem, N/mm; F to obciążenie przenoszone przez belkę, obliczone na podstawie trzykrotności standardowego obciążenia statycznego, które wynosi 4,5 t; L to długość belki, mm.
Zatem naprężenie wewnętrzne q wynosi:
Wzór na obliczenie naprężeń jest następujący:
Maksymalny moment wynosi:
Przyjmując wartość bezwzględną momentu M=274283 N·mm, maksymalne naprężenie σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa i maksymalną wartość naprężenia σ<215 MPa, co spełnia wymagania.
3.3 Charakterystyka połączeń różnych komponentów
Stop aluminium ma słabe właściwości spawalnicze, a jego wytrzymałość w punkcie spawania wynosi tylko 60% wytrzymałości materiału bazowego. Ze względu na pokrycie powierzchni stopu aluminium warstwą Al2O3, temperatura topnienia Al2O3 jest wysoka, podczas gdy temperatura topnienia aluminium jest niska. Podczas spawania stopu aluminium, Al2O3 na powierzchni musi zostać szybko rozbity, aby wykonać spawanie. Jednocześnie resztki Al2O3 pozostaną w roztworze stopu aluminium, wpływając na strukturę stopu aluminium i zmniejszając wytrzymałość punktu spawania stopu aluminium. Dlatego podczas projektowania pojemnika całkowicie aluminiowego, te cechy są w pełni uwzględniane. Spawanie jest główną metodą pozycjonowania, a główne elementy nośne są łączone za pomocą śrub. Połączenia, takie jak nitowanie i struktura jaskółczego ogona, pokazano na rysunkach 5 i 6.
Główna struktura całkowicie aluminiowego korpusu skrzyniowego przyjmuje strukturę z poziomymi belkami, pionowymi słupkami, bocznymi belkami i krawędziowymi belkami zazębiającymi się ze sobą. Istnieją cztery punkty połączenia pomiędzy każdą poziomą belką i pionowym słupkiem. Punkty połączenia są wyposażone w ząbkowane uszczelki, aby zazębiać się z ząbkowaną krawędzią poziomej belki, skutecznie zapobiegając przesuwaniu się. Osiem punktów narożnych jest połączonych głównie za pomocą stalowych wkładek rdzeniowych, przymocowanych śrubami i samoblokującymi nitami oraz wzmocnionych 5-milimetrowymi trójkątnymi płytami aluminiowymi przyspawanymi wewnątrz skrzyni w celu wzmocnienia wewnętrznych pozycji narożnych. Zewnętrzny wygląd skrzyni nie ma spawania ani odsłoniętych punktów połączenia, co zapewnia ogólny wygląd skrzyni.
3.4 Technologia inżynierii synchronicznej SE
Technologia inżynierii synchronicznej SE jest wykorzystywana do rozwiązywania problemów spowodowanych dużymi skumulowanymi odchyleniami wielkości dla dopasowanych komponentów w nadwoziu skrzyniowym i trudnościami w znajdowaniu przyczyn szczelin i uszkodzeń płaskości. Poprzez analizę CAE (patrz rysunek 7-8) przeprowadzana jest analiza porównawcza nadwozi skrzyniowych wykonanych z żelaza w celu sprawdzenia ogólnej wytrzymałości i sztywności nadwozia skrzyniowego, znalezienia słabych punktów i podjęcia działań w celu optymalizacji i skuteczniejszego ulepszenia schematu projektu.
4. Efekt lekkiego samochodu ciężarowego ze stopu aluminium
Oprócz nadwozi skrzyniowych, stopy aluminium mogą być używane do zastępowania stali w różnych elementach kontenerów ciężarowych typu skrzyniowego, takich jak błotniki, osłony tylne, osłony boczne, zatrzaski drzwi, zawiasy drzwi i krawędzie tylnego fartucha, co pozwala na zmniejszenie masy przedziału ładunkowego o 30% do 40%. Efekt zmniejszenia masy pustego kontenera ładunkowego o wymiarach 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm przedstawiono w tabeli 6. Zasadniczo rozwiązuje to problemy nadmiernej masy, niezgodności z ogłoszeniami i ryzyka regulacyjnego tradycyjnych przedziałów ładunkowych wykonanych z żelaza.
Zastępując tradycyjną stal stopami aluminium w komponentach samochodowych, można nie tylko osiągnąć doskonałe efekty lekkiej konstrukcji, ale również przyczynić się do oszczędności paliwa, redukcji emisji i poprawy osiągów pojazdu. Obecnie istnieją różne opinie na temat wkładu lekkiej konstrukcji w oszczędność paliwa. Wyniki badań Międzynarodowego Instytutu Aluminium przedstawiono na rysunku 9. Każde 10% zmniejszenie masy pojazdu może zmniejszyć zużycie paliwa o 6% do 8%. Na podstawie krajowych statystyk zmniejszenie masy każdego samochodu osobowego o 100 kg może zmniejszyć zużycie paliwa o 0,4 l/100 km. Wkład lekkiej konstrukcji w oszczędność paliwa opiera się na wynikach uzyskanych różnymi metodami badawczymi, więc występują pewne różnice. Jednak lekka konstrukcja samochodowa ma znaczący wpływ na zmniejszenie zużycia paliwa.
W przypadku pojazdów elektrycznych efekt odchudzenia jest jeszcze bardziej wyraźny. Obecnie gęstość energii jednostkowej akumulatorów pojazdów elektrycznych znacznie różni się od gęstości energii tradycyjnych pojazdów na paliwo ciekłe. Masa układu zasilania (w tym akumulatora) pojazdów elektrycznych często stanowi od 20% do 30% całkowitej masy pojazdu. Jednocześnie przełamanie wąskiego gardła wydajności akumulatorów jest światowym wyzwaniem. Zanim nastąpi przełom w technologii akumulatorów o wysokiej wydajności, odchudzenie jest skutecznym sposobem na poprawę zasięgu jazdy pojazdów elektrycznych. Każde 100 kg redukcji masy pozwala zwiększyć zasięg jazdy pojazdów elektrycznych o 6% do 11% (zależność między redukcją masy a zasięgiem jazdy przedstawiono na rysunku 10). Obecnie zasięg jazdy pojazdów czysto elektrycznych nie jest w stanie zaspokoić potrzeb większości ludzi, ale zmniejszenie masy o określoną wartość może znacznie poprawić zasięg jazdy, łagodząc obawy dotyczące zasięgu i poprawiając wrażenia użytkownika.
5.Wnioski
Oprócz całkowicie aluminiowej konstrukcji skrzyni ładunkowej ze stopu aluminium przedstawionej w tym artykule, istnieją różne rodzaje skrzyń ładunkowych, takie jak aluminiowe panele plastra miodu, aluminiowe płyty klamrowe, aluminiowe ramy + aluminiowe poszycia i hybrydowe kontenery ładunkowe żelazo-aluminiowe. Mają one zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję, a także nie wymagają malowania elektroforetycznego w celu ochrony przed korozją, co zmniejsza wpływ farby elektroforetycznej na środowisko. Skrzynia ładunkowa ze stopu aluminium zasadniczo rozwiązuje problemy nadmiernej wagi, niezgodności z ogłoszeniami i ryzyka regulacyjnego tradycyjnych przedziałów ładunkowych wykonanych z żelaza.
Ekstruzja jest podstawową metodą przetwarzania stopów aluminium, a profile aluminiowe mają doskonałe właściwości mechaniczne, więc sztywność przekroju elementów jest stosunkowo wysoka. Ze względu na zmienny przekrój poprzeczny stopy aluminium mogą osiągnąć kombinację wielu funkcji elementów, co czyni je dobrym materiałem do lekkiej motoryzacji. Jednak powszechne stosowanie stopów aluminium wiąże się z wyzwaniami, takimi jak niewystarczające możliwości projektowania przedziałów ładunkowych ze stopów 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 stanie się dojrzała.
Podsumowując, zakres zastosowań stopów aluminium w samochodach stanie się szerszy, a ich wykorzystanie będzie nadal wzrastać. W obecnych trendach oszczędzania energii, redukcji emisji i rozwoju przemysłu pojazdów o nowej energii, wraz z pogłębiającym się zrozumieniem właściwości stopów aluminium i skutecznymi rozwiązaniami problemów związanych z zastosowaniem stopów aluminium, materiały wytłaczane z aluminium będą szerzej stosowane w lekkich konstrukcjach samochodowych.
Edytowane przez May Jiang z MAT Aluminium
Czas publikacji: 12-01-2024
