1.Uvod
Olakšavanje automobila počelo je u razvijenim zemljama i u početku su ga vodili tradicionalni automobilski giganti. Uz kontinuirani razvoj, dobio je značajan zamah. Od vremena kada su Indijci prvi put koristili aluminijsku leguru za proizvodnju automobilskih radilica do Audijeve prve masovne proizvodnje potpuno aluminijumskih automobila 1999. godine, aluminijska legura je doživjela snažan rast u automobilskoj primjeni zbog svojih prednosti kao što su niska gustina, visoka specifična čvrstoća i krutost, dobra elastičnost i otpornost na udarce, visoka mogućnost recikliranja i visoka stopa regeneracije. Do 2015. godine, udio legure aluminija u automobilima je već premašio 35%.
Kinesko smanjenje težine automobila počelo je prije manje od 10 godina, a i tehnologija i nivo primjene zaostaju za razvijenim zemljama poput Njemačke, Sjedinjenih Država i Japana. Međutim, s razvojem novih energetskih vozila, smanjenje težine materijala brzo napreduje. Koristeći porast novih energetskih vozila, kineska tehnologija za lake automobile pokazuje trend sustizanja razvijenih zemalja.
Kinesko tržište lakih materijala je ogromno. S jedne strane, u poređenju sa razvijenim zemljama u inostranstvu, kineska tehnologija lake težine počela je kasno, a ukupna težina vozila je veća. Uzimajući u obzir mjerilo udjela lakih materijala u stranim zemljama, još uvijek ima dovoljno prostora za razvoj u Kini. S druge strane, vođen politikom, brzi razvoj kineske industrije novih energetskih vozila povećat će potražnju za laganim materijalima i ohrabriti automobilske kompanije da krenu ka lakim vozilima.
Poboljšanje standarda emisija i potrošnje goriva primorava ubrzanje smanjenja težine automobila. Kina je u potpunosti implementirala China VI standarde o emisiji 2020. Prema „Metodi evaluacije i indikatorima za potrošnju goriva putničkih automobila“ i „Mapi puta za uštedu energije i nove energetske tehnologije vozila“, standard potrošnje goriva od 5,0 L/km. Uzimajući u obzir ograničen prostor za značajna otkrića u tehnologiji motora i smanjenje emisija, usvajanje mjera za lake automobilske komponente može efikasno smanjiti emisije iz vozila i potrošnju goriva. Olakšavanje novih energetskih vozila postalo je suštinski put za razvoj industrije.
Godine 2016., Kinesko udruženje za automobilsko inženjerstvo izdalo je „Mapu puta za uštedu energije i nove energetske tehnologije vozila“, u kojoj su planirani faktori kao što su potrošnja energije, domet krstarenja i materijali za proizvodnju novih energetskih vozila od 2020. do 2030. godine. Lagana težina će biti ključni smjer za budući razvoj novih energetskih vozila. Lagana težina može povećati domet krstarenja i riješiti „nemirnost dometa“ u vozilima nove energije. Sa sve većom potražnjom za proširenim dometom krstarenja, automobilska laka težina postaje hitna, a prodaja novih energetskih vozila značajno je porasla posljednjih godina. Prema zahtjevima bodovnog sistema i „Srednjoročnog plana razvoja automobilske industrije“, procjenjuje se da će do 2025. godine kineska prodaja novih energetskih vozila premašiti 6 miliona jedinica, sa složenim godišnjim rastom stopa prelazi 38%.
2. Karakteristike i primjena legure aluminija
2.1 Karakteristike legure aluminijuma
Gustoća aluminija je jedna trećina gustoće čelika, što ga čini lakšim. Ima veću specifičnu čvrstoću, dobru sposobnost ekstruzije, jaku otpornost na koroziju i visoku mogućnost recikliranja. Aluminijske legure se odlikuju time što se prvenstveno sastoje od magnezijuma, pokazuju dobru otpornost na toplinu, dobra svojstva zavarivanja, dobru čvrstoću na zamor, nemogućnost da se ojačaju toplinskom obradom i sposobnost povećanja čvrstoće kroz hladnu obradu. Seriju 6 karakteriše to što se prvenstveno sastoji od magnezijuma i silicijuma, sa Mg2Si kao glavnom fazom jačanja. Najrasprostranjenije legure u ovoj kategoriji su 6063, 6061 i 6005A. 5052 aluminijumska ploča je aluminijumska ploča od legure AL-Mg serije, sa magnezijumom kao glavnim legirajućim elementom. To je najrasprostranjenija legura aluminijuma protiv rđe. Ova legura ima visoku čvrstoću, visoku čvrstoću na zamor, dobru plastičnost i otpornost na koroziju, ne može se ojačati termičkom obradom, ima dobru plastičnost pri poluhladnom kaljenju, nisku plastičnost kod hladnog kaljenja, dobru otpornost na koroziju i dobra svojstva zavarivanja. Uglavnom se koristi za komponente kao što su bočne ploče, krovni pokrivači i paneli vrata. 6063 legura aluminijuma je legura za ojačanje koja se može termički obrađivati u seriji AL-Mg-Si, sa magnezijumom i silicijumom kao glavnim legirajućim elementima. To je profil od aluminijske legure koji se toplinski obrađuje, srednje čvrstoće, koji se uglavnom koristi u strukturnim komponentama kao što su stupovi i bočne ploče za nošenje. Uvod u razrede legure aluminijuma prikazan je u tabeli 1.
2.2 Ekstruzija je važna metoda oblikovanja legure aluminija
Ekstruzija aluminijske legure je metoda vrućeg oblikovanja, a cijeli proizvodni proces uključuje formiranje aluminijske legure pod trosmjernim tlačnim naprezanjem. Cijeli proizvodni proces se može opisati na sljedeći način: a. Aluminij i druge legure se tope i lijevaju u potrebne gredice od aluminijskih legura; b. Prethodno zagrijane gredice se stavljaju u opremu za ekstruziju za ekstruziju. Pod dejstvom glavnog cilindra, gredica od legure aluminijuma se formira u potrebne profile kroz šupljinu kalupa; c. U cilju poboljšanja mehaničkih svojstava aluminijumskih profila, tokom ili nakon ekstruzije vrši se obrada rastvorom, nakon čega sledi tretman starenjem. Mehanička svojstva nakon tretmana starenjem variraju u zavisnosti od različitih materijala i režima starenja. Status toplinske obrade sandučastih profila kamiona prikazan je u tabeli 2.
Ekstrudirani proizvodi od aluminijske legure imaju nekoliko prednosti u odnosu na druge metode oblikovanja:
a. Tokom ekstruzije, ekstrudirani metal dobiva jači i ujednačeniji trosmjerni tlačni napon u zoni deformacije od valjanja i kovanja, tako da može u potpunosti odigrati plastičnost obrađenog metala. Može se koristiti za obradu metala koji se teško deformišu koji se ne mogu obraditi valjanjem ili kovanjem i može se koristiti za izradu različitih složenih šupljih ili čvrstih komponenti poprečnog presjeka.
b. Budući da geometrija aluminijskih profila može biti različita, njihove komponente imaju visoku krutost, što može poboljšati krutost karoserije vozila, smanjiti njegove NVH karakteristike i poboljšati karakteristike dinamičke kontrole vozila.
c. Proizvodi sa efikasnošću ekstruzije, nakon gašenja i starenja, imaju znatno veću uzdužnu čvrstoću (R, Raz) od proizvoda obrađenih drugim metodama.
d. Površina proizvoda nakon ekstruzije ima dobru boju i dobru otpornost na koroziju, eliminirajući potrebu za drugim antikorozivnim površinskim tretmanom.
e. Ekstruzijska obrada ima veliku fleksibilnost, niske troškove alata i kalupa i niske troškove promjene dizajna.
f. Zbog mogućnosti kontrole poprečnih presjeka aluminijumskih profila, stepen integracije komponenti se može povećati, broj komponenti se može smanjiti, a različitim dizajnom poprečnog preseka može se postići precizno pozicioniranje zavarivanja.
Usporedba performansi između ekstrudiranih aluminijskih profila za kamione sa sandukom i običnog ugljičnog čelika prikazana je u tablici 3.
Sljedeći smjer razvoja profila od aluminijske legure za kamione sa sandukom: Dalje poboljšanje čvrstoće profila i poboljšanje performansi ekstruzije. Smjer istraživanja novih materijala za profile od aluminijskih legura za sanduk kamione prikazan je na slici 1.
3. Struktura kamiona od aluminijske legure, analiza čvrstoće i provjera
3.1 Struktura kamiona sa kutijom od aluminijumske legure
Kontejner sanduk kamiona se uglavnom sastoji od sklopa prednje ploče, sklopa lijeve i desne bočne ploče, sklopa bočne ploče stražnjih vrata, sklopa poda, krovnog sklopa, kao i vijaka u obliku slova U, bočnih štitnika, stražnjih štitnika, blatobrana i druge dodatne opreme spojen na drugorazrednu šasiju. Poprečne grede, stubovi, bočne grede i paneli vrata izrađeni su od ekstrudiranih profila od legure aluminijuma, dok su podni i krovni paneli izrađeni od ravnih ploča od 5052 aluminijumske legure. Struktura kamiona sa sandukom od aluminijumske legure prikazana je na slici 2.
Koristeći proces vruće ekstruzije legure aluminija serije 6 može formirati složene šuplje poprečne presjeke, dizajn aluminijskih profila složenih poprečnih presjeka može uštedjeti materijale, zadovoljiti zahtjeve čvrstoće i krutosti proizvoda i zadovoljiti zahtjeve međusobne veze između razne komponente. Stoga su konstrukcija glavne grede i momenti presjeka inercije I i otporni momenti W prikazani na slici 3.
Usporedba glavnih podataka u tablici 4. pokazuje da su momenti presjeka inercije i otporni momenti projektiranog aluminijskog profila bolji od odgovarajućih podataka profila željezne grede. Podaci o koeficijentu krutosti su otprilike isti kao i za odgovarajući profil grede izrađene od željeza i svi ispunjavaju zahtjeve za deformaciju.
3.2 Proračun maksimalnog naprezanja
Uzimajući ključnu nosivu komponentu, poprečnu gredu, kao objekt, izračunava se maksimalno naprezanje. Nazivno opterećenje je 1,5 t, a poprečna greda je izrađena od profila legure aluminijuma 6063-T6 sa mehaničkim svojstvima prikazanim u tabeli 5. Greda je pojednostavljena kao konzolna konstrukcija za proračun sile, kao što je prikazano na slici 4.
Uzimajući gredu raspona od 344 mm, tlačno opterećenje na gredi izračunato je kao F=3757 N na osnovu 4,5t, što je tri puta više od standardnog statičkog opterećenja. q=F/L
gdje je q unutrašnje naprezanje grede pod opterećenjem, N/mm; F je opterećenje koje nosi greda, izračunato na osnovu 3 puta većeg od standardnog statičkog opterećenja, što je 4,5 t; L je dužina grede, mm.
Dakle, unutrašnji napon q je:
Formula za izračunavanje naprezanja je sljedeća:
Maksimalni trenutak je:
Uzimajući apsolutnu vrijednost momenta, M=274283 N·mm, maksimalno naprezanje σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, i vrijednost maksimalnog naprezanja σ<215 MPa, što zadovoljava zahtjeve.
3.3 Karakteristike povezivanja različitih komponenti
Aluminijska legura ima loša svojstva zavarivanja, a njena čvrstoća na mjestu zavarivanja je samo 60% čvrstoće osnovnog materijala. Zbog pokrivanja sloja Al2O3 na površini legure aluminijuma, tačka topljenja Al2O3 je visoka, dok je tačka topljenja aluminijuma niska. Kada se legura aluminijuma zavari, Al2O3 na površini mora se brzo razbiti da bi se izvršilo zavarivanje. Istovremeno, ostatak Al2O3 će ostati u rastvoru legure aluminijuma, utičući na strukturu aluminijumske legure i smanjujući čvrstoću tačke zavarivanja legure aluminijuma. Stoga se pri dizajniranju potpuno aluminijskog kontejnera ove karakteristike u potpunosti uzimaju u obzir. Zavarivanje je glavna metoda pozicioniranja, a glavne nosive komponente su povezane vijcima. Spojevi kao što su zakivanje i struktura lastinog repa prikazani su na slikama 5 i 6.
Glavna struktura kućišta potpuno aluminijumske kutije ima strukturu sa horizontalnim gredama, vertikalnim stubovima, bočnim gredama i ivičnim gredama koje su međusobno povezane. Postoje četiri spojne tačke između svake horizontalne grede i vertikalnog stuba. Priključne tačke su opremljene nazubljenim zaptivkama koje se spajaju sa nazubljenom ivicom horizontalne grede, efikasno sprečavajući klizanje. Osam ugaonih tačaka uglavnom je povezano umetcima od čeličnog jezgra, fiksiranim vijcima i samoblokirajućim zakovicama, i ojačano trokutastim aluminijskim pločama od 5 mm zavarenim unutar kutije kako bi se ojačale uglove iznutra. Spoljašnji izgled kutije nema zavarivanje ili vidljive spojne tačke, što osigurava ukupan izgled kutije.
3.4 SE Synchronous Engineering Technology
Tehnologija sinhrone inženjeringa SE koristi se za rješavanje problema uzrokovanih velikim akumuliranim odstupanjima veličine za usklađene komponente u kućištu kutije i poteškoća u pronalaženju uzroka zazora i kvarova ravnosti. Kroz CAE analizu (vidi sliku 7-8), provodi se uporedna analiza sa kućištima kutija napravljenim od željeza kako bi se provjerila ukupna čvrstoća i krutost kućišta kutije, pronašle slabe tačke i preduzele mjere za efikasniju optimizaciju i poboljšanje šeme dizajna. .
4.Lightweighting Effect of Aluminium Alloy Box Truck
Osim kućišta kutije, legure aluminija mogu se koristiti za zamjenu čelika za različite komponente kutijastih kamionskih kontejnera, kao što su blatobrani, stražnji štitnici, bočni štitnici, zasuni vrata, šarke vrata i stražnji rubovi, čime se postiže smanjenje težine od 30% do 40% za tovarni prostor. Efekat smanjenja težine praznog teretnog kontejnera 4080mm×2300mm×2200mm prikazan je u Tabeli 6. Ovo u osnovi rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih tovarnih odjeljaka izrađenih od željeza.
Zamjenom tradicionalnog čelika s aluminijskim legurama za automobilske komponente, ne samo da se mogu postići izvrsni efekti smanjenja težine, već može doprinijeti i uštedi goriva, smanjenju emisija i poboljšanim performansama vozila. Trenutno postoje različita mišljenja o doprinosu lake težine uštedi goriva. Rezultati istraživanja Međunarodnog instituta za aluminijum prikazani su na slici 9. Svakih 10% smanjenja težine vozila može smanjiti potrošnju goriva za 6% do 8%. Na osnovu domaćih statistika, smanjenje težine svakog putničkog automobila za 100 kg može smanjiti potrošnju goriva za 0,4 L/100 km. Doprinos lake težine uštedi goriva zasniva se na rezultatima dobijenim različitim istraživačkim metodama, tako da postoje određene varijacije. Međutim, smanjenje težine automobila ima značajan utjecaj na smanjenje potrošnje goriva.
Kod električnih vozila, efekat lagane težine je još izraženiji. Trenutno se jedinična gustina energije baterija za napajanje električnih vozila značajno razlikuje od one kod tradicionalnih vozila na tekuće gorivo. Težina sistema za napajanje (uključujući bateriju) električnih vozila često čini 20% do 30% ukupne težine vozila. Istovremeno, probijanje uskog grla u performansama baterija je svjetski izazov. Prije nego što dođe do velikog proboja u tehnologiji baterija visokih performansi, lagana težina je učinkovit način za poboljšanje dometa električnih vozila za krstarenje. Za svakih 100 kg smanjenja težine, domet krstarenja električnih vozila može se povećati za 6% do 11% (odnos između smanjenja težine i dometa krstarenja prikazan je na slici 10). Trenutno, opseg krstarenja čisto električnih vozila ne može zadovoljiti potrebe većine ljudi, ali smanjenje težine za određenu količinu može značajno poboljšati domet krstarenja, ublažiti anksioznost dometa i poboljšati korisničko iskustvo.
5. Zaključak
Pored potpuno aluminijumske strukture sanduka kamiona od aluminijumske legure predstavljene u ovom članku, postoje različite vrste sanduka kamiona, kao što su aluminijumske ploče sa saćem, aluminijumske ploče sa kopčama, aluminijumski okviri + aluminijumske kože i hibridni teretni kontejneri od željeza i aluminijuma . Imaju prednosti male težine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju i ne zahtijevaju elektroforetsku boju za zaštitu od korozije, smanjujući utjecaj elektroforetske boje na okoliš. Kamion sa sandukom od aluminijske legure u osnovi rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih tovarnih odjeljaka izrađenih od željeza.
Ekstruzija je esencijalna metoda obrade aluminijskih legura, a aluminijski profili imaju odlična mehanička svojstva, tako da je krutost presjeka komponenti relativno visoka. Zbog promjenjivog poprečnog presjeka, legure aluminija mogu postići kombinaciju funkcija više komponenti, što ih čini dobrim materijalom za automobilsku lakoću. Međutim, široka primjena aluminijskih legura suočava se s izazovima kao što su nedovoljna sposobnost dizajna za tovarne odjeljke od aluminijske legure, problemi oblikovanja i zavarivanja, te visoki troškovi razvoja i promocije novih proizvoda. Glavni razlog je još uvijek taj što aluminijska legura košta više od čelika prije nego što ekologija recikliranja aluminijskih legura postane zrela.
Zaključno, opseg primjene aluminijskih legura u automobilima će postati širi, a njihova upotreba će se i dalje povećavati. U trenutnim trendovima uštede energije, smanjenja emisija i razvoja industrije novih energetskih vozila, s produbljivanjem razumijevanja svojstava aluminijskih legura i efikasnim rješenjima problema primjene aluminijskih legura, materijali za ekstruziju aluminija će se više koristiti u lakim automobilima.
Uredio May Jiang iz MAT Aluminium
Vrijeme objave: Jan-12-2024
