1. Uvod
Laka automobilska industrija započela je u razvijenim zemljama, a u početku su je predvodili tradicionalni automobilski giganti. Kontinuiranim razvojem dobila je značajan zamah. Od vremena kada su Indijci prvi put koristili aluminijske legure za proizvodnju automobilskih radilica do prve masovne proizvodnje automobila od aluminija kompanije Audi 1999. godine, aluminijske legure su doživjele snažan rast u automobilskoj primjeni zbog svojih prednosti kao što su niska gustoća, visoka specifična čvrstoća i krutost, dobra elastičnost i otpornost na udarce, visoka mogućnost recikliranja i visoka stopa regeneracije. Do 2015. godine, udio primjene aluminijskih legura u automobilima već je premašio 35%.
Kineska tehnologija za proizvodnju lake automobilske opreme započela je prije manje od 10 godina, a i tehnologija i nivo primjene zaostaju za razvijenim zemljama poput Njemačke, Sjedinjenih Američkih Država i Japana. Međutim, s razvojem vozila na novu energiju, proces proizvodnje lake mase materijala brzo napreduje. Iskorištavajući porast upotrebe vozila na novu energiju, kineska tehnologija za proizvodnju lake automobilske opreme pokazuje trend sustizanja razvijenih zemalja.
Kinesko tržište lakih materijala je ogromno. S jedne strane, u poređenju sa razvijenim zemljama u inostranstvu, kineska tehnologija lakih materijala je kasno započela, a ukupna težina vozila je veća. Uzimajući u obzir udio lakih materijala u inostranstvu, još uvijek postoji mnogo prostora za razvoj u Kini. S druge strane, vođen politikama, brzi razvoj kineske industrije vozila na nove izvore energije povećat će potražnju za lakim materijalima i potaknuti automobilske kompanije da se okrenu lakim materijalima.
Poboljšanje standarda emisija i potrošnje goriva prisiljava ubrzanje smanjenja težine automobila. Kina je u potpunosti implementirala standarde emisija Kina VI 2020. godine. Prema „Metodi procjene i indikatorima potrošnje goriva putničkih automobila“ i „Planovima uštede energije i tehnologije novih energetskih vozila“, standard potrošnje goriva iznosi 5,0 L/km. Uzimajući u obzir ograničen prostor za značajne prodore u tehnologiji motora i smanjenju emisija, usvajanje mjera za smanjenje težine automobilskih komponenti može efikasno smanjiti emisije vozila i potrošnju goriva. Smanjenje težine vozila novih energetskih vozila postalo je ključni put za razvoj industrije.
Kinesko društvo za automobilsko inženjerstvo izdalo je 2016. godine „Plan za uštedu energije i tehnologiju vozila na nove energetske pogone“, koji je planirao faktore poput potrošnje energije, dometa krstarenja i proizvodnih materijala za vozila na nove energetske pogone od 2020. do 2030. godine. Lagana težina će biti ključni smjer za budući razvoj vozila na nove energetske pogone. Lagana težina može povećati domet krstarenja i riješiti „strah od dometa“ kod vozila na nove energetske pogone. S rastućom potražnjom za produženim dometom krstarenja, lagana automobilska industrija postaje hitna, a prodaja vozila na nove energetske pogone značajno je porasla posljednjih godina. Prema zahtjevima sistema bodovanja i „Srednjoročnog i dugoročnog plana razvoja za automobilsku industriju“, procjenjuje se da će do 2025. godine prodaja vozila na nove energetske pogone u Kini premašiti 6 miliona jedinica, sa složenom godišnjom stopom rasta većom od 38%.
2. Karakteristike i primjena aluminijskih legura
2.1 Karakteristike aluminijske legure
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 karakteriziraju se time što su prvenstveno sastavljene od magnezija, pokazujući dobru otpornost na toplinu, dobra svojstva zavarivanja, dobru čvrstoću na zamor, nemogućnost ojačanja termičkom obradom i sposobnost povećanja čvrstoće hladnom obradom. Serija 6 karakterizira se time što je prvenstveno sastavljena od magnezija i silicija, s Mg2Si kao glavnom fazom ojačanja. Najčešće korištene legure u ovoj kategoriji su 6063, 6061 i 6005A. Aluminijska ploča 5052 je legirana aluminijska ploča serije AL-Mg, s magnezijem kao glavnim legirajućim elementom. To je najčešće korištena aluminijska legura otporna na hrđu. 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 očvršćavanju, nisku plastičnost pri hladnom očvršćavanju, dobru otpornost na koroziju i dobra svojstva zavarivanja. Uglavnom se koristi za komponente kao što su bočne ploče, poklopci krova i paneli vrata. Aluminijska legura 6063 je termički obrađivajuće ojačavajuća legura iz serije AL-Mg-Si, s magnezijem i silicijem kao glavnim legirajućim elementima. To je termički obrađivajući ojačavajući profil aluminijske legure srednje čvrstoće, koji se uglavnom koristi u strukturnim komponentama kao što su stupovi i bočne ploče za nošenje čvrstoće. Uvod u vrste aluminijskih legura prikazan je u Tabeli 1.
2.2 Ekstruzija je važna metoda oblikovanja aluminijske legure
Ekstruzija aluminijske legure je metoda vrućeg oblikovanja, a cijeli proizvodni proces uključuje oblikovanje aluminijske legure pod trostrukim tlačnim naponom. Cijeli proizvodni proces može se opisati na sljedeći način: a. Aluminij i druge legure se tope i lijevaju u potrebne aluminijske legure; b. Prethodno zagrijane legure se stavljaju u opremu za ekstruziju za ekstruziju. Pod djelovanjem glavnog cilindra, aluminijska legura se oblikuje u potrebne profile kroz šupljinu kalupa; c. Kako bi se poboljšala mehanička svojstva aluminijskih profila, obrada rastvorom se provodi tokom ili nakon ekstruzije, nakon čega slijedi obrada starenjem. Mehanička svojstva nakon obrade starenjem variraju u zavisnosti od različitih materijala i režima starenja. Status termičke obrade profila kamiona tipa sandučastog tipa prikazan je u Tabeli 2.
Proizvodi od ekstrudiranog aluminija imaju nekoliko prednosti u odnosu na druge metode oblikovanja:
a. Tokom ekstruzije, ekstrudirani metal dobija jači i ujednačeniji trosmjerni tlačni napon u zoni deformacije nego valjanje i kovanje, tako da može u potpunosti iskoristiti plastičnost obrađenog metala. Može se koristiti za obradu teško deformabilnih metala koji se ne mogu obraditi valjanjem ili kovanjem i može se koristiti za izradu različitih složenih šupljih ili punih komponenti poprečnog presjeka.
b. Budući da se geometrija aluminijskih profila može mijenjati, njihove komponente imaju visoku krutost, što može poboljšati krutost karoserije vozila, smanjiti njegove NVH karakteristike i poboljšati dinamičke karakteristike upravljanja vozilom.
c. Proizvodi s efikasnošću ekstruzije, nakon kaljenja 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, što eliminira potrebu za drugim antikorozivnim površinskim tretmanom.
e. Obrada ekstruzijom ima veliku fleksibilnost, niske troškove alata i kalupa, te niske troškove promjene dizajna.
f. Zbog mogućnosti upravljivosti poprečnih presjeka aluminijskih profila, može se povećati stepen integracije komponenti, smanjiti broj komponenti, a različiti dizajni poprečnih presjeka mogu postići precizno pozicioniranje zavarivanja.
Poređenje performansi između ekstrudiranih aluminijumskih profila za kamione sa sandučastim vratilom i običnog ugljeničnog čelika prikazano je u Tabeli 3.
Sljedeći smjer razvoja profila od aluminijskih legura za kamione sandučastog tipa: Daljnje poboljšanje čvrstoće profila i poboljšanje performansi ekstruzije. Smjer istraživanja novih materijala za profile od aluminijskih legura za kamione sandučastog tipa prikazan je na slici 1.
3. Struktura kamiona od aluminijske legure, analiza čvrstoće i verifikacija
3.1 Struktura kamiona od aluminijske legure
Kontejner kamiona sa zapregom se uglavnom sastoji od sklopa prednje ploče, sklopa lijeve i desne bočne ploče, sklopa bočnih ploča stražnjih vrata, sklopa poda, sklopa krova, kao i vijaka u obliku slova U, bočnih štitnika, stražnjih štitnika, blatobrana i ostale dodatne opreme povezane sa šasijom druge klase. Poprečne grede, stubovi, bočne grede i paneli vrata karoserije sandučastog vozila izrađeni su od ekstrudiranih profila od aluminijske legure, dok su podni i krovni paneli izrađeni od ravnih ploča od aluminijske legure 5052. Struktura kamiona sa zapregom prikazana je na slici 2.
Korištenjem postupka vruće ekstruzije aluminijske legure serije 6 mogu se formirati složeni šuplji poprečni presjeci. Dizajn aluminijskih profila sa složenim poprečnim presjecima može uštedjeti materijale, ispuniti zahtjeve čvrstoće i krutosti proizvoda te ispuniti zahtjeve međusobnog povezivanja različitih komponenti. Stoga su struktura glavnog greda, momenti inercije presjeka I i momenti otpora W prikazani na slici 3.
Poređenje glavnih podataka u Tabeli 4 pokazuje da su momenti inercije poprečnog presjeka i momenti otpora projektovanog aluminijumskog profila bolji od odgovarajućih podataka za profil grede od željeza. Podaci o koeficijentu krutosti su približno isti kao i kod odgovarajućeg profila grede od željeza i svi ispunjavaju zahtjeve deformacije.
3.2 Proračun maksimalnog napona
Uzimajući ključnu noseću komponentu, poprečnu gredu, kao objekt, izračunava se maksimalno naprezanje. Nazivno opterećenje je 1,5 t, a poprečna greda je izrađena od profila od aluminijske legure 6063-T6 s mehaničkim svojstvima kao što je prikazano u Tabeli 5. Greda je pojednostavljena kao konzolna konstrukcija za proračun sile, kao što je prikazano na Slici 4.
Uzimajući gredu raspona 344 mm, tlačno opterećenje na gredu izračunava se kao F=3757 N na osnovu 4,5 t, što je tri puta veće od standardnog statičkog opterećenja. q=F/L
gdje je q unutrašnje naprezanje grede pod opterećenjem, N/mm; F je opterećenje koje greda podnosi, izračunato na osnovu trostrukog standardnog statičkog opterećenja, koje iznosi 4,5 t; L je dužina grede, mm.
Stoga je unutrašnji napon q:
Formula za izračunavanje napona je sljedeća:
Maksimalni moment je:
Uzimajući apsolutnu vrijednost momenta, M=274283 N·mm, maksimalni napon σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, i maksimalnu vrijednost napona σ<215 MPa, što ispunjava zahtjeve.
3.3 Karakteristike povezivanja različitih komponenti
Aluminijska legura ima slaba svojstva zavarivanja, a čvrstoća njene tačke zavarivanja je samo 60% čvrstoće osnovnog materijala. Zbog prekrivajućeg sloja Al2O3 na površini aluminijske legure, tačka topljenja Al2O3 je visoka, dok je tačka topljenja aluminija niska. Prilikom zavarivanja aluminijske legure, Al2O3 na površini se mora brzo razbiti da bi se izvršilo zavarivanje. Istovremeno, ostaci Al2O3 će ostati u rastvoru aluminijske legure, utičući na strukturu aluminijske legure i smanjujući čvrstoću tačke zavarivanja. Stoga se prilikom projektovanja kontejnera od potpuno aluminijuma, ove karakteristike u potpunosti uzimaju u obzir. Zavarivanje je glavna metoda pozicioniranja, a glavne nosive komponente su povezane vijcima. Spojevi poput zakivanja i strukture lastin rep prikazani su na slikama 5 i 6.
Glavna struktura kućišta kutije, izrađenog u potpunosti od aluminija, usvaja strukturu s horizontalnim gredama, vertikalnim stupovima, bočnim gredama i rubnim gredama koje se međusobno spajaju. Postoje četiri spojne točke između svake horizontalne grede i vertikalnog stupa. Spojne točke su opremljene nazubljenim brtvama koje se spajaju s nazubljenim rubom horizontalne grede, učinkovito sprječavajući klizanje. Osam kutnih točaka uglavnom je povezano čeličnim umetcima, pričvršćenim vijcima i samoblokirajućim zakovicama, te ojačanim trokutastim aluminijskim pločama od 5 mm zavarenim unutar kutije radi ojačanja kutnih položaja iznutra. Vanjski izgled kutije nema zavarivanja ili izloženih spojnih točaka, što osigurava cjelokupni izgled kutije.
3.4 SE sinhrona inženjerska tehnologija
SE sinhrona inženjerska tehnologija se koristi za rješavanje problema uzrokovanih velikim akumuliranim odstupanjima veličine za odgovarajuće komponente u kućištu kutije i poteškoćama u pronalaženju uzroka zazora i kvarova ravnosti. Kroz CAE analizu (vidi sliku 7-8), provodi se uporedna analiza sa kućištima kutije izrađenim od željeza kako bi se provjerila ukupna čvrstoća i krutost kućišta kutije, pronašle slabe tačke i poduzele mjere za efikasniju optimizaciju i poboljšanje sheme dizajna.
4. Efekat smanjenja težine kamiona od aluminijske legure
Pored karoserije, aluminijske legure mogu se koristiti za zamjenu čelika za različite komponente kontejnera kamionskog tipa, kao što su blatobrani, stražnji zaštitnici, bočni zaštitnici, brave na vratima, šarke na vratima i rubovi stražnjeg pregača, postižući smanjenje težine teretnog prostora od 30% do 40%. Efekat smanjenja težine praznog teretnog kontejnera dimenzija 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm prikazan je u Tabeli 6. Ovo u osnovi rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih teretnih prostora od željeza.
Zamjenom tradicionalnog čelika aluminijskim legurama za automobilske komponente, ne samo da se mogu postići odlični efekti smanjenja težine, već se može doprinijeti i uštedi goriva, smanjenju emisija i poboljšanju performansi vozila. Trenutno postoje različita mišljenja o doprinosu smanjenja težine uštedi goriva. Rezultati istraživanja Međunarodnog instituta za aluminij prikazani su na slici 9. Svako smanjenje težine vozila od 10% može smanjiti potrošnju goriva za 6% do 8%. Na osnovu domaće statistike, smanjenje težine svakog putničkog automobila za 100 kg može smanjiti potrošnju goriva za 0,4 L/100 km. Doprinos smanjenja 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 smanjenja težine je još izraženiji. Trenutno se jedinična gustina energije baterija električnih vozila značajno razlikuje od one kod tradicionalnih vozila na tečno gorivo. Težina energetskog sistema (uključujući bateriju) električnih vozila često čini 20% do 30% ukupne težine vozila. Istovremeno, prevazilaženje uskog grla performansi baterija predstavlja globalni izazov. Prije nego što dođe do velikog proboja u tehnologiji visokoperformansnih baterija, smanjenje težine je efikasan način za poboljšanje dometa krstarenja električnih vozila. 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, domet krstarenja čisto električnih vozila ne može zadovoljiti potrebe većine ljudi, ali smanjenje težine za određenu količinu može značajno poboljšati domet krstarenja, ublažavajući strah od dometa i poboljšavajući korisničko iskustvo.
5. Zaključak
Pored potpuno aluminijske konstrukcije kamiona sa zaprekom od aluminijske legure predstavljene u ovom članku, postoje različite vrste kamiona sa zaprekom, kao što su aluminijske saćaste ploče, aluminijske ploče s kopčama, aluminijski okviri + aluminijske obloge i hibridni teretni kontejneri od željeza i aluminija. Imaju prednosti male težine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju, te ne zahtijevaju elektroforetsku boju za zaštitu od korozije, smanjujući utjecaj elektroforetske boje na okoliš. Kamion sa zaprekom od aluminijske legure fundamentalno rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih teretnih odjeljaka od željeza.
Ekstruzija je osnovna metoda obrade aluminijskih legura, a aluminijski profili imaju odlična mehanička svojstva, tako da je krutost dijelova komponenti relativno visoka. Zbog promjenjivog poprečnog presjeka, aluminijske legure mogu postići kombinaciju višestrukih komponentnih funkcija, što ih čini dobrim materijalom za laganu automobilsku konstrukciju. Međutim, široka primjena aluminijskih legura suočava se s izazovima kao što su nedovoljne mogućnosti dizajniranja teretnih prostora od aluminijskih legura, problemi s oblikovanjem i zavarivanjem, te visoki troškovi razvoja i promocije novih proizvoda. Glavni razlog je i dalje taj što aluminijske legure koštaju više od čelika prije nego što ekologija recikliranja aluminijskih legura sazrije.
Zaključno, opseg primjene aluminijskih legura u automobilima će se proširiti, a njihova upotreba će nastaviti rasti. U trenutnim trendovima uštede energije, smanjenja emisija i razvoja industrije vozila s novim izvorima energije, s produbljivanjem razumijevanja svojstava aluminijskih legura i učinkovitim rješenjima za probleme primjene aluminijskih legura, materijali za ekstruziju aluminija će se sve više koristiti u laganoj automobilskoj industriji.
Uredio May Jiang iz MAT Aluminum
Vrijeme objave: 12. januar 2024.
