1. Introducere
Reducerea greutății în industria auto a început în țările dezvoltate și a fost inițial condusă de giganții auto tradiționali. Datorită dezvoltării continue, aceasta a câștigat un avânt semnificativ. De la momentul în care indienii au folosit pentru prima dată aliajul de aluminiu pentru a produce arbori cotiți auto până la prima producție în masă de mașini complet din aluminiu de către Audi în 1999, aliajul de aluminiu a cunoscut o creștere robustă în aplicațiile auto datorită avantajelor sale, cum ar fi densitatea redusă, rezistența specifică și rigiditatea ridicate, elasticitatea și rezistența la impact bune, reciclabilitatea ridicată și rata mare de regenerare. Până în 2015, proporția de utilizare a aliajului de aluminiu în automobile depășise deja 35%.
Reducerea greutății în industria auto din China a început în urmă cu mai puțin de 10 ani, iar atât tehnologia, cât și nivelul de aplicare sunt în urma țărilor dezvoltate precum Germania, Statele Unite și Japonia. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea vehiculelor cu energie nouă, reducerea greutății materialelor progresează rapid. Profitând de creșterea numărului de vehicule cu energie nouă, tehnologia de reducere a greutății în industria auto din China prezintă o tendință de a recupera decalajul față de țările dezvoltate.
Piața materialelor ușoare din China este vastă. Pe de o parte, în comparație cu țările dezvoltate din străinătate, tehnologia de ușurare a vehiculelor a început târziu în China, iar greutatea proprie totală a vehiculelor este mai mare. Având în vedere procentul de materiale ușoare de referință în țările străine, există încă mult loc pentru dezvoltare în China. Pe de altă parte, impulsionată de politici, dezvoltarea rapidă a industriei vehiculelor energetice noi din China va stimula cererea de materiale ușoare și va încuraja companiile auto să se orienteze către ușurarea vehiculelor.
Îmbunătățirea standardelor de emisii și consum de combustibil forțează accelerarea reducerii greutăților vehiculelor auto. China a implementat pe deplin standardele de emisii China VI în 2020. Conform „Metodei de evaluare și indicatorilor pentru consumul de combustibil al autoturismelor” și „Foii de parcurs pentru tehnologia vehiculelor cu energie nouă și economisirea energiei”, standardul de consum de combustibil de 5,0 L/km. Având în vedere spațiul limitat pentru progrese substanțiale în tehnologia motoarelor și reducerea emisiilor, adoptarea de măsuri pentru componentele auto ușoare poate reduce eficient emisiile și consumul de combustibil al vehiculelor. Reducerea greutății vehiculelor cu energie nouă a devenit o cale esențială pentru dezvoltarea industriei.
În 2016, Societatea Chineză de Inginerie Auto a emis „Foaia de parcurs pentru tehnologia vehiculelor cu energie nouă și economisirea energiei”, care a planificat factori precum consumul de energie, autonomia și materialele de fabricație pentru vehiculele cu energie nouă din 2020 până în 2030. Reducerea greutății va fi o direcție cheie pentru dezvoltarea viitoare a vehiculelor cu energie nouă. Reducerea greutății poate crește autonomia și poate aborda „anxietatea față de autonomie” în cazul vehiculelor cu energie nouă. Odată cu creșterea cererii de autonomie extinsă, reducerea greutății auto devine urgentă, iar vânzările de vehicule cu energie nouă au crescut semnificativ în ultimii ani. Conform cerințelor sistemului de scoruri și „Planului de dezvoltare pe termen mediu și lung pentru industria auto”, se estimează că până în 2025, vânzările de vehicule cu energie nouă din China vor depăși 6 milioane de unități, cu o rată anuală compusă de creștere de peste 38%.
2. Caracteristicile și aplicațiile aliajului de aluminiu
2.1 Caracteristicile aliajului de aluminiu
Densitatea aluminiului este o treime față de cea a oțelului, ceea ce îl face mai ușor. Are o rezistență specifică mai mare, o bună capacitate de extrudare, o rezistență puternică la coroziune și o reciclabilitate ridicată. Aliajele de aluminiu se caracterizează prin faptul că sunt compuse în principal din magneziu, prezintă o bună rezistență la căldură, proprietăți bune de sudare, o bună rezistență la oboseală, incapacitatea de a fi întărite prin tratament termic și capacitatea de a crește rezistența prin prelucrare la rece. Seria 6 se caracterizează prin faptul că este compusă în principal din magneziu și siliciu, cu Mg2Si ca principală fază de întărire. Cele mai utilizate aliaje din această categorie sunt 6063, 6061 și 6005A. Placa de aluminiu 5052 este o placă de aluminiu din aliajul seriei AL-Mg, cu magneziu ca principal element de aliere. Este cel mai utilizat aliaj de aluminiu antirugină. Acest aliaj are o rezistență ridicată, o rezistență ridicată la oboseală, o plasticitate bună și rezistență la coroziune, nu poate fi întărit prin tratament termic, are o plasticitate bună la ecruisare semi-rece, o plasticitate scăzută la ecruisare la rece, o bună rezistență la coroziune și proprietăți bune de sudare. Se utilizează în principal pentru componente precum panouri laterale, capace de acoperiș și panouri de uși. Aliajul de aluminiu 6063 este un aliaj de întărire tratabil termic din seria AL-Mg-Si, cu magneziu și siliciu ca principale elemente de aliere. Este un profil de aliaj de aluminiu de întărire tratabil termic cu rezistență medie, utilizat în principal în componente structurale, cum ar fi coloane și panouri laterale, pentru a susține rezistența. O introducere în clasele de aliaje de aluminiu este prezentată în Tabelul 1.
2.2 Extrudarea este o metodă importantă de formare a aliajului de aluminiu
Extrudarea aliajelor de aluminiu este o metodă de formare la cald, iar întregul proces de producție implică formarea aliajului de aluminiu sub o tensiune de compresie triplă. Întregul proces de producție poate fi descris după cum urmează: a. Aluminiul și alte aliaje sunt topite și turnate în țaglele necesare din aliaj de aluminiu; b. Țaglele preîncălzite sunt introduse în echipamentul de extrudare pentru extrudare. Sub acțiunea cilindrului principal, țagla din aliaj de aluminiu este formată în profilele necesare prin cavitatea matriței; c. Pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale profilelor de aluminiu, se efectuează un tratament de soluționare în timpul sau după extrudare, urmat de un tratament de îmbătrânire. Proprietățile mecanice după tratamentul de îmbătrânire variază în funcție de diferite materiale și regimuri de îmbătrânire. Starea tratamentului termic al profilelor de tip cutie este prezentată în Tabelul 2.
Produsele extrudate din aliaj de aluminiu au mai multe avantaje față de alte metode de formare:
a. În timpul extrudării, metalul extrudat obține o tensiune de compresiune triplă mai puternică și mai uniformă în zona de deformare decât laminarea și forjarea, astfel încât poate juca pe deplin plasticitatea metalului prelucrat. Poate fi utilizat pentru prelucrarea metalelor dificil de deformat care nu pot fi prelucrate prin laminare sau forjare și poate fi utilizat pentru a realiza diverse componente complexe cu secțiune transversală goală sau solidă.
b. Deoarece geometria profilelor de aluminiu poate fi variată, componentele acestora au o rigiditate ridicată, ceea ce poate îmbunătăți rigiditatea caroseriei vehiculului, reduce caracteristicile NVH ale acestuia și îmbunătățește caracteristicile de control dinamic al vehiculului.
c. Produsele cu eficiență de extrudare, după călire și îmbătrânire, au o rezistență longitudinală (R, Raz) semnificativ mai mare decât produsele prelucrate prin alte metode.
d. Suprafața produselor după extrudare are o culoare bună și o rezistență bună la coroziune, eliminând necesitatea altor tratamente anticorozive de suprafață.
e. Prelucrarea prin extrudare are o flexibilitate mare, costuri reduse ale sculelor și matrițelor și costuri reduse de modificare a designului.
f. Datorită controlabilității secțiunilor transversale ale profilelor de aluminiu, gradul de integrare a componentelor poate fi crescut, numărul de componente poate fi redus și diferite modele de secțiuni transversale pot realiza o poziționare precisă a sudurii.
Comparația performanței dintre profilele de aluminiu extrudat pentru camioane de tip cutie și oțelul carbon simplu este prezentată în Tabelul 3.
Următoarea direcție de dezvoltare a profilelor din aliaj de aluminiu pentru camioane de tip cutie: Îmbunătățirea în continuare a rezistenței profilelor și creșterea performanței de extrudare. Direcția de cercetare a noilor materiale pentru profile din aliaj de aluminiu pentru camioane de tip cutie este prezentată în Figura 1.
3. Structura camionului cu cutie din aliaj de aluminiu, analiza rezistenței și verificarea
3.1 Structura camionului cu cutie din aliaj de aluminiu
Camionul container este alcătuit în principal din ansamblul panoului frontal, ansamblul panourilor laterale stânga și dreapta, ansamblul panoului lateral al ușii spate, ansamblul podelei, ansamblul acoperișului, precum și șuruburi în formă de U, apărători laterale, apărători spate, apărători de noroi și alte accesorii conectate la șasiul de clasa a doua. Traversele caroseriei, stâlpii, grinzile laterale și panourile ușilor sunt fabricate din profile extrudate din aliaj de aluminiu, în timp ce panourile podelei și acoperișului sunt fabricate din plăci plate din aliaj de aluminiu 5052. Structura camionului container din aliaj de aluminiu este prezentată în Figura 2.
Utilizarea procesului de extrudare la cald a aliajului de aluminiu din seria 6 poate forma secțiuni transversale complexe cu goluri, un design al profilelor de aluminiu cu secțiuni transversale complexe poate economisi materiale, poate îndeplini cerințele de rezistență și rigiditate a produsului și poate îndeplini cerințele de conectare reciprocă dintre diverse componente. Prin urmare, structura de proiectare a grinzii principale, momentele de inerție secționale I și momentele rezistente W sunt prezentate în Figura 3.
O comparație a datelor principale din Tabelul 4 arată că momentele de inerție secționale și momentele rezistente ale profilului de aluminiu proiectat sunt mai bune decât datele corespunzătoare ale profilului de grindă din fontă. Datele coeficienților de rigiditate sunt aproximativ aceleași cu cele ale profilului de grindă din fontă corespunzător și toate îndeplinesc cerințele de deformare.
3.2 Calculul tensiunii maxime
Luând ca obiect componenta portantă cheie, grinda transversală, se calculează tensiunea maximă. Sarcina nominală este de 1,5 t, iar grinda transversală este realizată din profil de aliaj de aluminiu 6063-T6 cu proprietăți mecanice așa cum se arată în Tabelul 5. Grinda este simplificată ca o structură în consolă pentru calculul forței, așa cum se arată în Figura 4.
Luând o grindă cu deschiderea de 344 mm, sarcina de compresiune pe grindă este calculată ca F = 3757 N bazată pe 4,5 t, ceea ce reprezintă de trei ori sarcina statică standard. q = F/L
unde q este tensiunea internă a grinzii sub sarcină, N/mm; F este sarcina suportată de grindă, calculată pe baza a de 3 ori sarcina statică standard, care este de 4,5 t; L este lungimea grinzii, mm.
Prin urmare, tensiunea internă q este:
Formula de calcul al tensiunii este următoarea:
Momentul maxim este:
Luând valoarea absolută a momentului, M=274283 N·mm, tensiunea maximă σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, iar valoarea tensiunii maxime σ<215 MPa, ceea ce îndeplinește cerințele.
3.3 Caracteristicile de conectare ale diferitelor componente
Aliajul de aluminiu are proprietăți de sudare slabe, iar rezistența punctului de sudură este de doar 60% din rezistența materialului de bază. Datorită acoperirii unui strat de Al2O3 pe suprafața aliajului de aluminiu, punctul de topire al Al2O3 este ridicat, în timp ce punctul de topire al aluminiului este scăzut. Când aliajul de aluminiu este sudat, Al2O3 de la suprafață trebuie spart rapid pentru a efectua sudarea. În același timp, reziduurile de Al2O3 vor rămâne în soluția de aliaj de aluminiu, afectând structura aliajului de aluminiu și reducând rezistența punctului de sudură al aliajului de aluminiu. Prin urmare, la proiectarea unui recipient complet din aluminiu, aceste caracteristici sunt luate în considerare pe deplin. Sudarea este principala metodă de poziționare, iar principalele componente portante sunt conectate prin șuruburi. Conexiuni precum nituirea și structura în coadă de rândunică sunt prezentate în Figurile 5 și 6.
Structura principală a corpului cutiei, complet din aluminiu, adoptă o structură cu grinzi orizontale, piloni verticali, grinzi laterale și grinzi de margine care se intercalează între ele. Există patru puncte de conectare între fiecare grindă orizontală și pilon vertical. Punctele de conectare sunt prevăzute cu garnituri zimțate pentru a se angrena cu marginea zimțată a grinzii orizontale, prevenind eficient alunecarea. Cele opt puncte de colț sunt conectate în principal prin inserții cu miez de oțel, fixate cu șuruburi și nituri autoblocante și ranforsate cu plăci triunghiulare de aluminiu de 5 mm sudate în interiorul cutiei pentru a consolida pozițiile de colț intern. Aspectul exterior al cutiei nu prezintă suduri sau puncte de conectare expuse, asigurând aspectul general al cutiei.
3.4 Tehnologia ingineriei sincrone SE
Tehnologia ingineriei sincrone SE este utilizată pentru a rezolva problemele cauzate de abaterile mari acumulate de dimensiuni pentru componentele potrivite din corpul cutiei și dificultățile în găsirea cauzelor golurilor și a defecțiunilor de planeitate. Prin analiza CAE (vezi Figura 7-8), se efectuează o analiză comparativă cu corpuri de cutie din fontă pentru a verifica rezistența și rigiditatea generală a corpului cutiei, a identifica punctele slabe și a lua măsuri pentru a optimiza și îmbunătăți schema de proiectare mai eficient.
4. Efectul de reducere a greutății al camionului cu cutie din aliaj de aluminiu
Pe lângă caroseria containerelor, aliajele de aluminiu pot fi utilizate pentru a înlocui oțelul pentru diverse componente ale containerelor de camion de tip cutie, cum ar fi apărătorile de noroi, apărătorile spate, apărătorile laterale, zăvoarele ușilor, balamalele ușilor și marginile șorțului spate, realizând o reducere a greutății de 30% până la 40% pentru compartimentul de marfă. Efectul de reducere a greutății pentru un container de marfă gol de 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm este prezentat în Tabelul 6. Acest lucru rezolvă fundamental problemele de greutate excesivă, nerespectarea anunțurilor și riscurile de reglementare ale compartimentelor de marfă tradiționale din fier.
Prin înlocuirea oțelului tradițional cu aliaje de aluminiu pentru componentele auto, nu numai că se pot obține efecte excelente de reducere a greutății, dar se poate contribui și la economisirea combustibilului, reducerea emisiilor și îmbunătățirea performanței vehiculelor. În prezent, există diverse opinii cu privire la contribuția reducerii greutății vehiculului la economisirea combustibilului. Rezultatele cercetărilor Institutului Internațional al Aluminiului sunt prezentate în Figura 9. Fiecare reducere de 10% a greutății vehiculului poate reduce consumul de combustibil cu 6% până la 8%. Pe baza statisticilor interne, reducerea greutății fiecărui autoturism cu 100 kg poate reduce consumul de combustibil cu 0,4 l/100 km. Contribuția reducerii greutății la economisirea combustibilului se bazează pe rezultatele obținute prin diferite metode de cercetare, așadar există unele variații. Cu toate acestea, reducerea greutății auto are un impact semnificativ asupra reducerii consumului de combustibil.
În cazul vehiculelor electrice, efectul de reducere a greutății este și mai pronunțat. În prezent, densitatea energetică unitară a bateriilor vehiculelor electrice este semnificativ diferită de cea a vehiculelor tradiționale pe combustibil lichid. Greutatea sistemului de alimentare (inclusiv bateria) al vehiculelor electrice reprezintă adesea 20% până la 30% din greutatea totală a vehiculului. În același timp, depășirea blocajelor de performanță ale bateriilor este o provocare mondială. Înainte de a exista un progres major în tehnologia bateriilor de înaltă performanță, reducerea greutății este o modalitate eficientă de a îmbunătăți autonomia vehiculelor electrice. Pentru fiecare reducere de 100 kg a greutății, autonomia vehiculelor electrice poate fi crescută cu 6% până la 11% (relația dintre reducerea greutății și autonomia este prezentată în Figura 10). În prezent, autonomia vehiculelor pur electrice nu poate satisface nevoile majorității oamenilor, dar reducerea greutății cu o anumită cantitate poate îmbunătăți semnificativ autonomia, reducând anxietatea legată de autonomie și îmbunătățind experiența utilizatorului.
5. Concluzie
Pe lângă structura integrală din aluminiu a camionului cu furcă din aliaj de aluminiu prezentată în acest articol, există diverse tipuri de camione cu furcă, cum ar fi panouri tip fagure de aluminiu, plăci cu cataramă din aluminiu, rame din aluminiu + învelișuri din aluminiu și containere de marfă hibride fier-aluminiu. Acestea au avantajele greutății reduse, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune și nu necesită vopsea electroforetică pentru protecția la coroziune, reducând impactul vopselei electroforetice asupra mediului. Camionul cu furcă din aliaj de aluminiu rezolvă fundamental problemele de greutate excesivă, nerespectarea anunțurilor și riscurile de reglementare ale compartimentelor de marfă tradiționale din fier.
Extrudarea este o metodă esențială de prelucrare a aliajelor de aluminiu, iar profilele de aluminiu au proprietăți mecanice excelente, astfel încât rigiditatea secțională a componentelor este relativ ridicată. Datorită secțiunii transversale variabile, aliajele de aluminiu pot realiza combinarea mai multor funcții ale componentelor, ceea ce le face un material bun pentru reducerea greutății în industria auto. Cu toate acestea, aplicarea pe scară largă a aliajelor de aluminiu se confruntă cu provocări precum capacitatea insuficientă de proiectare a compartimentelor de marfă din aliaje de aluminiu, problemele de formare și sudare și costurile ridicate de dezvoltare și promovare pentru noile produse. Motivul principal este în continuare că aliajul de aluminiu costă mai mult decât oțelul înainte ca ecologia de reciclare a aliajelor de aluminiu să devină matură.
În concluzie, domeniul de aplicare al aliajelor de aluminiu în industria automobilelor va deveni mai larg, iar utilizarea lor va continua să crească. În tendințele actuale de economisire a energiei, reducere a emisiilor și dezvoltarea noii industrii a vehiculelor energetice, odată cu aprofundarea înțelegerii proprietăților aliajelor de aluminiu și soluțiile eficiente la problemele de aplicare a aliajelor de aluminiu, materialele extrudate din aluminiu vor fi utilizate pe scară mai largă în domeniul greutății automobilelor.
Editat de May Jiang de la MAT Aluminum
Data publicării: 12 ian. 2024
