1.Introducere
Ușurarea autovehiculelor a început în țările dezvoltate și a fost condusă inițial de giganții auto tradiționali. Odată cu dezvoltarea continuă, a câștigat un impuls semnificativ. De la momentul în care indienii au folosit pentru prima dată aliajul de aluminiu pentru a produce arbori cotiți pentru autovehicule și până la prima producție în masă de mașini din aluminiu de către Audi în 1999, aliajul de aluminiu a cunoscut o creștere robustă în aplicațiile auto datorită avantajelor sale precum densitatea scăzută, rezistența specifică și rigiditatea ridicată, elasticitate bună și rezistență la impact, reciclabilitate ridicată și rată mare de regenerare. Până în 2015, proporția de aplicare a aliajului de aluminiu în automobile depășise deja 35%.
Reducerea luminii auto a Chinei a început cu mai puțin de 10 ani în urmă, iar atât tehnologia, cât și nivelul aplicațiilor sunt în urmă față de țările dezvoltate precum Germania, Statele Unite și Japonia. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea de noi vehicule cu energie, uşurarea materialelor progresează rapid. Profiind de creșterea vehiculelor cu energie noi, tehnologia de ușurare a automobilelor din China arată o tendință de a ajunge din urmă cu țările dezvoltate.
Piața de materiale ușoare din China este vastă. Pe de o parte, în comparație cu țările dezvoltate din străinătate, tehnologia de ponderare a Chinei a început târziu, iar greutatea totală a vehiculului este mai mare. Având în vedere punctul de referință al proporției materialelor ușoare în țări străine, există încă spațiu amplu pentru dezvoltare în China. Pe de altă parte, condusă de politici, dezvoltarea rapidă a noii industriei de vehicule energetice din China va stimula cererea de materiale ușoare și va încuraja companiile de automobile să se îndrepte către ușurință.
Îmbunătățirea standardelor de emisii și consum de combustibil forțează accelerarea uşoarelor auto. China a implementat pe deplin standardele de emisie China VI în 2020. Conform „Metodei de evaluare și indicatori pentru consumul de combustibil al autoturismelor” și „Foaia de parcurs pentru economisirea energiei și tehnologiile pentru vehicule cu energie nouă”, standardul de consum de combustibil de 5,0 L/km. Luând în considerare spațiul limitat pentru descoperiri substanțiale în tehnologia motoarelor și reducerea emisiilor, adoptarea de măsuri pentru componentele auto ușoare poate reduce în mod eficient emisiile vehiculelor și consumul de combustibil. Ușurarea vehiculelor cu energie nouă a devenit o cale esențială pentru dezvoltarea industriei.
În 2016, China Automotive Engineering Society a emis „Foaia de parcurs pentru economisirea energiei și tehnologiile noi pentru vehicule cu energie”, care a planificat factori precum consumul de energie, intervalul de croazieră și materialele de fabricație pentru vehiculele cu energie nouă din 2020 până în 2030. Ușurarea va fi o direcție cheie pentru dezvoltarea viitoare a vehiculelor cu energie nouă. Ușurarea poate crește autonomia de croazieră și poate aborda „anxietatea de gamă” în vehiculele cu energie nouă. Odată cu creșterea cererii pentru o autonomie extinsă de croazieră, ușurarea autovehiculelor devine urgentă, iar vânzările de vehicule cu energie noi au crescut semnificativ în ultimii ani. Conform cerințelor sistemului de scor și „Planului de dezvoltare pe termen mediu și lung pentru industria auto”, se estimează că până în 2025, vânzările Chinei de vehicule cu energie noi vor depăși 6 milioane de unități, cu o creștere anuală compusă. rata de peste 38%.
2. Caracteristici și aplicații ale aliajului de aluminiu
2.1 Caracteristicile aliajului de aluminiu
Densitatea aluminiului este de o treime din cea a oțelului, ceea ce îl face mai ușor. Are rezistență specifică mai mare, capacitate bună de extrudare, rezistență puternică la coroziune și reciclabilitate ridicată. Aliajele de aluminiu se caracterizează prin faptul că sunt compuse în principal din magneziu, prezintă o rezistență bună la căldură, proprietăți bune de sudură, rezistență bună la oboseală, incapacitatea de a fi consolidată 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 fază principală de întărire. Cele mai utilizate aliaje din această categorie sunt 6063, 6061 și 6005A. Placa de aluminiu 5052 este o placă de aluminiu din aliaj din seria AL-Mg, cu magneziu ca element principal de aliere. Este cel mai utilizat aliaj de aluminiu antirugina. Acest aliaj are rezistență ridicată, rezistență ridicată la oboseală, plasticitate bună și rezistență la coroziune, nu poate fi consolidat prin tratament termic, are plasticitate bună la călirea prin lucru semi-rece, plasticitate scăzută la călirea prin lucru la rece, rezistență bună la coroziune și proprietăți bune de sudare. Este utilizat în principal pentru componente precum panourile laterale, capacele de acoperiș și panourile ușilor. Aliajul de aluminiu 6063 este un aliaj de întărire tratabil termic din seria AL-Mg-Si, cu magneziu și siliciu ca elemente principale 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 coloanele și panourile laterale pentru a asigura 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 aliajului de aluminiu este o metodă de formare la cald, iar întregul proces de producție implică formarea aliajului de aluminiu sub presiune de compresiune în trei căi. Întregul proces de producție poate fi descris astfel: a. Aluminiul și alte aliaje sunt topite și turnate în țaglele din aliaj de aluminiu necesare; b. Taglele 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, tratamentul cu soluție se efectuează în timpul sau după extrudare, urmat de un tratament de îmbătrânire. Proprietățile mecanice după tratamentul de îmbătrânire variază în funcție de diferitele materiale și regimuri de îmbătrânire. Starea tratamentului termic al profilelor de camioane tip cutie este prezentată în Tabelul 2.
Produsele extrudate din aliaj de aluminiu au mai multe avantaje față de alte metode de formare:
o. În timpul extrudarii, metalul extrudat obține o presiune de compresiune în trei căi mai puternică și mai uniformă în zona de deformare decât laminarea și forjarea, astfel încât să poată juca pe deplin plasticitatea metalului prelucrat. Poate fi folosit pentru a prelucra metale greu de deformat care nu pot fi prelucrate prin laminare sau forjare și poate fi folosit pentru a face diverse componente complexe cu secțiune transversală goală sau solide.
b. Deoarece geometria profilelor de aluminiu poate fi variată, componentele lor au o rigiditate ridicată, ceea ce poate îmbunătăți rigiditatea caroseriei vehiculului, poate reduce caracteristicile NVH a acestuia și poate îmbunătăți caracteristicile de control dinamic al vehiculului.
c. Produsele cu eficiență de extrudare, după călire și îmbătrânire, au o rezistență longitudinală semnificativ mai mare (R, Raz) 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 de suprafață anticorozive.
e. Procesarea prin extrudare are o mare flexibilitate, costuri reduse pentru scule și matrițe și costuri reduse de modificare a designului.
f. Datorită controlabilității secțiunilor transversale ale profilului de aluminiu, gradul de integrare a componentelor poate fi crescut, numărul de componente poate fi redus, iar diferitele modele de secțiune transversală pot obține o poziționare precisă a sudurii.
Comparația performanței dintre profilele din aluminiu extrudat pentru camioanele 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 profilului și îmbunătățirea performanței de extrudare. Direcția de cercetare a noilor materiale pentru profilele din aliaj de aluminiu pentru camioanele de tip cutie este prezentată în Figura 1.
3. Structura camionului din aliaj de aluminiu, analiza rezistenței și verificarea
3.1 Structura camionului cu cutie din aliaj de aluminiu
Containerul cu cutie constă în principal din ansamblu panou frontal, ansamblu panou lateral stâng și drept, ansamblu panou lateral ușă din spate, ansamblu podea, ansamblu acoperiș, precum și șuruburi în formă de U, apărători laterale, apărători spate, clapete de noroi și alte accesorii conectat la șasiul de clasa a doua. Grinzile transversale ale caroseriei, stâlpii, grinzile laterale și panourile ușilor sunt realizate din profile extrudate din aliaj de aluminiu, în timp ce panourile de podea și acoperiș sunt realizate din plăci plate din aliaj de aluminiu 5052. Structura camionului cu cutie din aliaj de aluminiu este prezentată în Figura 2.
Folosind procesul de extrudare la cald al aliajului de aluminiu din seria 6 poate forma secțiuni transversale goale complexe, un design de profile 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 între diverse componente. Prin urmare, structura de proiectare a grinzii principale și momentele în secțiune de inerție I și momentele rezistente W sunt prezentate în Figura 3.
O comparație a datelor principale din Tabelul 4 arată că momentele de inerție în secțiune și momentele de rezistență ale profilului de aluminiu proiectat sunt mai bune decât datele corespunzătoare ale profilului grinzii din fier. Datele coeficientului de rigiditate sunt aproximativ aceleași cu cele ale profilului de grinzi din fier corespunzător și toate îndeplinesc cerințele de deformare.
3.2 Calculul tensiunii maxime
Luând ca obiect componenta portantă cheie, traversa, se calculează solicitarea maximă. Sarcina nominală este de 1,5 t, iar traversa este realizată din profil din 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 de 344 mm, sarcina de compresiune pe grindă este calculată ca F=3757 N pe baza 4,5 t, care este de trei ori sarcina statică standard. q=F/L
unde q este efortul intern al grinzii sub sarcină, N/mm; F este sarcina suportată de grindă, calculată pe baza 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 a tensiunii este următoarea:
Momentul maxim este:
Luând valoarea absolută a momentului, M=274283 N·mm, solicitarea maximă σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, iar valoarea tensiunii maxime σ<215 MPa, care îndeplinește cerințele.
3.3 Caracteristicile de conectare ale diferitelor componente
Aliajul de aluminiu are proprietăți de sudare slabe, iar rezistența punctului de sudare este de numai 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 pe suprafață trebuie să fie rupt rapid pentru a efectua sudarea. În același timp, reziduul de Al2O3 va rămâne în soluția de aliaj de aluminiu, afectând structura aliajului de aluminiu și reducând rezistența punctului de sudare a aliajului de aluminiu. Prin urmare, atunci când proiectați un container din aluminiu, aceste caracteristici sunt pe deplin luate în considerare. Sudarea este metoda principală de poziționare, iar principalele componente portante sunt conectate prin șuruburi. Conexiunile precum nituirea și structura în coadă de rândunică sunt prezentate în figurile 5 și 6.
Structura principală a corpului cutiei din aluminiu adoptă o structură cu grinzi orizontale, stâlpi verticali, grinzi laterale și grinzi de margine interconectate între ele. Există patru puncte de legătură între fiecare grindă orizontală și stâlp vertical. Punctele de conectare sunt prevăzute cu garnituri zimțate pentru a se îmbina cu marginea zimțată a grinzii orizontale, prevenind eficient alunecarea. Cele opt colțuri sunt conectate în principal prin inserții de miez de oțel, fixate cu șuruburi și nituri autoblocante și întărite cu plăci triunghiulare de aluminiu de 5 mm sudate în interiorul cutiei pentru a întări pozițiile colțurilor la interior. Aspectul exterior al cutiei nu are puncte de sudura sau de conectare expuse, asigurand aspectul general al cutiei.
3.4 Tehnologia de inginerie sincronă SE
Tehnologia de inginerie sincronă SE este utilizată pentru a rezolva problemele cauzate de abaterile mari de dimensiune acumulate pentru potrivirea componentelor din corpul cutiei și dificultățile în găsirea cauzelor golurilor și defecțiunilor planeității. Prin analiza CAE (vezi Figura 7-8), se efectuează o analiză de comparație cu corpurile de cutie din fier pentru a verifica rezistența și rigiditatea generală a corpului cutiei, pentru a găsi punctele slabe și pentru a lua măsuri pentru a optimiza și îmbunătăți schema de proiectare mai eficient .
4. Efectul de ușurare al camionului cu cutie din aliaj de aluminiu
Pe lângă caroseria cutiei, aliajele de aluminiu pot fi folosite pentru a înlocui oțelul pentru diferite componente ale containerelor de camion tip cutie, cum ar fi apărători de noroi, apărători spate, apărători laterale, încuietori uși, balamale uși și marginile din spate ale șorțului, obținând 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 în mod 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 pot fi obținute efecte excelente de ușurare, dar poate contribui și la economia de combustibil, reducerea emisiilor și îmbunătățirea performanței vehiculului. În prezent, există diverse opinii cu privire la contribuția luminozării la economia de combustibil. Rezultatele cercetării Institutului Internațional al Aluminiului sunt prezentate în Figura 9. Fiecare reducere cu 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 luminozării la economia de combustibil se bazează pe rezultatele obținute din diferite metode de cercetare, deci există o oarecare variație. Cu toate acestea, ușurarea autovehiculelor are un impact semnificativ asupra reducerii consumului de combustibil.
Pentru vehiculele electrice, efectul de ușurare este și mai pronunțat. În prezent, densitatea de energie unitară a bateriilor de putere pentru vehiculele electrice este semnificativ diferită de cea a vehiculelor tradiționale cu combustibil lichid. Greutatea sistemului de alimentare (inclusiv a bateriei) vehiculelor electrice reprezintă adesea 20% până la 30% din greutatea totală a vehiculului. În același timp, depășirea blocajului de performanță al bateriilor este o provocare la nivel mondial. Înainte să existe o descoperire majoră în tehnologia bateriilor de înaltă performanță, ușurarea este o modalitate eficientă de a îmbunătăți autonomia de croazieră a vehiculelor electrice. Pentru fiecare 100 kg de reducere a greutății, autonomia de croazieră a vehiculelor electrice poate fi mărită cu 6% până la 11% (relația dintre reducerea greutății și intervalul de croazieră este prezentată în Figura 10). În prezent, gama de croazieră a vehiculelor pur electrice nu poate satisface nevoile majorității oamenilor, dar reducerea greutății cu o anumită cantitate poate îmbunătăți semnificativ intervalul de croazieră, ameliorând anxietatea intervalului și îmbunătățind experiența utilizatorului.
5.Concluzie
Pe lângă structura integrală din aluminiu a camionului cu cutie din aliaj de aluminiu introdusă în acest articol, există diferite tipuri de camioane cu cutie, cum ar fi panouri de tip fagure din aluminiu, plăci de cataramă din aluminiu, cadre din aluminiu + coji de aluminiu și containere de marfă hibride fier-aluminiu. . Au avantajele greutății ușoare, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune și nu necesită vopsea electroforetică pentru protecția împotriva coroziunii, reducând impactul asupra mediului al vopselei electroforetice. Camionul cu cutie din aliaj de aluminiu rezolvă în mod fundamental problemele de greutate excesivă, nerespectarea anunțurilor și riscurile de reglementare ale compartimentelor de marfă tradiționale din fier.
Extrudarea este o metodă de prelucrare esențială pentru aliajele de aluminiu, iar profilele de aluminiu au proprietăți mecanice excelente, astfel încât rigiditatea secțiunii componentelor este relativ mare. Datorită secțiunii transversale variabile, aliajele de aluminiu pot realiza combinarea mai multor funcții ale componentelor, făcându-l un material bun pentru ușurarea autovehiculelor. Cu toate acestea, aplicarea pe scară largă a aliajelor de aluminiu se confruntă cu provocări, cum ar fi capacitatea de proiectare insuficientă pentru compartimentele de marfă din aliaje de aluminiu, probleme de formare și sudare și costuri ridicate de dezvoltare și promovare pentru produse noi. Motivul principal este 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 automobile va deveni mai larg, iar utilizarea lor va continua să crească. În tendințele actuale de economisire a energiei, reducerea emisiilor și dezvoltarea noii industrie a vehiculelor energetice, odată cu înțelegerea aprofundată a proprietăților aliajelor de aluminiu și soluții eficiente la problemele de aplicare a aliajelor de aluminiu, materialele de extrudare a aluminiului vor fi utilizate mai pe scară largă în ușurarea auto.
Editat de May Jiang de la MAT Aluminium
Ora postării: 12-ian-2024
