1. Uvod
Lažja avtomobilska industrija se je začela v razvitih državah, sprva pa so jo vodili tradicionalni avtomobilski velikani. Z nenehnim razvojem je pridobila pomemben zagon. Od časa, ko so Indijci prvič uporabili aluminijeve zlitine za proizvodnjo avtomobilskih ročičnih gredi, do prve množične proizvodnje avtomobilov iz aluminija pri Audiju leta 1999, je aluminijeva zlitina doživela močno rast v avtomobilski uporabi zaradi svojih prednosti, kot so nizka gostota, visoka specifična trdnost in togost, dobra elastičnost in odpornost na udarce, visoka možnost recikliranja ter visoka stopnja regeneracije. Do leta 2015 je delež uporabe aluminijevih zlitin v avtomobilih že presegel 35 %.
Kitajska avtomobilska lahka konstrukcija se je začela pred manj kot 10 leti, tako tehnologija kot raven uporabe pa zaostajata za razvitimi državami, kot so Nemčija, Združene države Amerike in Japonska. Vendar pa z razvojem vozil na novo energijo lahka konstrukcija materialov hitro napreduje. Z izkoriščanjem porasta vozil na novo energijo kitajska tehnologija lahke avtomobilske lahke konstrukcije kaže trend dohitevanja razvitih držav.
Kitajski trg lahkih materialov je ogromen. Po eni strani se je v primerjavi z razvitimi državami v tujini tehnologija lahkih materialov na Kitajskem začela uporabljati pozno, skupna teža praznega vozila pa je večja. Glede na delež lahkih materialov v tujini je na Kitajskem še vedno veliko prostora za razvoj. Po drugi strani pa bo hiter razvoj kitajske industrije vozil na nova energetska goriva, ki ga spodbujajo politike, povečal povpraševanje po lahkih materialih in spodbudil avtomobilska podjetja k prehodu na lahke materiale.
Izboljšanje standardov emisij in porabe goriva sili k pospeševanju zmanjševanja teže avtomobilov. Kitajska je leta 2020 v celoti uvedla emisijske standarde China VI. V skladu z "Metodo ocenjevanja in kazalniki porabe goriva osebnih avtomobilov" in "Načrtom za varčevanje z energijo in tehnologijo vozil z novo energijo" je standard porabe goriva 5,0 l/km. Ob upoštevanju omejenega prostora za bistvene preboje v tehnologiji motorjev in zmanjševanju emisij lahko sprejetje ukrepov za lahke avtomobilske komponente učinkovito zmanjša emisije vozil in porabo goriva. Zmanjševanje teže vozil z novo energijo je postalo bistvena pot za razvoj industrije.
Leta 2016 je Kitajsko združenje za avtomobilski inženiring izdalo »Načrt za varčevanje z energijo in tehnologijo vozil na novo energijo«, ki je od leta 2020 do 2030 načrtoval dejavnike, kot so poraba energije, doseg in proizvodni materiali za vozila na novo energijo. Lažja težka konstrukcija bo ključna smer za prihodnji razvoj vozil na novo energijo. Lažja težka konstrukcija lahko poveča doseg in odpravi »tesnobo zaradi dosega« pri vozilih na novo energijo. Z naraščajočim povpraševanjem po daljšem dosegu postaja lahka težka konstrukcija avtomobilov nujna, prodaja vozil na novo energijo pa se je v zadnjih letih znatno povečala. V skladu z zahtevami sistema točkovanja in »Srednjeročnim do dolgoročnim razvojnim načrtom za avtomobilsko industrijo« se ocenjuje, da bo do leta 2025 prodaja vozil na novo energijo na Kitajskem presegla 6 milijonov enot, s skupno letno stopnjo rasti, ki bo presegla 38 %.
2. Značilnosti in uporaba aluminijevih zlitin
2.1 Značilnosti aluminijeve zlitine
Gostota aluminija je ena tretjina gostote jekla, zaradi česar je lažji. Ima večjo specifično trdnost, dobro sposobnost ekstrudiranja, močno odpornost proti koroziji in visoko možnost recikliranja. Aluminijeve zlitine so sestavljene predvsem iz magnezija, imajo dobro toplotno odpornost, dobre varilne lastnosti, dobro utrujenostno trdnost, se ne dajo toplotno obdelati, trdnost pa povečati s hladnim preoblikovanjem. Za serijo 6 je značilno, da je sestavljena predvsem iz magnezija in silicija, pri čemer je Mg2Si glavna ojačitvena faza. Najpogosteje uporabljene zlitine v tej kategoriji so 6063, 6061 in 6005A. Aluminijasta plošča 5052 je aluminijasta plošča iz zlitine serije AL-Mg, pri čemer je magnezij glavni legirni element. Je najpogosteje uporabljena aluminijeva zlitina proti rjavenju. Ta zlitina ima visoko trdnost, visoko utrujenostno trdnost, dobro plastičnost in odpornost proti koroziji, se ne da utrjevati s toplotno obdelavo, ima dobro plastičnost pri polhladnem kaljenju, nizko plastičnost pri hladnem kaljenju, dobro odpornost proti koroziji in dobre varilne lastnosti. Uporablja se predvsem za komponente, kot so stranske plošče, pokrovi streh in vratne plošče. Aluminijeva zlitina 6063 je toplotno obdelana ojačevalna zlitina v seriji AL-Mg-Si, katere glavna legirajoča elementa sta magnezij in silicij. Gre za toplotno obdelan ojačevalni profil iz aluminijeve zlitine s srednjo trdnostjo, ki se uporablja predvsem v konstrukcijskih elementih, kot so stebri in stranske plošče, za prenašanje trdnosti. Uvod v vrste aluminijevih zlitin je prikazan v tabeli 1.
2.2 Ekstrudiranje je pomembna metoda oblikovanja aluminijevih zlitin
Ekstrudiranje aluminijevih zlitin je metoda vročega oblikovanja, celoten proizvodni proces pa vključuje oblikovanje aluminijeve zlitine pod tristransko tlačno napetostjo. Celoten proizvodni proces lahko opišemo na naslednji način: a. Aluminij in druge zlitine se stalijo in ulijejo v zahtevane aluminijeve zlitine; b. Predgrete gredice se vstavijo v ekstruzijsko opremo za ekstrudiranje. Pod delovanjem glavnega valja se aluminijeva zlitina oblikuje v zahtevane profile skozi votlino kalupa; c. Za izboljšanje mehanskih lastnosti aluminijastih profilov se med ali po ekstruziji izvede raztapljalna obdelava, ki ji sledi staranje. Mehanske lastnosti po staranju se razlikujejo glede na različne materiale in režime staranja. Stanje toplotne obdelave profilov zabojnih tovornjakov je prikazano v tabeli 2.
Izdelki iz ekstrudiranih aluminijevih zlitin imajo pred drugimi metodami oblikovanja več prednosti:
a. Med ekstrudiranjem ekstrudirana kovina v deformacijskem območju pridobi močnejšo in enakomernejšo tristransko tlačno napetost kot pri valjanju in kovanju, zato lahko v celoti izkoristi plastičnost obdelane kovine. Uporablja se lahko za obdelavo težko deformabilnih kovin, ki jih ni mogoče obdelati z valjanjem ali kovanjem, in za izdelavo različnih kompleksnih votlih ali trdnih komponent s prečnim prerezom.
b. Ker je geometrija aluminijastih profilov lahko različna, imajo njihove komponente visoko togost, kar lahko izboljša togost karoserije vozila, zmanjša njegove lastnosti NVH in izboljša dinamične lastnosti upravljanja vozila.
c. Izdelki z učinkovitostjo ekstrudiranja imajo po kaljenju in staranju bistveno višjo vzdolžno trdnost (R, Raz) kot izdelki, obdelani z drugimi metodami.
d. Površina izdelkov po ekstrudiranju ima dobro barvo in dobro odpornost proti koroziji, kar odpravlja potrebo po drugi protikorozijski površinski obdelavi.
e. Ekstruzijska obdelava ima veliko fleksibilnost, nizke stroške orodij in kalupov ter nizke stroške sprememb zasnove.
f. Zaradi obvladljivosti prečnih prerezov aluminijastih profilov se lahko poveča stopnja integracije komponent, zmanjša število komponent, različne zasnove prečnih prerezov pa omogočajo natančno pozicioniranje varjenja.
Primerjava zmogljivosti med ekstrudiranimi aluminijastimi profili za tovornjake s kesonom in navadnim ogljikovim jeklom je prikazana v tabeli 3.
Naslednja smer razvoja profilov iz aluminijevih zlitin za tovornjake s kesonom: Nadaljnje izboljšanje trdnosti profila in izboljšanje učinkovitosti ekstrudiranja. Smer raziskav novih materialov za profile iz aluminijevih zlitin za tovornjake s kesonom je prikazana na sliki 1.
3. Struktura, analiza trdnosti in preverjanje tovornjakov iz aluminijeve zlitine
3.1 Struktura tovornjaka iz aluminijeve zlitine
Zabojnik tovornjaka s kesonom je sestavljen predvsem iz sprednje plošče, leve in desne stranske plošče, stranske plošče zadnjih vrat, talne plošče, strehe ter vijakov v obliki črke U, stranskih ščitnikov, zadnjih ščitnikov, blatnikov in drugih dodatkov, povezanih s šasijo drugega razreda. Prečne nosilce, stebričke, stranske nosilce in vratne plošče kesona so izdelane iz ekstrudiranih profilov iz aluminijeve zlitine, talne in strešne plošče pa so izdelane iz ravnih plošč iz aluminijeve zlitine 5052. Struktura tovornjaka s kesonom iz aluminijeve zlitine je prikazana na sliki 2.
Z vročim ekstrudiranjem aluminijeve zlitine serije 6 je mogoče oblikovati kompleksne votle prečne prereze. Zasnova aluminijastih profilov s kompleksnimi prečnimi prerezi lahko prihrani materiale, izpolni zahteve glede trdnosti in togosti izdelka ter izpolni zahteve glede medsebojne povezave med različnimi komponentami. Zato so na sliki 3 prikazani konstrukcija glavnega nosilca ter vztrajnostni momenti prereza I in uporovni momenti W.
Primerjava glavnih podatkov v tabeli 4 kaže, da so vztrajnostni momenti prereza in uporovni momenti zasnovanega aluminijastega profila boljši od ustreznih podatkov profila nosilca iz železa. Podatki o koeficientu togosti so približno enaki kot pri ustreznem profilu nosilca iz železa in vsi izpolnjujejo zahteve glede deformacije.
3.2 Izračun največje napetosti
Če kot objekt vzamemo ključni nosilni element, prečni nosilec, se izračuna največja napetost. Nazivna obremenitev je 1,5 t, prečni nosilec pa je izdelan iz profila iz aluminijeve zlitine 6063-T6 z mehanskimi lastnostmi, kot je prikazano v tabeli 5. Nosilec je za izračun sile poenostavljeno predstavljen kot konzolna konstrukcija, kot je prikazano na sliki 4.
Za nosilec razpona 344 mm se tlačna obremenitev na nosilec izračuna kot F=3757 N na podlagi 4,5 t, kar je trikrat večja od standardne statične obremenitve. q=F/L
kjer je q notranja napetost nosilca pod obremenitvijo, N/mm; F je obremenitev, ki jo nosi nosilec, izračunana na podlagi 3-kratnika standardne statične obremenitve, ki znaša 4,5 t; L je dolžina nosilca, mm.
Zato je notranja napetost q:
Formula za izračun napetosti je naslednja:
Največji trenutek je:
Če vzamemo absolutno vrednost momenta M=274283 N·mm, največjo napetost σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa in največjo vrednost napetosti σ<215 MPa, kar izpolnjuje zahteve.
3.3 Značilnosti povezave različnih komponent
Aluminijeva zlitina ima slabe varilne lastnosti, trdnost varilnega mesta pa znaša le 60 % trdnosti osnovnega materiala. Zaradi prevleke s plastjo Al2O3 na površini aluminijeve zlitine je tališče Al2O3 visoko, tališče aluminija pa nizko. Pri varjenju aluminijeve zlitine je treba Al2O3 na površini hitro razgraditi, da se izvede varjenje. Hkrati ostanek Al2O3 ostane v raztopini aluminijeve zlitine, kar vpliva na strukturo aluminijeve zlitine in zmanjšuje trdnost varilnega mesta. Zato se pri načrtovanju posode iz aluminija te lastnosti v celoti upoštevajo. Varjenje je glavna metoda pozicioniranja, glavni nosilni elementi pa so povezani z vijaki. Povezave, kot sta kovičenje in lastovičji rep, so prikazane na slikah 5 in 6.
Glavna konstrukcija ohišja iz aluminija ima horizontalne nosilce, vertikalne stebre, stranske nosilce in robne nosilce, ki so med seboj povezani. Med vsakim horizontalnim nosilcem in vertikalnim stebrom so štiri priključne točke. Priključne točke so opremljene z nazobčanimi tesnili, ki se ujemajo z nazobčanim robom horizontalnega nosilca in učinkovito preprečujejo drsenje. Osem vogalnih točk je v glavnem povezanih z jeklenimi vložki, pritrjenimi z vijaki in samozapornimi zakovicami, ter ojačanih s 5 mm trikotnimi aluminijastimi ploščami, privarjenimi v notranjosti škatle za krepitev vogalnih položajev. Zunanji videz škatle nima varjenja ali izpostavljenih priključnih točk, kar zagotavlja celoten videz škatle.
3.4 SE sinhrona inženirska tehnologija
Tehnologija sinhronega inženiringa SE se uporablja za reševanje težav, ki jih povzročajo velika nakopičena odstopanja velikosti ujemajočih se komponent v ohišju, in težav pri iskanju vzrokov za vrzeli in napake zaradi ravnosti. Z analizo CAE (glej sliko 7-8) se izvede primerjalna analiza z železnimi ohišji, da se preveri splošna trdnost in togost ohišja, poiščejo šibke točke in sprejmejo ukrepi za učinkovitejšo optimizacijo in izboljšanje zasnove.
4. Učinek lahke teže tovornjaka iz aluminijeve zlitine
Poleg zabojnikov se lahko aluminijeve zlitine uporabijo za zamenjavo jekla pri različnih sestavnih delih zabojnikov tovornjakov, kot so blatniki, zadnje zaščite, stranske zaščite, ključavnice vrat, tečaji vrat in robovi zadnjega predpasnika, s čimer se doseže zmanjšanje teže tovornega prostora za 30 % do 40 %. Učinek zmanjšanja teže praznega tovornega zabojnika dimenzij 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm je prikazan v tabeli 6. To bistveno rešuje težave s prekomerno težo, neupoštevanjem obvestil in regulativnimi tveganji tradicionalnih tovornih prostorov iz železa.
Z zamenjavo tradicionalnega jekla z aluminijevimi zlitinami za avtomobilske komponente ni mogoče doseči le odličnih učinkov lahke teže, temveč lahko prispeva tudi k prihranku goriva, zmanjšanju emisij in izboljšanju zmogljivosti vozila. Trenutno obstajajo različna mnenja o prispevku lahke teže k prihranku goriva. Rezultati raziskav Mednarodnega inštituta za aluminij so prikazani na sliki 9. Vsako 10-odstotno zmanjšanje teže vozila lahko zmanjša porabo goriva za 6 % do 8 %. Na podlagi domače statistike lahko zmanjšanje teže vsakega osebnega avtomobila za 100 kg zmanjša porabo goriva za 0,4 l/100 km. Prispevek lahke teže k prihranku goriva temelji na rezultatih, pridobljenih z različnimi raziskovalnimi metodami, zato obstajajo nekatere razlike. Vendar pa ima lahka teža avtomobilov pomemben vpliv na zmanjšanje porabe goriva.
Pri električnih vozilih je učinek zmanjšanja teže še bolj izrazit. Trenutno se gostota energije na enoto baterij za električna vozila bistveno razlikuje od gostote tradicionalnih vozil na tekoče gorivo. Teža napajalnega sistema (vključno z baterijo) električnih vozil pogosto predstavlja od 20 % do 30 % celotne teže vozila. Hkrati je premagovanje ozkega grla zmogljivosti baterij svetovni izziv. Preden pride do večjega preboja v tehnologiji visokozmogljivih baterij, je zmanjšanje teže učinkovit način za izboljšanje dosega električnih vozil. Za vsakih 100 kg zmanjšanja teže se lahko doseg električnih vozil poveča za 6 % do 11 % (razmerje med zmanjšanjem teže in dosegom je prikazano na sliki 10). Trenutno doseg izključno električnih vozil ne more zadovoljiti potreb večine ljudi, vendar lahko zmanjšanje teže za določeno količino znatno izboljša doseg, zmanjša tesnobo glede dosega in izboljša uporabniško izkušnjo.
5. Zaključek
Poleg v tem članku predstavljene v celoti aluminijaste konstrukcije tovornjakov s kesonom iz aluminijeve zlitine obstajajo tudi različne vrste tovornjakov s kesonom, kot so aluminijaste satjaste plošče, aluminijaste sponke, aluminijasti okvirji + aluminijaste obloge ter hibridni tovorni zabojniki iz železa in aluminija. Prednosti so majhna teža, visoka specifična trdnost in dobra odpornost proti koroziji, poleg tega pa za zaščito pred korozijo ne potrebujejo elektroforetske barve, kar zmanjšuje vpliv elektroforetske barve na okolje. Tovornjak s kesonom iz aluminijeve zlitine bistveno rešuje težave s prekomerno težo, neupoštevanjem obvestil in regulativnimi tveganji tradicionalnih tovornih prostorov iz železa.
Ekstrudiranje je bistvena metoda obdelave aluminijevih zlitin, aluminijasti profili pa imajo odlične mehanske lastnosti, zato je togost prereza komponent relativno visoka. Zaradi spremenljivega prereza lahko aluminijeve zlitine dosežejo kombinacijo več funkcij komponent, zaradi česar so dober material za lažjo težo avtomobilov. Vendar se široka uporaba aluminijevih zlitin sooča z izzivi, kot so nezadostne zmogljivosti za načrtovanje tovornih prostorov iz aluminijevih zlitin, težave z oblikovanjem in varjenjem ter visoki stroški razvoja in promocije novih izdelkov. Glavni razlog je še vedno ta, da aluminijeve zlitine stanejo več kot jeklo, preden ekologija recikliranja aluminijevih zlitin dozori.
Skratka, področje uporabe aluminijevih zlitin v avtomobilih se bo razširilo in njihova uporaba se bo še naprej povečevala. V trenutnih trendih varčevanja z energijo, zmanjševanja emisij in razvoja industrije vozil z novimi viri energije, z globljim razumevanjem lastnosti aluminijevih zlitin in učinkovitimi rešitvami za težave z uporabo aluminijevih zlitin, se bodo ekstrudirani aluminijevi materiali vse bolj uporabljali pri lahki konstrukciji avtomobilov.
Uredil May Jiang iz MAT Aluminum
Čas objave: 12. januar 2024
