1. Uvod
Avtomobilska poenostavitev se je začela v razvitih državah in so jo sprva vodili tradicionalni avtomobilski velikani. Z nenehnim razvojem je dobilo pomemben zagon. Od časa, ko so Indijci prvič uporabili aluminijevo zlitino za izdelavo avtomobilskih ročičnih gredi, do Audijeve prve masovne proizvodnje popolnoma aluminijastih avtomobilov leta 1999, je aluminijeva zlitina zaradi svojih prednosti, kot so nizka gostota, visoka specifična trdnost in togost, močno rasla v avtomobilski industriji. dobra elastičnost in odpornost na udarce, visoka možnost recikliranja in visoka stopnja regeneracije. Do leta 2015 je delež uporabe aluminijevih zlitin v avtomobilih že presegel 35 %.
Kitajska lahka avtomobilska industrija se je začela pred manj kot 10 leti, tako tehnologija kot raven uporabe zaostajata za razvitimi državami, kot so Nemčija, Združene države in Japonska. Vendar pa z razvojem novih energetskih vozil zmanjševanje materiala hitro napreduje. Kitajska tehnologija lahke avtomobilske industrije, ki izkorišča porast novih vozil na energijo, kaže trend dohitevanja razvitih držav.
Kitajski trg lahkih materialov je ogromen. Po eni strani, v primerjavi z razvitimi državami v tujini, se je kitajska tehnologija lajšanja začela pozno, skupna teža praznega vozila pa je večja. Glede na merilo deleža lahkih materialov v tujini je na Kitajskem še dovolj prostora za razvoj. Po drugi strani pa bo zaradi politik hiter razvoj kitajske industrije novih energetskih vozil povečal povpraševanje po lahkih materialih in spodbudil avtomobilska podjetja, da se premaknejo k lažjim materialom.
Izboljšanje emisijskih standardov in standardov porabe goriva pospešuje avtomobilsko lahkejšo težo. 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 novih energetskih vozil« je standard porabe goriva 5,0 L/km. Ob upoštevanju omejenega prostora za znatne preboje v tehnologiji motorjev in zmanjšanju emisij lahko sprejetje ukrepov za lahke avtomobilske komponente učinkovito zmanjša emisije vozil in porabo goriva. Zmanjšanje teže novih energetskih vozil je postalo bistvena pot za razvoj industrije.
Leta 2016 je Kitajsko združenje za avtomobilsko inženirstvo izdalo »Časovni načrt za varčevanje z energijo in tehnologijo novih energetskih vozil«, v katerem so načrtovani dejavniki, kot so poraba energije, doseg in proizvodni materiali za nova energetska vozila od leta 2020 do 2030. Zmanjšanje teže bo ključna smer za prihodnji razvoj novih energetskih vozil. Lahka teža lahko poveča doseg in odpravi "zaskrbljenost glede dosega" pri novih energetskih vozilih. Z naraščajočim povpraševanjem po podaljšanem dosegu postaja lahka avtomobilska oprema nujna in prodaja novih energijskih vozil je v zadnjih letih močno narasla. V skladu z zahtevami sistema točkovanja in »Srednje- do dolgoročnega razvojnega načrta za avtomobilsko industrijo« se ocenjuje, da bo do leta 2025 prodaja novih energetskih vozil na Kitajskem presegla 6 milijonov enot s skupno letno rastjo. stopnja presega 38 %.
2. Značilnosti in uporaba aluminijeve zlitine
2.1 Značilnosti aluminijeve zlitine
Gostota aluminija je ena tretjina gostote jekla, zaradi česar je lažji. Ima višjo specifično trdnost, dobro sposobnost iztiskanja, močno odpornost proti koroziji in visoko možnost recikliranja. Za aluminijeve zlitine je značilno, da so v glavnem sestavljene iz magnezija, imajo dobro toplotno odpornost, dobre varilne lastnosti, dobro utrujenostno trdnost, nezmožnost utrjevanja s toplotno obdelavo in sposobnost povečanja trdnosti s hladno obdelavo. Za serijo 6 je značilno, da je sestavljena predvsem iz magnezija in silicija, z Mg2Si kot glavno ojačitveno fazo. Najbolj razširjene zlitine v tej kategoriji so 6063, 6061 in 6005A. Aluminijasta plošča 5052 je aluminijasta plošča iz serije AL-Mg z magnezijem kot glavnim legirnim elementom. Je najpogosteje uporabljena aluminijeva zlitina proti rji. Ta zlitina ima visoko trdnost, visoko utrujenostno trdnost, dobro plastičnost in odpornost proti koroziji, ni je mogoče okrepiti s toplotno obdelavo, ima dobro plastičnost pri polhladnem utrjevanju, nizko plastičnost pri hladnem utrjevanju, dobro odpornost proti koroziji in dobre varilne lastnosti. Uporablja se predvsem za komponente, kot so stranske plošče, strešni pokrovi in vratne plošče. Aluminijeva zlitina 6063 je toplotno obdelana ojačitvena zlitina v seriji AL-Mg-Si, z magnezijem in silicijem kot glavnima zlitinskima elementoma. To je toplotno obdelan ojačitveni profil iz aluminijeve zlitine s srednjo trdnostjo, ki se uporablja predvsem v strukturnih komponentah, kot so stebri in stranske plošče, za prenašanje trdnosti. Uvod v razrede aluminijevih zlitin je prikazan v tabeli 1.
2.2 Ekstrudiranje je pomembna metoda oblikovanja aluminijeve zlitine
Ekstrudiranje aluminijeve zlitine je metoda vročega oblikovanja in celoten proizvodni proces vključuje oblikovanje aluminijeve zlitine pod tristransko tlačno obremenitvijo. Celoten proizvodni proces lahko opišemo na naslednji način: a. Aluminij in druge zlitine se stopijo in vlijejo v zahtevane gredice iz aluminijeve zlitine; b. Predgrete gredice se dajo v ekstruzijsko opremo za ekstruzijo. Pod delovanjem glavnega valja se gredica iz aluminijeve zlitine oblikuje v zahtevane profile skozi votlino kalupa; c. Za izboljšanje mehanskih lastnosti aluminijastih profilov se med ali po ekstruziji izvede obdelava z raztopino, ki ji sledi obdelava s staranjem. Mehanske lastnosti po obdelavi s staranjem se razlikujejo glede na različne materiale in režime staranja. Status toplotne obdelave škatlastih profilov tovornjakov je prikazan v tabeli 2.
Ekstrudirani izdelki iz aluminijeve zlitine imajo več prednosti pred drugimi metodami oblikovanja:
a. Med ekstrudiranjem pridobi ekstrudirana kovina močnejšo in enakomernejšo tristransko tlačno napetost v območju deformacije kot valjanje in kovanje, tako da lahko v celoti igra plastičnost obdelane kovine. Z njim lahko obdelujemo težko deformabilne kovine, ki jih ni mogoče obdelati z valjanjem ali kovanjem, in ga lahko uporabimo za izdelavo različnih kompleksnih votlih ali polnih sestavnih delov.
b. Ker je mogoče geometrijo aluminijastih profilov spreminjati, imajo njihove komponente visoko togost, kar lahko izboljša togost karoserije vozila, zmanjša njene značilnosti NVH in izboljša karakteristike dinamičnega nadzora vozila.
c. Izdelki z ekstruzijsko učinkovitostjo imajo po kaljenju in staranju bistveno večjo vzdolžno trdnost (R, Raz) kot izdelki obdelani z drugimi metodami.
d. Površina izdelkov po iztiskanju ima dobro barvo in dobro odpornost proti koroziji, kar odpravlja potrebo po drugi protikorozijski površinski obdelavi.
e. Obdelava z ekstruzijo ima veliko prilagodljivost, nizke stroške orodja in kalupov ter nizke stroške spremembe dizajna.
f. Zaradi obvladljivosti prerezov aluminijastih profilov je mogoče povečati stopnjo integracije komponent, zmanjšati število komponent in z različnimi oblikami prerezov doseči natančno pozicioniranje varjenja.
Primerjava zmogljivosti med ekstrudiranimi aluminijastimi profili za tovornjake zabojnikov in navadnim ogljikovim jeklom je prikazana v tabeli 3.
Naslednja razvojna smer profilov iz aluminijeve zlitine za tovornjake v obliki škatle: nadaljnje izboljšanje trdnosti profila in izboljšanje zmogljivosti iztiskanja. Smer raziskav novih materialov za profile iz aluminijevih zlitin za tovornjake zabojnikov je prikazana na sliki 1.
3. Struktura, analiza trdnosti in preverjanje škatle iz aluminijeve zlitine
3.1 Struktura škatle iz aluminijeve zlitine
Zabojnik tovornjaka je v glavnem sestavljen iz sklopa sprednje plošče, sklopa leve in desne stranske plošče, sklopa stranske plošče zadnjih vrat, sklopa tal, sklopa strehe, pa tudi vijakov v obliki črke U, stranskih ščitnikov, zadnjih ščitnikov, blatnikov in drugih dodatkov priključen na drugorazredno šasijo. Prečni nosilci, stebri, stranski nosilci in vratne plošče so izdelani iz ekstrudiranih profilov iz aluminijeve zlitine, medtem ko so talne in strešne plošče izdelane iz ravnih plošč iz aluminijeve zlitine 5052. Struktura tovornjaka zabojnikov iz aluminijeve zlitine je prikazana na sliki 2.
S postopkom vročega iztiskanja aluminijeve zlitine serije 6 lahko oblikujete kompleksne votle prereze, zasnova aluminijastih profilov s kompleksnimi prerezi lahko prihrani materiale, izpolnjuje zahteve glede trdnosti in togosti izdelka ter izpolnjuje zahteve medsebojne povezave med različne komponente. Zato so konstrukcijska konstrukcija glavnega nosilca in prečni vztrajnostni momenti I ter uporni momenti W prikazani na sliki 3.
Primerjava glavnih podatkov v tabeli 4 kaže, da so vztrajnostni in uporni momenti oblikovanega aluminijastega profila boljši od ustreznih podatkov profila nosilca iz železa. Podatki o koeficientu togosti so približno enaki tistim za ustrezni profil nosilca iz železa in vsi izpolnjujejo zahteve glede deformacije.
3.2 Izračun največje napetosti
Če za objekt vzamemo ključno nosilno komponento, prečni nosilec, izračunamo največjo obremenitev. 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 poenostavljen kot konzolna struktura za izračun sile, kot je prikazano na sliki 4.
Če vzamemo nosilec z razponom 344 mm, je tlačna obremenitev na nosilcu izračunana kot F=3757 N na podlagi 4,5 t, kar je trikratna standardna statična obremenitev. q=F/L
kjer je q notranja napetost nosilca pod obremenitvijo, N/mm; F je obremenitev, ki jo nosi nosilec, izračunana na podlagi 3-kratne standardne statične obremenitve, ki je 4,5 t; L je dolžina žarka, mm.
Zato je notranja napetost q:
Formula za izračun napetosti je naslednja:
Največji trenutek je:
Če upoštevamo 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 ustreza zahtevam.
3.3 Značilnosti povezave različnih komponent
Aluminijeva zlitina ima slabe varilne lastnosti, njena trdnost na mestu varjenja pa je le 60 % trdnosti osnovnega materiala. Zaradi prekrivanja plasti Al2O3 na površini aluminijeve zlitine je tališče Al2O3 visoko, medtem ko je tališče aluminija nizko. Pri varjenju aluminijeve zlitine je treba za izvedbo varjenja Al2O3 na površini hitro zlomiti. Hkrati bo ostanek Al2O3 ostal v raztopini aluminijeve zlitine, kar bo vplivalo na strukturo aluminijeve zlitine in zmanjšalo trdnost varilne točke aluminijeve zlitine. Zato se pri načrtovanju popolnoma aluminijaste posode te značilnosti v celoti upoštevajo. Varjenje je glavna metoda pozicioniranja, glavne nosilne komponente pa so povezane z vijaki. Povezave, kot sta kovičenje in struktura lastovičjega repa, so prikazane na slikah 5 in 6.
Glavna struktura škatlastega ohišja iz popolnoma aluminija ima strukturo z vodoravnimi nosilci, navpičnimi stebri, stranskimi nosilci in robnimi nosilci, ki so medsebojno povezani. Med vsakim vodoravnim nosilcem in navpičnim stebrom so štiri priključne točke. Priključne točke so opremljene z nazobčanimi tesnili, ki se povezujejo z nazobčanim robom vodoravnega nosilca in učinkovito preprečujejo drsenje. Osem kotnih točk je v glavnem povezanih z jeklenimi jedrnimi vložki, pritrjenimi s sorniki in samozaklepnimi zakovicami ter ojačenimi s 5 mm trikotnimi aluminijastimi ploščami, privarjenimi znotraj škatle, da okrepijo kotne položaje znotraj. Zunanji videz škatle je brez varjenih ali vidnih povezovalnih točk, kar zagotavlja celoten videz škatle.
3.4 Tehnologija sinhronega inženiringa SE
Tehnologija sinhronega inženiringa SE se uporablja za reševanje težav, ki jih povzročajo velika akumulirana odstopanja velikosti za ujemanje komponent v ohišju škatle, in težave pri iskanju vzrokov za vrzeli in napake pri ravnosti. Z analizo CAE (glej sliko 7-8) se izvede primerjalna analiza s škatlastimi ohišji iz železa, da se preveri splošna trdnost in togost škatlastega telesa, najdejo šibke točke in sprejmejo ukrepi za učinkovitejšo optimizacijo in izboljšanje zasnove. .
4. Lahek učinek tovornjaka zabojnikov iz aluminijeve zlitine
Poleg ohišja zabojnikov se lahko z aluminijevimi zlitinami nadomesti jeklo za različne komponente zabojnikov za tovornjake, kot so blatniki, zadnji ščitniki, stranski ščitniki, zapahi vrat, tečaji vrat in robovi zadnjega predpasnika, s čimer se doseže zmanjšanje teže od 30 % do 40 % za tovorni prostor. Učinek zmanjšanja teže praznega tovornega zabojnika 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm je prikazan v tabeli 6. To v osnovi rešuje težave s prekomerno težo, neskladnostjo z napovedmi in regulativnimi tveganji tradicionalnih predelkov za tovor iz železa.
Z zamenjavo tradicionalnega jekla z aluminijevimi zlitinami za avtomobilske sestavne dele je mogoče doseči ne le odlične učinke lahke teže, ampak lahko prispeva tudi k prihranku goriva, zmanjšanju emisij in izboljšani zmogljivosti vozila. Trenutno obstajajo različna mnenja o prispevku lahke mase k prihranku goriva. Rezultati raziskave Mednarodnega inštituta za aluminij so prikazani na sliki 9. Vsakih 10 % zmanjšanja teže vozila lahko zmanjša porabo goriva za 6 % do 8 %. Na podlagi domače statistike lahko zmanjšanje mase vsakega osebnega avtomobila za 100 kg zmanjša porabo goriva za 0,4 L/100 km. Prispevek lahke teže k prihrankom goriva temelji na rezultatih, pridobljenih z različnimi raziskovalnimi metodami, tako da obstaja nekaj razlik. Vendar ima avtomobilska lažja teža pomemben vpliv na zmanjšanje porabe goriva.
Pri električnih vozilih je učinek lahke teže še bolj izrazit. Trenutno se enota energijske gostote električnih baterij za vozila bistveno razlikuje od gostote tradicionalnih vozil na tekoče gorivo. Teža napajalnega sistema (vključno z baterijo) električnih vozil pogosto predstavlja 20 % do 30 % skupne teže vozila. Hkrati je prebijanje skozi ozko grlo zmogljivosti baterij svetovni izziv. Preden pride do velikega preboja v tehnologiji visoko zmogljivih baterij, je lahka teža 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 popolnoma električnih vozil ne more zadovoljiti potreb večine ljudi, vendar lahko zmanjšanje teže za določeno količino bistveno izboljša doseg, zmanjša tesnobo glede dosega in izboljša uporabniško izkušnjo.
5. Zaključek
Poleg popolnoma aluminijaste strukture tovornjaka zabojnikov iz aluminijeve zlitine, ki je predstavljen v tem članku, obstajajo različne vrste tovornjakov zabojnikov, kot so plošče iz aluminijastega satja, aluminijaste zaponke, aluminijasti okvirji + aluminijaste obloge in hibridni zabojniki za tovor iz železa in aluminija. . Imajo prednosti majhne teže, visoke specifične trdnosti in dobre odpornosti proti koroziji ter ne potrebujejo elektroforetske barve za zaščito pred korozijo, kar zmanjšuje vpliv elektroforetske barve na okolje. Tovornjak zabojnikov iz aluminijeve zlitine temeljito rešuje težave s prekomerno težo, neskladnostjo z napovedmi in regulativnimi tveganji tradicionalnih tovornih predelkov iz železa.
Ekstrudiranje je bistvena metoda obdelave aluminijevih zlitin, aluminijasti profili pa imajo odlične mehanske lastnosti, zato je togost preseka komponent relativno visoka. Zaradi spremenljivega preseka lahko aluminijeve zlitine dosežejo kombinacijo funkcij več komponent, zaradi česar so dober material za lahke avtomobile. Vendar pa se široka uporaba aluminijevih zlitin sooča z izzivi, kot so nezadostna konstrukcijska zmogljivost tovornih prostorov iz aluminijevih zlitin, težave pri oblikovanju in varjenju ter visoki stroški razvoja in promocije novih izdelkov. Glavni razlog je še vedno, da aluminijeve zlitine stanejo več kot jeklo, preden ekologija recikliranja aluminijevih zlitin postane zrela.
Skratka, področje uporabe aluminijevih zlitin v avtomobilih se bo razširilo, njihova uporaba pa se bo še povečevala. V trenutnih trendih varčevanja z energijo, zmanjševanja emisij in razvoja industrije novih energetskih vozil, s poglabljanjem razumevanja lastnosti aluminijevih zlitin in učinkovitih rešitev za težave pri uporabi aluminijevih zlitin, se bodo materiali za ekstruzijo aluminija pogosteje uporabljali v avtomobilski lahki industriji.
Uredil May Jiang iz MAT Aluminium
Čas objave: 12. januarja 2024
