1. Uvod
Laka automobilska industrija započela je u razvijenim zemljama, a u početku su je predvodili tradicionalni automobilski divovi. Kontinuiranim razvojem dobila je značajan zamah. Od vremena kada su Indijci prvi put koristili aluminijsku leguru za proizvodnju automobilskih radilica do Audijeve prve masovne proizvodnje potpuno aluminijskih automobila 1999. godine, aluminijska legura doživjela je 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 aluminijske legure u automobilima već je premašio 35%.
Kineska tehnologija lake automobilske industrije započela je prije manje od 10 godina, a i tehnologija i razina primjene zaostaju za razvijenim zemljama poput Njemačke, Sjedinjenih Država i Japana. Međutim, s razvojem vozila na novu energiju, laka težina materijala brzo napreduje. Iskorištavajući porast vozila na novu energiju, kineska tehnologija lake automobilske industrije pokazuje trend sustizanja razvijenih zemalja.
Kinesko tržište lakih materijala je ogromno. S jedne strane, u usporedbi s razvijenim zemljama u inozemstvu, kineska tehnologija laganih materijala započela je kasno, a ukupna masa vozila je veća. S obzirom na udio lakih materijala u inozemstvu, u Kini još uvijek postoji mnogo prostora za razvoj. S druge strane, potaknut politikama, brzi razvoj kineske industrije vozila na nove energetske pogone povećat će potražnju za laganim materijalima i potaknuti automobilske tvrtke da se okrenu laganim 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 pokazateljima potrošnje goriva osobnih 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 učinkovito smanjiti emisije vozila i potrošnju goriva. Smanjenje težine vozila novih energetskih vozila postalo je ključan put za razvoj industrije.
Kinesko društvo automobilskog inženjerstva izdalo je 2016. godine „Plan uštede energije i tehnologije vozila na novu energiju“, koji je planirao čimbenike poput potrošnje energije, dometa putovanja i proizvodnih materijala za vozila na novu energiju od 2020. do 2030. Lagana težina bit će ključni smjer za budući razvoj vozila na novu energiju. Lagana težina može povećati domet putovanja i riješiti „strah od dometa“ kod vozila na novu energiju. S rastućom potražnjom za produženim dometom putovanja, lagana automobilska industrija postaje hitna, a prodaja vozila na novu energiju značajno je porasla posljednjih godina. Prema zahtjevima sustava bodovanja i „Srednjoročnog do dugoročnog plana razvoja za automobilsku industriju“, procjenjuje se da će do 2025. godine prodaja vozila na novu energiju u Kini premašiti 6 milijuna 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, pokazuju dobru otpornost na toplinu, dobra svojstva zavarivanja, dobru čvrstoću na zamor, ne mogu se ojačati toplinskom obradom i imaju sposobnost povećanja čvrstoće hladnom obradom. Serija 6 karakterizira se time što je prvenstveno sastavljena od magnezija i silicija, s Mg2Si kao glavnom fazom za ojačanje. 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 toplinskom 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 ploče vrata. Aluminijska legura 6063 je toplinski obrađivajuće ojačavajuća legura u seriji AL-Mg-Si, s magnezijem i silicijem kao glavnim legirajućim elementima. To je toplinski obrađivajući ojačavajući profil aluminijske legure srednje čvrstoće, koji se uglavnom koristi u konstrukcijskim komponentama poput stupova i bočnih panela za nošenje čvrstoće. Uvod u vrste aluminijskih legura prikazan je u Tablici 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 naprezanjem. Cijeli proizvodni proces može se opisati na sljedeći način: a. Aluminij i druge legure se tale i liju u potrebne aluminijske legure; b. Predzagrijane 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 otopinom se provodi tijekom ili nakon ekstruzije, nakon čega slijedi obrada starenjem. Mehanička svojstva nakon obrade starenjem variraju ovisno o različitim materijalima i režimima starenja. Status toplinske obrade profila kamiona tipa kutije prikazan je u Tablici 2.
Proizvodi od ekstrudiranog aluminija imaju nekoliko prednosti u odnosu na druge metode oblikovanja:
a. Tijekom ekstruzije, ekstrudirani metal dobiva jači i ujednačeniji trosmjerni tlačni napon u zoni deformacije nego valjanje i kovanje, tako da može u potpunosti reproducirati plastičnost obrađenog metala. Može se koristiti za obradu teško deformirajućih metala koji se ne mogu obraditi valjanjem ili kovanjem te se može koristiti za izradu raznih 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 učinkovitošću 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 drugom antikorozivnom površinskom obradom.
e. Obrada ekstruzijom ima veliku fleksibilnost, niske troškove alata i kalupa te niske troškove promjene dizajna.
f. Zbog mogućnosti upravljivosti poprečnih presjeka aluminijskih profila, stupanj integracije komponenti može se povećati, broj komponenti smanjiti, a različiti dizajni poprečnih presjeka mogu postići precizno pozicioniranje zavarivanja.
Usporedba performansi između ekstrudiranih aluminijskih profila za kamione s kutijom i običnog ugljičnog čelika prikazana je u Tablici 3.
Sljedeći smjer razvoja profila od aluminijskih legura za kamione s kutijom: Daljnje poboljšanje čvrstoće profila i poboljšanje performansi ekstruzije. Smjer istraživanja novih materijala za profile od aluminijskih legura za kamione s kutijom prikazan je na slici 1.
3. Struktura kamiona s kutijom od aluminijske legure, analiza čvrstoće i provjera
3.1 Struktura kamiona od aluminijske legure
Kontejner kamiona s teretnim prostorom uglavnom se sastoji od sklopa prednje ploče, sklopa lijeve i desne bočne ploče, sklopa bočne ploče stražnjih vrata, sklopa poda, sklopa krova, kao i vijaka u obliku slova U, bočnih štitnika, stražnjih štitnika, blatobrana i ostale dodatne opreme spojene na šasiju drugog razreda. Poprečne grede, stupovi, bočne grede i ploče vrata karoserije izrađeni su od ekstrudiranih profila od aluminijske legure, dok su podne i krovne ploče izrađene od ravnih ploča od aluminijske legure 5052. Struktura kamiona s teretnim prostorom prikazana je na slici 2.
Korištenjem postupka vruće ekstruzije aluminijske legure serije 6 mogu se oblikovati složeni šuplji presjeci, a dizajn aluminijskih profila sa složenim presjecima može uštedjeti materijale, zadovoljiti zahtjeve čvrstoće i krutosti proizvoda te ispuniti zahtjeve međusobne povezanosti različitih komponenti. Stoga su struktura glavnog nosača i momenti tromosti presjeka I i momenti otpora W prikazani na slici 3.
Usporedba glavnih podataka u Tablici 4 pokazuje da su momenti inercije presjeka i momenti otpora projektiranog aluminijskog profila bolji od odgovarajućih podataka profila grede od željeza. Podaci o koeficijentu krutosti otprilike su isti kao i oni odgovarajućeg profila grede od željeza i svi zadovoljavaju zahtjeve deformacije.
3.2 Izračun maksimalnog naprezanja
Uzimajući ključnu nosivu komponentu, poprečnu gredu, kao objekt, izračunava se maksimalno naprezanje. Nazivno opterećenje je 1,5 t, a poprečna greda je izrađena od profila aluminijske legure 6063-T6 s mehaničkim svojstvima kao što je prikazano u Tablici 5. Greda je pojednostavljeno prikazana kao konzolna konstrukcija za izračun sile, kao što je prikazano na Slici 4.
Uzimajući gredu raspona 344 mm, tlačno opterećenje na gredu izračunava se kao F=3757 N na temelju 4,5 t, što je tri puta veće od standardnog statičkog opterećenja. q=F/L
gdje je q unutarnje naprezanje grede pod opterećenjem, N/mm; F je opterećenje koje greda podnosi, izračunato na temelju trostrukog standardnog statičkog opterećenja, koje iznosi 4,5 t; L je duljina grede, mm.
Stoga je unutarnji napon q:
Formula za izračun naprezanja je sljedeća:
Maksimalni moment je:
Uzimajući apsolutnu vrijednost momenta, M=274283 N·mm, maksimalno naprezanje σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa i maksimalnu vrijednost naprezanja σ<215 MPa, što zadovoljava zahtjeve.
3.3 Karakteristike spajanja različitih komponenti
Aluminijska legura ima slaba svojstva zavarivanja, a čvrstoća točke zavarivanja iznosi samo 60% čvrstoće osnovnog materijala. Zbog prekrivajuće plastike Al2O3 na površini aluminijske legure, talište Al2O3 je visoko, dok je talište aluminija nisko. Prilikom zavarivanja aluminijske legure, Al2O3 na površini mora se brzo razbiti kako bi se izvršilo zavarivanje. Istodobno, ostaci Al2O3 ostat će u otopini aluminijske legure, utječući na strukturu aluminijske legure i smanjujući čvrstoću točke zavarivanja. Stoga se pri projektiranju spremnika od aluminija te karakteristike u potpunosti uzimaju u obzir. Zavarivanje je glavna metoda pozicioniranja, a glavne nosive komponente spojene su vijcima. Spojevi poput zakovica i lastin rep strukture prikazani su na slikama 5 i 6.
Glavna konstrukcija kućišta kutije izrađenog u cijelosti od aluminija ima strukturu s horizontalnim gredama, vertikalnim stupovima, bočnim gredama i rubnim gredama koje se međusobno spajaju. Između svake horizontalne grede i vertikalnog stupa nalaze se četiri spojne točke. Spojne točke opremljene su 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 sinkrona inženjerska tehnologija
SE sinkrona inženjerska tehnologija koristi se za rješavanje problema uzrokovanih velikim akumuliranim odstupanjima veličine za odgovarajuće komponente u kućištu kutije i poteškoćama u pronalaženju uzroka praznina i kvarova ravnosti. Pomoću CAE analize (vidi sliku 7-8) provodi se usporedna analiza s kućištima kutije izrađenim od željeza kako bi se provjerila ukupna čvrstoća i krutost kućišta kutije, pronašle slabe točke i poduzele mjere za učinkovitiju optimizaciju i poboljšanje sheme dizajna.
4. Učinak smanjenja težine kamiona od aluminijske legure
Osim karoserije, aluminijske legure mogu se koristiti za zamjenu čelika za razne komponente kontejnera kamiona tipa kutije, kao što su blatobrani, stražnji zaštitnici, bočni zaštitnici, zasuni vrata, šarke vrata i rubovi stražnjeg pregača, postižući smanjenje težine od 30% do 40% za teretni prostor. Učinak smanjenja težine za prazan teretni kontejner dimenzija 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm prikazan je u Tablici 6. To u osnovi rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih teretnih prostora izrađenih od željeza.
Zamjenom tradicionalnog čelika aluminijskim legurama za automobilske komponente, ne samo da se mogu postići izvrsni učinci 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 temelju domaće statistike, smanjenje težine svakog osobnog automobila za 100 kg može smanjiti potrošnju goriva za 0,4 L/100 km. Doprinos smanjenja težine uštedi goriva temelji se na rezultatima dobivenim različitim istraživačkim metodama, tako da postoje određene varijacije. Međutim, smanjenje težine automobila ima značajan utjecaj na smanjenje potrošnje goriva.
Kod električnih vozila, učinak smanjenja težine je još izraženiji. Trenutno se jedinična gustoća energije baterija električnih vozila značajno razlikuje od one tradicionalnih vozila na tekuće gorivo. Težina energetskog sustava (uključujući bateriju) električnih vozila često čini 20% do 30% ukupne težine vozila. Istovremeno, rješavanje uskog grla performansi baterija predstavlja globalni izazov. Prije nego što dođe do velikog proboja u tehnologiji visokoučinkovitih baterija, smanjenje težine je učinkovit 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
Uz potpuno aluminijsku konstrukciju kamiona s kutijom od aluminijske legure predstavljenu u ovom članku, postoje različite vrste kamiona s kutijom, 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, a ne zahtijevaju elektroforetsku boju za zaštitu od korozije, smanjujući utjecaj elektroforetske boje na okoliš. Kamion s kutijom od aluminijske legure temeljno rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih teretnih odjeljaka izrađenih od željeza.
Ekstruzija je bitna metoda obrade aluminijskih legura, a aluminijski profili imaju izvrsna mehanička svojstva, pa je krutost dijelova komponenti relativno visoka. Zbog promjenjivog 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 projektiranja 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, područje primjene aluminijskih legura u automobilima će se proširiti, a njihova upotreba će se nastaviti povećavati. U trenutnim trendovima uštede energije, smanjenja emisija i razvoja industrije novih energetskih vozila, s produbljivanjem razumijevanja svojstava aluminijskih legura i učinkovitim rješenjima za probleme primjene aluminijskih legura, aluminijski ekstruzijski materijali će se sve više koristiti u laganoj automobilskoj konstrukciji.
Uredio May Jiang iz MAT Aluminuma
Vrijeme objave: 12. siječnja 2024.
