1.Uvod
Olakšavanje automobilske industrije počelo je u razvijenim zemljama i u početku su je predvodili tradicionalni automobilski divovi. Kontinuiranim razvojem dobio je značajan zamah. Od vremena kada su Indijci prvi put upotrijebili aluminijsku leguru za proizvodnju automobilskih koljenastih vratila do Audijeve prve masovne proizvodnje potpuno aluminijskih automobila 1999., aluminijska legura je doživjela 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 aluminijskih legura u automobilima već je premašio 35%.
Kinesko smanjenje težine automobila započelo 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 novih energetskih vozila, materijalna težina brzo napreduje. Utječući na porast novih energetskih vozila, kineska tehnologija za smanjenje težine automobila pokazuje trend sustizanja razvijenih zemalja.
Kinesko tržište lakih materijala je ogromno. S jedne strane, u usporedbi s razvijenim zemljama u inozemstvu, kineska tehnologija za smanjenje težine počela je kasno, a ukupna težina praznog vozila je veća. S obzirom na referentnu vrijednost udjela lakih materijala u stranim zemljama, u Kini još uvijek ima dovoljno prostora za razvoj. S druge strane, vođen politikama, brzi razvoj kineske industrije novih energetskih vozila potaknut će potražnju za laganim materijalima i potaknuti automobilske tvrtke da krenu prema laganim materijalima.
Poboljšanje standarda za emisiju i potrošnju goriva potiče ubrzanje smanjenja težine automobila. Kina je u potpunosti implementirala standarde emisije Kina VI u 2020. Prema “Metodi procjene i pokazateljima za potrošnju goriva osobnih automobila” i “Putovima za uštedu energije i tehnologiju novih energetskih vozila”, standard potrošnje goriva je 5,0 L/km. Uzimajući u obzir ograničen prostor za značajna otkrića u tehnologiji motora i smanjenju emisija, usvajanje mjera za lagane automobilske komponente može učinkovito smanjiti emisije vozila i potrošnju goriva. Smanjenje težine novih energetskih vozila postalo je ključni put za razvoj industrije.
Godine 2016. Kinesko društvo za automobilsko inženjerstvo izdalo je „Mapu puta za uštedu energije i tehnologiju novih energetskih vozila“, u kojoj su planirani čimbenici kao što su potrošnja energije, domet krstarenja i materijali za proizvodnju novih energetskih vozila od 2020. do 2030. Smanjenje težine bit će ključni smjer za budući razvoj novih energetskih vozila. Smanjenje težine može povećati domet krstarenja i riješiti "nemir dometa" u novim energetskim vozilima. Uz sve veću potražnju za produženim dometom krstarenja, smanjenje težine automobila postaje hitno, a prodaja novih energetskih vozila značajno je porasla posljednjih godina. Prema zahtjevima sustava bodovanja i „Srednjoročnog i dugoročnog razvojnog plana za automobilsku industriju,” procjenjuje se da će do 2025. kineska prodaja novih energetskih vozila premašiti 6 milijuna jedinica, uz zajednički godišnji rast stopa veća od 38%.
2. Karakteristike i primjena aluminijske legure
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. Za aluminijske legure karakteristično je da se primarno sastoje od magnezija, da pokazuju dobru otpornost na toplinu, dobra svojstva zavarivanja, dobru čvrstoću na zamor, nemogućnost ojačanja toplinskom obradom i sposobnost povećanja čvrstoće hladnom obradom. Seriju 6 karakterizira primarno sastavljena od magnezija i silicija, s Mg2Si kao glavnom fazom za ojačavanje. Najčešće korištene legure u ovoj kategoriji su 6063, 6061 i 6005A. 5052 aluminijska ploča je aluminijska ploča od legure serije AL-Mg, s magnezijem kao glavnim legirajućim elementom. To je najčešće korištena aluminijska legura protiv hrđe. Ova legura ima visoku čvrstoću, visoku čvrstoću na zamor, dobru plastičnost i otpornost na koroziju, ne može se ojačati toplinskom obradom, ima dobru plastičnost kod poluhladnog kaljenja, nisku plastičnost kod hladnog kaljenja, dobru otpornost na koroziju i dobra svojstva zavarivanja. Uglavnom se koristi za komponente kao što su bočne stranice, krovni poklopci i ploče vrata. 6063 aluminijska legura je legura za ojačavanje koja se može toplinski obraditi u seriji AL-Mg-Si, s magnezijem i silicijem kao glavnim elementima legure. To je ojačavajući profil od aluminijske legure koji se može toplinski obraditi srednje čvrstoće, a uglavnom se koristi u strukturnim komponentama kao što su stupovi i bočne ploče 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 trosmjernim tlačnim naprezanjem. Cijeli proces proizvodnje može se opisati na sljedeći način: a. Aluminij i druge legure se tope i lijevaju u potrebne gredice od aluminijskih legura; b. Prethodno zagrijane gredice stavljaju se u opremu za ekstruziju za ekstruziju. Pod djelovanjem glavnog cilindra, trupac aluminijske legure se oblikuje u potrebne profile kroz šupljinu kalupa; c. Kako bi se poboljšala mehanička svojstva aluminijskih profila, tijekom ili nakon ekstruzije provodi se obrada otopinom, nakon čega slijedi obrada starenjem. Mehanička svojstva nakon tretmana starenjem variraju ovisno o različitim materijalima i režimima starenja. Status toplinske obrade kutijastih profila kamiona prikazan je u tablici 2.
Ekstrudirani proizvodi od aluminijske legure imaju nekoliko prednosti u odnosu na druge metode oblikovanja:
a. Tijekom ekstruzije, ekstrudirani metal dobiva jače i ravnomjernije trostrano tlačno naprezanje u zoni deformacije od valjanja i kovanja, tako da može u potpunosti igrati 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 čvrstih dijelova poprečnog presjeka.
b. Budući da se geometrija aluminijskih profila može mijenjati, njihove komponente imaju visoku krutost, što može poboljšati krutost karoserije vozila, smanjiti njezine NVH karakteristike i poboljšati karakteristike dinamičke kontrole vozila.
c. Proizvodi s ekstruzijskom učinkovitošću, 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, čime se eliminira potreba za drugim antikorozivnim površinskim tretmanom.
e. Obrada ekstruzijom ima veliku fleksibilnost, niske troškove alata i kalupa te niske troškove promjene dizajna.
f. Zbog upravljivosti poprečnih presjeka aluminijskih profila može se povećati stupanj integracije komponenti, smanjiti broj komponenti, a različitim izvedbama poprečnih presjeka može se postići precizno pozicioniranje zavarivanja.
Usporedba performansi ekstrudiranog aluminijskog profila za sandučaste kamione i običnog ugljičnog čelika prikazana je u tablici 3.
Sljedeći razvojni smjer profila od aluminijske legure za sandučaste kamione: daljnje poboljšanje čvrstoće profila i poboljšanje performansi ekstruzije. Smjer istraživanja novih materijala za profile od aluminijskih legura za sandučaste kamione prikazan je na slici 1.
3. Struktura sandučastog kamiona od aluminijske legure, analiza čvrstoće i provjera
3.1 Struktura sandučastog kamiona od aluminijske legure
Kontejner sanduka za kamione 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 drugog pribora spojen na šasiju drugog razreda. Poprečne grede, stupovi, bočne grede i ploče vrata izrađene su od ekstrudiranih profila od aluminijske legure, dok su podne i krovne ploče izrađene od ravnih ploča od aluminijske legure 5052. Struktura sandučastog kamiona od aluminijske legure prikazana je na slici 2.
Korištenjem procesa vruće ekstruzije aluminijske legure serije 6 mogu se formirati složeni šuplji poprečni presjeci, dizajn aluminijskih profila sa složenim poprečnim presjecima može uštedjeti materijale, zadovoljiti zahtjeve čvrstoće i krutosti proizvoda i zadovoljiti zahtjeve međusobne povezanosti između razne komponente. Stoga su projektirana konstrukcija glavne grede i presječni momenti tromosti I i momenti otpora W prikazani na slici 3.
Usporedba glavnih podataka u tablici 4 pokazuje da su momenti tromosti presjeka i momenti otpora projektiranog aluminijskog profila bolji od odgovarajućih podataka profila grede od željeza. Podaci o koeficijentu krutosti su otprilike isti kao oni za odgovarajući profil 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 pojednostavljena kao konzolna struktura za proračun 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 nosi greda, izračunato na temelju 3 puta standardnog statičkog opterećenja, što je 4,5 t; L je duljina grede, mm.
Stoga je unutarnje naprezanje q:
Formula za izračun naprezanja je sljedeća:
Maksimalni trenutak je:
Uzimajući apsolutnu vrijednost momenta, M=274283 N·mm, maksimalno naprezanje σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, a maksimalno naprezanje σ<215 MPa, što zadovoljava zahtjeve.
3.3 Karakteristike spajanja različitih komponenti
Aluminijska legura ima loša svojstva zavarivanja, a njena čvrstoća u točki zavarivanja je samo 60% čvrstoće osnovnog materijala. Zbog prekrivenosti slojem Al2O3 na površini aluminijske legure, talište Al2O3 je visoko, dok je talište aluminija nisko. Kada se aluminijska legura zavariva, Al2O3 na površini mora se brzo slomiti da bi se izvelo zavarivanje. U isto vrijeme, ostatak Al2O3 ostat će u otopini aluminijske legure, utječući na strukturu aluminijske legure i smanjujući čvrstoću točke zavarivanja aluminijske legure. Stoga se pri projektiranju potpuno aluminijskog spremnika te karakteristike u potpunosti uzimaju u obzir. Zavarivanje je glavna metoda pozicioniranja, a glavne nosive komponente spojene su vijcima. Veze kao što su zakivanje i struktura lastinog repa prikazane su na slikama 5 i 6.
Glavna struktura potpuno aluminijske kutijaste konstrukcije ima strukturu s vodoravnim gredama, okomitim stupovima, bočnim gredama i rubnim gredama koje su povezane jedna s drugom. Postoje četiri spojne točke između svake vodoravne grede i okomitog stupa. Spojne točke opremljene su nazubljenim brtvama koje se spajaju s nazubljenim rubom vodoravne grede, učinkovito sprječavajući klizanje. Osam kutnih točaka uglavnom je povezano umetcima čelične jezgre, učvršćenim vijcima i samozaključavajućim zakovicama, te ojačanim trokutastim aluminijskim pločama od 5 mm zavarenim unutar kutije kako bi se unutarnje ojačale kutne pozicije. Vanjski izgled kutije nema zavarenih ili izloženih spojnih točaka, što osigurava cjelokupni izgled kutije.
3.4 Tehnologija sinkronog inženjeringa SE
Tehnologija sinkronog inženjeringa SE koristi se za rješavanje problema uzrokovanih velikim akumuliranim odstupanjima veličine za odgovarajuće komponente u tijelu kutije i poteškoća u pronalaženju uzroka praznina i kvarova ravnosti. Putem CAE analize (vidi sliku 7-8), usporedna analiza se provodi s kućištima kutija izrađenim od željeza kako bi se provjerila ukupna čvrstoća i krutost tijela kutije, pronašle slabe točke i poduzele mjere za optimizaciju i učinkovitije poboljšanje sheme dizajna .
4. Učinak laganog sandučastog kamiona od aluminijske legure
Osim kućišta sanduka, aluminijske legure mogu se koristiti za zamjenu čelika za razne komponente sandučastih kontejnera kamiona, kao što su blatobrani, stražnji štitnici, bočni štitnici, zasuni na vratima, šarke na vratima i rubovi stražnje pregače, postižući smanjenje težine od 30% do 40% za prtljažni prostor. Učinak smanjenja težine za prazan teretni kontejner dimenzija 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm prikazan je u tablici 6. To temeljno rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih odjeljaka za teret od željeza.
Zamjenom tradicionalnog čelika aluminijskim legurama za automobilske komponente, ne samo da se mogu postići izvrsni učinci male težine, već se također može doprinijeti uštedi goriva, smanjenju emisija i poboljšanim performansama vozila. Trenutačno postoje različita mišljenja o doprinosu smanjene težine uštedi goriva. Rezultati istraživanja Međunarodnog instituta za aluminij prikazani su na slici 9. Svakih 10% smanjenja težine vozila može smanjiti potrošnju goriva za 6% do 8%. Prema domaćim statistikama, smanjenje mase 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 metodama istraživanja, tako da postoje neke varijacije. Međutim, smanjena težina automobila ima značajan utjecaj na smanjenje potrošnje goriva.
Kod električnih vozila učinak smanjene težine još je izraženiji. Trenutno se jedinična gustoća energije baterija električnih vozila značajno razlikuje od gustoće tradicionalnih vozila na tekuće gorivo. Težina sustava napajanja (uključujući bateriju) električnih vozila često čini 20% do 30% ukupne težine vozila. Istodobno, probijanje uskog grla u radu baterija svjetski je izazov. Prije nego što dođe do velikog otkrića u tehnologiji baterija visokih performansi, smanjenje težine je učinkovit način za poboljšanje dometa električnih vozila. Za svakih 100 kg smanjenja težine, domet električnih vozila može se povećati za 6% do 11% (odnos između smanjenja težine i dometa krstarenja prikazan je na slici 10). Trenutačno domet krstarenja čisto električnih vozila ne može zadovoljiti potrebe većine ljudi, ali smanjenje težine za određeni iznos može značajno poboljšati domet krstarenja, smanjujući zabrinutost oko dometa i poboljšavajući korisničko iskustvo.
5. Zaključak
Uz potpuno aluminijsku strukturu sandučastog kamiona od aluminijske legure predstavljenog u ovom članku, postoje razne vrste sandučastih kamiona, kao što su aluminijske saćaste ploče, aluminijske ploče s kopčama, aluminijski okviri + aluminijske obloge i hibridni teretni kontejneri željezo-aluminij . Imaju prednosti male težine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju i ne zahtijevaju elektroforetsku boju za zaštitu od korozije, čime se smanjuje utjecaj elektroforetske boje na okoliš. Kamion s sandukom od aluminijske legure temeljito rješava probleme prekomjerne težine, nepoštivanja najava i regulatornih rizika tradicionalnih odjeljaka za teret od željeza.
Ekstruzija je bitna metoda obrade aluminijskih legura, a aluminijski profili imaju izvrsna mehanička svojstva, tako da je krutost presjeka komponenti relativno visoka. Zbog varijabilnog poprečnog presjeka, aluminijske legure mogu postići kombinaciju funkcija više komponenti, što ih čini dobrim materijalom za automobilsku laku težinu. Međutim, široka primjena aluminijskih legura suočava se s izazovima kao što su nedovoljna sposobnost projektiranja teretnih odjeljaka od aluminijskih legura, problemi s oblikovanjem i zavarivanjem te visoki troškovi razvoja i promocije novih proizvoda. Glavni razlog je još uvijek taj što aluminijske legure koštaju više od čelika prije nego što ekologija recikliranja aluminijskih legura postane zrela.
Zaključno, područje primjene aluminijskih legura u automobilima bit će sve šire, a njihova će se uporaba i dalje 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, materijali za ekstruziju aluminija sve će se više koristiti u automobilskoj laganoj težini.
Uredio May Jiang iz MAT Aluminiuma
Vrijeme objave: 12. siječnja 2024
