1.Introducció
La lleugeresa de l'automoció va començar als països desenvolupats i va ser liderada inicialment pels gegants de l'automoció tradicional. Amb el desenvolupament continu, ha guanyat un impuls significatiu. Des del moment en què els indis van utilitzar per primera vegada l'aliatge d'alumini per produir cigonyals d'automòbils fins a la primera producció massiva d'automòbils totalment d'alumini d'Audi el 1999, l'aliatge d'alumini ha experimentat un fort creixement en aplicacions d'automoció a causa dels seus avantatges com la baixa densitat, l'alta resistència específica i la rigidesa, bona elasticitat i resistència a l'impacte, alta reciclabilitat i alta taxa de regeneració. El 2015, la proporció d'aplicació d'aliatge d'alumini als automòbils ja havia superat el 35%.
La lleugeresa de l'automòbil de la Xina va començar fa menys de 10 anys, i tant la tecnologia com el nivell d'aplicació estan endarrerits dels països desenvolupats com Alemanya, els Estats Units i el Japó. No obstant això, amb el desenvolupament de nous vehicles d'energia, la lleugeresa del material avança ràpidament. Aprofitant l'augment de vehicles d'energia nova, la tecnologia de pes lleuger de l'automòbil de la Xina està mostrant una tendència a posar-se al dia amb els països desenvolupats.
El mercat de materials lleugers de la Xina és ampli. D'una banda, en comparació amb els països desenvolupats a l'estranger, la tecnologia de pes lleuger de la Xina va començar tard i el pes total del vehicle és més gran. Tenint en compte el punt de referència de la proporció de materials lleugers als països estrangers, encara hi ha molt espai per al desenvolupament a la Xina. D'altra banda, impulsat per les polítiques, el ràpid desenvolupament de la nova indústria de vehicles d'energia de la Xina augmentarà la demanda de materials lleugers i animarà les empreses d'automoció a avançar cap a la lleugeresa.
La millora dels estàndards d'emissions i consum de combustible està forçant l'acceleració de la lleugeresa de l'automòbil. La Xina va implementar completament les normes d'emissions Xina VI el 2020. Segons el "Mètode d'avaluació i indicadors del consum de combustible dels cotxes de passatgers" i el "Full de ruta de tecnologia de vehicles d'estalvi d'energia i nova energia", l'estàndard de consum de combustible de 5,0 L/km. Tenint en compte l'espai limitat per a avenços substancials en la tecnologia del motor i la reducció d'emissions, l'adopció de mesures per als components lleugers de l'automòbil pot reduir eficaçment les emissions dels vehicles i el consum de combustible. La lleugeresa dels vehicles de nova energia s'ha convertit en un camí essencial per al desenvolupament de la indústria.
L'any 2016, la Societat d'Enginyeria de l'Automòbil de la Xina va publicar el "Full de ruta per a l'estalvi d'energia i la tecnologia de vehicles d'energia nova", que va planificar factors com ara el consum d'energia, l'autonomia de creuer i els materials de fabricació per als vehicles de nova energia des del 2020 al 2030. La lleugeresa serà una direcció clau. per al desenvolupament futur de vehicles de nova energia. El pes lleuger pot augmentar l'autonomia de creuer i abordar l'"ansietat de l'autonomia" en els vehicles d'energia nova. Amb la creixent demanda d'autonomia de creuer ampliada, la lleugeresa de l'automòbil esdevé urgent i les vendes de vehicles d'energia nova han crescut significativament en els últims anys. Segons els requisits del sistema de puntuació i el "Pla de desenvolupament a mitjà i llarg termini per a la indústria de l'automòbil", s'estima que el 2025, les vendes de vehicles d'energia nova a la Xina superaran els 6 milions d'unitats, amb un creixement anual compost. taxa superior al 38%.
2. Característiques i aplicacions de l'aliatge d'alumini
2.1 Característiques de l'aliatge d'alumini
La densitat de l'alumini és d'un terç de la de l'acer, el que el fa més lleuger. Té una resistència específica més alta, una bona capacitat d'extrusió, una forta resistència a la corrosió i una alta reciclabilitat. Els aliatges d'alumini es caracteritzen per estar composts principalment de magnesi, que presenten una bona resistència a la calor, bones propietats de soldadura, bona resistència a la fatiga, incapacitat d'enfortir-se amb tractament tèrmic i la capacitat d'augmentar la resistència mitjançant el treball en fred. La sèrie 6 es caracteritza per estar composta principalment per magnesi i silici, amb Mg2Si com a fase principal de reforç. Els aliatges més utilitzats en aquesta categoria són 6063, 6061 i 6005A. La placa d'alumini 5052 és una placa d'alumini d'aliatge de la sèrie AL-Mg, amb el magnesi com a element d'aliatge principal. És l'aliatge d'alumini anticorrosió més utilitzat. Aquest aliatge té una alta resistència, una gran resistència a la fatiga, una bona plasticitat i resistència a la corrosió, no es pot reforçar amb tractament tèrmic, té una bona plasticitat en l'enduriment per treball semi-fred, baixa plasticitat en l'enduriment per treball en fred, bona resistència a la corrosió i bones propietats de soldadura. S'utilitza principalment per a components com ara panells laterals, cobertes de sostre i panells de portes. L'aliatge d'alumini 6063 és un aliatge de reforç amb tractament tèrmic de la sèrie AL-Mg-Si, amb magnesi i silici com a elements d'aliatge principals. És un perfil d'aliatge d'alumini d'enfortiment amb tractament tèrmic de resistència mitjana, utilitzat principalment en components estructurals com columnes i panells laterals per portar la resistència. A la taula 1 es mostra una introducció als graus d'aliatge d'alumini.
2.2 L'extrusió és un mètode de conformació important de l'aliatge d'alumini
L'extrusió d'aliatge d'alumini és un mètode de conformació en calent i tot el procés de producció implica la formació d'aliatge d'alumini sota estrès de compressió de tres vies. Tot el procés de producció es pot descriure de la següent manera: a. L'alumini i altres aliatges es fonen i es colen en les palangres d'aliatge d'alumini necessaris; b. Les palanxes preescalfades es posen a l'equip d'extrusió per a l'extrusió. Sota l'acció del cilindre principal, la palanca d'aliatge d'alumini es forma en els perfils requerits a través de la cavitat del motlle; c. Per tal de millorar les propietats mecàniques dels perfils d'alumini, es realitza un tractament amb solució durant o després de l'extrusió, seguit d'un tractament d'envelliment. Les propietats mecàniques després del tractament d'envelliment varien segons els diferents materials i règims d'envelliment. L'estat del tractament tèrmic dels perfils de camions tipus caixa es mostra a la taula 2.
Els productes extruïts d'aliatge d'alumini tenen diversos avantatges respecte a altres mètodes de conformació:
a. Durant l'extrusió, el metall extruït obté un esforç de compressió de tres vies més fort i uniforme a la zona de deformació que el laminat i la forja, de manera que pot jugar plenament la plasticitat del metall processat. Es pot utilitzar per processar metalls difícils de deformar que no es poden processar mitjançant laminació o forja i es pot utilitzar per fer diversos components de secció transversal buits o sòlids complexos.
b. Com que la geometria dels perfils d'alumini es pot variar, els seus components tenen una alta rigidesa, cosa que pot millorar la rigidesa de la carrosseria del vehicle, reduir les seves característiques NVH i millorar les característiques de control dinàmic del vehicle.
c. Els productes amb eficiència d'extrusió, després de l'extinció i l'envelliment, tenen una resistència longitudinal significativament més alta (R, Raz) que els productes processats per altres mètodes.
d. La superfície dels productes després de l'extrusió té un bon color i una bona resistència a la corrosió, eliminant la necessitat d'altres tractaments superficials anticorrosió.
e. El processament d'extrusió té una gran flexibilitat, baixos costos d'eines i motlles i baixos costos de canvi de disseny.
f. A causa de la controlabilitat de les seccions transversals del perfil d'alumini, es pot augmentar el grau d'integració dels components, es pot reduir el nombre de components i diferents dissenys de seccions transversals poden aconseguir un posicionament de soldadura precís.
La comparació de rendiment entre perfils d'alumini extruït per a camions de tipus caixa i acer al carboni normal es mostra a la taula 3.
Següent direcció de desenvolupament de perfils d'aliatge d'alumini per a camions de caixa: millora encara més la resistència del perfil i millora el rendiment d'extrusió. La direcció de recerca de nous materials per a perfils d'aliatge d'alumini per a camions de caixa es mostra a la figura 1.
3.Estructura del camió de caixa d'aliatge d'alumini, anàlisi de resistència i verificació
3.1 Estructura del camió amb caixa d'aliatge d'alumini
El contenidor del camió de caixa consisteix principalment en el muntatge del panell frontal, el conjunt del panell lateral esquerre i dret, el conjunt del panell lateral de la porta posterior, el muntatge del sòl, el muntatge del sostre, així com els cargols en forma d'U, els protectors laterals, els protectors posteriors, els fangs i altres accessoris. connectat al xassís de segona classe. Les bigues transversals, els pilars, les bigues laterals i els panells de les portes del cos de caixa estan fets de perfils extruïts d'aliatge d'alumini, mentre que els panells del terra i del sostre estan fets de plaques planes d'aliatge d'alumini 5052. L'estructura del camió de caixa d'aliatge d'alumini es mostra a la figura 2.
L'ús del procés d'extrusió en calent de l'aliatge d'alumini de la sèrie 6 pot formar seccions transversals buides complexes, un disseny de perfils d'alumini amb seccions transversals complexes pot estalviar materials, complir els requisits de resistència i rigidesa del producte i complir els requisits de connexió mútua entre diversos components. Per tant, a la figura 3 es mostren l'estructura de disseny de la biga principal i els moments de secció d'inèrcia I i els moments resistents W.
Una comparació de les dades principals de la taula 4 mostra que els moments d'inèrcia de la secció i els moments resistents del perfil d'alumini dissenyat són millors que les dades corresponents del perfil de biga de ferro. Les dades del coeficient de rigidesa són aproximadament les mateixes que les del perfil de biga de ferro corresponent i totes compleixen els requisits de deformació.
3.2 Càlcul de l'esforç màxim
Prenent com a objecte el component de càrrega clau, la travessa, es calcula la tensió màxima. La càrrega nominal és d'1,5 t i la travessa està feta d'un perfil d'aliatge d'alumini 6063-T6 amb propietats mecàniques tal com es mostra a la Taula 5. La biga es simplifica com una estructura en voladís per al càlcul de la força, tal com es mostra a la figura 4.
Prenent una biga de 344 mm, la càrrega de compressió de la biga es calcula com a F = 3757 N basat en 4,5 t, que és tres vegades la càrrega estàtica estàndard. q=F/L
on q és la tensió interna de la biga sota la càrrega, N/mm; F és la càrrega suportada per la biga, calculada a partir de 3 vegades la càrrega estàtica estàndard, que és de 4,5 t; L és la longitud de la biga, mm.
Per tant, la tensió interna q és:
La fórmula de càlcul de la tensió és la següent:
El moment màxim és:
Prenent el valor absolut del moment, M=274283 N·mm, l'esforç màxim σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, i el valor de tensió màxima σ<215 MPa, que compleix els requisits.
3.3 Característiques de connexió de diversos components
L'aliatge d'alumini té propietats de soldadura pobres i la seva resistència al punt de soldadura és només el 60% de la resistència del material base. A causa de la cobertura d'una capa d'Al2O3 a la superfície de l'aliatge d'alumini, el punt de fusió d'Al2O3 és alt, mentre que el punt de fusió de l'alumini és baix. Quan es solda l'aliatge d'alumini, l'Al2O3 a la superfície s'ha de trencar ràpidament per realitzar la soldadura. Al mateix temps, el residu d'Al2O3 romandrà a la solució d'aliatge d'alumini, afectant l'estructura d'aliatge d'alumini i reduint la resistència del punt de soldadura d'aliatge d'alumini. Per tant, a l'hora de dissenyar un contenidor totalment d'alumini, aquestes característiques es tenen en compte plenament. La soldadura és el mètode de posicionament principal, i els components principals de càrrega estan connectats per cargols. A les figures 5 i 6 es mostren connexions com ara l'estructura de reblat i cua de milano.
L'estructura principal del cos de la caixa totalment d'alumini adopta una estructura amb bigues horitzontals, pilars verticals, bigues laterals i bigues de vora entrellaçades entre si. Hi ha quatre punts de connexió entre cada biga horitzontal i pilar vertical. Els punts de connexió estan equipats amb juntes dentades per encallar amb la vora dentada de la biga horitzontal, evitant eficaçment el lliscament. Els vuit punts de cantonada estan connectats principalment per insercions de nucli d'acer, fixats amb cargols i reblons autoblocants, i reforçats per plaques d'alumini triangulars de 5 mm soldades dins de la caixa per reforçar les posicions de les cantonades internament. L'aspecte extern de la caixa no té soldadura ni punts de connexió exposats, cosa que garanteix l'aspecte general de la caixa.
3.4 Tecnologia d'enginyeria síncrona SE
La tecnologia d'enginyeria síncrona SE s'utilitza per resoldre els problemes causats per les grans desviacions de mida acumulades per fer coincidir els components del cos de la caixa i les dificultats per trobar les causes dels buits i els errors de planitud. Mitjançant l'anàlisi CAE (vegeu la figura 7-8), es realitza una anàlisi comparativa amb cossos de caixa fets de ferro per comprovar la resistència i la rigidesa generals del cos de la caixa, trobar punts febles i prendre mesures per optimitzar i millorar l'esquema de disseny de manera més eficaç. .
4.Efecte lleuger del camió de caixa d'aliatge d'alumini
A més del cos de la caixa, els aliatges d'alumini es poden utilitzar per substituir l'acer per a diversos components de contenidors de camions de tipus caixa, com ara guardafangs, protectors posteriors, protectors laterals, pestells de portes, frontisses de portes i vores del davantal posterior, aconseguint una reducció de pes. del 30% al 40% per al compartiment de càrrega. L'efecte de reducció de pes per a un contenidor de càrrega buit de 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm es mostra a la taula 6. Això soluciona fonamentalment els problemes de pes excessiu, incompliment d'anuncis i riscos reguladors dels compartiments de càrrega tradicionals fabricats amb ferro.
En substituir l'acer tradicional per aliatges d'alumini per a components d'automòbil, no només es poden aconseguir excel·lents efectes de lleugeresa, sinó que també pot contribuir a l'estalvi de combustible, la reducció d'emissions i la millora del rendiment del vehicle. Actualment, hi ha diverses opinions sobre la contribució de la lleugeresa a l'estalvi de combustible. Els resultats de la investigació de l'Institut Internacional de l'Alumini es mostren a la figura 9. Cada reducció del 10% del pes del vehicle pot reduir el consum de combustible entre un 6% i un 8%. Segons les estadístiques nacionals, reduir el pes de cada turisme en 100 kg pot reduir el consum de combustible en 0,4 L/100 km. La contribució de la lleugeresa a l'estalvi de combustible es basa en els resultats obtinguts de diferents mètodes d'investigació, per la qual cosa hi ha certa variació. Tanmateix, la lleugeresa de l'automòbil té un impacte significatiu en la reducció del consum de combustible.
Per als vehicles elèctrics, l'efecte de lleugeresa és encara més pronunciat. Actualment, la densitat d'energia unitària de les bateries d'energia dels vehicles elèctrics és significativament diferent de la dels vehicles tradicionals de combustible líquid. El pes del sistema d'alimentació (inclosa la bateria) dels vehicles elèctrics sovint representa entre el 20% i el 30% del pes total del vehicle. Simultàniament, superar el coll d'ampolla de rendiment de les bateries és un repte mundial. Abans que hi hagi un gran avenç en la tecnologia de bateries d'alt rendiment, la lleugeresa és una manera eficaç de millorar l'autonomia de creuer dels vehicles elèctrics. Per cada reducció de pes de 100 kg, l'autonomia de creuer dels vehicles elèctrics es pot augmentar entre un 6% i un 11% (la relació entre la reducció de pes i l'autonomia de creuer es mostra a la figura 10). Actualment, la gamma de creuer dels vehicles elèctrics purs no pot satisfer les necessitats de la majoria de la gent, però reduir el pes en una certa quantitat pot millorar significativament la gamma de creuer, alleujar l'ansietat de la gamma i millorar l'experiència de l'usuari.
5.Conclusió
A més de l'estructura totalment d'alumini del camió de caixa d'aliatge d'alumini presentada en aquest article, hi ha diversos tipus de camions de caixa, com ara panells de niu d'abella d'alumini, plaques de sivella d'alumini, marcs d'alumini + pells d'alumini i contenidors de càrrega híbrids de ferro-alumini. . Tenen els avantatges d'un pes lleuger, una alta resistència específica i una bona resistència a la corrosió, i no requereixen pintura electroforètica per a la protecció contra la corrosió, reduint l'impacte ambiental de la pintura electroforètica. El camió de caixa d'aliatge d'alumini soluciona fonamentalment els problemes de pes excessiu, incompliment d'anuncis i riscos normatius dels compartiments de càrrega tradicionals de ferro.
L'extrusió és un mètode de processament essencial per als aliatges d'alumini, i els perfils d'alumini tenen propietats mecàniques excel·lents, de manera que la rigidesa de la secció dels components és relativament alta. A causa de la secció transversal variable, els aliatges d'alumini poden aconseguir la combinació de múltiples funcions de components, cosa que el converteix en un bon material per a la lleugeresa d'automòbils. No obstant això, l'aplicació generalitzada d'aliatges d'alumini s'enfronta a reptes com ara una capacitat de disseny insuficient per als compartiments de càrrega d'aliatge d'alumini, problemes de conformació i soldadura i costos elevats de desenvolupament i promoció de nous productes. El motiu principal és encara que l'aliatge d'alumini costa més que l'acer abans que l'ecologia de reciclatge dels aliatges d'alumini arribi a madurar.
En conclusió, l'àmbit d'aplicació dels aliatges d'alumini als automòbils s'ampliarà i el seu ús continuarà augmentant. En les tendències actuals d'estalvi d'energia, reducció d'emissions i desenvolupament de la nova indústria de vehicles d'energia, amb una comprensió més profunda de les propietats de l'aliatge d'alumini i solucions efectives als problemes d'aplicació d'aliatges d'alumini, els materials d'extrusió d'alumini s'utilitzaran més àmpliament en la lleugeresa de l'automòbil.
Editat per May Jiang de MAT Aluminium
Hora de publicació: 12-gen-2024
