1. Introducció
L'alleugeriment de l'automoció va començar als països desenvolupats i va ser inicialment liderat pels gegants tradicionals de l'automoció. Amb un desenvolupament continu, ha guanyat un impuls significatiu. Des del moment en què els indis van utilitzar per primera vegada aliatge d'alumini per produir cigonyals d'automòbils fins a la primera producció en massa de cotxes totalment d'alumini d'Audi el 1999, l'aliatge d'alumini ha experimentat un creixement robust en aplicacions d'automoció a causa dels seus avantatges com ara baixa densitat, alta resistència específica i 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 en automòbils ja havia superat el 35%.
L'alleugeriment de l'automoció a la Xina va començar fa menys de 10 anys, i tant la tecnologia com el nivell d'aplicació estan endarrerits respecte a països desenvolupats com Alemanya, els Estats Units i el Japó. Tanmateix, amb el desenvolupament de vehicles de nova energia, l'alleugeriment de materials està progressant ràpidament. Aprofitant l'auge dels vehicles de nova energia, la tecnologia d'alleugeriment de l'automoció de la Xina mostra una tendència a posar-se al dia amb els països desenvolupats.
El mercat xinès de materials lleugers és enorme. D'una banda, en comparació amb els països desenvolupats a l'estranger, la tecnologia d'alleugeriment de la Xina va començar tard i el pes total del vehicle és més gran. Tenint en compte la proporció de materials lleugers de referència als països estrangers, encara hi ha un ampli marge de desenvolupament a la Xina. D'altra banda, impulsat per les polítiques, el ràpid desenvolupament de la nova indústria de vehicles energètics de la Xina augmentarà la demanda de materials lleugers i animarà les empreses automobilístiques a avançar cap a l'alleugeriment.
La millora dels estàndards d'emissions i consum de combustible està obligant a accelerar l'alleugeriment dels automòbils. La Xina va implementar completament els estàndards d'emissions China VI el 2020. Segons el "Mètode d'avaluació i indicadors per al consum de combustible dels turismes" i la "Full de ruta per a l'estalvi d'energia i la tecnologia dels vehicles de 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 dels motors i la reducció d'emissions, l'adopció de mesures per als components d'automoció lleugers pot reduir eficaçment les emissions i el consum de combustible dels vehicles. L'alleugeriment dels vehicles de nova energia s'ha convertit en un camí essencial per al desenvolupament de la indústria.
El 2016, la Societat Xinesa d'Enginyeria d'Automoció va publicar la "Full de ruta de tecnologia de vehicles de nova energia i estalvi d'energia", que planificava factors com el consum d'energia, l'autonomia i els materials de fabricació per a vehicles de nova energia del 2020 al 2030. L'alleugeriment serà una direcció clau per al desenvolupament futur dels vehicles de nova energia. L'alleugeriment pot augmentar l'autonomia i abordar "l'ansietat per l'autonomia" en els vehicles de nova energia. Amb la creixent demanda d'una autonomia de creuer més àmplia, l'alleugeriment dels automòbils esdevé urgent i les vendes de vehicles de nova energia han crescut significativament en els darrers anys. Segons els requisits del sistema de puntuació i el "Pla de desenvolupament a mitjà i llarg termini per a la indústria de l'automoció", s'estima que el 2025, les vendes de vehicles de nova energia a la Xina superaran els 6 milions d'unitats, amb una taxa de creixement anual composta 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 un terç que la de l'acer, cosa 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 compostos principalment de magnesi, presentar una bona resistència a la calor, bones propietats de soldadura, bona resistència a la fatiga, no poder ser reforçats mitjançant tractament tèrmic i la capacitat d'augmentar la resistència mitjançant treball en fred. La sèrie 6 es caracteritza per estar composta principalment de magnesi i silici, amb Mg2Si com a principal fase 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 magnesi com a principal element d'aliatge. És l'aliatge d'alumini antioxidant més utilitzat. Aquest aliatge té una alta resistència, alta resistència a la fatiga, bona plasticitat i resistència a la corrosió, no es pot reforçar mitjançant tractament tèrmic, té bona plasticitat en enduriment per treball en fred, baixa plasticitat en 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 tractable tèrmicament de la sèrie AL-Mg-Si, amb magnesi i silici com a principals elements d'aliatge. És un perfil d'aliatge d'alumini de reforç tractable tèrmicament amb resistència mitjana, que s'utilitza principalment en components estructurals com ara columnes i panells laterals per suportar la resistència. A la Taula 1 es mostra una introducció als graus d'aliatge d'alumini.
2.2 L'extrusió és un mètode important de conformació d'aliatges d'alumini
L'extrusió d'aliatges d'alumini és un mètode de conformació en calent, i tot el procés de producció implica la formació d'aliatges d'alumini sota una tensió 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 col·loquen en els lingots d'aliatge d'alumini necessaris; b. Els lingots preescalfats es col·loquen a l'equip d'extrusió per a l'extrusió. Sota l'acció del cilindre principal, el lingot d'aliatge d'alumini es forma en els perfils necessaris a través de la cavitat del motlle; c. Per millorar les propietats mecàniques dels perfils d'alumini, es realitza un tractament de 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 extrudits d'aliatge d'alumini tenen diversos avantatges respecte a altres mètodes de conformació:
a. Durant l'extrusió, el metall extrudit obté una tensió de compressió trilateral més forta i uniforme a la zona de deformació que el laminat i el forjat, de manera que pot reproduir completament la plasticitat del metall processat. Es pot utilitzar per processar metalls difícils de deformar que no es poden processar mitjançant laminat o forjat i es pot utilitzar per fabricar diversos components complexos de secció transversal buits o sòlids.
b. Com que la geometria dels perfils d'alumini pot ser variada, 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 del tremp i l'envelliment, tenen una resistència longitudinal (R, Raz) significativament més alta 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 anticorrosius.
e. El processament d'extrusió té una gran flexibilitat, baixos costos d'utillatge i motlle, i baixos costos de canvi de disseny.
f. A causa de la controlabilitat de les seccions transversals de perfil d'alumini, es pot augmentar el grau d'integració de components, es pot reduir el nombre de components i diferents dissenys de secció transversal poden aconseguir un posicionament de soldadura precís.
La comparació del rendiment entre els perfils d'alumini extruït per a camions tipus caixa i l'acer al carboni pla es mostra a la Taula 3.
Propera direcció de desenvolupament de perfils d'aliatge d'alumini per a camions tipus caixa: Millora addicional de la resistència del perfil i augment del rendiment d'extrusió. La direcció de recerca de nous materials per a perfils d'aliatge d'alumini per a camions tipus caixa es mostra a la Figura 1.
3. Estructura, anàlisi de resistència i verificació del camió de caixa d'aliatge d'alumini
3.1 Estructura de camió de caixa d'aliatge d'alumini
El contenidor del camió de caixa consisteix principalment en el conjunt del panell frontal, el conjunt del panell lateral esquerre i dret, el conjunt del panell lateral de la porta posterior, el conjunt del terra, el conjunt del sostre, així com cargols en forma d'U, proteccions laterals, proteccions posteriors, faldons de fang i altres accessoris connectats al xassís de segona classe. Les bigues transversals de la carrosseria, els pilars, les bigues laterals i els panells de les portes estan fets de perfils extrudits d'aliatge d'alumini, mentre que els panells del terra i el 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, l'estructura de disseny de la biga principal i els moments d'inèrcia seccionals I i els moments resistents W es mostren a la Figura 3.
Una comparació de les dades principals de la Taula 4 mostra que els moments seccionals d'inèrcia 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 la tensió màxima
Prenent el component clau de càrrega, la biga transversal, com a objecte, es calcula la tensió màxima. La càrrega nominal és d'1,5 t i la biga transversal està feta de perfil d'aliatge d'alumini 6063-T6 amb propietats mecàniques com es mostra a la Taula 5. La biga es simplifica com una estructura en voladís per al càlcul de forces, com es mostra a la Figura 4.
Prenent una biga de 344 mm de llum, la càrrega de compressió sobre la biga es calcula com a F = 3757 N basada 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, la tensió màxima σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, i el valor de la tensió màxima σ<215 MPa, que compleix els requisits.
3.3 Característiques de connexió de diversos components
L'aliatge d'alumini té unes propietats de soldadura deficients i la resistència del punt de soldadura és només del 60% de la resistència del material base. A causa de la cobertura d'una capa d'Al2O3 sobre la superfície de l'aliatge d'alumini, el punt de fusió de l'Al2O3 és alt, mentre que el punt de fusió de l'alumini és baix. Quan es solda l'aliatge d'alumini, l'Al2O3 de 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 de l'aliatge d'alumini i reduint la resistència del punt de soldadura de l'aliatge d'alumini. Per tant, a l'hora de dissenyar un contenidor totalment d'alumini, es tenen en compte aquestes característiques. La soldadura és el principal mètode de posicionament i els principals components portants es connecten mitjançant cargols. Les connexions com ara el reblat i l'estructura de cua d'oreneta es mostren a les figures 5 i 6.
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 engranar amb la vora dentada de la biga horitzontal, evitant eficaçment el lliscament. Els vuit punts de cantonada estan connectats principalment mitjançant insercions de nucli d'acer, fixades amb cargols i reblons autoblocants, i reforçades per plaques triangulars d'alumini de 5 mm soldades a l'interior de la caixa per reforçar les posicions de les cantonades internament. L'aspecte exterior 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 grans desviacions de mida acumulades per als components coincidents del cos de la caixa i les dificultats per trobar les causes dels buits i les fallades 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 de lleugeresa del camió de caixa d'aliatge d'alumini
A més de la carrosseria, els aliatges d'alumini es poden utilitzar per substituir l'acer per a diversos components dels contenidors de camions tipus caixa, com ara parafangs, proteccions posteriors, proteccions laterals, tancaments de portes, frontisses de portes i vores del faldó 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 resol fonamentalment els problemes de pes excessiu, incompliment dels anuncis i riscos normatius dels compartiments de càrrega tradicionals de ferro.
En substituir l'acer tradicional per aliatges d'alumini per als components d'automoció, no només es poden aconseguir excel·lents efectes d'alleugeriment, 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 l'alleugeriment 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% en el 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 l'alleugeriment a l'estalvi de combustible es basa en els resultats obtinguts a partir de diferents mètodes d'investigació, per la qual cosa hi ha algunes variacions. Tanmateix, l'alleugeriment dels automòbils té un impacte significatiu en la reducció del consum de combustible.
Per als vehicles elèctrics, l'efecte d'alleugeriment és encara més pronunciat. Actualment, la densitat d'energia unitària de les bateries 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. Alhora, 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, l'alleugeriment és una manera eficaç de millorar l'autonomia de conducció dels vehicles elèctrics. Per cada reducció de pes de 100 kg, l'autonomia de conducció dels vehicles elèctrics es pot augmentar entre un 6% i un 11% (la relació entre la reducció de pes i l'autonomia es mostra a la Figura 10). Actualment, l'autonomia de conducció 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 l'autonomia, alleujant l'ansietat per l'autonomia i millorant l'experiència de l'usuari.
5. Conclusió
A més de l'estructura totalment d'alumini del camió de caixa d'aliatge d'alumini que s'introdueix en aquest article, hi ha diversos tipus de camions de caixa, com ara panells de bresca d'alumini, plaques de sivelles d'alumini, marcs d'alumini + revestiments d'alumini i contenidors de càrrega híbrids de ferro-alumini. Tenen els avantatges de pes lleuger, alta resistència específica i bona resistència a la corrosió, i no requereixen pintura electroforètica per a la protecció contra la corrosió, cosa que redueix l'impacte ambiental de la pintura electroforètica. El camió de caixa d'aliatge d'alumini resol fonamentalment els problemes de pes excessiu, incompliment dels 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 excel·lents propietats mecàniques, 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, convertint-los en un bon material per a l'alleugeriment de l'automoció. Tanmateix, l'aplicació generalitzada dels aliatges d'alumini s'enfronta a reptes com ara la capacitat de disseny insuficient per als compartiments de càrrega d'aliatges d'alumini, problemes de conformació i soldadura i elevats costos de desenvolupament i promoció de nous productes. La raó principal continua sent que l'aliatge d'alumini costa més que l'acer abans que l'ecologia de reciclatge dels aliatges d'alumini maduri.
En conclusió, l'àmbit d'aplicació dels aliatges d'alumini en els 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 energètics, amb la comprensió més profunda de les propietats dels aliatges d'alumini i les solucions efectives als problemes d'aplicació dels aliatges d'alumini, els materials d'extrusió d'alumini s'utilitzaran més àmpliament en l'alleugeriment de l'automòbil.
Editat per May Jiang de MAT Aluminum
Data de publicació: 12 de gener de 2024
