1. Вступ
Полегшення автомобільної промисловості почалося в розвинених країнах і спочатку очолювалося традиційними автомобільними гігантами. З постійним розвитком вона набула значного розмаху. Від часу, коли індійці вперше використали алюмінієвий сплав для виробництва автомобільних колінчастих валів, і до першого масового виробництва Audi повністю алюмінієвих автомобілів у 1999 році, алюмінієвий сплав значно зростав у автомобільній промисловості завдяки таким його перевагам, як низька щільність, висока питома міцність і жорсткість, хороша еластичність і ударостійкість, висока можливість вторинної переробки і висока швидкість регенерації. До 2015 року частка застосування алюмінієвих сплавів в автомобілях вже перевищила 35%.
Полегшення автомобільної промисловості в Китаї почалося менше 10 років тому, і рівень технології та застосування відстає від таких розвинених країн, як Німеччина, Сполучені Штати та Японія. Однак із розвитком нових енергетичних транспортних засобів, полегшення матеріалу швидко прогресує. Завдяки поширенню нових транспортних засобів з енергією, китайська технологія полегшення автомобільної промисловості демонструє тенденцію наздоганяти розвинені країни.
Китайський ринок легких матеріалів величезний. З одного боку, порівняно з розвиненими країнами за кордоном, технологія полегшення в Китаї почалася пізно, і загальна споряджена вага автомобіля більша. Враховуючи еталон пропорції легких матеріалів у зарубіжних країнах, у Китаї все ще є достатньо можливостей для розвитку. З іншого боку, завдяки політиці швидкий розвиток китайської індустрії нових енергетичних транспортних засобів підвищить попит на легкі матеріали та спонукатиме автомобільні компанії переходити до полегшення.
Удосконалення стандартів викидів і споживання палива змушує прискорити полегшення автомобілів. У 2020 році Китай повністю запровадив стандарти викидів China VI. Згідно з «Методом оцінки та показниками споживання палива легковими автомобілями» та «Дорожньою картою енергозбереження та нових технологій транспортних засобів», стандарт споживання палива становить 5,0 л/км. Беручи до уваги обмежений простір для значних проривів у технології двигунів і скорочення викидів, прийняття заходів щодо полегшених автомобільних компонентів може ефективно зменшити викиди транспортних засобів і споживання палива. Полегшення транспортних засобів з новою енергією стало важливим шляхом для розвитку галузі.
У 2016 році Товариство автомобілебудування Китаю опублікувало «Дорожню карту енергозбереження та нових енергетичних технологій транспортних засобів», у якій заплановано такі фактори, як споживання енергії, запас ходу та виробничі матеріали для нових транспортних засобів на енергії з 2020 по 2030 рік. Зменшення ваги буде ключовим напрямком для майбутнього розвитку транспортних засобів з новою енергією. Зменшення ваги може збільшити дальність польоту та усунути «занепокоєння щодо дальності» в транспортних засобах з новою енергією. Зі збільшенням попиту на збільшений запас ходу автомобільне полегшення стає актуальним, і продажі нових енерготранспортних засобів за останні роки значно зросли. Згідно з вимогами системи оцінок і «Середньо-довгострокового плану розвитку автомобільної промисловості», за оцінками, до 2025 року продажі нових транспортних засобів на енергії в Китаї перевищать 6 мільйонів одиниць із щорічним зростанням. показник перевищує 38%.
2. Характеристики та застосування алюмінієвого сплаву
2.1 Характеристики алюмінієвого сплаву
Щільність алюмінію становить одну третину щільності сталі, що робить його легшим. Він має вищу питому міцність, хорошу здатність до екструзії, сильну стійкість до корозії та високу можливість переробки. Алюмінієві сплави характеризуються тим, що в основному складаються з магнію, виявляють гарну термостійкість, хороші зварювальні властивості, гарну втомну міцність, нездатність зміцнюватися термічною обробкою та здатність підвищувати міцність шляхом холодної обробки. Серія 6 характеризується тим, що в основному складається з магнію та кремнію, з Mg2Si як основною фазою зміцнення. Найбільш широко використовуваними сплавами в цій категорії є 6063, 6061 і 6005A. Алюмінієва пластина 5052 — це алюмінієва пластина серії AL-Mg, основним легуючим елементом якої є магній. Це найбільш широко використовуваний антикорозійний алюмінієвий сплав. Цей сплав має високу міцність, високу втомну міцність, добру пластичність і стійкість до корозії, не може бути зміцнений термічною обробкою, має добру пластичність при напівхолодному зміцненні, низьку пластичність при холодному зміцненні, хорошу корозійну стійкість і хороші зварювальні властивості. В основному використовується для таких компонентів, як бічні панелі, кришки даху та дверні панелі. Алюмінієвий сплав 6063 — це термооброблений зміцнюючий сплав серії AL-Mg-Si, основними легуючими елементами якого є магній і кремній. Це термооброблений зміцнюючий профіль із алюмінієвого сплаву середньої міцності, який в основному використовується в конструктивних компонентах, таких як колони та бічні панелі, для забезпечення міцності. Вступ до марок алюмінієвих сплавів наведено в таблиці 1.
2.2 Екструзія є важливим методом формування алюмінієвого сплаву
Екструзія алюмінієвого сплаву — це метод гарячого формування, і весь виробничий процес передбачає формування алюмінієвого сплаву під тристоронньою напругою стиску. Весь виробничий процес можна описати так: a. Алюміній та інші сплави плавлять і відливають у необхідні заготовки з алюмінієвих сплавів; b. Попередньо нагріті заготовки поміщаються в екструзійне обладнання для екструзії. Під дією головного циліндра заготовка з алюмінієвого сплаву формується в необхідні профілі через порожнину прес-форми; в. Для поліпшення механічних властивостей алюмінієвих профілів під час або після екструзії проводиться обробка розчином з подальшою обробкою старінням. Механічні властивості після старіння змінюються залежно від різних матеріалів і режимів старіння. Статус термічної обробки коробчатих профілів вантажних автомобілів наведено в таблиці 2.
Екструдовані вироби з алюмінієвого сплаву мають ряд переваг перед іншими методами формування:
a. Під час екструзії екструдований метал отримує більш сильну та рівномірну тристоронню напругу стиску в зоні деформації, ніж прокатка та кування, тому він може повністю відтворити пластичність обробленого металу. Його можна використовувати для обробки металів, які важко деформувати, які не піддаються обробці прокаткою або куванням, а також для виготовлення різних складних порожнистих або суцільних деталей поперечного перерізу.
b. Оскільки геометрія алюмінієвих профілів може бути різноманітною, їхні компоненти мають високу жорсткість, що може підвищити жорсткість кузова транспортного засобу, знизити його характеристики NVH та покращити характеристики динамічного контролю автомобіля.
в. Вироби з ефективністю екструзії після загартування і старіння мають значно вищу поздовжню міцність (R, Raz), ніж вироби, оброблені іншими методами.
d. Поверхня виробів після екструзії має гарний колір і хорошу стійкість до корозії, що усуває потребу в іншій антикорозійній обробці поверхні.
д. Екструзійна обробка має велику гнучкість, низькі витрати на інструменти та прес-форми та низькі витрати на зміну конструкції.
f. Завдяки керованості поперечних перерізів алюмінієвих профілів можна збільшити ступінь інтеграції компонентів, зменшити кількість компонентів, а різні конструкції поперечних перерізів можуть досягти точного позиціонування зварювання.
Порівняння продуктивності між екструдованим алюмінієвим профілем для коробчатих вантажівок і простою вуглецевою сталлю показано в таблиці 3.
Наступний напрямок розвитку профілів з алюмінієвих сплавів для коробчатих вантажівок: подальше покращення міцності профілю та підвищення ефективності екструзії. Напрямок дослідження нових матеріалів для профілів з алюмінієвих сплавів для кузовних вантажівок показано на рис. 1.
3. Конструкція коробки вантажівки з алюмінієвого сплаву, аналіз міцності та перевірка
3.1 Конструкція коробчатої вантажівки з алюмінієвого сплаву
Контейнер-вантажівка в основному складається з вузла передньої панелі, вузла лівої та правої бічних панелей, блоку бічної панелі задніх дверей, блоку підлоги, вузла даху, а також U-подібних болтів, бічних захисних щитків, задніх щитків, бризговиків та інших аксесуарів підключений до шасі другого класу. Поперечні балки кузова, стійки, бічні балки та дверні панелі виготовлені з екструдованих профілів з алюмінієвого сплаву, а панелі підлоги та даху виготовлені з плоских пластин з алюмінієвого сплаву 5052. Конструкція фургона з алюмінієвого сплаву показана на малюнку 2.
Використовуючи процес гарячої екструзії з алюмінієвого сплаву серії 6, можна сформувати складні порожнисті поперечні перерізи, конструкція алюмінієвих профілів зі складними поперечними перерізами може заощадити матеріали, відповідати вимогам міцності та жорсткості продукту та відповідати вимогам взаємного з’єднання між різні компоненти. Тому розрахункова конструкція головної балки та моменти інерції I та моменти опору W показані на малюнку 3.
Порівняння основних даних у таблиці 4 показує, що перерізні моменти інерції та моменти опору розрахованого алюмінієвого профілю кращі, ніж відповідні дані чавунного профілю балки. Дані коефіцієнта жорсткості приблизно такі ж, як і для відповідного профілю металевої балки, і всі відповідають вимогам до деформації.
3.2 Розрахунок максимального напруження
Взявши за об’єкт основний несучий компонент – поперечину – розраховується максимальне напруження. Номінальне навантаження становить 1,5 т, а поперечна балка виготовлена з профілю алюмінієвого сплаву 6063-T6 з механічними властивостями, як показано в таблиці 5. Балка спрощена як консольна конструкція для розрахунку сили, як показано на малюнку 4.
Для балки з прольотом 344 мм стискаюче навантаження на балку розраховується як F=3757 Н на основі 4,5 т, що в три рази перевищує стандартне статичне навантаження. q=F/L
де q – внутрішня напруга балки під навантаженням, Н/мм; F - навантаження, яке несе балка, розраховане виходячи з 3-кратного стандартного статичного навантаження, яке становить 4,5 т; L - довжина балки, мм.
Отже, внутрішня напруга q дорівнює:
Формула розрахунку напруги виглядає наступним чином:
Максимальний момент становить:
Прийнявши абсолютне значення моменту М=274283 Н·мм, максимальне напруження σ=M/(1,05×w)=18,78 МПа, а максимальне значення напруги σ<215 МПа, що відповідає вимогам.
3.3 Характеристики підключення різних компонентів
Алюмінієвий сплав має погані зварювальні властивості, а його міцність у точці зварювання становить лише 60% міцності основного матеріалу. Завдяки покриттю шаром Al2O3 на поверхні алюмінієвого сплаву температура плавлення Al2O3 є високою, тоді як температура плавлення алюмінію низька. Під час зварювання алюмінієвого сплаву Al2O3 на поверхні має бути швидко розбитий для виконання зварювання. У той же час залишок Al2O3 залишиться в розчині алюмінієвого сплаву, впливаючи на структуру алюмінієвого сплаву та знижуючи міцність точки зварювання алюмінієвого сплаву. Тому при проектуванні повністю алюмінієвого контейнера ці характеристики повністю враховуються. Зварювання є основним способом позиціонування, а основні несучі компоненти з’єднуються болтами. Такі з’єднання, як заклепки та структура «ластівчин хвіст», показані на малюнках 5 і 6.
Основна конструкція повністю алюмінієвого кузова має структуру з горизонтальними балками, вертикальними стійками, бічними балками та крайовими балками, з’єднаними між собою. Між кожною горизонтальною балкою та вертикальною опорою є чотири точки з’єднання. Точки з’єднання оснащені зубчастими прокладками, які з’єднуються з зубчастим краєм горизонтальної балки, ефективно запобігаючи ковзанню. Вісім кутових точок в основному з’єднані сталевими вставками серцевини, закріпленими болтами та самоблокуючими заклепками та посиленими 5-міліметровими трикутними алюмінієвими пластинами, привареними всередині коробки, для внутрішнього посилення кутових позицій. Зовнішній вигляд коробки не має зварювання або відкритих точок з'єднання, що забезпечує загальний вигляд коробки.
3.4 SE Synchronous Engineering Technology
Синхронна інженерна технологія SE використовується для вирішення проблем, викликаних великими накопиченими відхиленнями розмірів для узгоджених компонентів у корпусі коробки, а також труднощів у пошуку причин зазорів і нерівностей. За допомогою аналізу CAE (див. Малюнок 7-8) проводиться порівняльний аналіз із виготовленими із заліза коробчатими корпусами, щоб перевірити загальну міцність і жорсткість коробчатого корпусу, знайти слабкі місця та вжити заходів для ефективнішої оптимізації та вдосконалення схеми конструкції. .
4. Ефект полегшення вантажівки з коробкою з алюмінієвого сплаву
На додаток до коробчатого кузова, алюмінієві сплави можна використовувати для заміни сталі для різних компонентів коробчатих контейнерів вантажівок, таких як крила, задні захисні щитки, бічні захисні щитки, дверні засувки, дверні петлі та краї заднього фартуха, досягаючи зменшення ваги від 30% до 40% для вантажного відсіку. Ефект зменшення ваги для порожнього вантажного контейнера розміром 4080 мм × 2300 мм × 2200 мм показано в таблиці 6. Це принципово вирішує проблеми надмірної ваги, невідповідності оголошенням і нормативні ризики традиційних металевих вантажних відсіків.
Замінивши традиційну сталь алюмінієвими сплавами для автомобільних компонентів, можна не тільки досягти відмінного ефекту полегшення, але й сприяти економії палива, зменшенню викидів і покращенню продуктивності автомобіля. В даний час існують різні думки щодо внеску полегшення в економію палива. Результати досліджень Міжнародного інституту алюмінію показані на малюнку 9. Кожні 10% зменшення ваги автомобіля можуть зменшити споживання палива на 6-8%. Виходячи з вітчизняної статистики, зменшення маси кожного легкового автомобіля на 100 кг може знизити витрату палива на 0,4 л/100 км. Внесок полегшеної ваги в економію палива базується на результатах, отриманих різними методами дослідження, тому є певні відмінності. Однак полегшена вага автомобіля має значний вплив на зниження споживання палива.
Для електромобілів ефект полегшення ще більш виражений. В даний час питома щільність енергії акумуляторів електромобілів значно відрізняється від щільності традиційних транспортних засобів на рідкому паливі. Вага системи живлення (включно з акумулятором) електромобілів часто становить від 20% до 30% від загальної ваги автомобіля. Водночас подолати вузьке місце продуктивності акумуляторів є світовим викликом. До того як станеться значний прорив у технології високопродуктивних акумуляторів, зменшення ваги є ефективним способом покращити запас ходу електромобілів. На кожні 100 кг зменшення ваги запас ходу електромобілів можна збільшити на 6–11% (зв’язок між зменшенням ваги та запасом ходу показано на малюнку 10). Наразі запас ходу виключно електричних транспортних засобів не може задовольнити потреби більшості людей, але зменшення ваги на певну величину може значно покращити запас ходу, зменшивши хвилювання щодо дальності та покращивши досвід користувача.
5.Висновок
На додаток до повністю алюмінієвої конструкції фургона з алюмінієвого сплаву, представленого в цій статті, існують різні типи вантажівок з кузовом, наприклад алюмінієві стільникові панелі, алюмінієві пряжки, алюмінієві рами + алюмінієві обшивки та гібридні вантажні контейнери залізо-алюміній. . Вони мають такі переваги, як легка вага, висока питома міцність і хороша стійкість до корозії, і не потребують електрофоретичної фарби для захисту від корозії, зменшуючи вплив електрофоретичної фарби на навколишнє середовище. Вантажівка з алюмінієвого сплаву принципово вирішує проблеми надмірної ваги, невідповідності оголошенням і нормативні ризики традиційних вантажних відсіків із заліза.
Екструзія є важливим методом обробки алюмінієвих сплавів, а алюмінієві профілі мають чудові механічні властивості, тому жорсткість перерізу компонентів є відносно високою. Завдяки змінному поперечному перерізу алюмінієві сплави можуть поєднувати функції багатьох компонентів, що робить їх хорошим матеріалом для полегшення ваги автомобілів. Однак широке застосування алюмінієвих сплавів стикається з такими проблемами, як недостатня конструкція вантажних відсіків з алюмінієвого сплаву, проблеми формування та зварювання, а також високі витрати на розробку та просування нових продуктів. Основна причина все ще полягає в тому, що алюмінієвий сплав коштує дорожче, ніж сталь, поки екологія переробки алюмінієвих сплавів не стане зрілою.
Таким чином, сфера застосування алюмінієвих сплавів в автомобілях буде розширюватися, і їх використання буде продовжувати збільшуватися. У сучасних тенденціях енергозбереження, скорочення викидів і розвитку індустрії нових енергетичних транспортних засобів, з поглибленим розумінням властивостей алюмінієвих сплавів і ефективних рішень проблем застосування алюмінієвих сплавів, алюмінієві екструзійні матеріали будуть більш широко використовуватися в автомобільній легкій вазі.
Під редакцією May Jiang з MAT Aluminium
Час публікації: 12 січня 2024 р
