1. Вступ
Полегшення автомобілів розпочалося в розвинених країнах і спочатку його очолювали традиційні автомобільні гіганти. З постійним розвитком воно набуло значних обертів. З того часу, як індійці вперше використали алюмінієвий сплав для виробництва колінчастих валів автомобілів, до першого масового виробництва повністю алюмінієвих автомобілів Audi у 1999 році, алюмінієвий сплав демонструє стрімке зростання в автомобільній галузі завдяки своїм перевагам, таким як низька щільність, висока питома міцність і жорсткість, хороша еластичність і ударостійкість, висока придатність до переробки та високий коефіцієнт регенерації. До 2015 року частка застосування алюмінієвого сплаву в автомобілях вже перевищила 35%.
Полегшення автомобілів у Китаї розпочалося менше 10 років тому, і як технології, так і рівень застосування відстають від розвинених країн, таких як Німеччина, Сполучені Штати та Японія. Однак, з розвитком транспортних засобів на нових джерелах енергії, полегшення матеріалів стрімко прогресує. Використовуючи зростання популярності транспортних засобів на нових джерелах енергії, технологія полегшення автомобілів у Китаї демонструє тенденцію наздоганяти розвинені країни.
Ринок легких матеріалів у Китаї величезний. З одного боку, порівняно з розвиненими країнами, технологія полегшення в Китаї розпочалася пізно, а загальна споряджена маса автомобіля більша. Враховуючи показник частки легких матеріалів у зарубіжних країнах, у Китаї все ще є достатньо можливостей для розвитку. З іншого боку, завдяки політичним зусиллям, швидкий розвиток китайської автомобільної промисловості на нових джерелах енергії підвищить попит на легкі матеріали та спонукатиме автомобільні компанії переходити до полегшення.
Удосконалення стандартів викидів та споживання палива спонукає до прискорення полегшення автомобільної галузі. Китай повністю запровадив стандарти викидів China VI у 2020 році. Згідно з «Методом оцінки та показниками споживання палива легкових автомобілів» та «Дорожньою картою енергозбереження та технологій нових енергетичних транспортних засобів», стандарт споживання палива становить 5,0 л/км. Беручи до уваги обмежений простір для суттєвих проривів у технології двигунів та скороченні викидів, вжиття заходів щодо полегшення автомобільних компонентів може ефективно зменшити викиди транспортних засобів та споживання палива. Полегшення транспортних засобів на нових енергоносіях стало важливим шляхом розвитку галузі.
У 2016 році Китайське товариство автомобільної інженерії опублікувало «Дорожню карту енергозбереження та технологій транспортних засобів на нових джерелах енергії», в якій заплановано такі фактори, як споживання енергії, запас ходу та виробничі матеріали для транспортних засобів на нових джерелах енергії з 2020 по 2030 рік. Полегшення буде ключовим напрямком майбутнього розвитку транспортних засобів на нових джерелах енергії. Полегшення може збільшити запас ходу та вирішити проблему «тривоги щодо запасу ходу» транспортних засобів на нових джерелах енергії. Зі зростанням попиту на збільшений запас ходу, полегшення автомобілів стає нагальним, а продажі транспортних засобів на нових джерелах енергії значно зросли за останні роки. Згідно з вимогами системи оцінювання та «Середньострокового плану розвитку автомобільної промисловості», за оцінками, до 2025 року продажі транспортних засобів на нових джерелах енергії в Китаї перевищать 6 мільйонів одиниць, а сукупний річний темп зростання перевищить 38%.
2. Характеристики та застосування алюмінієвих сплавів
2.1 Характеристики алюмінієвого сплаву
Щільність алюмінію становить одну третину від щільності сталі, що робить його легшим. Він має вищу питому міцність, добру здатність до екструзії, високу стійкість до корозії та високу перероблюваність. Алюмінієві сплави характеризуються тим, що складаються переважно з магнію, демонструючи добру термостійкість, добрі зварювальні властивості, добру втомну міцність, нездатність до зміцнення термічною обробкою та здатність до збільшення міцності шляхом холодної обробки. Серія 6 характеризується тим, що складається переважно з магнію та кремнію, з Mg2Si як основною зміцнювальною фазою. Найбільш широко використовуваними сплавами в цій категорії є 6063, 6061 та 6005A. Алюмінієва плита 5052 - це алюмінієва плита серії AL-Mg, з магнієм як основним легуючим елементом. Це найпоширеніший антикорозійний алюмінієвий сплав. Цей сплав має високу міцність, високу втомну міцність, добру пластичність та корозійну стійкість, не зміцнюється термічною обробкою, має добру пластичність при напівхолодному наклепі, низьку пластичність при холодному наклепі, добру корозійну стійкість та добрі зварювальні властивості. Він в основному використовується для таких компонентів, як бічні панелі, кришки даху та дверні панелі. Алюмінієвий сплав 6063 – це термооброблюваний зміцнювальний сплав серії AL-Mg-Si, основними легуючими елементами якого є магній та кремній. Це термооброблюваний зміцнювальний профіль алюмінієвого сплаву середньої міцності, який в основному використовується в конструкційних 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 процес виробництва включає формування алюмінієвого сплаву під тристороннім стискаючим напруженням. Весь процес виробництва можна описати наступним чином: a. Алюміній та інші сплави плавляться та відливаються у необхідні заготовки з алюмінієвого сплаву; b. Попередньо нагріті заготовки поміщаються в екструзійне обладнання для екструзії. Під дією головного циліндра заготовка з алюмінієвого сплаву формується у необхідні профілі через порожнину форми; c. Для покращення механічних властивостей алюмінієвих профілів під час або після екструзії проводиться обробка на розчин, а потім старіння. Механічні властивості після старіння варіюються залежно від різних матеріалів та режимів старіння. Стан термічної обробки профілів вантажівок фургонного типу наведено в таблиці 2.
Екструдовані вироби з алюмінієвих сплавів мають ряд переваг перед іншими методами формування:
a. Під час екструзії екструдований метал отримує сильніше та рівномірніше тристороннє стискаюче напруження в зоні деформації, ніж під час прокатки та кування, тому він може повністю відтворити пластичність обробленого металу. Його можна використовувати для обробки важкодеформованих металів, які неможливо обробити прокатки або куванням, а також для виготовлення різних складних порожнистих або суцільних компонентів поперечного перерізу.
b. Оскільки геометрія алюмінієвих профілів може бути різноманітною, їхні компоненти мають високу жорсткість, що може покращити жорсткість кузова автомобіля, зменшити його характеристики шуму, випромінювання та покращити динамічні характеристики керування автомобілем.
c. Вироби з ефективністю екструзії після гартування та старіння мають значно вищу поздовжню міцність (R, Raz), ніж вироби, оброблені іншими методами.
d. Поверхня виробів після екструзії має гарний колір та добру корозійну стійкість, що усуває необхідність в іншій антикорозійній обробці поверхні.
e. Екструзійна обробка має велику гнучкість, низькі витрати на оснащення та прес-форми, а також низькі витрати на зміну конструкції.
f. Завдяки керованості поперечних перерізів алюмінієвих профілів можна збільшити ступінь інтеграції компонентів, зменшити їх кількість, а різні конструкції поперечного перерізу можуть досягти точного позиціонування зварювання.
Порівняння характеристик екструдованих алюмінієвих профілів для фургонів та звичайної вуглецевої сталі наведено в таблиці 3.
Наступний напрямок розвитку профілів з алюмінієвих сплавів для фургонів вантажівок: Подальше підвищення міцності профілю та підвищення екструзійних характеристик. Напрямок дослідження нових матеріалів для профілів з алюмінієвих сплавів для фургонів вантажівок показано на рисунку 1.
3. Конструкція фургона з алюмінієвого сплаву, аналіз міцності та перевірка
3.1 Конструкція фургона з алюмінієвого сплаву
Контейнер фургона в основному складається з передньої панелі, лівої та правої бічних панелей, бічної панелі задніх дверей, підлоги, даху, а також U-подібних болтів, бічних захисних кожухів, задніх захисних кожухів, бризковиків та інших аксесуарів, з'єднаних з шасі другого класу. Поперечні балки, стійки, бічні балки та дверні панелі кузова фургона 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 рисунку 2.
Використання процесу гарячого екструзії з алюмінієвого сплаву 6-ї серії дозволяє формувати складні порожнисті поперечні перерізи. Конструкція алюмінієвих профілів зі складними поперечними перерізами дозволяє економити матеріали, відповідати вимогам міцності та жорсткості виробу, а також вимогам взаємного з'єднання між різними компонентами. Таким чином, конструкція головної балки, моменти інерції перерізу I та моменти опору W показано на рисунку 3.
Порівняння основних даних у таблиці 4 показує, що моменти інерції перерізу та моменти опору розробленого алюмінієвого профілю кращі, ніж відповідні дані для залізного балкового профілю. Дані коефіцієнта жорсткості приблизно такі ж, як і для відповідного залізного балкового профілю, і всі вони відповідають вимогам щодо деформації.
3.2 Розрахунок максимального напруження
Взявши за об'єкт ключовий несучий компонент – поперечну балку, розраховується максимальне напруження. Номінальне навантаження становить 1,5 т, а поперечна балка виготовлена з профілю з алюмінієвого сплаву 6063-T6 з механічними властивостями, як показано в таблиці 5. Балка спрощена як консольна конструкція для розрахунку сили, як показано на рисунку 4.
Взявши балку прольотом 344 мм, стискаюче навантаження на балку розраховується як F=3757 Н на основі 4,5 т, що втричі перевищує стандартне статичне навантаження. q=F/L
де q – внутрішнє напруження балки під навантаженням, Н/мм2; F – навантаження, що несе балка, розраховане на основі помноженого на 3 стандартного статичного навантаження, яке становить 4,5 т; L – довжина балки, мм.
Отже, внутрішнє напруження q дорівнює:
Формула розрахунку напруження така:
Максимальний момент становить:
Взявши абсолютне значення моменту M=274283 Н·мм, максимальне напруження σ=M/(1,05×w)=18,78 МПа та максимальне значення напруження σ<215 МПа, що відповідає вимогам.
3.3 Характеристики з'єднання різних компонентів
Алюмінієвий сплав має погані зварювальні властивості, а міцність його зварювальної точки становить лише 60% від міцності основного матеріалу. Через покриття шаром Al2O3 на поверхні алюмінієвого сплаву температура плавлення Al2O3 висока, тоді як температура плавлення алюмінію низька. Під час зварювання алюмінієвого сплаву Al2O3 на поверхні необхідно швидко розщепити для проведення зварювання. Водночас залишки Al2O3 залишатимуться в розчині алюмінієвого сплаву, впливаючи на структуру алюмінієвого сплаву та зменшуючи міцність зварювальної точки алюмінієвого сплаву. Тому під час проектування повністю алюмінієвого контейнера ці характеристики повністю враховуються. Зварювання є основним методом позиціонування, а основні несучі компоненти з'єднуються болтами. Такі з'єднання, як заклепки та конструкція «ластівчин хвіст», показані на рисунках 5 та 6.
Основна конструкція повністю алюмінієвого корпусу коробки має структуру з горизонтальними балками, вертикальними стійками, бічними балками та крайовими балками, що з'єднуються одна з одною. Між кожною горизонтальною балкою та вертикальною стійкою є чотири точки з'єднання. Точки з'єднання оснащені зубчастими прокладками для зчеплення із зубчастим краєм горизонтальної балки, ефективно запобігаючи ковзанню. Вісім кутових точок в основному з'єднані сталевими вставками-сердечниками, закріпленими болтами та самоблокуючими заклепками, та посиленими 5-міліметровими трикутними алюмінієвими пластинами, привареними всередині коробки для зміцнення кутових положень всередині. Зовнішній вигляд коробки не має зварювання або відкритих точок з'єднання, що забезпечує загальний вигляд коробки.
3.4 SE Синхронна інженерна технологія
Технологія синхронного проектування SE використовується для вирішення проблем, спричинених великими накопиченими відхиленнями розмірів для відповідних компонентів у корпусі коробки, а також труднощами у пошуку причин зазорів та порушень площинності. За допомогою CAE-аналізу (див. Рисунок 7-8) проводиться порівняльний аналіз з чавунними корпусами коробки, щоб перевірити загальну міцність та жорсткість корпусу коробки, знайти слабкі місця та вжити заходів для більш ефективної оптимізації та вдосконалення схеми проектування.
4. Полегшення впливу вантажівки з алюмінієвого сплаву
Окрім кузова фургона, алюмінієві сплави можуть бути використані для заміни сталі для різних компонентів контейнерів фургонного типу, таких як бризковики, задні захисні щитки, бічні захисні щитки, дверні засувки, дверні петлі та краї заднього фартуха, що дозволяє знизити вагу вантажного відсіку на 30-40%. Ефект зниження ваги порожнього вантажного контейнера розміром 4080 мм × 2300 мм × 2200 мм показано в таблиці 6. Це принципово вирішує проблеми надмірної ваги, невідповідності оголошенням та регуляторних ризиків традиційних вантажних відсіків із заліза.
Заміна традиційної сталі алюмінієвими сплавами для автомобільних компонентів не тільки дозволяє досягти чудових результатів полегшення, але й сприяє економії палива, зменшенню викидів та покращенню характеристик транспортного засобу. Наразі існують різні думки щодо внеску полегшення в економію палива. Результати досліджень Міжнародного інституту алюмінію показані на рисунку 9. Кожні 10% зменшення ваги транспортного засобу можуть зменшити витрату палива на 6-8%. Згідно з вітчизняною статистикою, зменшення ваги кожного легкового автомобіля на 100 кг може зменшити витрату палива на 0,4 л/100 км. Внесок полегшення в економію палива базується на результатах, отриманих за допомогою різних методів дослідження, тому існують певні відмінності. Однак полегшення автомобілів має значний вплив на зниження витрати палива.
Для електромобілів ефект полегшення ще більш виражений. Наразі питома енергетична щільність акумуляторів електромобілів значно відрізняється від щільності традиційних автомобілів на рідкому паливі. Вага системи живлення (включаючи акумулятор) електромобілів часто становить від 20% до 30% від загальної ваги автомобіля. Водночас, подолання проблеми з продуктивністю акумуляторів є глобальною проблемою. Перш ніж відбудеться значний прорив у технології високопродуктивних акумуляторів, полегшення є ефективним способом покращення запасу ходу електромобілів. На кожні 100 кг зменшення ваги запас ходу електромобілів може бути збільшений на 6%-11% (співвідношення між зменшенням ваги та запасом ходу показано на рисунку 10). Наразі запас ходу чисто електромобілів не може задовольнити потреби більшості людей, але зменшення ваги на певну величину може значно покращити запас ходу, зменшивши тривогу щодо запасу ходу та покращивши враження користувача.
5. Висновок
Окрім повністю алюмінієвої конструкції фургона з алюмінієвого сплаву, представленої в цій статті, існують різні типи фургонів, такі як алюмінієві стільникові панелі, алюмінієві пластини з пряжками, алюмінієві рами + алюмінієві обшивки та гібридні вантажні контейнери з заліза та алюмінію. Вони мають переваги легкої ваги, високої питомої міцності та хорошої корозійної стійкості, а також не потребують електрофоретичного фарбування для захисту від корозії, що зменшує вплив електрофоретичної фарби на навколишнє середовище. Фургон з алюмінієвого сплаву принципово вирішує проблеми надмірної ваги, невідповідності оголошенням та регуляторних ризиків 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 досягати поєднання функцій кількох компонентів, що робить їх хорошим матеріалом для полегшення автомобілів. Однак широке застосування алюмінієвих сплавів стикається з такими проблемами, як недостатні можливості проектування вантажних відсіків з алюмінієвих сплавів, проблеми формування та зварювання, а також високі витрати на розробку та просування нових продуктів. Основною причиною залишається те, що алюмінієві сплави коштують дорожче, ніж сталь, поки екологія переробки алюмінієвих сплавів не стане зрілою.
На завершення, сфера застосування алюмінієвих сплавів в автомобілях розширюватиметься, а їх використання продовжуватиме зростати. З огляду на сучасні тенденції енергозбереження, скорочення викидів та розвитку автомобільної промисловості на нових джерелах енергії, з поглибленим розумінням властивостей алюмінієвих сплавів та ефективними рішеннями проблем їх застосування, екструзійні алюмінієві матеріали будуть ширше використовуватися для полегшення конструкції автомобілів.
Під редакцією Мей Цзян з MAT Aluminum
Час публікації: 12 січня 2024 р.
