1. Въведение
Олекотяването на автомобилната индустрия започва в развитите страни и първоначално е водено от традиционните автомобилни гиганти. С непрекъснатото си развитие то набира значителен импулс. От времето, когато индийците за първи път използват алуминиева сплав за производството на автомобилни колянови валове, до първото масово производство на изцяло алуминиеви автомобили от Audi през 1999 г., алуминиевата сплав отбелязва стабилен растеж в автомобилните приложения благодарение на своите предимства като ниска плътност, висока специфична якост и твърдост, добра еластичност и устойчивост на удар, висока рециклируемост и висок процент на регенерация. До 2015 г. делът на приложение на алуминиева сплав в автомобилите вече е надхвърлил 35%.
Олекотяването на автомобилната индустрия в Китай започна преди по-малко от 10 години и както технологиите, така и нивото на приложение изостават от развити страни като Германия, САЩ и Япония. Въпреки това, с развитието на превозни средства с нова енергия, олекотяването на материалите напредва бързо. Възползвайки се от възхода на превозните средства с нова енергия, технологията за олекотяване на автомобилната индустрия в Китай показва тенденция да догонва развитите страни.
Пазарът на леки материали в Китай е огромен. От една страна, в сравнение с развитите страни в чужбина, технологиите за олекотяване в Китай са започнали късно и общото тегло на превозните средства е по-голямо. Като се има предвид делът на леките материали в чужбина, все още има достатъчно място за развитие в Китай. От друга страна, водено от политики, бързото развитие на китайската индустрия за превозни средства с нови енергийни източници ще увеличи търсенето на леки материали и ще насърчи автомобилните компании да се насочат към олекотяване.
Подобряването на стандартите за емисии и разход на гориво налага ускоряване на олекотяването на автомобилите. Китай напълно въведе стандартите за емисии China VI през 2020 г. Според „Метод за оценка и показатели за разход на гориво на леки автомобили“ и „Пътна карта за енергоспестяване и технологии за превозни средства с нова енергия“, стандартът за разход на гориво е 5,0 л/км. Като се има предвид ограниченото пространство за съществени пробиви в технологията на двигателите и намаляването на емисиите, приемането на мерки за олекотяване на автомобилните компоненти може ефективно да намали емисиите на превозните средства и разхода на гориво. Олекотяването на превозните средства с нова енергия се превърна в съществен път за развитието на индустрията.
През 2016 г. Китайското дружество за автомобилно инженерство публикува „Пътна карта за енергоспестяване и технологии за превозни средства с нова енергия“, която планира фактори като консумация на енергия, пробег и производствени материали за превозни средства с нова енергия от 2020 до 2030 г. Олекотяването ще бъде ключова насока за бъдещото развитие на превозните средства с нова енергия. Олекотяването може да увеличи пробега и да се справи с „тревожността относно пробега“ при превозните средства с нова енергия. С нарастващото търсене на удължен пробег, олекотяването на автомобилите става неотложно, а продажбите на превозни средства с нова енергия нараснаха значително през последните години. Според изискванията на системата за оценяване и „Средносрочния до дългосрочен план за развитие на автомобилната индустрия“ се очаква до 2025 г. продажбите на превозни средства с нова енергия в Китай да надхвърлят 6 милиона бройки, със сложен годишен темп на растеж над 38%.
2. Характеристики и приложения на алуминиевите сплави
2.1 Характеристики на алуминиевата сплав
Плътността на алуминия е една трета от тази на стоманата, което го прави по-лек. Той има по-висока специфична якост, добра способност за екструдиране, силна устойчивост на корозия и висока рециклируемост. Алуминиевите сплави се характеризират с това, че са съставени предимно от магнезий, проявяват добра топлоустойчивост, добри заваръчни свойства, добра якост на умора, невъзможност за укрепване чрез термична обработка и способност за увеличаване на якостта чрез студена обработка. Серията 6 се характеризира с това, че е съставена предимно от магнезий и силиций, като Mg2Si е основната укрепваща фаза. Най-широко използваните сплави в тази категория са 6063, 6061 и 6005A. Алуминиевата плоча 5052 е алуминиева плоча от серията AL-Mg, като магнезий е основният легиращ елемент. Това е най-широко използваната алуминиева сплав против ръжда. Тази сплав има висока якост, висока якост на умора, добра пластичност и устойчивост на корозия, не може да се укрепва чрез термична обработка, има добра пластичност при полустудено закаляване, ниска пластичност при студено закаляване, добра устойчивост на корозия и добри заваръчни свойства. Използва се главно за компоненти като странични панели, капаци на покрива и панели на вратите. Алуминиевата сплав 6063 е термообработваема укрепваща сплав от серията AL-Mg-Si, с магнезий и силиций като основни легиращи елементи. Това е термообработваем укрепващ профил от алуминиева сплав със средна якост, използван главно в структурни компоненти като колони и странични панели за носене на якост. Въведение в марките алуминиеви сплави е показано в Таблица 1.
2.2 Екструдирането е важен метод за формоване на алуминиева сплав
Екструдирането на алуминиеви сплави е метод за горещо формоване, като целият производствен процес включва формоване на алуминиева сплав под тристранно напрежение на натиск. Целият производствен процес може да бъде описан по следния начин: а. Алуминият и други сплави се стопяват и отливат в необходимите заготовки от алуминиева сплав; б. Предварително загрятите заготовки се поставят в екструдиращото оборудване за екструдиране. Под действието на главния цилиндър, заготовката от алуминиева сплав се оформя в необходимите профили през кухината на матрицата; в. За да се подобрят механичните свойства на алуминиевите профили, се извършва обработка с разтвор по време на или след екструдиране, последвана от обработка със стареене. Механичните свойства след обработка със стареене варират в зависимост от различните материали и режими на стареене. Състоянието на термичната обработка на профилите на товарни автомобили тип кутия е показано в Таблица 2.
Екструдираните продукти от алуминиеви сплави имат няколко предимства пред другите методи на формоване:
А. По време на екструдирането, екструдираният метал получава по-силно и по-равномерно тристранно компресионно напрежение в зоната на деформация, отколкото при валцоване и коване, така че може напълно да възпроизведе пластичността на обработения метал. Може да се използва за обработка на трудно деформируеми метали, които не могат да бъдат обработени чрез валцоване или коване, и може да се използва за направата на различни сложни кухи или плътни компоненти с напречно сечение.
б. Тъй като геометрията на алуминиевите профили може да бъде разнообразна, техните компоненти имат висока твърдост, което може да подобри твърдостта на каросерията на превозното средство, да намали неговите NVH характеристики и да подобри характеристиките на динамичния контрол на превозното средство.
в. Продуктите с ефективност на екструдиране, след закаляване и стареене, имат значително по-висока надлъжна якост (R, Raz) от продуктите, обработени по други методи.
г. Повърхността на продуктите след екструдиране има добър цвят и добра устойчивост на корозия, което елиминира необходимостта от друга антикорозионна повърхностна обработка.
д. Екструзионната обработка има голяма гъвкавост, ниски разходи за инструменти и матрици, както и ниски разходи за промяна на дизайна.
f. Благодарение на контролируемостта на напречните сечения на алуминиевите профили, степента на интеграция на компонентите може да се увеличи, броят на компонентите може да се намали, а различните конструкции на напречното сечение могат да постигнат прецизно позициониране на заваряване.
Сравнението на производителността между екструдирани алуминиеви профили за товарни автомобили и обикновена въглеродна стомана е показано в Таблица 3.
Следваща насока за развитие на профили от алуминиеви сплави за товарни автомобили: По-нататъшно подобряване на здравината на профила и подобряване на екструдирането. Насоката за изследване на нови материали за профили от алуминиеви сплави за товарни автомобили е показана на Фигура 1.
3. Структура, анализ на якостта и проверка на камион от алуминиева сплав
3.1 Структура на камион от алуминиева сплав
Контейнерът на камиона-фургон се състои основно от преден панел, ляв и десен страничен панел, страничен панел на задната врата, под, покривен панел, както и U-образни болтове, странични предпазители, задни предпазители, калници и други аксесоари, свързани с шасито от втори клас. Напречните греди, колоните, страничните греди и панелите на вратите на каросерията са изработени от екструдирани профили от алуминиева сплав, докато подовите и покривните панели са изработени от плоски плочи от алуминиева сплав 5052. Структурата на камиона-фургон е показана на Фигура 2.
Използвайки процеса на горещо екструдиране на алуминиева сплав от серия 6, могат да се образуват сложни кухи напречни сечения. Конструкцията на алуминиеви профили със сложни напречни сечения може да спести материали, да отговори на изискванията за здравина и твърдост на продукта и да отговори на изискванията за взаимна връзка между различните компоненти. Следователно, конструкцията на основната греда и моментите на инерция I и съпротивителните моменти W на сечението са показани на Фигура 3.
Сравнението на основните данни в Таблица 4 показва, че моментите на инерция на сечението и съпротивителните моменти на проектирания алуминиев профил са по-добри от съответните данни на чугунения профил на гредата. Данните за коефициента на коравина са приблизително същите като тези на съответния чугунен профил на гредата и всички отговарят на изискванията за деформация.
3.2 Изчисляване на максимално напрежение
Като се вземе за обект ключовият носещ компонент, напречната греда, се изчислява максималното напрежение. Номиналното натоварване е 1,5 t, а напречната греда е изработена от профил от алуминиева сплав 6063-T6 с механични свойства, показани в Таблица 5. Гредата е опростена като конзолна конструкция за изчисляване на силата, както е показано на Фигура 4.
Вземайки греда с размах 344 мм, компресивното натоварване върху гредата се изчислява като F=3757 N на базата на 4,5 t, което е три пъти стандартното статично натоварване. q=F/L
където q е вътрешното напрежение на гредата под товара, N/mm; F е натоварването, понесено от гредата, изчислено на базата на 3 пъти стандартното статично натоварване, което е 4,5 t; L е дължината на гредата, mm.
Следователно, вътрешното напрежение q е:
Формулата за изчисляване на напрежението е следната:
Максималният момент е:
Вземайки абсолютната стойност на момента, M=274283 N·mm, максималното напрежение σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa и максималната стойност на напрежението σ<215 MPa, което отговаря на изискванията.
3.3 Характеристики на свързването на различни компоненти
Алуминиевата сплав има лоши заваръчни свойства, а якостта на заваръчния ѝ шрам е само 60% от якостта на основния материал. Поради покритието от слой Al2O3 върху повърхността на алуминиевата сплав, точката на топене на Al2O3 е висока, докато точката на топене на алуминия е ниска. Когато алуминиевата сплав се заварява, Al2O3 на повърхността трябва бързо да се разруши, за да се извърши заваряване. В същото време, остатъкът от Al2O3 ще остане в разтвора на алуминиевата сплав, което ще повлияе на структурата на алуминиевата сплав и ще намали якостта на заваръчния шрам. Следователно, при проектирането на изцяло алуминиев контейнер, тези характеристики се вземат предвид изцяло. Заваряването е основният метод на позициониране, а основните носещи компоненти се свързват с болтове. Връзки като нитове и структура тип „лястовича опашка“ са показани на фигури 5 и 6.
Основната конструкция на изцяло алуминиевия корпус на кутията е с хоризонтални греди, вертикални колони, странични греди и крайни греди, които са свързани помежду си. Има четири точки на свързване между всяка хоризонтална греда и вертикална колона. Точките на свързване са снабдени с назъбени уплътнения, които се зацепват с назъбения ръб на хоризонталната греда, като ефективно предотвратяват плъзгането. Осемте ъглови точки са свързани главно чрез стоманени вложки, закрепени с болтове и самозаключващи се нитове, и подсилени с 5 мм триъгълни алуминиеви плочи, заварени вътре в кутията, за да се укрепят ъглите отвътре. Външният вид на кутията е без заварки или открити точки на свързване, което гарантира цялостния ѝ вид.
3.4 SE Синхронна инженерна технология
Синхронната инженерна технология SE се използва за решаване на проблеми, причинени от големи натрупани отклонения в размерите на съвпадащите компоненти в кутията на корпуса и трудностите при намиране на причините за хлабини и повреди по плоскост. Чрез CAE анализ (виж Фигура 7-8) се провежда сравнителен анализ с кутии на корпуси, изработени от чугун, за да се провери общата здравина и твърдост на кутията, да се открият слаби места и да се предприемат мерки за по-ефективно оптимизиране и подобряване на конструктивната схема.
4. Ефект на олекотяване на камиона от алуминиева сплав
В допълнение към каросерията на камиона, алуминиевите сплави могат да се използват за заместване на стоманата за различни компоненти на контейнери тип „кутия“, като калници, задни предпазители, странични предпазители, ключалки на врати, панти на вратите и ръбове на задната престилка, постигайки намаляване на теглото от 30% до 40% за товарното отделение. Ефектът от намаляване на теглото за празен товарен контейнер с размери 4080 мм × 2300 мм × 2200 мм е показан в Таблица 6. Това решава фундаментално проблемите с прекомерното тегло, несъответствието с обявленията и регулаторните рискове на традиционните товарни отделения, изработени от желязо.
Чрез замяната на традиционната стомана с алуминиеви сплави за автомобилните компоненти, не само могат да се постигнат отлични ефекти на олекотяване, но и могат да допринесат за икономия на гориво, намаляване на емисиите и подобряване на производителността на превозното средство. В момента съществуват различни мнения относно приноса на олекотяването към икономията на гориво. Резултатите от изследванията на Международния институт по алуминий са показани на Фигура 9. Всяко 10% намаление на теглото на превозното средство може да намали разхода на гориво с 6% до 8%. Въз основа на местната статистика, намаляването на теглото на всеки лек автомобил със 100 кг може да намали разхода на гориво с 0,4 л/100 км. Приносът на олекотяването към икономията на гориво се основава на резултати, получени от различни изследователски методи, така че има известни вариации. Олекотяването на автомобилите обаче има значително влияние върху намаляването на разхода на гориво.
При електрическите превозни средства ефектът на олекотяване е още по-изразен. В момента енергийната плътност на батериите на електрическите превозни средства е значително различна от тази на традиционните превозни средства с течно гориво. Теглото на захранващата система (включително батерията) на електрическите превозни средства често представлява 20% до 30% от общото тегло на превозното средство. Едновременно с това, преодоляването на ограниченията в производителността на батериите е предизвикателство в световен мащаб. Преди да има голям пробив в технологията за високоефективни батерии, олекотяването е ефективен начин за подобряване на пробега на електрическите превозни средства. За всеки 100 кг намаление на теглото, пробегът на електрическите превозни средства може да се увеличи с 6% до 11% (връзката между намаляването на теглото и пробега е показана на Фигура 10). В момента пробегът на чисто електрическите превозни средства не може да отговори на нуждите на повечето хора, но намаляването на теглото с определено количество може значително да подобри пробега, облекчавайки страха от пробег и подобрявайки потребителското изживяване.
5. Заключение
В допълнение към изцяло алуминиевата конструкция на камиона с фургон от алуминиева сплав, представена в тази статия, съществуват различни видове камиони с фургон, като например алуминиеви панели тип „пчелна пита“, алуминиеви катарами, алуминиеви рамки + алуминиеви обшивки и хибридни товарни контейнери от желязо и алуминий. Те имат предимствата на леко тегло, висока специфична якост и добра устойчивост на корозия и не изискват електрофоретична боя за защита от корозия, намалявайки въздействието ѝ върху околната среда. Камионът с фургон от алуминиева сплав решава фундаментално проблемите с прекомерното тегло, несъответствието с изискванията и регулаторните рискове, свързани с традиционните товарни отделения от желязо.
Екструдирането е основен метод за обработка на алуминиеви сплави, а алуминиевите профили имат отлични механични свойства, така че твърдостта на сечението на компонентите е сравнително висока. Благодарение на променливото напречно сечение, алуминиевите сплави могат да постигнат комбинация от множество компонентни функции, което ги прави добър материал за олекотяване на автомобили. Широкото приложение на алуминиеви сплави обаче е изправено пред предизвикателства, като недостатъчни възможности за проектиране на товарни отделения от алуминиеви сплави, проблеми с формоването и заваряването, както и високи разходи за разработване и популяризиране на нови продукти. Основната причина все още е, че алуминиевите сплави струват повече от стоманата, преди екологията на рециклиране на алуминиеви сплави да узрее.
В заключение, обхватът на приложение на алуминиевите сплави в автомобилите ще се разшири и употребата им ще продължи да се увеличава. В настоящите тенденции за пестене на енергия, намаляване на емисиите и развитие на индустрията за нови енергийни превозни средства, с задълбочаващото се разбиране на свойствата на алуминиевите сплави и ефективните решения на проблемите с приложението им, алуминиевите екструдирани материали ще намерят по-широко приложение в олекотяването на автомобилите.
Редактирано от Мей Джианг от MAT Aluminum
Време на публикуване: 12 януари 2024 г.
