1.Въведение
Олекотяването на автомобилите започна в развитите страни и първоначално беше водено от традиционните автомобилни гиганти. С непрекъснато развитие тя придоби значителна скорост. От времето, когато индийците за първи път използваха алуминиева сплав за производство на автомобилни колянови валове до първото масово производство на Audi на изцяло алуминиеви автомобили през 1999 г., алуминиевата сплав отбеляза стабилен растеж в автомобилните приложения поради своите предимства като ниска плътност, висока специфична якост и твърдост, добра еластичност и устойчивост на удар, висока рециклируемост и висока степен на регенерация. До 2015 г. делът на приложение на алуминиеви сплави в автомобилите вече е надхвърлил 35%.
Олекотяването на автомобилите в Китай започна преди по-малко от 10 години и както технологията, така и нивото на приложение изостават от развитите страни като Германия, Съединените щати и Япония. Въпреки това, с развитието на нови енергийни превозни средства, олекотяването на материалите напредва бързо. Използвайки възхода на нови енергийни превозни средства, китайската технология за олекотяване на автомобилите показва тенденция на догонване на развитите страни.
Пазарът на леки материали в Китай е огромен. От една страна, в сравнение с развитите страни в чужбина, китайската технология за олекотяване започна късно и общото тегло на превозното средство е по-голямо. Като се има предвид еталонът на съотношението на леките материали в чужди страни, все още има достатъчно място за развитие в Китай. От друга страна, водено от политики, бързото развитие на китайската индустрия за нови енергийни превозни средства ще повиши търсенето на леки материали и ще насърчи автомобилните компании да преминат към леки автомобили.
Подобряването на стандартите за емисиите и разхода на гориво налага ускоряване на олекотяването на автомобилите. Китай приложи изцяло стандартите за емисии China VI през 2020 г. Съгласно „Метод за оценка и показатели за разхода на гориво на пътнически автомобили“ и „Пътна карта за пестене на енергия и нова енергийна технология за превозни средства“, стандартът за разход на гориво от 5,0 L/km. Като се има предвид ограниченото пространство за значителни пробиви в технологията на двигателите и намаляването на емисиите, приемането на мерки за леки автомобилни компоненти може ефективно да намали емисиите от превозните средства и разхода на гориво. Олекотяването на превозни средства с нова енергия се превърна в основен път за развитието на индустрията.
През 2016 г. Китайското дружество за автомобилно инженерство издаде „Пътна карта за пестене на енергия и нови енергийни технологии за превозни средства“, която планира фактори като потребление на енергия, пробег и производствени материали за нови енергийни превозни средства от 2020 до 2030 г. Олекотяването ще бъде ключова посока за бъдещото развитие на нови енергийни превозни средства. Олекотяването може да увеличи обхвата на движение и да се справи с „безпокойството за пробега“ в превозните средства с нова енергия. С нарастващото търсене на удължен пробег, олекотяването на автомобилите става спешно и продажбите на нови енергийни превозни средства нараснаха значително през последните години. Съгласно изискванията на системата за оценка и „Средносрочния до дългосрочен план за развитие на автомобилната индустрия“, се изчислява, че до 2025 г. продажбите на нови енергийни превозни средства в Китай ще надхвърлят 6 милиона единици, с общ годишен ръст процент над 38%.
2. Характеристики и приложения на алуминиева сплав
2.1 Характеристики на алуминиевата сплав
Плътността на алуминия е една трета от тази на стоманата, което го прави по-лек. 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, показват добра устойчивост на топлина, 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, с Mg2Si като основна укрепваща фаза. Най-широко използваните сплави в тази категория са 6063, 6061 и 6005A. 5052 алуминиева плоча е алуминиева плоча от серия AL-Mg, с магнезий като основен 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 бъде подсилена чрез топлинна обработка, има добра пластичност при полустудено втвърдяване, ниска пластичност при студено втвърдяване, 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 термично обработена укрепваща сплав от серията AL-Mg-Si, с магнезий и силиций като основни легиращи елементи. Това е термично обработваем укрепващ профил от алуминиева сплав със средна якост, използван главно в структурни компоненти като колони и странични панели за носене на здравина. Въведение в класовете алуминиеви сплави е показано в таблица 1.
2.2 Екструдирането е важен метод за формоване на алуминиева сплав
Екструдирането на алуминиева сплав е метод на горещо формоване и целият производствен процес включва формоване на алуминиева сплав при трипосочно напрежение на натиск. Целият производствен процес може да бъде описан по следния начин: a. Алуминиеви и други сплави се стопяват и отливат в необходимите заготовки от алуминиева сплав; b. Предварително загрятите заготовки се поставят в екструзионното оборудване за екструдиране. Под действието на главния цилиндър заготовката от алуминиева сплав се оформя в необходимите профили през кухината на формата; c. За да се подобрят механичните свойства на алуминиевите профили, обработката с разтвор се извършва по време или след екструдирането, последвано от обработка със стареене. Механичните свойства след обработка на стареене варират в зависимост от различните материали и режими на стареене. Състоянието на термична обработка на профили за камиони тип кутия е показано в таблица 2.
Екструдираните продукти от алуминиева сплав имат няколко предимства пред другите методи на формоване:
а. По време на екструдирането, екструдираният метал получава по-силно и по-равномерно тристранно напрежение на натиск в зоната на деформация, отколкото валцуването и коването, така че може напълно да възпроизведе пластичността на обработения метал. Може да се използва за обработка на трудни за деформиране метали, които не могат да бъдат обработени чрез валцуване или коване и може да се използва за направата на различни сложни кухи или плътни компоненти с напречно сечение.
b. Тъй като геометрията на алуминиевите профили може да варира, техните компоненти имат висока твърдост, което може да подобри твърдостта на купето на превозното средство, да намали неговите NVH характеристики и да подобри характеристиките на динамичния контрол на превозното средство.
c. Продуктите с екструзионна ефективност, след закаляване и стареене, имат значително по-висока надлъжна якост (R, Raz) от продуктите, обработени по други методи.
d. 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 и ниски разходи за промяна на дизайна.
f. Благодарение на контролируемостта на напречните сечения на алуминиевите профили, степента на интегриране на компонентите може да бъде увеличена, броят на компонентите може да бъде намален и различните дизайни на напречните сечения могат да постигнат прецизно позициониране при заваряване.
Сравнението на производителността между екструдираните алуминиеви профили за камиони тип кутия и обикновената въглеродна стомана е показано в таблица 3.
Следваща посока на развитие на профили от алуминиеви сплави за камиони тип кутия: По-нататъшно подобряване на здравината на профила и подобряване на производителността при екструдиране. Посоката на изследване на нови материали за профили от алуминиеви сплави за камиони с кутия е показана на фигура 1.
3. Структура на камиона от алуминиева сплав, анализ на якостта и проверка
3.1 Структура на камиона с кутия от алуминиева сплав
Контейнерът на камиона се състои главно от преден панел, ляв и десен страничен панел, страничен панел на задната врата, подов комплект, покривен комплект, както и U-образни болтове, странични предпазители, задни предпазители, калници и други аксесоари свързан към второкласното шаси. Напречните греди, колоните, страничните греди и панелите на вратите са изработени от екструдирани профили от алуминиева сплав, докато подът и покривните панели са направени от плоски плочи от 5052 алуминиева сплав. Структурата на камиона с кутия от алуминиева сплав е показана на фигура 2.
Използването на процеса на горещо екструдиране на алуминиевата сплав от серия 6 може да образува сложни кухи напречни сечения, дизайнът на алуминиеви профили със сложни напречни сечения може да спести материали, да отговори на изискванията за якост и твърдост на продукта и да отговори на изискванията за взаимно свързване между различни компоненти. Следователно конструкцията на основната греда и инерционните моменти на сечението I и съпротивителните моменти W са показани на фигура 3.
Сравнението на основните данни в таблица 4 показва, че секционните инерционни моменти и съпротивителни моменти на проектирания алуминиев профил са по-добри от съответните данни на профила на гредата от желязо. Данните за коефициента на твърдост са приблизително същите като тези на съответния профил на греда от желязо и всички отговарят на изискванията за деформация.
3.2 Изчисляване на максималното напрежение
Като се вземе основният носещ компонент, напречната греда, като обект, 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, както е показано в таблица 5. Гредата е опростена като конзолна конструкция за изчисляване на силата, както е показано на фигура 4.
Като вземем греда с обхват 344 mm, натоварването на натиск върху гредата се изчислява като F=3757 N въз основа на 4,5 t, което е три пъти стандартното статично натоварване. q=F/L
където q е вътрешното напрежение на гредата под натоварване, N/mm; F е натоварването, поемано 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:
Като се вземе 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 свързване на различни компоненти
Алуминиевата сплав има лоши свойства на заваряване и якостта на точката на заваряване е само 60% от якостта на основния материал. Поради покриването на слой от Al2O3 върху повърхността на алуминиевата сплав, точката на топене на Al2O3 е висока, докато точката на топене на алуминия е ниска. Когато се заварява алуминиева сплав, Al2O3 на повърхността трябва бързо да се счупи, за да се извърши заваряване. В същото време остатъкът от Al2O3 ще остане в разтвора на алуминиевата сплав, засягайки структурата на алуминиевата сплав и намалявайки якостта на точката на заваряване на алуминиевата сплав. Следователно, когато се проектира изцяло алуминиев контейнер, тези характеристики са напълно взети предвид. Заваряването е основният метод за позициониране, а основните носещи компоненти са свързани с болтове. Връзки като занитване и структура на лястовича опашка са показани на фигури 5 и 6.
Основната структура на изцяло алуминиевото каросерия приема структура с хоризонтални греди, вертикални колони, странични греди и ръбови греди, свързани една с друга. Има четири точки на свързване между всяка хоризонтална греда и вертикален стълб. Точките на свързване са снабдени с назъбени уплътнения, които се зацепват с назъбения ръб на хоризонталната греда, като ефективно предотвратяват плъзгане. Осемте ъглови точки са свързани главно чрез вложки от стоманена сърцевина, фиксирани с болтове и самозаключващи се нитове и подсилени от 5 mm триъгълни алуминиеви плочи, заварени вътре в кутията, за да подсилят ъгловите позиции отвътре. Външният вид на кутията е без заварки или открити точки на свързване, което гарантира цялостния вид на кутията.
3.4 SE Синхронна инженерна технология
Технологията за синхронно инженерство на SE се използва за решаване на проблемите, причинени от големи натрупани отклонения в размерите за съвпадащи компоненти в корпуса на кутията и трудностите при намирането на причините за пропуски и неуспехи при плоскост. Чрез CAE анализ (вижте Фигура 7-8) се провежда сравнителен анализ с изработени от желязо кутии, за да се провери общата здравина и твърдост на кутията, да се намерят слаби места и да се предприемат мерки за по-ефективно оптимизиране и подобряване на проектната схема .
4. Олекотяващ ефект на камиона от алуминиева сплав
В допълнение към корпуса на кутията, алуминиевите сплави могат да се използват за замяна на стомана за различни компоненти на контейнери от тип кутия, като калници, задни предпазители, странични предпазители, ключалки на вратите, панти на вратите и ръбове на задната престилка, като се постига намаляване на теглото от 30% до 40% за товарното отделение. Ефектът на намаляване на теглото за празен товарен контейнер с размери 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm е показан в таблица 6. Това фундаментално решава проблемите с прекомерното тегло, неспазването на съобщенията и регулаторните рискове на традиционните товарни отделения, изработени от желязо.
Чрез замяната на традиционната стомана с алуминиеви сплави за автомобилни компоненти не само могат да се постигнат отлични ефекти на олекотяване, но също така може да се допринесе за спестяване на гориво, намаляване на емисиите и подобрена производителност на автомобила. Понастоящем има различни мнения относно приноса на олекотяването за икономията на гориво. Резултатите от изследването на Международния институт за алуминий са показани на фигура 9. Всеки 10% намаляване на теглото на превозното средство може да намали разхода на гориво с 6% до 8%. Въз основа на вътрешна 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 за спестяването на гориво се основава на резултати, получени от различни изследователски методи, така че има известни различия. Въпреки това, автомобилното олекотяване оказва значително влияние върху намаляването на разхода на гориво.
При електрическите превозни средства ефектът на олекотяване е още по-изразен. Понастоящем единичната енергийна плътност на батериите за електрически 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 възлиза на 20% до 30% от общото тегло на превозното средство. В същото време преодоляването на пречките в производителността на батериите е световно предизвикателство. Преди да има голям пробив в технологията за високоефективни батерии, олекотяването е ефективен начин за подобряване на обхвата на движение на електрическите превозни средства. За всеки 100 kg намаление на теглото обхватът на движение на електрическите превозни средства може да се увеличи с 6% до 11% (връзката между намаляването на теглото и обхвата на движение е показана на фигура 10). Понастоящем пробегът на изцяло 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 безпокойството за пробега и подобрявайки потребителското изживяване.
5. Заключение
В допълнение към изцяло алуминиевата структура на камиона с кутия от алуминиева сплав, представена в тази статия, има различни видове камиони с кутия, като алуминиеви панели тип пчелна пита, алуминиеви плочи с катарами, алуминиеви рамки + алуминиеви кори и хибридни товарни контейнери желязо-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 на електрофорезната боя върху околната среда. Камионът с кутия от алуминиева сплав решава фундаментално проблемите с прекомерното тегло, неспазването на съобщенията и регулаторните рискове на традиционните товарни отделения, изработени 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 относително висока. Благодарение на променливото напречно сечение, алуминиевите сплави могат да постигнат комбинация от функции на множество компоненти, което ги прави добър материал за олекотяване на автомобили. Въпреки това, широкото приложение на алуминиеви сплави е изправено пред предизвикателства като недостатъчна способност за проектиране на товарни отделения от алуминиева сплав, проблеми със формоването и заваряването и високи разходи за разработка и промоция на нови продукти. Основната причина все още е, че алуминиевата сплав струва повече от стоманата, преди екологията на рециклирането на алуминиеви сплави да стане зряла.
В заключение, обхватът на приложение на алуминиевите сплави в автомобилите ще става все по-широк и тяхното използване ще продължи да се увеличава. В настоящите тенденции за пестене на енергия, намаляване на емисиите и развитието на автомобилната индустрия с нова енергия, със задълбочаването на разбирането на свойствата на алуминиевите сплави и ефективните решения на проблемите с приложението на алуминиеви сплави, алуминиевите екструдирани материали ще бъдат по-широко използвани в олекотените автомобили.
Редактирано от May Jiang от MAT Aluminium
Време на публикуване: 12 януари 2024 г
