1. Johdanto
Autoteollisuuden kevytpainotus alkoi kehittyneistä maista, ja sitä johtivat alun perin perinteiset autoteollisuuden jättiläiset. Jatkuvan kehityksen myötä se on saanut merkittävää vauhtia. Siitä lähtien, kun intialaiset käyttivät ensimmäistä kertaa alumiiniseosta autojen kampiakselien valmistukseen, Audin ensimmäiseen täysalumiinisten autojen massatuotantoon vuonna 1999, alumiiniseos on kasvanut voimakkaasti autoteollisuuden sovelluksissa sen etujen, kuten alhaisen tiheyden, suuren ominaislujuuden ja jäykkyyden, ansiosta. hyvä elastisuus ja iskunkestävyys, hyvä kierrätettävyys ja korkea regeneraationopeus. Vuoteen 2015 mennessä alumiiniseoksen käyttöosuus autoissa oli jo ylittänyt 35 %.
Kiinan autoteollisuuden kevytpainotus alkoi alle 10 vuotta sitten, ja sekä tekniikka että sovellustaso ovat jäljessä kehittyneistä maista, kuten Saksasta, Yhdysvalloista ja Japanista. Kuitenkin uusien energiaajoneuvojen kehityksen myötä materiaalien keventäminen etenee nopeasti. Hyödyntämällä uusien energiaajoneuvojen nousua, Kiinan autoteollisuuden kevytpainotekniikka on käännetty kiinni kehittyneisiin maihin.
Kiinan kevyiden materiaalien markkinat ovat laajat. Toisaalta Kiinan kevytpainotekniikka käynnistyi myöhään verrattuna ulkomaisiin kehittyneisiin maihin ja ajoneuvon kokonaismassa omapaino on suurempi. Ottaen huomioon kevyiden materiaalien osuuden ulkomailla, on Kiinassa vielä runsaasti kehittämisen varaa. Toisaalta Kiinan uuden energiaajoneuvoteollisuuden nopea kehitys politiikan vetämänä lisää kevyiden materiaalien kysyntää ja kannustaa autoyrityksiä siirtymään kohti kevyttä.
Päästö- ja polttoaineenkulutusstandardien paraneminen pakottaa autojen kevennyksen kiihtymiseen. Kiina otti kokonaisuudessaan käyttöön China VI -päästöstandardit vuonna 2020. "Henkilöautojen polttoaineenkulutuksen arviointimenetelmä ja -indikaattorit" ja "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap" mukaan 5,0 l/km polttoaineenkulutusstandardi. Kun otetaan huomioon, että moottoriteknologian ja päästöjen vähentämisen merkittäville läpimurroille on rajallinen tila, kevyisiin autokomponentteihin ottamalla käyttöön toimenpiteitä voidaan tehokkaasti vähentää ajoneuvojen päästöjä ja polttoaineen kulutusta. Uusien energiaajoneuvojen keveydestä on tullut olennainen polku alan kehitykselle.
China Automotive Engineering Society julkaisi vuonna 2016 "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap", jossa suunniteltiin energiankulutuksen, matkamatkan ja valmistusmateriaalien kaltaisia tekijöitä uusille energiaajoneuvoille vuosille 2020–2030. Kevyttäminen on avainsuunta uusien energiaajoneuvojen tulevaa kehittämistä varten. Kevyttäminen voi lisätä matkasädettä ja puuttua uusien energiaajoneuvojen "etäisyysahdistukseen". Laajennetun risteilyalueen kysynnän kasvaessa autojen kevytpainotuksesta tulee kiire, ja uusien energiaajoneuvojen myynti on kasvanut merkittävästi viime vuosina. Pistejärjestelmän ja "Autoteollisuuden keskipitkän ja pitkän aikavälin kehityssuunnitelman" vaatimusten mukaan Kiinan uusien energiaajoneuvojen myynnin arvioidaan ylittävän 6 miljoonaa yksikköä vuoteen 2025 mennessä vuosittaisella kasvulla. korko yli 38 prosenttia.
2. Alumiiniseoksen ominaisuudet ja sovellukset
2.1 Alumiinilejeeringin ominaisuudet
Alumiinin tiheys on kolmasosa teräksen tiheydestä, joten se on kevyempi. Sillä on korkeampi ominaislujuus, hyvä ekstruusiokyky, vahva korroosionkestävyys ja korkea kierrätettävyys. Alumiiniseoksille on ominaista se, että ne koostuvat pääasiassa magnesiumista, ja niillä on hyvä lämmönkestävyys, hyvät hitsausominaisuudet, hyvä väsymislujuus, lämpökäsittelyn lujuuskyvyttömyys ja kyky lisätä lujuutta kylmämuokkauksella. 6-sarjalle on ominaista se, että se koostuu pääasiassa magnesiumista ja piistä, ja Mg2Si on pääasiallinen vahvistusvaihe. Tämän luokan yleisimmin käytetyt seokset ovat 6063, 6061 ja 6005A. 5052 alumiinilevy on AL-Mg-sarjan seosalumiinilevy, jonka pääseoselementti on magnesium. Se on yleisimmin käytetty ruosteenestoalumiiniseos. Tällä seoksella on korkea lujuus, korkea väsymislujuus, hyvä plastisuus ja korroosionkestävyys, sitä ei voida vahvistaa lämpökäsittelyllä, sillä on hyvä plastisuus puolikylmätyökarkaisussa, alhainen plastisuus kylmätyökarkaisussa, hyvä korroosionkestävyys ja hyvät hitsausominaisuudet. Sitä käytetään pääasiassa komponenteissa, kuten sivupaneeleissa, kattosuojissa ja ovipaneeleissa. 6063 alumiiniseos on lämpökäsiteltävä AL-Mg-Si-sarjan lujittava metalliseos, jonka pääseosalkuaineina ovat magnesium ja pii. Se on lämpökäsiteltävä lujittava alumiiniseosprofiili, jolla on keskilujuus, jota käytetään pääasiassa rakenneosissa, kuten pylväissä ja sivupaneeleissa. Johdatus alumiiniseoslaatuihin on esitetty taulukossa 1.
2.2 Ekstruusio on tärkeä alumiiniseoksen muovausmenetelmä
Alumiiniseoksen ekstruusio on kuumamuovausmenetelmä, ja koko tuotantoprosessi sisältää alumiiniseoksen muodostamisen kolmisuuntaisen puristusjännityksen alaisena. Koko tuotantoprosessia voidaan kuvata seuraavasti: a. Alumiini ja muut seokset sulatetaan ja valetaan vaadituiksi alumiiniseosaihioiksi; b. Esilämmitetyt aihiot asetetaan ekstruusiolaitteistoon suulakepuristusta varten. Pääsylinterin vaikutuksesta alumiiniseoksesta valmistettu aihio muodostetaan vaadituiksi profiileiksi muotin ontelon kautta; c. Alumiiniprofiilien mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi suoritetaan liuoskäsittely ekstruusion aikana tai sen jälkeen, minkä jälkeen suoritetaan vanhentamiskäsittely. Vanhenemiskäsittelyn jälkeiset mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat eri materiaalien ja vanhentamisohjelmien mukaan. Laatikkotyyppisten kuorma-autoprofiilien lämpökäsittelytila on esitetty taulukossa 2.
Alumiiniseoksesta puristetuilla tuotteilla on useita etuja muihin muovausmenetelmiin verrattuna:
a. Suulakepuristuksen aikana ekstrudoitu metalli saa vahvemman ja tasaisemman kolmisuuntaisen puristusjännityksen muodonmuutosvyöhykkeellä kuin valssaus ja takominen, joten se voi täysin pelata käsitellyn metallin plastisuutta. Sillä voidaan käsitellä vaikeasti muotoutuvia metalleja, joita ei voida prosessoida valssaamalla tai takomalla, ja siitä voidaan valmistaa erilaisia monimutkaisia onttoja tai poikkileikkaukseltaan umpikomponentteja.
b. Koska alumiiniprofiilien geometriaa voidaan vaihdella, niiden komponenteilla on korkea jäykkyys, mikä voi parantaa ajoneuvon korin jäykkyyttä, vähentää sen NVH-ominaisuuksia ja parantaa ajoneuvon dynaamisia ohjausominaisuuksia.
c. Suulakepuristustehokkailla tuotteilla on karkaisun ja vanhentamisen jälkeen huomattavasti suurempi pituussuuntainen lujuus (R, Raz) kuin muilla menetelmillä käsitellyillä tuotteilla.
d. Suulakepuristuksen jälkeen tuotteiden pinnalla on hyvä väri ja hyvä korroosionkestävyys, mikä eliminoi muun korroosionestopintakäsittelyn tarpeen.
e. Ekstruusiokäsittelyllä on suuri joustavuus, alhaiset työkalu- ja muottikustannukset sekä alhaiset suunnittelun muutoskustannukset.
f. Alumiiniprofiilien poikkileikkausten ohjattavuuden ansiosta komponenttien integrointiastetta voidaan lisätä, komponenttien määrää voidaan vähentää ja eri poikkileikkausmalleilla voidaan saavuttaa tarkka hitsauspaikka.
Suorituskykyvertailu laatikkotyyppisten kuorma-autojen suulakepuristettujen alumiiniprofiilien ja tavallisen hiiliteräksen välillä on esitetty taulukossa 3.
Seuraava kehityssuunta alumiiniseosprofiilien laatikkotyyppisille kuorma-autoille: Parantaa edelleen profiilin lujuutta ja parantaa suulakepuristussuorituskykyä. Uusien materiaalien tutkimussuunta laatikkomaisten kuorma-autojen alumiiniseosprofiileihin on esitetty kuvassa 1.
3. Alumiiniseoslaatikkotrukin rakenne, lujuusanalyysi ja tarkastus
3.1 Alumiiniseoksesta valmistettu kuorma-auton rakenne
Laatikkoautokontti koostuu pääasiassa etupaneelikokoonpanosta, vasemman ja oikean sivupaneelin kokoonpanosta, takaoven sivupaneelikokoonpanosta, lattiakokoonpanosta, kattokokoonpanosta sekä U-muotoisista pulteista, sivusuojista, takasuojista, lokasuojasta ja muista lisävarusteista kytketty toisen luokan runkoon. Laatikon rungon poikkipalkit, pilarit, sivupalkit ja ovipaneelit on valmistettu alumiiniseoksesta puristetuista profiileista, kun taas lattia- ja kattopaneelit on valmistettu 5052-alumiiniseoksesta litteistä levyistä. Alumiiniseoslaatikkotrukin rakenne on esitetty kuvassa 2.
6-sarjan alumiiniseoksen kuumapuristusprosessia käyttämällä voidaan muodostaa monimutkaisia onttoja poikkileikkauksia, monimutkaisten poikkileikkausten omaavien alumiiniprofiilien suunnittelu voi säästää materiaaleja, täyttää tuotteen lujuuden ja jäykkyyden vaatimukset ja täyttää keskinäisen yhteyden vaatimukset. erilaisia komponentteja. Siksi pääpalkin suunnittelurakenne ja hitausmomentit I ja vastusmomentit W on esitetty kuvassa 3.
Taulukon 4 päätietojen vertailu osoittaa, että suunnitellun alumiiniprofiilin leikkaushitaus- ja vastusmomentit ovat parempia kuin rautaisen palkkiprofiilin vastaavat tiedot. Jäykkyyskerrointiedot ovat suunnilleen samat kuin vastaavan rautaisen palkkiprofiilin tiedot ja kaikki täyttävät muodonmuutosvaatimukset.
3.2 Maksimirasituksen laskenta
Ottaen kohteena tärkein kantava komponentti, poikkipalkki, maksimijännitys lasketaan. Nimelliskuorma on 1,5 t ja poikkipalkki on valmistettu 6063-T6 alumiiniseosprofiilista, jonka mekaaniset ominaisuudet on esitetty taulukossa 5. Palkki on yksinkertaistettu ulokerakenteeksi voiman laskemista varten, kuten kuvassa 4 näkyy.
Kun otetaan 344 mm:n jännepalkki, palkin puristuskuormitus on F=3757 N perustuen 4,5 t:iin, mikä on kolme kertaa staattinen standardikuorma. q = F/L
missä q on palkin sisäinen jännitys kuormituksen alaisena, N/mm; F on palkin kantama kuorma, joka on laskettu 3-kertaisena staattiseen standardikuormaan, joka on 4,5 t; L on palkin pituus, mm.
Siksi sisäinen jännitys q on:
Jännityslaskentakaava on seuraava:
Suurin hetki on:
Ottaen momentin itseisarvon M=274283 N·mm, maksimijännityksen σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa ja maksimijännityksen arvona σ<215 MPa, mikä täyttää vaatimukset.
3.3 Eri komponenttien kytkentäominaisuudet
Alumiiniseoksella on huonot hitsausominaisuudet, ja sen hitsauspistelujuus on vain 60 % perusmateriaalin lujuudesta. Al2O3-kerroksen peittämisen vuoksi alumiiniseoksen pinnalla Al2O3:n sulamispiste on korkea, kun taas alumiinin sulamispiste on alhainen. Kun alumiiniseosta hitsataan, pinnalla oleva Al2O3 on rikottava nopeasti hitsauksen suorittamiseksi. Samaan aikaan Al2O3-jäännös jää alumiiniseosliuokseen vaikuttaen alumiiniseoksen rakenteeseen ja heikentäen alumiiniseoksen hitsauspisteen lujuutta. Siksi kaikki alumiinisäiliötä suunniteltaessa nämä ominaisuudet otetaan täysin huomioon. Hitsaus on pääasemointimenetelmä, ja tärkeimmät kantavat komponentit yhdistetään pulteilla. Liitokset, kuten niittaus ja lohenpyrstörakenne, on esitetty kuvissa 5 ja 6.
Täysin alumiinisen laatikon rungon päärakenne ottaa käyttöön rakenteen, jossa on vaakasuuntaiset palkit, pystysuorat pilarit, sivupalkit ja reunapalkit toisiinsa. Jokaisen vaakapalkin ja pystypilarin välillä on neljä liitoskohtaa. Liitoskohdat on varustettu hammastetuilla tiivisteillä, jotka osuvat vaakapalkin sahalaitaiseen reunaan, mikä estää tehokkaasti liukumisen. Kahdeksan kulmapistettä on yhdistetty pääosin terässydämillä, jotka on kiinnitetty pulteilla ja itselukittuvilla niiteillä ja vahvistettu 5 mm:n kolmion muotoisilla alumiinilevyillä, jotka on hitsattu laatikon sisäpuolelle vahvistamaan kulma-asentoja sisäisesti. Laatikon ulkonäössä ei ole hitsausta tai paljaita liitoskohtia, mikä varmistaa laatikon yleisilmeen.
3.4 SE Synkroninen suunnittelutekniikka
SE-synkronisen suunnittelutekniikan avulla ratkaistaan laatikon rungon yhteensopivien komponenttien suurten kumuloituneiden kokopoikkeamien aiheuttamia ongelmia sekä vaikeuksia löytää syitä aukkojen ja tasomaisten vikojen löytämisessä. CAE-analyysin avulla (katso kuva 7-8) tehdään vertailuanalyysi raudasta valmistettujen laatikkorunkojen kanssa, jotta voidaan tarkistaa laatikon rungon kokonaislujuus ja jäykkyys, löytää heikkoja kohtia ja ryhtyä toimenpiteisiin suunnittelusuunnitelman optimoimiseksi ja parantamiseksi tehokkaammin. .
4. Kevyt vaikutus alumiiniseoslaatikko kuorma
Laatikon rungon lisäksi alumiiniseoksia voidaan käyttää korvaamaan terästä laatikkomaisten kuorma-autojen konttien eri osissa, kuten lokasuojissa, takasuojissa, sivusuojissa, ovisalvoissa, oven saranoissa ja takaesiliinan reunoissa, jolloin saavutetaan painonpudotus. 30–40 % tavaratilassa. Tyhjän 4080 mm × 2 300 × 2 200 mm:n rahtikontin painonpudotusvaikutus on esitetty taulukossa 6. Tämä ratkaisee pohjimmiltaan perinteisten rautavalmisteisten lastiosastojen liiallisen painon, ilmoitusten noudattamatta jättämisen ja sääntelyriskit.
Korvaamalla perinteinen teräs alumiiniseoksilla autojen komponenteissa ei vain saavuteta erinomaisia keveysvaikutuksia, vaan se voi myös edistää polttoaineen säästöä, päästöjen vähentämistä ja parantaa ajoneuvon suorituskykyä. Tällä hetkellä keveyden vaikutuksesta polttoaineen säästöön on erilaisia mielipiteitä. Kansainvälisen alumiiniinstituutin tutkimustulokset on esitetty kuvassa 9. Jokainen 10 %:n pudotus ajoneuvon painossa voi vähentää polttoaineenkulutusta 6-8 %. Kotimaisten tilastojen mukaan jokaisen henkilöauton painon vähentäminen 100 kg:lla voi vähentää polttoaineen kulutusta 0,4 l/100 km. Kevyttamisen osuus polttoaineen säästössä perustuu eri tutkimusmenetelmillä saatuihin tuloksiin, joten vaihtelua on jonkin verran. Autojen keventämisellä on kuitenkin merkittävä vaikutus polttoaineenkulutuksen vähentämiseen.
Sähköajoneuvoissa keveysvaikutus on vieläkin selvempi. Tällä hetkellä sähköajoneuvojen tehoakkujen yksikköenergiatiheys eroaa merkittävästi perinteisistä nestemäisiä polttoaineita käyttävistä ajoneuvoista. Sähköajoneuvojen voimajärjestelmän (mukaan lukien akku) paino on usein 20–30 % ajoneuvon kokonaispainosta. Samanaikaisesti akkujen suorituskyvyn pullonkaulasta murtautuminen on maailmanlaajuinen haaste. Ennen kuin korkean suorituskyvyn akkuteknologiassa tapahtuu suurta läpimurtoa, keveys on tehokas tapa parantaa sähköajoneuvojen ajomatkaa. Jokaista 100 kg:n painonpudotusta kohden sähköajoneuvojen matkamatkaa voidaan kasvattaa 6–11 % (painonpudotuksen ja ajomatkan välinen suhde on esitetty kuvassa 10). Tällä hetkellä puhtaasti sähköajoneuvojen risteilyalue ei pysty vastaamaan useimpien ihmisten tarpeita, mutta painon vähentäminen tietyllä määrällä voi merkittävästi parantaa matkamatkaa, helpottaa kantaman ahdistusta ja parantaa käyttökokemusta.
5. Johtopäätös
Tässä artikkelissa esitellyn alumiiniseoksesta valmistetun kuorma-auton kokonaan alumiinisen rakenteen lisäksi on olemassa erilaisia laatikkotrukkeja, kuten alumiinikennopaneelit, alumiinisolkilevyt, alumiinirungot + alumiinipinnat ja rauta-alumiini hybridilastikontit . Niiden etuna on kevyt paino, korkea ominaislujuus ja hyvä korroosionkestävyys, eivätkä ne vaadi elektroforeettista maalia korroosiosuojaukseen, mikä vähentää elektroforeettisen maalin ympäristövaikutuksia. Alumiiniseoksesta valmistettu kuorma-auto ratkaisee pohjimmiltaan perinteisten rautavalmisteisten tavaratilojen liiallisen painon, ilmoitusten noudattamatta jättämisen ja sääntelyriskit.
Ekstruusio on olennainen alumiiniseosten käsittelymenetelmä, ja alumiiniprofiileilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, joten komponenttien poikkileikkausjäykkyys on suhteellisen korkea. Vaihtelevan poikkileikkauksen ansiosta alumiiniseoksilla voidaan yhdistää useita komponenttitoimintoja, mikä tekee siitä hyvän materiaalin autojen kevyeen painoon. Alumiiniseosten laajalle levinneelle käytölle on kuitenkin haasteita, kuten alumiiniseoksesta valmistettujen rahtiosastojen riittämätön suunnittelukyky, muotoilu- ja hitsausongelmat sekä uusien tuotteiden korkeat kehitys- ja myynninedistämiskustannukset. Pääsyynä on edelleen se, että alumiiniseos maksaa enemmän kuin teräs ennen kuin alumiiniseosten kierrätysekologia kypsyy.
Yhteenvetona voidaan todeta, että alumiiniseosten käyttöalue autoissa laajenee ja niiden käyttö lisääntyy edelleen. Nykyisissä energiansäästön, päästöjen vähentämisen ja uuden energiaajoneuvoteollisuuden kehityksen suuntauksissa, kun alumiiniseoksen ominaisuuksien ymmärrys syvenee ja alumiiniseoksen sovellutusongelmia on tehostettu, alumiinin ekstruusiomateriaaleja käytetään laajemmin autojen kevyessä painotuksessa.
Toimittanut May Jiang, MAT Aluminium
Postitusaika: 12.1.2024
