1. Úvod
Odľahčenie automobilov začalo vo vyspelých krajinách a spočiatku ho viedli tradiční automobiloví giganti.Nepretržitým vývojom nabral značnú dynamiku.Od čias, keď Indovia prvýkrát použili hliníkovú zliatinu na výrobu automobilových kľukových hriadeľov, až po prvú masovú výrobu celohliníkových automobilov Audi v roku 1999, hliníková zliatina zaznamenala silný rast v automobilových aplikáciách vďaka svojim výhodám, ako je nízka hustota, vysoká špecifická pevnosť a tuhosť, dobrá elasticita a odolnosť proti nárazu, vysoká recyklovateľnosť a vysoká rýchlosť regenerácie.Do roku 2015 už aplikačný podiel hliníkovej zliatiny v automobiloch prekročil 35 %.
Odľahčenie automobilov v Číne začalo pred menej ako 10 rokmi a úroveň technológie aj aplikácie zaostáva za rozvinutými krajinami ako Nemecko, Spojené štáty americké a Japonsko.S vývojom nových energetických vozidiel však odľahčenie materiálov rýchlo napreduje.Využitím vzostupu nových energetických vozidiel vykazuje čínska technológia odľahčenia automobilov trend dobiehania rozvinutých krajín.
Čínsky trh s ľahkými materiálmi je obrovský.Na jednej strane v porovnaní s vyspelými krajinami v zahraničí začala čínska odľahčovacia technológia neskoro a celková pohotovostná hmotnosť vozidla je väčšia.Ak vezmeme do úvahy pomer podielu ľahkých materiálov v zahraničí, v Číne je stále veľký priestor na rozvoj.Na druhej strane, poháňaný politikami, rýchly rozvoj čínskeho priemyslu nových energetických vozidiel zvýši dopyt po ľahkých materiáloch a povzbudí automobilové spoločnosti, aby prešli na odľahčenie.
Zlepšenie emisných noriem a noriem spotreby paliva si vynucuje zrýchlenie odľahčenia automobilov.Čína plne implementovala emisné normy China VI v roku 2020. Podľa „metódy hodnotenia a ukazovateľov spotreby paliva osobných automobilov“ a „Plánu pre úsporu energie a nové technológie energetických vozidiel“ norma spotreby paliva 5,0 l/km.Berúc do úvahy obmedzený priestor na podstatné prelomy v technológii motorov a znižovaní emisií, prijatie opatrení na ľahké automobilové komponenty môže účinne znížiť emisie vozidiel a spotrebu paliva.Odľahčenie nových energetických vozidiel sa stalo nevyhnutnou cestou rozvoja priemyslu.
Spoločnosť China Automotive Engineering Society vydala v roku 2016 „Plán pre úsporu energie a nové energetické vozidlá“, ktorý na roky 2020 až 2030 plánoval faktory ako spotreba energie, dojazd a výrobné materiály pre nové energetické vozidlá. Kľúčovým smerom bude odľahčenie. pre budúci vývoj nových energetických vozidiel.Odľahčenie môže zvýšiť dojazd a riešiť „úzkost z dojazdu“ v nových energetických vozidlách.S rastúcim dopytom po predĺženom cestovnom dosahu sa odľahčenie automobilov stáva naliehavou a predaj nových energetických vozidiel v posledných rokoch výrazne vzrástol.Podľa požiadaviek bodovacieho systému a „Strednodobého až dlhodobého plánu rozvoja pre automobilový priemysel“ sa odhaduje, že do roku 2025 predaj nových energetických vozidiel v Číne presiahne 6 miliónov kusov so zloženým ročným rastom. miera presahujúca 38 %.
2. Vlastnosti a aplikácie hliníkových zliatin
2.1 Charakteristika hliníkovej zliatiny
Hustota hliníka je tretinová v porovnaní s oceľou, vďaka čomu je ľahší.Má vyššiu špecifickú pevnosť, dobrú extrúznu schopnosť, silnú odolnosť proti korózii a vysokú recyklovateľnosť.Zliatiny hliníka sa vyznačujú tým, že sú primárne zložené z horčíka, vykazujú dobrú tepelnú odolnosť, dobré zváracie vlastnosti, dobrú únavovú pevnosť, nemožnosť spevnenia tepelným spracovaním a schopnosť zvýšiť pevnosť spracovaním za studena.Séria 6 sa vyznačuje tým, že je primárne zložená z horčíka a kremíka, pričom hlavnou posilňovacou fázou je Mg2Si.Najpoužívanejšie zliatiny v tejto kategórii sú 6063, 6061 a 6005A.Hliníková doska 5052 je hliníková doska zo zliatiny AL-Mg s horčíkom ako hlavným legujúcim prvkom.Je to najpoužívanejšia antikorózna hliníková zliatina.Táto zliatina má vysokú pevnosť, vysokú únavovú pevnosť, dobrú plasticitu a odolnosť proti korózii, nedá sa spevniť tepelným spracovaním, má dobrú plasticitu pri polostudenom vytvrdzovaní, nízku plasticitu pri vytvrdzovaní za studena, dobrú odolnosť proti korózii a dobré zváracie vlastnosti.Používa sa hlavne na komponenty, ako sú bočné panely, strešné kryty a panely dverí.Hliníková zliatina 6063 je tepelne spracovateľná spevňujúca zliatina radu AL-Mg-Si s horčíkom a kremíkom ako hlavnými legovacími prvkami.Ide o tepelne spracovateľný spevňovací profil hliníkovej zliatiny so strednou pevnosťou, ktorý sa používa hlavne v konštrukčných komponentoch, ako sú stĺpy a bočné panely na prenášanie pevnosti.Úvod do tried hliníkových zliatin je uvedený v tabuľke 1.
2.2 Extrúzia je dôležitý spôsob tvarovania hliníkovej zliatiny
Extrúzia hliníkovej zliatiny je metóda tvárnenia za tepla a celý výrobný proces zahŕňa tvárnenie hliníkovej zliatiny pri trojcestnom namáhaní v tlaku.Celý výrobný proces možno opísať nasledovne: a.Hliník a iné zliatiny sa tavia a odlievajú do požadovaných predvalkov z hliníkovej zliatiny;b.Predhriate predvalky sa vkladajú do extrúzneho zariadenia na extrúziu.Pôsobením hlavného valca sa predvalok z hliníkovej zliatiny formuje do požadovaných profilov cez dutinu formy;c.Na zlepšenie mechanických vlastností hliníkových profilov sa počas alebo po extrúzii vykonáva roztoková úprava, po ktorej nasleduje starnutie.Mechanické vlastnosti po ošetrení starnutím sa líšia v závislosti od rôznych materiálov a režimov starnutia.Stav tepelného spracovania skriňových profilov nákladných vozidiel je uvedený v tabuľke 2.
Extrudované výrobky z hliníkovej zliatiny majú oproti iným metódam tvarovania niekoľko výhod:
a.Pri extrúzii získava extrudovaný kov silnejšie a rovnomernejšie trojstranné tlakové napätie v deformačnej zóne ako valcovanie a kovanie, takže môže plne hrať plasticitu spracovávaného kovu.Môže sa použiť na spracovanie ťažko deformovateľných kovov, ktoré sa nedajú spracovať valcovaním alebo kovaním a dajú sa použiť na výrobu rôznych zložitých dutých alebo plných súčiastok prierezu.
b.Pretože geometria hliníkových profilov sa môže meniť, ich komponenty majú vysokú tuhosť, čo môže zlepšiť tuhosť karosérie vozidla, znížiť jej vlastnosti NVH a zlepšiť vlastnosti dynamického ovládania vozidla.
c.Výrobky s účinnosťou extrúzie majú po kalení a starnutí výrazne vyššiu pozdĺžnu pevnosť (R, Raz) ako výrobky spracované inými metódami.
d.Povrch výrobkov po extrúzii má dobrú farbu a dobrú odolnosť proti korózii, čím sa eliminuje potreba ďalšej antikoróznej povrchovej úpravy.
e.Spracovanie extrudovaním má veľkú flexibilitu, nízke náklady na nástroje a formy a nízke náklady na zmenu dizajnu.
f.Vďaka ovládateľnosti prierezov hliníkových profilov je možné zvýšiť stupeň integrácie komponentov, znížiť počet komponentov a rôzne konštrukcie prierezov môžu dosiahnuť presné polohovanie zvárania.
Porovnanie výkonu medzi extrudovanými hliníkovými profilmi pre nákladné autá skriňového typu a obyčajnou uhlíkovou oceľou je uvedené v tabuľke 3.
Ďalší smer vývoja profilov z hliníkovej zliatiny pre nákladné autá skriňového typu: Ďalšie zlepšenie pevnosti profilu a zvýšenie výkonu pri vytláčaní.Smer výskumu nových materiálov pre profily hliníkových zliatin pre skriňové nákladné vozidlá je znázornený na obrázku 1.
3. Štruktúra nákladného vozidla z hliníkovej zliatiny, analýza pevnosti a overenie
3.1 Konštrukcia skriňového nákladného vozidla z hliníkovej zliatiny
Kontajner skriňového nákladného auta pozostáva hlavne zo zostavy predného panela, zostavy ľavého a pravého bočného panelu, zostavy bočného panelu zadných dverí, zostavy podlahy, zostavy strechy, ako aj skrutiek v tvare U, bočných chráničov, zadných chráničov, lapačov nečistôt a ďalšieho príslušenstva. pripojený k podvozku druhej triedy.Priečky skriňovej karosérie, stĺpiky, bočné nosníky a výplne dverí sú vyrobené z extrudovaných profilov z hliníkovej zliatiny, zatiaľ čo podlahové a strešné panely sú vyrobené z plochých dosiek z hliníkovej zliatiny 5052.Štruktúra skriňového nákladného vozidla z hliníkovej zliatiny je znázornená na obrázku 2.
Použitím procesu extrúzie za tepla hliníkovej zliatiny radu 6 možno vytvárať zložité duté prierezy, konštrukcia hliníkových profilov so zložitými prierezmi môže šetriť materiály, spĺňať požiadavky na pevnosť a tuhosť produktu a spĺňať požiadavky na vzájomné spojenie medzi rôzne komponenty.Konštrukčná štruktúra hlavného nosníka a prierezové momenty zotrvačnosti I a odporové momenty W sú preto znázornené na obrázku 3.
Porovnanie hlavných údajov v tabuľke 4 ukazuje, že prierezové momenty zotrvačnosti a odporové momenty navrhnutého hliníkového profilu sú lepšie ako zodpovedajúce údaje profilu nosníka vyrobeného zo železa.Údaje koeficientu tuhosti sú zhruba rovnaké ako údaje zodpovedajúceho profilu nosníka vyrobeného zo železa a všetky spĺňajú požiadavky na deformáciu.
3.2 Výpočet maximálneho napätia
Ak vezmeme kľúčový nosný komponent, priečny nosník, ako objekt, vypočíta sa maximálne napätie.Menovité zaťaženie je 1,5 t a priečny nosník je vyrobený z profilu hliníkovej zliatiny 6063-T6 s mechanickými vlastnosťami, ako je uvedené v tabuľke 5. Nosník je zjednodušený ako konzolová konštrukcia na výpočet sily, ako je znázornené na obrázku 4.
Ak vezmeme nosník s rozpätím 344 mm, tlakové zaťaženie nosníka sa vypočíta ako F=3757 N na základe 4,5 t, čo je trojnásobok štandardného statického zaťaženia.q=F/L
kde q je vnútorné napätie nosníka pod zaťažením, N/mm;F je zaťaženie nosníka, vypočítané na základe 3-násobku štandardného statického zaťaženia, čo je 4,5 t;L je dĺžka lúča, mm.
Preto vnútorné napätie q je:
Vzorec na výpočet napätia je nasledujúci:
Maximálny moment je:
Ak vezmeme absolútnu hodnotu momentu, M=274283 N·mm, maximálne napätie σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa a maximálnu hodnotu napätia σ<215 MPa, ktorá spĺňa požiadavky.
3.3 Charakteristiky pripojenia rôznych komponentov
Hliníková zliatina má zlé zváracie vlastnosti a jej pevnosť v bode zvárania je iba 60% pevnosti základného materiálu.Vďaka pokrytiu vrstvou Al2O3 na povrchu hliníkovej zliatiny je bod topenia Al2O3 vysoký, zatiaľ čo bod topenia hliníka je nízky.Keď sa zvára hliníková zliatina, Al2O3 na povrchu sa musí rýchlo rozbiť, aby sa vykonalo zváranie.Zároveň zostane zvyšok Al2O3 v roztoku hliníkovej zliatiny, čo ovplyvní štruktúru hliníkovej zliatiny a zníži pevnosť bodu zvárania hliníkovej zliatiny.Preto sa pri navrhovaní celohliníkového kontajnera plne zohľadňujú tieto vlastnosti.Hlavnou metódou polohovania je zváranie a hlavné nosné komponenty sú spojené skrutkami.Spojenia ako nitovanie a rybinová konštrukcia sú znázornené na obrázkoch 5 a 6.
Hlavná konštrukcia celohliníkovej skriňovej karosérie má štruktúru s horizontálnymi nosníkmi, zvislými stĺpikmi, bočnými nosníkmi a okrajovými nosníkmi, ktoré do seba zapadajú.Medzi každým vodorovným nosníkom a zvislým stĺpom sú štyri spojovacie body.Spojovacie body sú vybavené zúbkovanými tesneniami, ktoré zapadajú do zúbkovaného okraja vodorovného nosníka a účinne zabraňujú kĺzaniu.Osem rohových bodov je spojených hlavne oceľovými vložkami jadra, upevnenými skrutkami a samosvornými nitmi a vystuženými 5 mm trojuholníkovými hliníkovými platňami zvarenými vo vnútri škatule, aby sa vnútorne spevnili rohové polohy.Vonkajší vzhľad škatule nemá žiadne zváranie alebo odkryté spojovacie body, čo zaisťuje celkový vzhľad škatule.
3.4 SE Synchrónna inžinierska technológia
Technológia synchrónneho inžinierstva SE sa používa na riešenie problémov spôsobených veľkými akumulovanými rozmerovými odchýlkami pre lícované komponenty v skriňovom telese a ťažkostí pri hľadaní príčin medzier a porúch rovinnosti.Prostredníctvom analýzy CAE (pozri obrázok 7-8) sa vykoná porovnávacia analýza so skriňovými nadstavbami vyrobenými zo železa s cieľom skontrolovať celkovú pevnosť a tuhosť skriňovej nadstavby, nájsť slabé miesta a prijať opatrenia na efektívnejšiu optimalizáciu a zlepšenie konštrukčnej schémy. .
4. Odľahčujúci efekt nákladného vozidla z hliníkovej zliatiny
Okrem skriňovej karosérie možno hliníkové zliatiny použiť na nahradenie ocele pre rôzne komponenty skriňových kontajnerov nákladných áut, ako sú blatníky, zadné ochranné kryty, bočné ochranné kryty, západky dverí, závesy dverí a hrany zadného nárazníka, čím sa dosiahne zníženie hmotnosti. 30 % až 40 % pre nákladný priestor.Efekt zníženia hmotnosti pre prázdny nákladný kontajner s rozmermi 4080 mm × 2 300 mm × 2 200 mm je uvedený v tabuľke 6. Zásadne to rieši problémy s nadmernou hmotnosťou, nedodržiavaním oznámení a regulačnými rizikami tradičných nákladných priestorov vyrobených zo železa.
Nahradením tradičnej ocele hliníkovými zliatinami pre automobilové komponenty možno nielen dosiahnuť vynikajúce odľahčovacie účinky, ale môže to prispieť aj k úspore paliva, zníženiu emisií a zlepšeniu výkonu vozidla.V súčasnosti existujú rôzne názory na prínos odľahčenia k úspore paliva.Výsledky výskumu Medzinárodného inštitútu hliníka sú znázornené na obrázku 9. Každé zníženie hmotnosti vozidla o 10 % môže znížiť spotrebu paliva o 6 % až 8 %.Na základe domácich štatistík môže zníženie hmotnosti každého osobného auta o 100 kg znížiť spotrebu paliva o 0,4 l/100 km.Príspevok odľahčenia k úspore paliva je založený na výsledkoch získaných z rôznych výskumných metód, takže existujú určité rozdiely.Odľahčenie automobilov má však významný vplyv na zníženie spotreby paliva.
Pri elektrických vozidlách je efekt odľahčenia ešte výraznejší.V súčasnosti sa hustota jednotkovej energie batérií elektrických vozidiel výrazne líši od hustoty tradičných vozidiel na kvapalné palivo.Hmotnosť energetického systému (vrátane batérie) elektromobilov často predstavuje 20 % až 30 % z celkovej hmotnosti vozidla.Prelomenie prekážok výkonu batérií je zároveň celosvetovou výzvou.Predtým, ako dôjde k zásadnému prelomu v technológii vysokovýkonných batérií, je odľahčenie efektívnym spôsobom, ako zlepšiť dojazd elektrických vozidiel.Na každých 100 kg zníženia hmotnosti sa môže dojazd elektrických vozidiel zvýšiť o 6 % až 11 % (vzťah medzi znížením hmotnosti a dojazdom je znázornený na obrázku 10).V súčasnosti cestovný dojazd čisto elektrických vozidiel nemôže uspokojiť potreby väčšiny ľudí, ale zníženie hmotnosti o určitú hodnotu môže výrazne zlepšiť cestovný dosah, zmierniť obavy z dojazdu a zlepšiť používateľský zážitok.
5. Záver
Okrem celohliníkovej konštrukcie skriňového nákladného vozidla z hliníkovej zliatiny predstavenej v tomto článku existujú rôzne typy skriňových nákladných vozidiel, ako sú hliníkové plástové panely, hliníkové spony, hliníkové rámy + hliníkové plášte a hybridné nákladné kontajnery zo železa a hliníka. .Majú výhody nízkej hmotnosti, vysokej špecifickej pevnosti a dobrej odolnosti proti korózii a nevyžadujú elektroforetickú farbu na ochranu proti korózii, čím sa znižuje vplyv elektroforetickej farby na životné prostredie.Skriňový nákladný automobil z hliníkovej zliatiny zásadne rieši problémy s nadmernou hmotnosťou, nedodržiavaním oznámení a regulačnými rizikami tradičných nákladných priestorov vyrobených zo železa.
Extrúzia je základnou metódou spracovania hliníkových zliatin a hliníkové profily majú vynikajúce mechanické vlastnosti, takže tuhosť dielov v priereze je relatívne vysoká.Vďaka variabilnému prierezu môžu hliníkové zliatiny dosiahnuť kombináciu funkcií viacerých komponentov, čo z nich robí dobrý materiál na odľahčenie automobilov.Široké používanie hliníkových zliatin však čelí výzvam, ako je nedostatočná konštrukčná schopnosť nákladných priestorov z hliníkovej zliatiny, problémy s tvarovaním a zváraním a vysoké náklady na vývoj a propagáciu nových produktov.Hlavným dôvodom je stále to, že hliníková zliatina stojí viac ako oceľ, kým recyklačná ekológia hliníkových zliatin dospeje.
Záverom možno konštatovať, že rozsah použitia hliníkových zliatin v automobiloch sa rozšíri a ich využitie sa bude naďalej zvyšovať.V súčasných trendoch úspory energie, znižovania emisií a rozvoja priemyslu nových energetických vozidiel, s prehlbujúcim sa porozumením vlastností hliníkových zliatin a efektívnymi riešeniami problémov s aplikáciou hliníkových zliatin, sa hliníkové vytláčacie materiály budú vo väčšej miere používať pri odľahčovaní automobilov.
Editoval May Jiang z MAT Aluminium
Čas odoslania: 12. januára 2024
