1.Úvod
Odlehčování automobilů začalo ve vyspělých zemích a zpočátku je vedli tradiční automobiloví giganti. S nepřetržitým vývojem získal významnou dynamiku. Od doby, kdy Indové poprvé použili hliníkovou slitinu k výrobě automobilových klikových hřídelí, až po první hromadnou výrobu celohliníkových vozů Audi v roce 1999, zaznamenala hliníková slitina robustní růst v automobilových aplikacích díky svým výhodám, jako je nízká hustota, vysoká měrná pevnost a tuhost, dobrá elasticita a odolnost proti nárazu, vysoká recyklovatelnost a vysoká rychlost regenerace. Do roku 2015 přesáhl aplikační podíl hliníkové slitiny v automobilech již 35 %.
Odlehčování automobilů v Číně začalo před méně než 10 lety a jak technologie, tak úroveň aplikací zaostávají za vyspělými zeměmi, jako je Německo, Spojené státy americké a Japonsko. S vývojem nových energetických vozidel však odlehčování materiálů rychle postupuje. Čínská technologie odlehčování automobilů, využívající vzestup nových energetických vozidel, vykazuje trend dohánění rozvinutých zemí.
Čínský trh s lehkými materiály je obrovský. Na jedné straně ve srovnání s vyspělými zeměmi v zahraničí začala čínská odlehčovací technologie pozdě a celková pohotovostní hmotnost vozidla je vyšší. Vezmeme-li v úvahu poměr podílu lehkých materiálů v zahraničí, existuje v Číně stále velký prostor pro rozvoj. Na druhou stranu, hnaný politikami, rychlý rozvoj čínského průmyslu nových energetických vozidel zvýší poptávku po lehkých materiálech a povzbudí automobilové společnosti, aby přešly na odlehčení.
Zlepšení norem emisí a spotřeby paliva si vynucuje zrychlení odlehčování automobilů. Čína plně zavedla emisní normy China VI v roce 2020. Podle „Metody hodnocení a ukazatelů spotřeby paliva osobních automobilů“ a „Plánu pro úsporu energie a nové technologie energetických vozidel“ norma spotřeby paliva 5,0 l/km. Vezmeme-li v úvahu omezený prostor pro podstatné průlomy v technologii motorů a snižování emisí, může přijetí opatření pro lehké automobilové komponenty účinně snížit emise vozidel a spotřebu paliva. Odlehčení nových energetických vozidel se stalo zásadní cestou rozvoje průmyslu.
V roce 2016 vydala společnost China Automotive Engineering Society „Plán pro úsporu energie a nové technologie energetických vozidel“, který plánoval faktory, jako je spotřeba energie, dojezd a výrobní materiály pro nová energetická vozidla na období 2020 až 2030. Klíčovým směrem bude odlehčení. pro budoucí vývoj nových energetických vozidel. Odlehčení může u nových energetických vozidel zvýšit cestovní dojezd a vyřešit „úzkost z dojezdu“. S rostoucí poptávkou po prodlouženém cestovním dosahu se odlehčení automobilů stává naléhavým a prodej nových energetických vozidel v posledních letech výrazně vzrostl. Podle požadavků bodovacího systému a „Plánu střednědobého až dlouhodobého rozvoje automobilového průmyslu“ se odhaduje, že do roku 2025 překročí čínský prodej nových energetických vozidel 6 milionů kusů se složeným ročním růstem. míra přesahující 38 %.
2. Vlastnosti a aplikace hliníkových slitin
2.1 Charakteristika hliníkové slitiny
Hustota hliníku je jedna třetina hustoty oceli, díky čemuž je lehčí. Má vyšší specifickou pevnost, dobrou vytlačovací schopnost, silnou odolnost proti korozi a vysokou recyklovatelnost. Hliníkové slitiny se vyznačují tím, že jsou primárně složeny z hořčíku, vykazují dobrou tepelnou odolnost, dobré svařovací vlastnosti, dobrou únavovou pevnost, nemožnost zpevnění tepelným zpracováním a schopnost zvýšit pevnost tvářením za studena. Řada 6 se vyznačuje tím, že je primárně složena z hořčíku a křemíku, přičemž hlavní zpevňující fází je Mg2Si. Nejpoužívanější slitiny v této kategorii jsou 6063, 6061 a 6005A. Hliníkový plech 5052 je hliníkový plech ze slitiny AL-Mg s hořčíkem jako hlavním legujícím prvkem. Jedná se o nejpoužívanější antikorozní hliníkovou slitinu. Tato slitina má vysokou pevnost, vysokou únavovou pevnost, dobrou plasticitu a odolnost proti korozi, nelze ji zpevnit tepelným zpracováním, má dobrou plasticitu při zpevňování za polostudena, nízkou plasticitu při zpevňování za studena, dobrou odolnost proti korozi a dobré svařovací vlastnosti. Používá se hlavně pro komponenty, jako jsou boční panely, střešní kryty a dveřní panely. Hliníková slitina 6063 je tepelně zpracovatelná zpevňující slitina řady AL-Mg-Si s hořčíkem a křemíkem jako hlavními legujícími prvky. Jedná se o tepelně zpracovatelný zpevňující profil z hliníkové slitiny se střední pevností, který se používá hlavně v konstrukčních součástech, jako jsou sloupy a boční panely pro přenášení pevnosti. Úvod do tříd hliníkových slitin je uveden v tabulce 1.
2.2 Extruze je důležitou metodou tváření hliníkové slitiny
Vytlačování hliníkové slitiny je metoda tváření za tepla a celý výrobní proces zahrnuje tváření hliníkové slitiny pod třícestným tlakovým namáháním. Celý výrobní proces lze popsat následovně: a. Hliník a další slitiny se taví a odlévají do požadovaných předvalků z hliníkové slitiny; b. Předehřáté předvalky se vkládají do vytlačovacího zařízení pro vytlačování. Působením hlavního válce se předvalek z hliníkové slitiny tvaruje do požadovaných profilů dutinou formy; C. Za účelem zlepšení mechanických vlastností hliníkových profilů se během nebo po vytlačování provádí roztoková úprava, po níž následuje úprava stárnutím. Mechanické vlastnosti po ošetření stárnutím se liší podle různých materiálů a režimů stárnutí. Stav tepelného zpracování profilů skříňového typu nákladních automobilů je uveden v tabulce 2.
Extrudované výrobky z hliníkové slitiny mají několik výhod oproti jiným metodám tváření:
A. Při vytlačování získává vytlačovaný kov silnější a rovnoměrnější třícestné tlakové napětí v deformační zóně než válcování a kování, takže může plně hrát plasticitu zpracovávaného kovu. Lze s ním zpracovávat těžko deformovatelné kovy, které nelze zpracovat válcováním nebo kováním a lze z nich vyrábět různé složité duté nebo plné součásti průřezu.
b. Vzhledem k tomu, že geometrie hliníkových profilů se může měnit, mají jejich komponenty vysokou tuhost, což může zlepšit tuhost karoserie vozidla, snížit jeho charakteristiky NVH a zlepšit vlastnosti dynamického ovládání vozidla.
C. Výrobky s účinností vytlačování mají po kalení a stárnutí výrazně vyšší podélnou pevnost (R, Raz) než výrobky zpracované jinými metodami.
d. Povrch výrobků po vytlačování má dobrou barvu a dobrou odolnost proti korozi, což eliminuje potřebu další antikorozní povrchové úpravy.
E. Extruzní zpracování má velkou flexibilitu, nízké náklady na nástroje a formy a nízké náklady na změnu designu.
F. Díky ovladatelnosti průřezů hliníkových profilů lze zvýšit stupeň integrace součástí, snížit počet součástí a různými konstrukcemi průřezů lze dosáhnout přesného umístění svařování.
Srovnání výkonu mezi extrudovanými hliníkovými profily pro skříňové nákladní vozy a obyčejnou uhlíkovou ocelí je uvedeno v tabulce 3.
Další směr vývoje profilů z hliníkové slitiny pro skříňové nákladní vozy: Další zlepšení pevnosti profilu a zvýšení výkonu vytlačování. Směr výzkumu nových materiálů pro profily z hliníkových slitin pro skříňové nákladní automobily je znázorněn na obrázku 1.
3. Konstrukce, pevnostní analýza a ověřování nákladních vozů z hliníkové slitiny
3.1 Konstrukce skříňového nákladního vozidla z hliníkové slitiny
Kontejner skříňového náklaďáku se skládá hlavně ze sestavy předního panelu, sestavy levého a pravého bočního panelu, sestavy bočního panelu zadních dveří, sestavy podlahy, sestavy střechy, jakož i šroubů ve tvaru U, bočních chráničů, zadních chráničů, zástěrek a dalšího příslušenství připojen k podvozku druhé třídy. Příčné nosníky skříňové nástavby, sloupky, boční nosníky a dveřní panely jsou vyrobeny z extrudovaných profilů z hliníkové slitiny, zatímco podlahové a střešní panely jsou vyrobeny z plochých desek z hliníkové slitiny 5052. Struktura skříňového nákladního automobilu z hliníkové slitiny je znázorněna na obrázku 2.
Pomocí procesu vytlačování za tepla hliníkové slitiny řady 6 lze vytvářet složité duté průřezy, konstrukce hliníkových profilů se složitými průřezy může šetřit materiály, splňovat požadavky na pevnost a tuhost výrobku a splňovat požadavky na vzájemné spojení mezi různé komponenty. Proto návrhová struktura hlavního nosníku a průřezové momenty setrvačnosti I a odporové momenty W jsou zobrazeny na obrázku 3.
Porovnání hlavních údajů v tabulce 4 ukazuje, že průřezové momenty setrvačnosti a odporové momenty navrženého hliníkového profilu jsou lepší než odpovídající údaje profilu nosníku vyrobeného z železa. Údaje součinitele tuhosti jsou zhruba stejné jako u odpovídajícího profilu nosníku vyrobeného z železa a všechny splňují požadavky na deformaci.
3.2 Výpočet maximálního napětí
Vezmeme-li jako objekt klíčovou nosnou komponentu, příčník, vypočítá se maximální napětí. Jmenovité zatížení je 1,5 t a příčník je vyroben z profilu hliníkové slitiny 6063-T6 s mechanickými vlastnostmi, jak je uvedeno v tabulce 5. Nosník je pro výpočet síly zjednodušen jako konzolová konstrukce, jak je znázorněno na obrázku 4.
Vezmeme-li nosník o rozpětí 344 mm, tlakové zatížení nosníku se vypočítá jako F=3757 N na základě 4,5 t, což je trojnásobek standardního statického zatížení. q=F/L
kde q je vnitřní napětí nosníku pod zatížením, N/mm; F je zatížení, které nese nosník, vypočtené na základě 3násobku standardního statického zatížení, což je 4,5 t; L je délka nosníku, mm.
Vnitřní napětí q je tedy:
Vzorec pro výpočet napětí je následující:
Maximální moment je:
Vezmeme-li absolutní hodnotu momentu M=274283 N·mm, maximální napětí σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa a maximální hodnotu napětí σ<215 MPa, která splňuje požadavky.
3.3 Charakteristiky připojení různých součástí
Hliníková slitina má špatné svařovací vlastnosti a její pevnost svařovacího bodu je pouze 60 % pevnosti základního materiálu. Díky pokrytí vrstvou Al2O3 na povrchu hliníkové slitiny je bod tání Al2O3 vysoký, zatímco bod tání hliníku je nízký. Když se svařuje hliníková slitina, Al2O3 na povrchu musí být rychle rozbit, aby bylo možné provést svařování. Současně zůstane zbytek Al2O3 v roztoku hliníkové slitiny, což ovlivní strukturu hliníkové slitiny a sníží pevnost svarového bodu hliníkové slitiny. Při návrhu celohliníkového kontejneru jsou proto tyto vlastnosti plně zohledněny. Hlavní metodou polohování je svařování a hlavní nosné součásti jsou spojeny šrouby. Spojení jako nýtování a rybinová konstrukce jsou znázorněna na obrázcích 5 a 6.
Hlavní konstrukce celohliníkové skříňové nástavby je tvořena vodorovnými nosníky, svislými sloupky, bočními nosníky a okrajovými nosníky, které do sebe zapadají. Mezi každým vodorovným nosníkem a svislým pilířem jsou čtyři spojovací body. Místa připojení jsou opatřena vroubkovaným těsněním, které zapadá do zoubkovaného okraje vodorovného nosníku a účinně brání klouzání. Osm rohových bodů je spojeno převážně ocelovými vložkami jádra, upevněnými šrouby a samosvornými nýty a vyztuženými 5mm trojúhelníkovými hliníkovými deskami přivařenými uvnitř krabice pro vnitřní zesílení rohových poloh. Vnější vzhled krabice nemá žádné svařovací nebo exponované spojovací body, což zajišťuje celkový vzhled krabice.
3.4 SE Synchronní inženýrská technologie
Technologie synchronního inženýrství SE se používá k řešení potíží způsobených velkými nahromaděnými odchylkami rozměrů pro lícování komponent ve skříňové nástavbě a potížemi při hledání příčin mezer a poruch rovinnosti. Prostřednictvím analýzy CAE (viz obrázek 7-8) se provádí srovnávací analýza se skříňovými nástavbami vyrobenými ze železa, aby se zkontrolovala celková pevnost a tuhost skříňové nástavby, nalezla se slabá místa a přijala se opatření k efektivnější optimalizaci a zlepšení konstrukčního schématu. .
4. Efekt odlehčení nákladního automobilu z hliníkové slitiny
Kromě skříňové nástavby lze hliníkové slitiny použít k náhradě oceli pro různé součásti skříňových kontejnerů nákladních automobilů, jako jsou blatníky, zadní ochranné kryty, boční ochranné kryty, dveřní západky, dveřní závěsy a hrany zadního nárazníku, čímž se dosáhne snížení hmotnosti. 30 % až 40 % pro nákladový prostor. Efekt snížení hmotnosti prázdného nákladního kontejneru o rozměrech 4080 mm × 2 300 mm × 2 200 mm je uveden v tabulce 6. To zásadně řeší problémy s nadměrnou hmotností, nedodržováním oznámení a regulačními riziky tradičních nákladních prostorů vyrobených ze železa.
Nahrazením tradiční oceli hliníkovými slitinami pro automobilové komponenty lze nejen dosáhnout vynikajících efektů odlehčení, ale může to také přispět k úspoře paliva, snížení emisí a zlepšení výkonu vozidla. V současnosti existují různé názory na přínos odlehčení k úspoře paliva. Výsledky výzkumu International Aluminium Institute jsou znázorněny na obrázku 9. Každé snížení hmotnosti vozidla o 10 % může snížit spotřebu paliva o 6 % až 8 %. Na základě tuzemských statistik může snížení hmotnosti každého osobního vozu o 100 kg snížit spotřebu paliva o 0,4 l/100 km. Příspěvek odlehčení k úsporám paliva je založen na výsledcích získaných z různých výzkumných metod, takže existují určité rozdíly. Odlehčení automobilů má však významný vliv na snížení spotřeby paliva.
U elektrických vozidel je efekt odlehčení ještě výraznější. V současné době se hustota jednotkové energie baterií elektrických vozidel výrazně liší od hustoty tradičních vozidel na kapalná paliva. Hmotnost napájecího systému (včetně baterie) elektromobilů často tvoří 20 až 30 % celkové hmotnosti vozidla. Prolomení omezeného výkonu baterií je zároveň celosvětovou výzvou. Než dojde k zásadnímu průlomu v technologii vysoce výkonných baterií, je odlehčení účinným způsobem, jak zlepšit cestovní dojezd elektrických vozidel. Na každých 100 kg snížení hmotnosti lze dojezd elektromobilů zvýšit o 6 % až 11 % (vztah mezi snížením hmotnosti a dojezdem je znázorněn na obrázku 10). V současné době nemůže cestovní dojezd čistě elektrických vozidel uspokojit potřeby většiny lidí, ale snížení hmotnosti o určité množství může výrazně zlepšit cestovní dosah, zmírnit obavy z dojezdu a zlepšit uživatelský zážitek.
5.Závěr
Kromě celohliníkové konstrukce skříňového nákladního vozidla z hliníkové slitiny představené v tomto článku existují různé typy skříňových nákladních automobilů, jako jsou hliníkové voštinové panely, hliníkové přezkové desky, hliníkové rámy + hliníkové pláště a hybridní nákladní kontejnery železo-hliník . Mají výhody nízké hmotnosti, vysoké měrné pevnosti a dobré odolnosti proti korozi a nevyžadují elektroforetický nátěr pro ochranu proti korozi, což snižuje dopad elektroforetického nátěru na životní prostředí. Skříňový nákladní vůz z hliníkové slitiny zásadně řeší problémy s nadměrnou hmotností, nedodržováním oznámení a regulačními riziky tradičních železných nákladních prostorů.
Extruze je základní způsob zpracování hliníkových slitin a hliníkové profily mají vynikající mechanické vlastnosti, takže průřezová tuhost součástí je poměrně vysoká. Díky variabilnímu průřezu mohou hliníkové slitiny dosáhnout kombinace více komponentních funkcí, což z nich dělá dobrý materiál pro odlehčení automobilů. Široké použití hliníkových slitin však čelí výzvám, jako je nedostatečná konstrukční kapacita pro nákladní prostory z hliníkové slitiny, problémy s tvarováním a svařováním a vysoké náklady na vývoj a propagaci nových produktů. Hlavním důvodem je stále to, že hliníková slitina stojí více než ocel, než dospěje ekologie recyklace hliníkových slitin.
Závěrem lze konstatovat, že rozsah použití hliníkových slitin v automobilech se bude rozšiřovat a jejich využití bude nadále narůstat. V současných trendech úspory energie, snižování emisí a rozvoje průmyslu nových energetických vozidel, s prohlubujícím se porozuměním vlastnostem hliníkových slitin a efektivním řešením problémů s aplikací hliníkových slitin, budou hliníkové vytlačovací materiály více používány v automobilovém odlehčování.
Editoval May Jiang z MAT Aluminium
Čas odeslání: 12. ledna 2024
