1.Introduksjon
Automotive lightweighting begynte i utviklede land og ble opprinnelig ledet av tradisjonelle bilgiganter. Med kontinuerlig utvikling har den fått betydelig fart. Fra den tiden da indianerne først brukte aluminiumslegering for å produsere veivaksler til Audis første masseproduksjon av biler i helaluminium i 1999, har aluminiumslegering sett kraftig vekst i bilapplikasjoner på grunn av fordelene som lav tetthet, høy spesifikk styrke og stivhet, god elastisitet og slagfasthet, høy resirkulerbarhet og høy regenereringshastighet. I 2015 hadde bruksandelen av aluminiumslegering i biler allerede oversteget 35 %.
Kinas lettvekt for biler startet for mindre enn 10 år siden, og både teknologien og applikasjonsnivået ligger bak utviklede land som Tyskland, USA og Japan. Men med utviklingen av nye energikjøretøyer går materialletting raskt. Ved å utnytte fremveksten av nye energikjøretøyer viser Kinas lettvektsteknologi for biler en trend med å ta igjen utviklede land.
Kinas marked for lette materialer er stort. På den ene siden, sammenlignet med utviklede land i utlandet, startet Kinas lettvektsteknologi sent, og den totale kjøretøyets egenvekt er større. Tatt i betraktning benchmarken for lettvektsmaterialers andel i utlandet, er det fortsatt god plass for utvikling i Kina. På den annen side, drevet av politikk, vil den raske utviklingen av Kinas nye energibilindustri øke etterspørselen etter lette materialer og oppmuntre bilbedrifter til å bevege seg mot lettvekt.
Forbedringen av utslipps- og drivstofforbruksstandarder tvinger frem akselerasjonen av lettvekt i biler. Kina implementerte China VI-utslippsstandardene fullt ut i 2020. I henhold til «Evalueringsmetode og indikatorer for drivstoffforbruk av personbiler» og «Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap», er drivstofforbruksstandarden på 5,0 L/km. Med tanke på den begrensede plassen for betydelige gjennombrudd innen motorteknologi og utslippsreduksjon, kan tiltak for lette bilkomponenter effektivt redusere kjøretøyutslipp og drivstofforbruk. Lettvekt av nye energikjøretøyer har blitt en viktig vei for industriens utvikling.
I 2016 utstedte China Automotive Engineering Society "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap", som planla faktorer som energiforbruk, cruiserekkevidde og produksjonsmaterialer for nye energikjøretøyer fra 2020 til 2030. Lettvekt vil være en nøkkelretning for fremtidig utvikling av nye energikjøretøyer. Lettvekt kan øke rekkevidden og adressere "rekkeviddeangst" i nye energikjøretøyer. Med den økende etterspørselen etter utvidet cruising-rekkevidde, blir lettvekt for biler påtrengende, og salget av nye energikjøretøyer har vokst betydelig de siste årene. I henhold til kravene til poengsystemet og "Mid-to-Long-Term Development Plan for the Automotive Industry," anslås det at innen 2025 vil Kinas salg av nye energikjøretøyer overstige 6 millioner enheter, med en sammensatt årlig vekst rate over 38 %.
2. Aluminiumslegeringsegenskaper og bruksområder
2.1 Egenskaper til aluminiumslegering
Tettheten til aluminium er en tredjedel av stål, noe som gjør den lettere. Den har høyere spesifikk styrke, god ekstruderingsevne, sterk korrosjonsbestandighet og høy resirkulerbarhet. Aluminiumslegeringer kjennetegnes ved primært å være sammensatt av magnesium, ha god varmebestandighet, gode sveiseegenskaper, god utmattingsstyrke, manglende evne til å bli forsterket ved varmebehandling og evne til å øke styrken ved kaldbearbeiding. 6-serien kjennetegnes ved primært å være sammensatt av magnesium og silisium, med Mg2Si som hovedforsterkende fase. De mest brukte legeringene i denne kategorien er 6063, 6061 og 6005A. 5052 aluminiumsplate er en AL-Mg-serie legert aluminiumsplate, med magnesium som hovedlegeringselement. Det er den mest brukte anti-rust aluminiumslegeringen. Denne legeringen har høy styrke, høy utmattelsesstyrke, god plastisitet og korrosjonsbestandighet, kan ikke styrkes ved varmebehandling, har god plastisitet i halvkaldt arbeidsherding, lav plastisitet ved kaldarbeidsherding, god korrosjonsbestandighet, og gode sveiseegenskaper. Den brukes hovedsakelig til komponenter som sidepaneler, takdeksler og dørpaneler. 6063 aluminiumslegering er en varmebehandlebar forsterkende legering i AL-Mg-Si-serien, med magnesium og silisium som hovedlegeringselementer. Det er en varmebehandlebar forsterkende aluminiumslegeringsprofil med middels styrke, hovedsakelig brukt i strukturelle komponenter som søyler og sidepaneler for å bære styrke. En introduksjon til aluminiumslegeringskvaliteter er vist i tabell 1.
2.2 Ekstrudering er en viktig formingsmetode for aluminiumslegering
Ekstrudering av aluminiumslegering er en varmformingsmetode, og hele produksjonsprosessen involverer dannelse av aluminiumslegering under treveis trykkspenning. Hele produksjonsprosessen kan beskrives som følger: a. Aluminium og andre legeringer smeltes og støpes inn i de nødvendige aluminiumslegeringene; b. De forvarmede emnene settes inn i ekstruderingsutstyret for ekstrudering. Under påvirkning av hovedsylinderen formes aluminiumslegeringen til de nødvendige profilene gjennom hulrommet i formen; c. For å forbedre de mekaniske egenskapene til aluminiumsprofiler, utføres løsningsbehandling under eller etter ekstrudering, etterfulgt av aldringsbehandling. De mekaniske egenskapene etter aldringsbehandling varierer i henhold til ulike materialer og aldringsregimer. Varmebehandlingsstatusen til lastebilprofiler av kassetype er vist i tabell 2.
Ekstruderte produkter av aluminiumslegering har flere fordeler i forhold til andre formingsmetoder:
en. Under ekstrudering oppnår det ekstruderte metallet en sterkere og mer jevn treveis trykkspenning i deformasjonssonen enn rulling og smiing, slik at det fullt ut kan spille plastisiteten til det behandlede metallet. Den kan brukes til å behandle metaller som er vanskelige å deformere som ikke kan bearbeides ved valsing eller smiing, og kan brukes til å lage forskjellige komplekse hule eller solide tverrsnittskomponenter.
b. Fordi geometrien til aluminiumsprofiler kan varieres, har komponentene høy stivhet, noe som kan forbedre stivheten til kjøretøykroppen, redusere NVH-egenskapene og forbedre kjøretøyets dynamiske kontrollegenskaper.
c. Produkter med ekstruderingseffektivitet, etter bråkjøling og aldring, har betydelig høyere langsgående styrke (R, Raz) enn produkter behandlet med andre metoder.
d. Overflaten på produkter etter ekstrudering har god farge og god korrosjonsbestandighet, noe som eliminerer behovet for annen anti-korrosjon overflatebehandling.
e. Ekstrusjonsbehandling har stor fleksibilitet, lave verktøy- og støpekostnader og lave kostnader for designendring.
f. På grunn av kontrollerbarheten til aluminiumsprofiltverrsnitt, kan graden av komponentintegrasjon økes, antall komponenter kan reduseres, og forskjellige tverrsnittsdesign kan oppnå nøyaktig sveiseposisjonering.
Ytelsessammenligningen mellom ekstruderte aluminiumsprofiler for lastebiler av kassetype og vanlig karbonstål er vist i tabell 3.
Neste utviklingsretning for aluminiumslegeringsprofiler for lastebiler av bokstype: Ytterligere forbedring av profilstyrken og forbedret ekstruderingsytelse. Forskningsretningen for nye materialer for aluminiumslegeringsprofiler for lastebiler av kassetype er vist i figur 1.
3. Aluminiumslegeringskasse lastebilstruktur, styrkeanalyse og verifisering
3.1 Lastebilstruktur i aluminiumslegering
Kassebilcontaineren består hovedsakelig av frontpanelmontering, venstre og høyre sidepanelmontering, bakdørsidepanelmontering, gulvmontering, takmontering, samt U-formede bolter, sidebeskyttelser, bakskjermer, skvettlapper og annet tilbehør koblet til andreklasses chassis. Tverrbjelker, søyler, sidebjelker og dørpaneler er laget av ekstruderte profiler av aluminiumslegering, mens gulv- og takpanelene er laget av 5052 flate plater av aluminiumslegering. Strukturen til lastebilen i aluminiumslegering er vist i figur 2.
Ved å bruke den varme ekstruderingsprosessen til 6-seriens aluminiumslegering kan det dannes komplekse hule tverrsnitt, en design av aluminiumsprofiler med komplekse tverrsnitt kan spare materialer, oppfylle kravene til produktstyrke og stivhet og oppfylle kravene til gjensidig forbindelse mellom ulike komponenter. Derfor er hovedbjelkens designstruktur og treghetsmomentene I og motstandsmomentene W vist i figur 3.
En sammenligning av hoveddataene i tabell 4 viser at treghetsmomentene og motstandsmomentene til den utformede aluminiumsprofilen er bedre enn de tilsvarende dataene til den jernlagde bjelkeprofilen. Stivhetskoeffisientdataene er omtrent de samme som for den tilsvarende jernlagde bjelkeprofilen, og alle oppfyller deformasjonskravene.
3.2 Maksimal stressberegning
Ved å ta den bærende nøkkelkomponenten, tverrbjelken, som objekt, beregnes maksimal spenning. Merkelasten er 1,5 t, og tverrbjelken er laget av 6063-T6 aluminiumslegeringsprofil med mekaniske egenskaper som vist i tabell 5. Bjelken er forenklet som en utkragende struktur for kraftberegning, som vist i figur 4.
Med en 344 mm spennbjelke beregnes trykkbelastningen på bjelken til F=3757 N basert på 4,5t, som er tre ganger standard statisk belastning. q=F/L
hvor q er den indre spenningen til bjelken under belastningen, N/mm; F er lasten som bæres av bjelken, beregnet basert på 3 ganger standard statisk last, som er 4,5 t; L er lengden på bjelken, mm.
Derfor er den indre spenningen q:
Stressberegningsformelen er som følger:
Det maksimale øyeblikket er:
Tar den absolutte verdien av momentet, M=274283 N·mm, maksimal spenning σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, og maksimal spenningsverdi σ<215 MPa, som oppfyller kravene.
3.3 Tilkoblingsegenskaper for ulike komponenter
Aluminiumslegering har dårlige sveiseegenskaper, og sveisepunktstyrken er bare 60 % av grunnmaterialets styrke. På grunn av dekning av et lag med Al2O3 på aluminiumslegeringsoverflaten, er smeltepunktet til Al2O3 høyt, mens smeltepunktet til aluminium er lavt. Når aluminiumslegering sveises, må Al2O3 på overflaten raskt brytes for å utføre sveising. Samtidig vil resten av Al2O3 forbli i aluminiumslegeringsløsningen, noe som påvirker aluminiumslegeringsstrukturen og reduserer styrken til aluminiumslegeringssveisepunktet. Derfor, når du designer en beholder i helt aluminium, vurderes disse egenskapene fullt ut. Sveising er hovedposisjoneringsmetoden, og de viktigste bærende komponentene er forbundet med bolter. Forbindelser som nagling og svalehalestruktur er vist i figur 5 og 6.
Hovedstrukturen til kassekroppen i aluminium har en struktur med horisontale bjelker, vertikale søyler, sidebjelker og kantbjelker som låser hverandre. Det er fire koblingspunkter mellom hver horisontal bjelke og vertikal søyle. Koblingspunktene er utstyrt med taggete pakninger som går i inngrep med den taggete kanten på den horisontale bjelken, og forhindrer effektivt glidning. De åtte hjørnepunktene er hovedsakelig forbundet med stålkjerneinnsatser, festet med bolter og selvlåsende nagler, og forsterket med 5 mm trekantede aluminiumsplater sveiset inne i boksen for å styrke hjørneposisjonene internt. Det ytre utseendet til boksen har ingen sveising eller synlige tilkoblingspunkter, noe som sikrer det generelle utseendet til boksen.
3.4 SE Synchronous Engineering Technology
SE synkron ingeniørteknologi brukes til å løse problemene forårsaket av store akkumulerte størrelsesavvik for å matche komponenter i bokskroppen og vanskelighetene med å finne årsakene til hull og flathetsfeil. Gjennom CAE-analyse (se figur 7-8) utføres en sammenligningsanalyse med jernlagde bokskropper for å sjekke den generelle styrken og stivheten til bokskroppen, finne svake punkter og iverksette tiltak for å optimalisere og forbedre designskjemaet mer effektivt. .
4.Lightweighting Effekt av aluminiumslegering Box Truck
I tillegg til kassekroppen, kan aluminiumslegeringer brukes til å erstatte stål for ulike komponenter i lastebilcontainere av bokstype, slik som skjermer, bakskjermer, sidebeskyttere, dørlåser, dørhengsler og bakre forklekanter, for å oppnå en vektreduksjon på 30 % til 40 % for lasterommet. Vektreduksjonseffekten for en tom 4080 mm×2300 mm×2200 mm lastecontainer er vist i tabell 6. Dette løser fundamentalt problemene med overvekt, manglende overholdelse av kunngjøringer og regulatoriske risikoer ved tradisjonelle jernproduserte lasterom.
Ved å erstatte tradisjonelt stål med aluminiumslegeringer for bilkomponenter, kan ikke bare utmerkede lettvektseffekter oppnås, men det kan også bidra til drivstoffbesparelser, utslippsreduksjon og forbedret kjøretøyytelse. For tiden er det ulike meninger om lettvektings bidrag til drivstoffbesparelser. Forskningsresultatene til International Aluminium Institute er vist i figur 9. Hver 10 % reduksjon i kjøretøyvekt kan redusere drivstofforbruket med 6 % til 8 %. Basert på innenlandsstatistikk kan en reduksjon av vekten på hver personbil med 100 kg redusere drivstofforbruket med 0,4 L/100 km. Lettvektingens bidrag til drivstoffbesparelser er basert på resultater hentet fra ulike forskningsmetoder, så det er en viss variasjon. Imidlertid har lettvekt i biler en betydelig innvirkning på å redusere drivstofforbruket.
For elektriske kjøretøy er lettvektseffekten enda mer uttalt. For øyeblikket er enhetsenergitettheten til batterier for elektriske kjøretøy betydelig forskjellig fra tradisjonelle kjøretøyer med flytende drivstoff. Vekten av kraftsystemet (inkludert batteriet) til elektriske kjøretøy utgjør ofte 20 % til 30 % av den totale kjøretøyvekten. Samtidig er det en verdensomspennende utfordring å bryte gjennom flaskehalsen til batterier. Før det er et stort gjennombrudd innen høyytelses batteriteknologi, er lettvekt en effektiv måte å forbedre rekkevidden til elektriske kjøretøyer på. For hver 100 kg vektreduksjon kan kjørerekkevidden til elektriske kjøretøy økes med 6 % til 11 % (forholdet mellom vektreduksjon og cruiserekkevidde er vist i figur 10). Foreløpig kan ikke cruiserekkevidden til rene elektriske kjøretøy dekke behovene til folk flest, men å redusere vekten med en viss mengde kan forbedre cruiserekkevidden betydelig, lette rekkeviddeangst og forbedre brukeropplevelsen.
5.Konklusjon
I tillegg til aluminiumsstrukturen til kassebilen i aluminiumslegering som introduseres i denne artikkelen, finnes det forskjellige typer kassebiler, for eksempel bikakepaneler i aluminium, spennplater i aluminium, aluminiumsrammer + aluminiumskinn og hybridlastbeholdere av jern-aluminium. . De har fordelene med lett vekt, høy spesifikk styrke og god korrosjonsmotstand, og krever ikke elektroforetisk maling for korrosjonsbeskyttelse, noe som reduserer miljøpåvirkningen av elektroforetisk maling. Lastebilen i aluminiumslegering løser fundamentalt problemene med overvekt, manglende overholdelse av kunngjøringer og regulatoriske risikoer ved tradisjonelle jernproduserte lasterom.
Ekstrudering er en viktig prosesseringsmetode for aluminiumslegeringer, og aluminiumsprofiler har utmerkede mekaniske egenskaper, så seksjonsstivheten til komponentene er relativt høy. På grunn av det variable tverrsnittet kan aluminiumslegeringer oppnå kombinasjonen av flere komponentfunksjoner, noe som gjør det til et godt materiale for lettvekt i biler. Imidlertid står den utbredte bruken av aluminiumslegeringer overfor utfordringer som utilstrekkelig designevne for lasterom i aluminiumslegering, formings- og sveiseproblemer og høye utviklings- og markedsføringskostnader for nye produkter. Hovedårsaken er fortsatt at aluminiumslegering koster mer enn stål før resirkuleringsøkologien til aluminiumslegeringer blir moden.
Avslutningsvis vil anvendelsesomfanget av aluminiumslegeringer i biler bli bredere, og bruken vil fortsette å øke. I de nåværende trendene for energisparing, utslippsreduksjon og utviklingen av den nye energibilindustrien, med dypere forståelse av aluminiumslegeringsegenskaper og effektive løsninger på bruksproblemer med aluminiumslegeringer, vil aluminiumsekstruderingsmaterialer bli mer utbredt i lettvekt i biler.
Redigert av May Jiang fra MAT Aluminium
Innleggstid: Jan-12-2024
