1.Introduktion
Automotive-letvægtning begyndte i udviklede lande og blev oprindeligt ledet af traditionelle bilgiganter. Med kontinuerlig udvikling har det taget betydeligt fart. Fra det tidspunkt, hvor indianerne første gang brugte aluminiumslegering til at producere krumtapaksler til biler til Audis første masseproduktion af biler helt i aluminium i 1999, har aluminiumslegering oplevet en robust vækst i bilindustrien på grund af dens fordele såsom lav densitet, høj specifik styrke og stivhed, god elasticitet og slagfasthed, høj genanvendelighed og høj regenereringshastighed. I 2015 havde anvendelsesandelen af aluminiumslegering i biler allerede oversteget 35 %.
Kinas automotive letvægtning startede for mindre end 10 år siden, og både teknologien og anvendelsesniveauet halter bagud i udviklingslande som Tyskland, USA og Japan. Men med udviklingen af nye energikøretøjer skrider letvægtning af materialer hurtigt frem. Ved at udnytte fremkomsten af nye energikøretøjer viser Kinas automotive letvægtsteknologi en tendens til at indhente de udviklede lande.
Kinas marked for letvægtsmaterialer er stort. På den ene side, sammenlignet med udviklede lande i udlandet, startede Kinas letvægtsteknologi sent, og den samlede køreklare vægt er større. I betragtning af benchmark for letvægtsmaterialers andel i udlandet, er der stadig rigelig plads til udvikling i Kina. På den anden side, drevet af politikker, vil den hurtige udvikling af Kinas nye energikøretøjsindustri øge efterspørgslen efter letvægtsmaterialer og tilskynde bilvirksomheder til at bevæge sig i retning af letvægtning.
Forbedringen af emissions- og brændstofforbrugsstandarder tvinger frem accelerationen af bilernes letvægt. Kina implementerede fuldt ud China VI-emissionsstandarderne i 2020. Ifølge "Evalueringsmetoden og indikatorer for brændstofforbrug af personbiler" og "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap" er 5,0 L/km brændstofforbrugsstandarden. Under hensyntagen til den begrænsede plads til væsentlige gennembrud inden for motorteknologi og emissionsreduktion, kan vedtagelsen af foranstaltninger til letvægtsbilkomponenter effektivt reducere køretøjets emissioner og brændstofforbrug. Letvægtning af nye energikøretøjer er blevet en væsentlig vej for industriens udvikling.
I 2016 udsendte China Automotive Engineering Society "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap", som planlagde faktorer som energiforbrug, krydstogtrækkevidde og fremstilling af materialer til nye energikøretøjer fra 2020 til 2030. Letvægtning vil være en nøgleretning for den fremtidige udvikling af nye energikøretøjer. Letvægtning kan øge krydstogtsrækkevidden og adressere "rækkeviddeangst" i nye energikøretøjer. Med den stigende efterspørgsel efter udvidet cruising-rækkevidde bliver letvægtning af biler påtrængende, og salget af nye energikøretøjer er vokset betydeligt i de seneste år. I henhold til kravene i scoresystemet og "Mid-to-Long-Term Development Plan for the Automotive Industry" anslås det, at Kinas salg af nye energikøretøjer i 2025 vil overstige 6 millioner enheder med en sammensat årlig vækst sats over 38%.
2. Aluminiumslegeringsegenskaber og anvendelser
2.1 Karakteristika for aluminiumslegering
Densiteten af aluminium er en tredjedel af stål, hvilket gør det lettere. Det har højere specifik styrke, god ekstruderingsevne, stærk korrosionsbestandighed og høj genanvendelighed. Aluminiumslegeringer er kendetegnet ved primært at være sammensat af magnesium, udvise god varmebestandighed, gode svejseegenskaber, god udmattelsesstyrke, manglende evne til at blive forstærket ved varmebehandling og evnen til at øge styrken ved koldbearbejdning. 6-serien er kendetegnet ved primært at være sammensat af magnesium og silicium, med Mg2Si som den vigtigste forstærkningsfase. De mest udbredte legeringer i denne kategori er 6063, 6061 og 6005A. 5052 aluminiumsplade er en AL-Mg-serie legeret aluminiumsplade, med magnesium som det vigtigste legeringselement. Det er den mest udbredte anti-rust aluminiumslegering. Denne legering har høj styrke, høj udmattelsesstyrke, god plasticitet og korrosionsbestandighed, kan ikke styrkes ved varmebehandling, har god plasticitet i halvkoldt arbejde hærdning, lav plasticitet i koldt arbejde hærdning, god korrosionsbestandighed, og gode svejseegenskaber. Det bruges hovedsageligt til komponenter som sidepaneler, tagdæksler og dørpaneler. 6063 aluminiumslegering er en varmebehandlebar forstærkningslegering i AL-Mg-Si serien, med magnesium og silicium som de vigtigste legeringselementer. Det er en varmebehandlebar forstærkende aluminiumslegeringsprofil med middel styrke, hovedsagelig brugt i strukturelle komponenter såsom søjler og sidepaneler til at bære styrke. En introduktion til aluminiumslegeringskvaliteter er vist i tabel 1.
2.2 Ekstrusion er en vigtig formningsmetode for aluminiumslegering
Ekstrudering af aluminiumslegering er en varmformningsmetode, og hele produktionsprocessen involverer dannelse af aluminiumslegering under tre-vejs trykspænding. Hele produktionsprocessen kan beskrives som følger: a. Aluminium og andre legeringer smeltes og støbes i de påkrævede aluminiumslegeringer; b. De forvarmede emner sættes i ekstruderingsudstyret til ekstrudering. Under påvirkning af hovedcylinderen formes aluminiumslegeringen til de nødvendige profiler gennem støbeformens hulrum; c. For at forbedre de mekaniske egenskaber af aluminiumsprofiler udføres opløsningsbehandling under eller efter ekstrudering efterfulgt af ældningsbehandling. De mekaniske egenskaber efter ældningsbehandling varierer afhængigt af forskellige materialer og ældningsregimer. Varmebehandlingsstatus for kasse-type lastbilprofiler er vist i tabel 2.
Ekstruderede produkter af aluminiumslegering har flere fordele i forhold til andre formgivningsmetoder:
en. Under ekstrudering opnår det ekstruderede metal en stærkere og mere ensartet tre-vejs trykspænding i deformationszonen end valsning og smedning, så det fuldt ud kan spille det forarbejdede metals plasticitet. Det kan bruges til at behandle vanskelige at deformere metaller, der ikke kan behandles ved valsning eller smedning, og kan bruges til at fremstille forskellige komplekse hule eller massive tværsnitskomponenter.
b. Fordi geometrien af aluminiumsprofiler kan varieres, har deres komponenter høj stivhed, hvilket kan forbedre køretøjets stivhed, reducere dets NVH-egenskaber og forbedre køretøjets dynamiske kontrolkarakteristika.
c. Produkter med ekstruderingseffektivitet, efter bratkøling og ældning, har væsentligt højere langsgående styrke (R, Raz) end produkter behandlet med andre metoder.
d. Overfladen af produkter efter ekstrudering har god farve og god korrosionsbestandighed, hvilket eliminerer behovet for anden anti-korrosionsoverfladebehandling.
e. Ekstruderingsbehandling har stor fleksibilitet, lave værktøjs- og formomkostninger og lave omkostninger til designændringer.
f. På grund af kontrollerbarheden af aluminiumprofiltværsnit kan graden af komponentintegration øges, antallet af komponenter kan reduceres, og forskellige tværsnitsdesign kan opnå præcis svejsepositionering.
Ydeevnesammenligningen mellem ekstruderede aluminiumsprofiler til lastbiler af kassetype og almindeligt kulstofstål er vist i tabel 3.
Næste udviklingsretning af aluminiumslegeringsprofiler til lastbiler af kassetype: Forbedrer profilstyrken yderligere og forbedrer ekstruderingsydelsen. Forskningsretningen for nye materialer til aluminiumslegeringsprofiler til lastbiler af kassetype er vist i figur 1.
3. Aluminiumslegeringskasse lastbilstruktur, styrkeanalyse og verifikation
3.1 Aluminiumslegeringskasse lastbilstruktur
Kassevognscontaineren består hovedsageligt af frontpanelsamling, venstre og højre sidepanelsamling, bagdørs sidepanelsamling, gulvsamling, tagsamling samt U-formede bolte, sideskærme, bagskærme, stænklapper og andet tilbehør tilsluttet andenklasses chassis. Tværbjælkerne, søjlerne, sidebjælkerne og dørpanelerne er lavet af ekstruderede aluminiumslegeringsprofiler, mens gulv- og tagpanelerne er lavet af 5052 flade plader af aluminiumslegering. Strukturen af kassevognen i aluminiumslegering er vist i figur 2.
Ved at bruge den varme ekstrudering af 6-seriens aluminiumslegering kan der dannes komplekse hule tværsnit, et design af aluminiumsprofiler med komplekse tværsnit kan spare materialer, opfylde kravene til produktstyrke og stivhed og opfylde kravene til gensidig forbindelse mellem forskellige komponenter. Derfor er hovedbjælkens designstruktur og sektionsinertimomenter I og modstandsmomenter W vist i figur 3.
En sammenligning af hoveddataene i tabel 4 viser, at tværsnits-inertimomenterne og modstandsmomenterne for det designede aluminiumsprofil er bedre end de tilsvarende data for det jernfremstillede bjælkeprofil. Stivhedskoefficientdataene er nogenlunde de samme som for den tilsvarende jernfremstillede bjælkeprofil, og alle opfylder deformationskravene.
3.2 Maksimal stressberegning
Ved at tage den bærende nøglekomponent, tværbjælken, som objekt, beregnes den maksimale spænding. Den nominelle belastning er 1,5 t, og tværbjælken er lavet af 6063-T6 aluminiumslegeringsprofil med mekaniske egenskaber som vist i tabel 5. Bjælken er forenklet som en udkragningsstruktur til kraftberegning, som vist i figur 4.
Ved at tage en 344 mm spændvidde, beregnes trykbelastningen på bjælken som F=3757 N baseret på 4,5t, hvilket er tre gange den statiske standardbelastning. q=F/L
hvor q er bjælkens indre spænding under belastningen, N/mm; F er den belastning, der bæres af bjælken, beregnet ud fra 3 gange den statiske standardbelastning, som er 4,5 t; L er længden af bjælken, mm.
Derfor er den indre spænding q:
Stressberegningsformlen er som følger:
Det maksimale øjeblik er:
Tager man den absolutte værdi af momentet, M=274283 N·mm, den maksimale spænding σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa og den maksimale spændingsværdi σ<215 MPa, som opfylder kravene.
3.3 Tilslutningskarakteristika for forskellige komponenter
Aluminiumslegering har dårlige svejseegenskaber, og dens svejsepunktstyrke er kun 60% af grundmaterialets styrke. På grund af dækningen af et lag af Al2O3 på aluminiumslegeringsoverfladen er smeltepunktet for Al2O3 højt, mens smeltepunktet for aluminium er lavt. Når aluminiumslegering svejses, skal Al2O3 på overfladen hurtigt brydes for at udføre svejsning. Samtidig vil resten af Al2O3 forblive i aluminiumslegeringsopløsningen, hvilket påvirker aluminiumslegeringsstrukturen og reducerer styrken af aluminiumslegeringssvejsepunktet. Derfor tages disse egenskaber fuldt ud i betragtning, når man designer en beholder i hel aluminium. Svejsning er den vigtigste positioneringsmetode, og de vigtigste bærende komponenter er forbundet med bolte. Forbindelser såsom nitning og svalehalestruktur er vist i figur 5 og 6.
Hovedstrukturen af kassekroppen helt i aluminium vedtager en struktur med vandrette bjælker, lodrette søjler, sidebjælker og kantbjælker, der griber ind i hinanden. Der er fire forbindelsespunkter mellem hver vandret bjælke og lodret søjle. Tilslutningspunkterne er forsynet med takkede pakninger, der går i indgreb med den takkede kant af den vandrette bjælke, hvilket effektivt forhindrer glidning. De otte hjørnepunkter er hovedsageligt forbundet med stålkerneindsatser, fastgjort med bolte og selvlåsende nitter og forstærket af 5 mm trekantede aluminiumsplader svejset inde i kassen for at styrke hjørnepositionerne internt. Kassens ydre udseende har ingen svejsning eller synlige tilslutningspunkter, hvilket sikrer boksens overordnede udseende.
3.4 SE Synchronous Engineering Technology
SE synchronous engineering-teknologi bruges til at løse problemerne forårsaget af store akkumulerede størrelsesafvigelser for at matche komponenter i kassekroppen og vanskelighederne med at finde årsagerne til huller og planhedsfejl. Gennem CAE-analyse (se figur 7-8) udføres en sammenligningsanalyse med jernfremstillede kassekroppe for at kontrollere den samlede styrke og stivhed af kassekroppen, finde svage punkter og træffe foranstaltninger til at optimere og forbedre designskemaet mere effektivt .
4.Lightweighting Effekt af aluminiumslegering Box Truck
Ud over kassekroppen kan aluminiumslegeringer bruges til at erstatte stål til forskellige komponenter i kasse-type lastbilcontainere, såsom skærme, bagskærme, sideskærme, dørlåse, dørhængsler og bageste forklædekanter, hvilket opnår en vægtreduktion på 30% til 40% for lastrummet. Vægtreduktionseffekten for en tom 4080 mm×2300 mm×2200 mm lastcontainer er vist i tabel 6. Dette løser grundlæggende problemerne med overvægt, manglende overholdelse af meddelelser og lovmæssige risici ved traditionelle jernfremstillede lastrum.
Ved at erstatte traditionelt stål med aluminiumslegeringer til bilkomponenter kan der ikke kun opnås fremragende letvægtseffekter, men det kan også bidrage til brændstofbesparelser, emissionsreduktion og forbedret køretøjsydelse. På nuværende tidspunkt er der forskellige meninger om letvægtningens bidrag til brændstofbesparelser. Forskningsresultaterne fra International Aluminium Institute er vist i figur 9. Hver 10 % reduktion af køretøjets vægt kan reducere brændstofforbruget med 6 % til 8 %. Baseret på indenlandske statistikker kan en reduktion af vægten af hver personbil med 100 kg reducere brændstofforbruget med 0,4 l/100 km. Letvægtningens bidrag til brændstofbesparelser er baseret på resultater opnået fra forskellige forskningsmetoder, så der er en vis variation. Bilens letvægt har dog en betydelig indflydelse på at reducere brændstofforbruget.
For elektriske køretøjer er letvægtseffekten endnu mere udtalt. I øjeblikket er enhedens energitæthed for batterier til elektriske køretøjer væsentligt forskellig fra den for traditionelle køretøjer med flydende brændstof. Vægten af el-køretøjers strømsystem (inklusive batteriet) tegner sig ofte for 20% til 30% af køretøjets samlede vægt. Samtidig er det en verdensomspændende udfordring at bryde igennem flaskehalsen for batterier. Før der er et stort gennembrud inden for højtydende batteriteknologi, er letvægt en effektiv måde at forbedre elbilers krydstogtrækkevidde. For hver 100 kg vægtreduktion kan elbilers sejlrækkevidde øges med 6 % til 11 % (forholdet mellem vægtreduktion og krydstogtrækkevidde er vist i figur 10). I øjeblikket kan krydstogtsrækkevidden for rene elektriske køretøjer ikke opfylde behovene hos de fleste mennesker, men at reducere vægten med en vis mængde kan forbedre sejlrækkevidden markant, lette rækkeviddeangsten og forbedre brugeroplevelsen.
5.Konklusion
Ud over den helt aluminiumsstruktur af kassevognen i aluminiumslegering, der introduceres i denne artikel, er der forskellige typer kassevogne, såsom bikagepaneler af aluminium, spændeplader af aluminium, aluminiumsrammer + aluminiumskind og hybridlastbeholdere af jern-aluminium . De har fordelene ved let vægt, høj specifik styrke og god korrosionsbestandighed og kræver ikke elektroforetisk maling til korrosionsbeskyttelse, hvilket reducerer miljøpåvirkningen af elektroforetisk maling. Kassevognen i aluminiumslegering løser grundlæggende problemerne med overvægt, manglende overholdelse af meddelelser og lovmæssige risici ved traditionelle jernfremstillede lastrum.
Ekstrudering er en væsentlig forarbejdningsmetode for aluminiumslegeringer, og aluminiumsprofiler har fremragende mekaniske egenskaber, så sektionsstivheden af komponenter er relativt høj. På grund af det variable tværsnit kan aluminiumslegeringer opnå kombinationen af flere komponentfunktioner, hvilket gør det til et godt materiale til letvægt i biler. Imidlertid står den udbredte anvendelse af aluminiumslegeringer over for udfordringer såsom utilstrækkelig designkapacitet til aluminiumslegeringslastrum, formnings- og svejseproblemer og høje udviklings- og salgsfremmende omkostninger for nye produkter. Hovedårsagen er stadig, at aluminiumslegeringer koster mere end stål, før genbrugsøkologien for aluminiumslegeringer bliver moden.
Som konklusion vil anvendelsesområdet for aluminiumslegeringer i biler blive bredere, og deres anvendelse vil fortsætte med at stige. I de nuværende tendenser til energibesparelse, emissionsreduktion og udviklingen af den nye energikøretøjsindustri, med den dybere forståelse af aluminiumlegeringsegenskaber og effektive løsninger på anvendelsesproblemer med aluminiumlegeringer, vil aluminiumekstruderingsmaterialer blive mere udbredt i bilindustriens letvægt.
Redigeret af May Jiang fra MAT Aluminium
Indlægstid: Jan-12-2024
