1.Introdución
O lixeiro da automoción comezou nos países desenvolvidos e inicialmente foi liderado polos xigantes da automoción tradicionais. Co desenvolvemento continuo, gañou un impulso significativo. Desde o momento en que os indios usaron por primeira vez a aliaxe de aluminio para producir cigüeñais de automóbiles ata a primeira produción en masa de coches totalmente de aluminio por parte de Audi en 1999, a aliaxe de aluminio experimentou un forte crecemento nas aplicacións do automóbil debido ás súas vantaxes como a baixa densidade, a alta resistencia específica e a rixidez. boa elasticidade e resistencia ao impacto, alta reciclabilidade e alta taxa de rexeneración. En 2015, a proporción de aplicación de aliaxe de aluminio nos automóbiles xa superara o 35%.
O lixeiro automóbil de China comezou hai menos de 10 anos, e tanto a tecnoloxía como o nivel de aplicación quedan por detrás dos países desenvolvidos como Alemaña, Estados Unidos e Xapón. Non obstante, co desenvolvemento de novos vehículos enerxéticos, o lixeiro do material está a progresar rapidamente. Aproveitando o aumento dos vehículos de nova enerxía, a tecnoloxía de lixeiro automóbil de China está a mostrar unha tendencia de poñerse ao día cos países desenvolvidos.
O mercado de materiais lixeiros de China é amplo. Por unha banda, en comparación cos países desenvolvidos do estranxeiro, a tecnoloxía de alivio de peso de China comezou tarde e o peso total do vehículo é maior. Tendo en conta o punto de referencia da proporción de materiais lixeiros en países estranxeiros, aínda hai moito espazo para o desenvolvemento en China. Por outra banda, impulsado polas políticas, o rápido desenvolvemento da industria de vehículos enerxéticos de China impulsará a demanda de materiais lixeiros e animará ás empresas de automoción a avanzar cara á lixeira.
A mellora dos estándares de emisións e consumo de combustible está a forzar a acelerar o lixeiro do automóbil. China implementou plenamente as normas de emisión de China VI en 2020. Segundo o "Método de avaliación e indicadores para o consumo de combustible dos turismos" e a "Folla de ruta de tecnoloxía de vehículos de aforro de enerxía e novas enerxías", o estándar de consumo de combustible de 5,0 L/km. Tendo en conta o espazo limitado para avances substanciais na tecnoloxía dos motores e na redución de emisións, adoptar medidas para os compoñentes lixeiros dos automóbiles pode reducir eficazmente as emisións dos vehículos e o consumo de combustible. A redución de peso dos vehículos de nova enerxía converteuse nun camiño esencial para o desenvolvemento da industria.
En 2016, a Sociedade de Enxeñaría de Automóbiles de China publicou a "Folla de ruta da tecnoloxía de vehículos de aforro de enerxía e novas enerxías", que planificou factores como o consumo de enerxía, a autonomía de cruceiro e os materiais de fabricación dos vehículos de nova enerxía de 2020 a 2030. A lixeireza será unha dirección clave. para o desenvolvemento futuro de vehículos de nova enerxía. O peso lixeiro pode aumentar o rango de cruceiro e abordar a "ansiedade de alcance" nos vehículos de nova enerxía. Coa demanda crecente de autonomía de cruceiro estendida, o lixeiro do automóbil faise urxente e as vendas de vehículos de nova enerxía creceron significativamente nos últimos anos. Segundo os requisitos do sistema de puntuación e o "Plan de desenvolvemento a medio e longo prazo para a industria do automóbil", estímase que para 2025, as vendas de vehículos de nova enerxía en China superarán os 6 millóns de unidades, cun crecemento anual composto. taxa superior ao 38%.
2. Características e aplicacións da aliaxe de aluminio
2.1 Características da aliaxe de aluminio
A densidade do aluminio é un terzo da do aceiro, o que o fai máis lixeiro. Ten maior resistencia específica, boa capacidade de extrusión, forte resistencia á corrosión e alta reciclabilidade. As aliaxes de aluminio caracterízanse por estar compostas principalmente por magnesio, presentando boa resistencia á calor, boas propiedades de soldeo, boa resistencia á fatiga, incapacidade para ser reforzada por tratamento térmico e a capacidade de aumentar a resistencia mediante o traballo en frío. A serie 6 caracterízase por estar composta principalmente por magnesio e silicio, con Mg2Si como fase principal de fortalecemento. As aliaxes máis utilizadas nesta categoría son 6063, 6061 e 6005A. A placa de aluminio 5052 é unha placa de aluminio de aliaxe da serie AL-Mg, co magnesio como principal elemento de aliaxe. É a aliaxe de aluminio anti-ferruxe máis utilizada. Esta aliaxe ten unha alta resistencia, alta resistencia á fatiga, boa plasticidade e resistencia á corrosión, non se pode reforzar mediante tratamento térmico, ten boa plasticidade no endurecemento por traballo semifrío, baixa plasticidade no endurecemento por traballo en frío, boa resistencia á corrosión e boas propiedades de soldeo. Utilízase principalmente para compoñentes como paneis laterais, cubertas de tellados e paneis de portas. A aliaxe de aluminio 6063 é unha aliaxe de reforzo tratable térmicamente da serie AL-Mg-Si, con magnesio e silicio como principais elementos de aliaxe. É un perfil de aliaxe de aluminio de reforzo tratable térmicamente con resistencia media, usado principalmente en compoñentes estruturais como columnas e paneis laterais para levar a forza. Na Táboa 1 móstrase unha introdución aos tipos de aliaxes de aluminio.
2.2 A extrusión é un importante método de conformación da aliaxe de aluminio
A extrusión de aliaxe de aluminio é un método de conformación en quente, e todo o proceso de produción implica a formación de aliaxe de aluminio baixo tensión de compresión de tres vías. Todo o proceso de produción pódese describir do seguinte xeito: a. O aluminio e outras aliaxes son fundidos e fundidos nos tochos de aliaxe de aluminio necesarios; b. Os tochos precalentados colócanse no equipo de extrusión para a extrusión. Baixo a acción do cilindro principal, o billete de aliaxe de aluminio fórmase nos perfís necesarios a través da cavidade do molde; c. Co fin de mellorar as propiedades mecánicas dos perfís de aluminio, lévase a cabo un tratamento de solución durante ou despois da extrusión, seguido dun tratamento de envellecemento. As propiedades mecánicas despois do tratamento de envellecemento varían segundo os diferentes materiais e réximes de envellecemento. O estado do tratamento térmico dos perfís de camións tipo caixa móstrase na táboa 2.
Os produtos extruídos de aliaxe de aluminio teñen varias vantaxes sobre outros métodos de conformación:
a. Durante a extrusión, o metal extruído obtén unha tensión de compresión de tres vías máis forte e uniforme na zona de deformación que a laminación e a forxa, polo que pode xogar plenamente a plasticidade do metal procesado. Pódese usar para procesar metais difíciles de deformar que non se poden procesar mediante laminación ou forxa e pode usarse para fabricar varios compoñentes complexos de sección transversal oca ou sólida.
b. Debido a que a xeometría dos perfís de aluminio pode variar, os seus compoñentes teñen unha alta rixidez, o que pode mellorar a rixidez da carrocería do vehículo, reducir as súas características NVH e mellorar as características de control dinámico do vehículo.
c. Os produtos con eficiencia de extrusión, despois do enfriamento e o envellecemento, teñen unha resistencia lonxitudinal significativamente maior (R, Raz) que os produtos procesados por outros métodos.
d. A superficie dos produtos despois da extrusión ten unha boa cor e unha boa resistencia á corrosión, eliminando a necesidade de outros tratamentos de superficie anticorrosión.
e. O procesamento de extrusión ten unha gran flexibilidade, baixos custos de ferramentas e moldes e baixos custos de cambio de deseño.
f. Debido á controlabilidade das seccións transversais do perfil de aluminio, pódese aumentar o grao de integración dos compoñentes, reducir o número de compoñentes e os diferentes deseños de seccións transversais poden conseguir un posicionamento de soldadura preciso.
A comparación do rendemento entre os perfís de aluminio extruído para camións tipo caixa e o aceiro carbono simple móstrase na táboa 3.
Próxima dirección de desenvolvemento de perfís de aliaxe de aluminio para camións tipo caixa: mellorando aínda máis a resistencia do perfil e mellorando o rendemento da extrusión. A dirección de investigación de novos materiais para perfís de aliaxe de aluminio para camións tipo caixa móstrase na Figura 1.
3.Estrutura do camión de caixa de aliaxe de aluminio, análise de resistencia e verificación
3.1 Estrutura do camión de caixa de aliaxe de aluminio
O contenedor do camión de caixa consiste principalmente en conxunto de paneles frontales, conxunto de paneis laterais esquerdo e dereito, conxunto de paneles laterales da porta traseira, montaxe de chan, montaxe de teito, así como parafusos en forma de U, protectores laterais, protectores traseiros, guardabarros e outros accesorios. conectado ao chasis de segunda clase. As vigas transversales, os alicerces, as vigas laterais e os paneis das portas están feitos de perfís extrusionados de aliaxe de aluminio, mentres que os paneis do chan e do teito están feitos de placas planas de aliaxe de aluminio 5052. A estrutura do camión con caixa de aliaxe de aluminio móstrase na figura 2.
Usando o proceso de extrusión en quente da aliaxe de aluminio da serie 6 pode formar seccións transversais ocas complexas, un deseño de perfís de aluminio con seccións transversais complexas pode aforrar materiais, cumprir os requisitos de resistencia e rixidez do produto e cumprir os requisitos de conexión mutua entre diversos compoñentes. Polo tanto, a estrutura do deseño da viga principal e os momentos de inercia de sección I e os momentos de resistencia W móstranse na Figura 3.
Unha comparación dos datos principais da Táboa 4 mostra que os momentos de inercia seccional e os momentos de resistencia do perfil de aluminio deseñado son mellores que os datos correspondentes do perfil de viga de ferro. Os datos do coeficiente de rixidez son aproximadamente os mesmos que os do perfil da viga de ferro correspondente, e todos cumpren os requisitos de deformación.
3.2 Cálculo da tensión máxima
Tomando como obxecto o principal compoñente de carga, a viga transversal, calcúlase a tensión máxima. A carga nominal é de 1,5 t e a viga transversal está feita de perfil de aliaxe de aluminio 6063-T6 con propiedades mecánicas como se mostra na táboa 5. A viga simplifícase como unha estrutura en voladizo para o cálculo da forza, como se mostra na figura 4.
Tomando unha viga de 344 mm de luz, a carga de compresión sobre a viga calcúlase como F=3757 N en base a 4,5 t, que é tres veces a carga estática estándar. q=F/L
onde q é a tensión interna da viga baixo a carga, N/mm; F é a carga soportada pola viga, calculada en función de 3 veces a carga estática estándar, que é de 4,5 t; L é a lonxitude da viga, mm.
Polo tanto, a tensión interna q é:
A fórmula de cálculo da tensión é a seguinte:
O momento máximo é:
Tomando o valor absoluto do momento, M=274283 N·mm, a tensión máxima σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa e o valor máximo de tensión σ<215 MPa, que cumpre os requisitos.
3.3 Características de conexión de varios compoñentes
A aliaxe de aluminio ten malas propiedades de soldadura e a súa resistencia do punto de soldadura é só o 60% da resistencia do material base. Debido á cobertura dunha capa de Al2O3 na superficie da aliaxe de aluminio, o punto de fusión de Al2O3 é alto, mentres que o punto de fusión do aluminio é baixo. Cando se solda a aliaxe de aluminio, o Al2O3 na superficie debe romperse rapidamente para realizar a soldadura. Ao mesmo tempo, o residuo de Al2O3 permanecerá na solución de aliaxe de aluminio, afectando a estrutura da aliaxe de aluminio e reducindo a resistencia do punto de soldadura da aliaxe de aluminio. Polo tanto, ao deseñar un recipiente totalmente de aluminio, estas características son totalmente consideradas. A soldadura é o principal método de posicionamento, e os principais compoñentes de carga están conectados por parafusos. As conexións como a estrutura de remaches e de cola de milano móstranse nas figuras 5 e 6.
A estrutura principal do corpo da caixa totalmente de aluminio adopta unha estrutura con vigas horizontais, piares verticais, vigas laterais e vigas de bordo que se enlazan entre si. Hai catro puntos de conexión entre cada viga horizontal e cada piar vertical. Os puntos de conexión están equipados con xuntas dentadas para engranar co bordo dentado da viga horizontal, evitando eficazmente o deslizamento. Os oito puntos de esquina están conectados principalmente por insercións de núcleo de aceiro, fixados con parafusos e remaches de autobloqueo, e reforzados por placas triangulares de aluminio de 5 mm soldadas no interior da caixa para reforzar as posicións das esquinas internamente. O aspecto exterior da caixa non ten puntos de conexión de soldadura nin expostos, o que garante o aspecto xeral da caixa.
3.4 SE Tecnoloxía de Enxeñaría Síncrona
A tecnoloxía de enxeñaría síncrona SE utilízase para resolver os problemas causados por grandes desviacións de tamaño acumuladas para combinar compoñentes no corpo da caixa e as dificultades para atopar as causas dos ocos e fallos de planitude. A través da análise CAE (ver Figura 7-8), realízase unha análise comparativa con corpos de caixa de ferro para comprobar a resistencia e rixidez xerais do corpo da caixa, atopar puntos débiles e tomar medidas para optimizar e mellorar o esquema de deseño de forma máis eficaz. .
Efecto 4.Lightweighting do camión de caixa de aliaxe de aluminio
Ademais do corpo da caixa, as aliaxes de aluminio pódense usar para substituír o aceiro por varios compoñentes dos colectores de camións tipo caixa, como guardabarros, protectores traseiros, protectores laterais, pestillos das portas, bisagras das portas e bordos traseiros do faldón, conseguindo unha redución de peso. do 30% ao 40% para o compartimento de carga. O efecto de redución de peso para un contedor de carga baleiro de 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm móstrase na táboa 6. Isto resolve fundamentalmente os problemas de peso excesivo, incumprimento dos anuncios e riscos regulamentarios dos compartimentos de carga tradicionais de ferro.
Ao substituír o aceiro tradicional por aliaxes de aluminio para compoñentes de automóbiles, non só se poden conseguir excelentes efectos de lixeireza, senón que tamén pode contribuír ao aforro de combustible, á redución de emisións e á mellora do rendemento do vehículo. Na actualidade, existen diversas opinións sobre a contribución do lixeiro ao aforro de combustible. Os resultados da investigación do Instituto Internacional do Aluminio móstranse na Figura 9. Cada redución do 10 % do peso do vehículo pode reducir o consumo de combustible entre un 6 % e un 8 %. Segundo as estatísticas domésticas, reducir o peso de cada turismo en 100 kg pode reducir o consumo de combustible en 0,4 L/100 km. A contribución do lixeiro ao aforro de combustible baséase nos resultados obtidos de diferentes métodos de investigación, polo que hai certa variación. Non obstante, o peso lixeiro do automóbil ten un impacto significativo na redución do consumo de combustible.
Para os vehículos eléctricos, o efecto de lixeireza é aínda máis pronunciado. Actualmente, a densidade de enerxía unitaria das baterías de enerxía dos vehículos eléctricos é significativamente diferente da dos vehículos tradicionais de combustible líquido. O peso do sistema de enerxía (incluída a batería) dos vehículos eléctricos adoita representar entre o 20% e o 30% do peso total do vehículo. Simultaneamente, romper o pescozo de botella do rendemento das baterías é un desafío mundial. Antes de que se produza un gran avance na tecnoloxía de baterías de alto rendemento, o lixeiro é unha forma eficaz de mellorar a autonomía de cruceiro dos vehículos eléctricos. Por cada 100 kg de redución de peso, a autonomía de cruceiro dos vehículos eléctricos pódese aumentar entre un 6 % e un 11 % (a relación entre a redución de peso e a autonomía de cruceiro móstrase na Figura 10). Actualmente, o rango de cruceiro dos vehículos eléctricos puros non pode satisfacer as necesidades da maioría da xente, pero reducir o peso nunha certa cantidade pode mellorar significativamente o rango de cruceiro, aliviando a ansiedade do rango e mellorando a experiencia do usuario.
5.Conclusión
Ademais da estrutura totalmente de aluminio do camión de caixa de aliaxe de aluminio que se presenta neste artigo, hai varios tipos de camións de caixa, como paneis de panal de abel de aluminio, placas de fibela de aluminio, cadros de aluminio + peles de aluminio e contedores de carga híbridos de ferro e aluminio. . Teñen as vantaxes de peso lixeiro, alta resistencia específica e boa resistencia á corrosión e non requiren pintura electroforética para a protección contra a corrosión, reducindo o impacto ambiental da pintura electroforética. O camión de caixa de aliaxe de aluminio resolve fundamentalmente os problemas de peso excesivo, incumprimento dos anuncios e riscos regulamentarios dos compartimentos de carga tradicionais de ferro.
A extrusión é un método de procesamento esencial para as aliaxes de aluminio e os perfís de aluminio teñen excelentes propiedades mecánicas, polo que a rixidez da sección dos compoñentes é relativamente alta. Debido á sección transversal variable, as aliaxes de aluminio poden lograr a combinación de múltiples funcións de compoñentes, o que o converte nun bo material para lixeirar automóbiles. Non obstante, a aplicación xeneralizada das aliaxes de aluminio enfróntase a desafíos como a insuficiente capacidade de deseño dos compartimentos de carga de aliaxes de aluminio, problemas de conformación e soldadura e altos custos de desenvolvemento e promoción de novos produtos. A razón principal aínda é que a aliaxe de aluminio custa máis que o aceiro antes de que a ecoloxía de reciclaxe das aliaxes de aluminio madure.
En conclusión, o ámbito de aplicación das aliaxes de aluminio nos automóbiles será máis amplo e o seu uso seguirá aumentando. Nas tendencias actuais de aforro enerxético, redución de emisións e desenvolvemento da industria de vehículos de nova enerxía, coa comprensión profunda das propiedades das aliaxes de aluminio e solucións eficaces para os problemas de aplicación da aliaxe de aluminio, os materiais de extrusión de aluminio serán máis amplamente utilizados no aligeramento de automóbiles.
Editado por May Jiang de MAT Aluminium
Hora de publicación: 12-xan-2024
