1. Introdución
O alixeiramento de materiais para automóbiles comezou nos países desenvolvidos e foi liderado inicialmente polos xigantes tradicionais da automoción. Co desenvolvemento continuo, gañou un impulso significativo. Desde o momento en que os indios utilizaron por primeira vez aliaxe de aluminio para producir viraxes de manivelas para automóbiles ata a primeira produción en masa de coches totalmente de aluminio de Audi en 1999, a aliaxe de aluminio experimentou un forte crecemento nas aplicacións automotrices debido ás súas vantaxes, como a baixa densidade, a alta resistencia específica e rixidez, a boa elasticidade e resistencia ao impacto, a alta reciclabilidade e a alta taxa de rexeneración. En 2015, a proporción de aplicación de aliaxe de aluminio en automóbiles xa superara o 35 %.
O alixeiro de pesos automobilísticos na China comezou hai menos de 10 anos, e tanto a tecnoloxía como o nivel de aplicación están por detrás de países desenvolvidos como Alemaña, Estados Unidos e Xapón. Non obstante, co desenvolvemento de vehículos de nova enerxía, o alixeiro de materiais está a progresar rapidamente. Aproveitando o auxe dos vehículos de nova enerxía, a tecnoloxía de alixeiro de pesos automobilísticos da China está a mostrar unha tendencia a poñerse ao día cos países desenvolvidos.
O mercado chinés de materiais lixeiros é enorme. Por unha banda, en comparación cos países desenvolvidos no estranxeiro, a tecnoloxía de alixeiramento de vehículos comezou tarde na China e o peso en baleiro total dos vehículos é maior. Tendo en conta o índice de referencia da proporción de materiais lixeiros nos países estranxeiros, aínda hai amplo espazo para o desenvolvemento na China. Por outra banda, impulsado polas políticas, o rápido desenvolvemento da nova industria de vehículos enerxéticos da China impulsará a demanda de materiais lixeiros e animará ás empresas automobilísticas a avanzar cara ao alixeiramento.
A mellora dos estándares de emisións e consumo de combustible está a forzar a aceleración do alixeiramento dos automóbiles. China implementou plenamente os estándares de emisións China VI en 2020. Segundo o "Método de avaliación e indicadores para o consumo de combustible dos turismos" e a "Folla de ruta de aforro de enerxía e tecnoloxía de vehículos de 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 a redución de emisións, a adopción de medidas para compoñentes de automoción alixeirados pode reducir eficazmente as emisións e o consumo de combustible dos vehículos. O alixeiramento dos vehículos de novas enerxías converteuse nun camiño esencial para o desenvolvemento da industria.
En 2016, a Sociedade de Enxeñaría de Automoción de China publicou a "Folla de ruta para o aforro de enerxía e a tecnoloxía de vehículos de novas enerxías", que planificaba factores como o consumo de enerxía, a autonomía e os materiais de fabricación para os vehículos de novas enerxías de 2020 a 2030. O alixeiramento será unha dirección clave para o desenvolvemento futuro dos vehículos de novas enerxías. O alixeiramento pode aumentar a autonomía e abordar a "ansiedade pola autonomía" nos vehículos de novas enerxías. Coa crecente demanda dunha autonomía de condución ampliada, o alixeiramento dos automóbiles faise urxente e as vendas de vehículos de novas enerxías 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 da automoción", estímase que para 2025, as vendas de vehículos de novas enerxías na China superarán os 6 millóns de unidades, cunha taxa de crecemento anual composta 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 unha maior resistencia específica, boa capacidade de extrusión, forte resistencia á corrosión e alta reciclabilidade. As aliaxes de aluminio caracterízanse por estar compostas principalmente de magnesio, presentan boa resistencia á calor, boas propiedades de soldadura, boa resistencia á fatiga, non se poden reforzar mediante tratamento térmico e teñen a capacidade de aumentar a resistencia mediante traballo en frío. A serie 6 caracterízase por estar composta principalmente de magnesio e silicio, con Mg2Si como principal fase de reforzo. 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 antioxidante máis utilizada. Esta aliaxe ten 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 en semifrío, baixa plasticidade no endurecemento por traballo en frío, boa resistencia á corrosión e boas propiedades de soldadura. Úsase principalmente para compoñentes como paneis laterais, cubertas de teitos e paneis de portas. A aliaxe de aluminio 6063 é unha aliaxe de reforzo tratable termicamente da serie AL-Mg-Si, con magnesio e silicio como principais elementos de aliaxe. É un perfil de aliaxe de aluminio de reforzo tratable termicamente con resistencia media, que se usa principalmente en compoñentes estruturais como columnas e paneis laterais para soportar resistencia. Unha introdución aos graos de aliaxe de aluminio móstrase na Táboa 1.
2.2 A extrusión é un método importante de conformado de aliaxe de aluminio
A extrusión de aliaxe de aluminio é un método de conformado en quente e todo o proceso de produción implica a formación de aliaxe de aluminio baixo unha tensión de compresión tripla. Todo o proceso de produción pódese describir do seguinte xeito: a. O aluminio e outras aliaxes fúndense e córtanse nos lingotes de aliaxe de aluminio requiridos; b. Os lingotes prequentados colócanse no equipo de extrusión para a extrusión. Baixo a acción do cilindro principal, o lingote de aliaxe de aluminio fórmase nos perfís requiridos a través da cavidade do molde; c. Para mellorar as propiedades mecánicas dos perfís de aluminio, realízase 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 camión tipo caixa móstrase na Táboa 2.
Os produtos extruídos de aliaxe de aluminio teñen varias vantaxes sobre outros métodos de conformado:
a. Durante a extrusión, o metal extruído obtén unha tensión de compresión trilateral máis forte e uniforme na zona de deformación que a laminación e o forxado, polo que pode reproducir plenamente a plasticidade do metal procesado. Pode usarse para procesar metais difíciles de deformar que non se poden procesar mediante laminación ou forxado 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 variarse, os seus compoñentes teñen unha alta rixidez, o que pode mellorar a rixidez da carrozaría do vehículo, reducir as súas características de NVH e mellorar as características de control dinámico do vehículo.
c. Os produtos con eficiencia de extrusión, despois do arrefriamento e o envellecemento, teñen unha resistencia lonxitudinal (R, Raz) significativamente maior que os produtos procesados por outros métodos.
d. A superficie dos produtos despois da extrusión ten boa cor e boa resistencia á corrosión, eliminando a necesidade doutros tratamentos superficiais 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 dos perfís de aluminio, pódese aumentar o grao de integración de compoñentes, pódese reducir o número de compoñentes e diferentes deseños de sección transversal poden lograr un posicionamento preciso da soldadura.
A comparación do rendemento entre os perfís de aluminio extruído para camións tipo caixa e o aceiro ao carbono liso móstrase na Táboa 3.
Próxima dirección de desenvolvemento de perfís de aliaxe de aluminio para camións tipo caixa: Mellora adicional da resistencia do perfil e mellora do 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, análise de resistencia e verificación do camión de caixa de aliaxe de aluminio
3.1 Estrutura de camión de caixa de aliaxe de aluminio
O contedor do camión con caixa consta principalmente do conxunto do panel frontal, o conxunto do panel lateral esquerdo e dereito, o conxunto do panel lateral da porta traseira, o conxunto do chan, o conxunto do teito, así como parafusos en forma de U, protectores laterais, protectores traseiros, faldóns para a lama e outros accesorios conectados ao chasis de segunda clase. As vigas transversais da carrozaría, os piares, as vigas laterais e os paneis das portas están feitos de perfís extruídos 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, pódense 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 varios compoñentes. Polo tanto, a estrutura de deseño da viga principal e os momentos de inercia seccionais I e os momentos resistentes W móstranse na Figura 3.
Unha comparación dos datos principais da Táboa 4 mostra que os momentos de inercia seccionais e os momentos resistentes 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 de viga de ferro correspondente e todos cumpren os requisitos de deformación.
3.2 Cálculo da tensión máxima
Tomando como obxecto o compoñente principal que soporta a 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 baseada en 4,5 t, que é o triplo da carga estática estándar. q = F/L
onde q é a tensión interna da viga baixo a carga, en N/mm; F é a carga soportada pola viga, calculada en base a 3 veces a carga estática estándar, que é de 4,5 t; L é a lonxitude da viga, en 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 da tensión máxima σ<215 MPa, o que cumpre os requisitos.
3.3 Características de conexión de varios compoñentes
A aliaxe de aluminio ten propiedades de soldadura deficientes e a súa resistencia no 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 do Al2O3 é alto, mentres que o punto de fusión do aluminio é baixo. Cando se solda unha aliaxe de aluminio, o Al2O3 na superficie debe romperse rapidamente para realizar a soldadura. Ao mesmo tempo, os residuos de Al2O3 permanecerán na solución da aliaxe de aluminio, afectando á 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 téñense en conta. A soldadura é o principal método de posicionamento e os principais compoñentes de soporte de carga están conectados mediante parafusos. As conexións como o remache e a estrutura 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 entrelazadas entre si. Hai catro puntos de conexión entre cada viga horizontal e piar vertical. Os puntos de conexión están equipados con xuntas serradas para engranar co bordo serrado da viga horizontal, evitando eficazmente o deslizamento. Os oito puntos de esquina están conectados principalmente por insercións de núcleo de aceiro, fixadas con parafusos e remaches autoblocantes, e reforzadas por placas triangulares de aluminio de 5 mm soldadas dentro da caixa para reforzar as posicións das esquinas internamente. O aspecto externo da caixa non ten soldaduras nin puntos de conexión expostos, o que garante o aspecto xeral da caixa.
3.4 Tecnoloxía de Enxeñaría Síncrona SE
A tecnoloxía de enxeñaría síncrona SE utilízase para resolver os problemas causados polas grandes desviacións de tamaño acumuladas para os compoñentes coincidentes na carrozaría da caixa e as dificultades para atopar as causas das fendas e as fallas por planitude. Mediante a análise CAE (véxase a Figura 7-8), realízase unha análise comparativa con carrozarías de caixa fabricadas en ferro para comprobar a resistencia e a rixidez xerais da carrozaría, atopar puntos débiles e tomar medidas para optimizar e mellorar o esquema de deseño de forma máis eficaz.
4. Efecto de lixeireza do camión de caixa de aliaxe de aluminio
Ademais da carrozaría, as aliaxes de aluminio pódense empregar para substituír o aceiro en varios compoñentes dos contedores de camións tipo caixa, como garda-lamas, gardas traseiras, gardas laterais, peches das portas, bisagras das portas e bordos do faldón traseiro, 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 os compoñentes da automoción, non só se poden conseguir excelentes efectos de alixeiramento, senón que tamén pode contribuír ao aforro de combustible, á redución de emisións e á mellora do rendemento dos vehículos. Na actualidade, existen varias opinións sobre a contribución da alixeiramento ao aforro de combustible. Os resultados da investigación do Instituto Internacional do Aluminio móstranse na Figura 9. Cada redución do 10 % no peso do vehículo pode reducir o consumo de combustible entre un 6 % e un 8 %. Segundo as estatísticas nacionais, reducir o peso de cada turismo en 100 kg pode reducir o consumo de combustible en 0,4 L/100 km. A contribución da alixeiramento ao aforro de combustible baséase nos resultados obtidos a partir de diferentes métodos de investigación, polo que hai algunhas variacións. Non obstante, a alixeiramento dos automóbiles ten un impacto significativo na redución do consumo de combustible.
Para os vehículos eléctricos, o efecto de alixeiramento é aínda máis pronunciado. Actualmente, a densidade de enerxía unitaria das baterías dos vehículos eléctricos é significativamente diferente da dos vehículos tradicionais de combustible líquido. O peso do sistema de alimentación (incluída a batería) dos vehículos eléctricos adoita representar entre o 20 % e o 30 % do peso total do vehículo. Ao mesmo tempo, superar o pescozo de botella no rendemento das baterías é un desafío mundial. Antes de que haxa un gran avance na tecnoloxía de baterías de alto rendemento, o alixeiramento é unha forma eficaz de mellorar a autonomía dos vehículos eléctricos. Por cada redución de peso de 100 kg, a autonomía dos vehículos eléctricos pode aumentar entre un 6 % e un 11 % (a relación entre a redución de peso e a autonomía móstrase na Figura 10). Actualmente, a autonomía dos vehículos eléctricos puros non pode satisfacer as necesidades da maioría da xente, pero reducir o peso nunha determinada cantidade pode mellorar significativamente a autonomía, aliviando a ansiedade pola autonomía 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, existen varios tipos de camións de caixa, como paneis de panal de aluminio, placas de fibela de aluminio, marcos de aluminio + revestimentos de aluminio e contedores de carga híbridos de ferro-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, o que reduce 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 feitos 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 as converte nun bo material para o alixeiro de automóbiles. Non obstante, a aplicación xeneralizada das aliaxes de aluminio enfróntase a desafíos como a capacidade de deseño insuficiente para os compartimentos de carga de aliaxes de aluminio, problemas de conformado e soldadura e altos custos de desenvolvemento e promoción de novos produtos. A razón principal segue sendo 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 farase máis amplo e o seu uso seguirá aumentando. Nas tendencias actuais de aforro de enerxía, redución de emisións e desenvolvemento da nova industria de vehículos enerxéticos, coa comprensión profunda das propiedades das aliaxes de aluminio e as solucións eficaces aos problemas de aplicación das aliaxes de aluminio, os materiais de extrusión de aluminio utilizaranse máis amplamente no alixeiramento dos automóbiles.
Editado por May Jiang de MAT Aluminum
Data de publicación: 12 de xaneiro de 2024
