1.Introduktion
Automotive lightweighting började i utvecklade länder och leddes till en början av traditionella biljättar. Med kontinuerlig utveckling har det tagit betydande fart. Från den tid då indianerna först använde aluminiumlegering för att tillverka vevaxlar för bilar till Audis första massproduktion av bilar helt i aluminium 1999, har aluminiumlegering sett en robust tillväxt i fordonstillämpningar på grund av dess fördelar som låg densitet, hög specifik hållfasthet och styvhet, god elasticitet och slagtålighet, hög återvinningsbarhet och hög regenereringshastighet. År 2015 hade användningsandelen av aluminiumlegering i bilar redan överstigit 35 %.
Kinas lättviktare för fordon startade för mindre än 10 år sedan, och både tekniken och applikationsnivån släpar efter utvecklade länder som Tyskland, USA och Japan. Men med utvecklingen av nya energifordon går materiallättvikten snabbt framåt. Genom att utnyttja framväxten av nya energifordon visar Kinas lättviktsteknik för fordon en trend att komma ikapp utvecklade länder.
Kinas marknad för lättviktsmaterial är enorm. Å ena sidan, jämfört med utvecklade länder utomlands, började Kinas lättviktsteknik sent, och fordonets totala egenvikt är större. Med tanke på riktmärket för lättviktsmaterials andel i främmande länder, finns det fortfarande gott om utrymme för utveckling i Kina. Å andra sidan, driven av politik, kommer den snabba utvecklingen av Kinas nya energifordonsindustri att öka efterfrågan på lättviktsmaterial och uppmuntra fordonsföretag att gå mot lättvikt.
Förbättringen av emissions- och bränsleförbrukningsstandarder tvingar fram en acceleration av fordonslättvikt. Kina implementerade till fullo China VI-utsläppsstandarderna 2020. Enligt "Utvärderingsmetod och indikatorer för bränsleförbrukning av personbilar" och "Färdkarta för energibesparing och ny energifordonteknologi", bränsleförbrukningsstandarden på 5,0 l/km. Med hänsyn till det begränsade utrymmet för betydande genombrott inom motorteknik och minskning av utsläppen, kan åtgärder för lätta fordonskomponenter effektivt minska fordonsutsläpp och bränsleförbrukning. Lättviktning av nya energifordon har blivit en viktig väg för branschens utveckling.
Under 2016 utfärdade China Automotive Engineering Society "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap", som planerade faktorer som energiförbrukning, kryssningsräckvidd och tillverkning av material för nya energifordon från 2020 till 2030. Lättvikt kommer att vara en nyckelriktning för den framtida utvecklingen av nya energifordon. Lättvikt kan öka räckvidden och ta itu med "räckviddsångest" i nya energifordon. Med den ökande efterfrågan på utökat cruising räckvidd, blir lättviktning för fordon akut, och försäljningen av nya energifordon har vuxit avsevärt de senaste åren. Enligt kraven i poängsystemet och "Medel-to-Long-Term Development Plan for the Automotive Industry" beräknas Kinas försäljning av nya energifordon år 2025 överstiga 6 miljoner enheter, med en sammansatt årlig tillväxt ränta som överstiger 38 %.
2. Aluminiumlegeringsegenskaper och tillämpningar
2.1 Egenskaper hos aluminiumlegering
Aluminiumets densitet är en tredjedel av stålets, vilket gör det lättare. Den har högre specifik hållfasthet, bra extruderingsförmåga, stark korrosionsbeständighet och hög återvinningsbarhet. Aluminiumlegeringar kännetecknas av att de huvudsakligen är sammansatta av magnesium, uppvisar god värmebeständighet, goda svetsegenskaper, god utmattningshållfasthet, oförmåga att förstärkas genom värmebehandling och förmåga att öka hållfastheten genom kallbearbetning. 6-serien kännetecknas av att huvudsakligen vara sammansatt av magnesium och kisel, med Mg2Si som den huvudsakliga förstärkningsfasen. De mest använda legeringarna i denna kategori är 6063, 6061 och 6005A. 5052 aluminiumplåt är en aluminiumplåt i AL-Mg-serien, med magnesium som huvudlegeringselement. Det är den mest använda rostskyddande aluminiumlegeringen. Denna legering har hög hållfasthet, hög utmattningshållfasthet, god plasticitet och korrosionsbeständighet, kan inte förstärkas genom värmebehandling, har god plasticitet vid halvkallbearbetningshärdning, låg plasticitet vid kallbearbetningshärdning, god korrosionsbeständighet och goda svetsegenskaper. Den används främst för komponenter som sidopaneler, takskydd och dörrpaneler. 6063 aluminiumlegering är en värmebehandlingsbar förstärkningslegering i AL-Mg-Si-serien, med magnesium och kisel som huvudlegeringselement. Det är en värmebehandlingsbar stärkande aluminiumlegeringsprofil med medelhög styrka, främst använd i strukturella komponenter som pelare och sidopaneler för att bära styrka. En introduktion till aluminiumlegeringskvaliteter visas i tabell 1.
2.2 Extrudering är en viktig formningsmetod för aluminiumlegering
Extrudering av aluminiumlegeringar är en varmformningsmetod, och hela produktionsprocessen involverar formning av aluminiumlegering under trevägstryckspänning. Hela produktionsprocessen kan beskrivas på följande sätt: a. Aluminium och andra legeringar smälts och gjuts till de erforderliga ämnen av aluminiumlegering; b. De förvärmda ämnena sätts in i extruderingsutrustningen för extrudering. Under verkan av huvudcylindern formas aluminiumlegeringsämnet till de erforderliga profilerna genom formens hålighet; c. För att förbättra de mekaniska egenskaperna hos aluminiumprofiler utförs lösningsbehandling under eller efter extrudering, följt av åldringsbehandling. De mekaniska egenskaperna efter åldringsbehandling varierar beroende på olika material och åldringsregimer. Värmebehandlingsstatusen för lastbilsprofiler av lådtyp visas i tabell 2.
Extruderade produkter av aluminiumlegering har flera fördelar jämfört med andra formningsmetoder:
a. Under extrudering erhåller den extruderade metallen en starkare och mer enhetlig trevägstryckspänning i deformationszonen än valsning och smidning, så att den fullt ut kan spela plasticiteten hos den bearbetade metallen. Den kan användas för att bearbeta svårdeformerade metaller som inte kan bearbetas genom valsning eller smide och kan användas för att tillverka olika komplexa ihåliga eller solida tvärsnittskomponenter.
b. Eftersom geometrin hos aluminiumprofiler kan varieras, har deras komponenter hög styvhet, vilket kan förbättra styvheten hos fordonskarossen, minska dess NVH-egenskaper och förbättra fordonets dynamiska kontrollegenskaper.
c. Produkter med extruderingseffektivitet, efter härdning och åldring, har betydligt högre längdhållfasthet (R, Raz) än produkter som bearbetats med andra metoder.
d. Ytan på produkter efter extrudering har bra färg och god korrosionsbeständighet, vilket eliminerar behovet av annan korrosionsskyddande ytbehandling.
e. Extruderingsbearbetning har stor flexibilitet, låga verktygs- och formkostnader och låga kostnader för designändringar.
f. På grund av styrbarheten hos aluminiumprofiltvärsnitt kan graden av komponentintegrering ökas, antalet komponenter kan minskas och olika tvärsnittsdesigner kan uppnå exakt svetspositionering.
Prestandajämförelsen mellan extruderade aluminiumprofiler för lastbilar av lådtyp och vanligt kolstål visas i tabell 3.
Nästa utvecklingsriktning för aluminiumlegeringsprofiler för lastbilar av lådtyp: Ytterligare förbättra profilstyrkan och förbättra extruderingsprestanda. Forskningsriktningen för nya material för aluminiumlegeringsprofiler för lastbilar av lådtyp visas i figur 1.
3. Aluminiumlegeringslåda lastbilsstruktur, hållfasthetsanalys och verifiering
3.1 Lastbilskonstruktion i aluminiumlegering
Lådbilscontainern består huvudsakligen av frontpanelmontering, vänster och höger sidopanelenhet, bakdörrssidopanelmontering, golvmontering, takmontering, samt U-formade bultar, sidoskydd, bakre skydd, stänklappar och andra tillbehör kopplad till andra klassens chassi. Boxkroppens tvärbalkar, pelare, sidobalkar och dörrpaneler är gjorda av strängpressade profiler av aluminiumlegering, medan golv- och takpanelerna är gjorda av platta plattor av aluminiumlegering 5052. Strukturen på aluminiumlådbilen visas i figur 2.
Genom att använda den heta extruderingsprocessen för 6-seriens aluminiumlegering kan man bilda komplexa ihåliga tvärsnitt, en design av aluminiumprofiler med komplexa tvärsnitt kan spara material, uppfylla kraven på produktstyrka och styvhet och uppfylla kraven på ömsesidig koppling mellan olika komponenter. Därför visas huvudbalkens designstruktur och tvärsnittströghetsmoment I och motståndsmoment W i figur 3.
En jämförelse av huvuddata i tabell 4 visar att sektionströghetsmomenten och motståndsmomenten för den designade aluminiumprofilen är bättre än motsvarande data för den järntillverkade balkprofilen. Styvhetskoefficientdata är ungefär desamma som för motsvarande järntillverkade balkprofil och alla uppfyller deformationskraven.
3.2 Maximal stressberäkning
Med den viktigaste bärande komponenten, tvärbalken, som objekt beräknas den maximala spänningen. Märklasten är 1,5 t, och tvärbalken är gjord av 6063-T6 aluminiumlegeringsprofil med mekaniska egenskaper som visas i Tabell 5. Balken är förenklad som en fribärande struktur för kraftberäkning, som visas i Figur 4.
Med en 344 mm spännbalk beräknas tryckbelastningen på balken till F=3757 N baserat på 4,5t, vilket är tre gånger den statiska standardbelastningen. q=F/L
där q är balkens inre spänning under belastningen, N/mm; F är belastningen som bärs av balken, beräknad utifrån 3 gånger den statiska standardbelastningen, som är 4,5 t; L är längden på balken, mm.
Därför är den inre spänningen q:
Formeln för stressberäkning är följande:
Det maximala ögonblicket är:
Med det absoluta värdet av momentet, M=274283 N·mm, den maximala spänningen σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, och det maximala spänningsvärdet σ<215 MPa, vilket uppfyller kraven.
3.3 Anslutningsegenskaper för olika komponenter
Aluminiumlegering har dåliga svetsegenskaper, och dess svetspunktsstyrka är endast 60% av basmaterialets styrka. På grund av täckningen av ett lager av Al2O3 på aluminiumlegeringsytan är smältpunkten för Al2O3 hög, medan smältpunkten för aluminium är låg. När aluminiumlegering svetsas måste Al2O3 på ytan snabbt brytas för att utföra svetsning. Samtidigt kommer resten av Al2O3 att finnas kvar i aluminiumlegeringslösningen, vilket påverkar aluminiumlegeringsstrukturen och minskar styrkan hos aluminiumlegeringssvetspunkten. Därför, när man designar en behållare helt i aluminium, beaktas dessa egenskaper fullt ut. Svetsning är den huvudsakliga positioneringsmetoden, och de viktigaste bärande komponenterna är förbundna med bultar. Anslutningar som nitning och laxstjärtstruktur visas i figurerna 5 och 6.
Huvudstrukturen av lådan helt i aluminium antar en struktur med horisontella balkar, vertikala pelare, sidobalkar och kantbalkar som är sammankopplade med varandra. Det finns fyra anslutningspunkter mellan varje horisontell balk och vertikal pelare. Anslutningspunkterna är försedda med tandade packningar för att passa in i den tandade kanten på den horisontella balken, vilket effektivt förhindrar glidning. De åtta hörnpunkterna är huvudsakligen förbundna med stålkärninsatser, fixerade med bultar och självlåsande nitar, och förstärkta av 5 mm triangulära aluminiumplåtar svetsade inuti lådan för att stärka hörnpositionerna invändigt. Lådans yttre utseende har inga svetsade eller exponerade anslutningspunkter, vilket säkerställer lådans övergripande utseende.
3.4 SE Synchronous Engineering Technology
SE Synchronous engineering-teknik används för att lösa de problem som orsakas av stora ackumulerade storleksavvikelser för att matcha komponenter i lådkroppen och svårigheterna att hitta orsakerna till luckor och planhetsfel. Genom CAE-analys (se figur 7-8) genomförs en jämförelseanalys med järntillverkade lådkroppar för att kontrollera lådkroppens totala styrka och styvhet, hitta svaga punkter och vidta åtgärder för att optimera och förbättra designschemat mer effektivt .
4.Lättviktande effekt av aluminiumlegeringslåda lastbil
Förutom lådkroppen kan aluminiumlegeringar användas för att ersätta stål för olika komponenter i lastbilscontainrar av lådtyp, såsom stänkskärmar, bakre skydd, sidoskydd, dörrspärrar, dörrgångjärn och bakre förklädes kanter, vilket uppnår en viktminskning på 30 % till 40 % för lastutrymmet. Viktminskningseffekten för en tom 4080mm×2300mm×2200mm lastcontainer visas i Tabell 6. Detta löser i grunden problemen med övervikt, bristande efterlevnad av meddelanden och regulatoriska risker med traditionella järntillverkade lastutrymmen.
Genom att ersätta traditionellt stål med aluminiumlegeringar för fordonskomponenter kan inte bara utmärkta lättviktseffekter uppnås, utan det kan också bidra till bränslebesparingar, utsläppsminskningar och förbättrad fordonsprestanda. För närvarande finns det olika åsikter om lättviktningens bidrag till bränslebesparingar. Forskningsresultaten från International Aluminium Institute visas i figur 9. Varje 10 % minskning av fordonsvikten kan minska bränsleförbrukningen med 6 % till 8 %. Baserat på inhemsk statistik kan en minskning av vikten på varje personbil med 100 kg minska bränsleförbrukningen med 0,4 L/100 km. Lättviktningens bidrag till bränslebesparingar baseras på resultat från olika forskningsmetoder, så det finns en viss variation. Bilens lättvikt har dock en betydande inverkan på att minska bränsleförbrukningen.
För elfordon är lättviktseffekten ännu mer uttalad. För närvarande skiljer sig enhetens energitäthet för batterier för elfordon avsevärt från den för traditionella fordon med flytande bränsle. Vikten på elfordons kraftsystem (inklusive batteriet) står ofta för 20 % till 30 % av fordonets totala vikt. Samtidigt är det en världsomspännande utmaning att bryta igenom batteriernas prestandaflaskhals. Innan det sker ett stort genombrott inom högpresterande batteriteknik, är lättvikt ett effektivt sätt att förbättra elfordons räckvidd. För varje 100 kg viktminskning kan elfordons marschräckvidd ökas med 6 % till 11 % (sambandet mellan viktminskning och marschräckvidd visas i figur 10). För närvarande kan kryssningsräckvidden för rena elfordon inte tillgodose behoven hos de flesta, men att minska vikten med en viss mängd kan avsevärt förbättra kryssningsräckvidden, lindra räckviddsångest och förbättra användarupplevelsen.
5. Slutsats
Utöver den helt aluminiumstrukturen hos den aluminiumlegerade lådbilen som introduceras i den här artikeln, finns det olika typer av lådbilar, såsom aluminiumbikakepaneler, aluminiumspännplattor, aluminiumramar + aluminiumskinn och hybridlastcontainrar av järn-aluminium . De har fördelarna med låg vikt, hög specifik hållfasthet och god korrosionsbeständighet, och kräver inte elektroforetisk färg för korrosionsskydd, vilket minskar miljöpåverkan från elektroforetisk färg. Lådbilen i aluminiumlegering löser i grunden problemen med övervikt, bristande efterlevnad av tillkännagivanden och regulatoriska risker med traditionella järntillverkade lastutrymmen.
Extrudering är en viktig bearbetningsmetod för aluminiumlegeringar, och aluminiumprofiler har utmärkta mekaniska egenskaper, så sektionsstyvheten hos komponenter är relativt hög. Tack vare det variabla tvärsnittet kan aluminiumlegeringar uppnå kombinationen av flera komponentfunktioner, vilket gör det till ett bra material för lättviktsbilar. Den utbredda tillämpningen av aluminiumlegeringar står dock inför utmaningar som otillräcklig designkapacitet för lastutrymmen av aluminiumlegering, formnings- och svetsningsproblem och höga utvecklings- och marknadsföringskostnader för nya produkter. Den främsta anledningen är fortfarande att aluminiumlegering kostar mer än stål innan aluminiumlegeringarnas återvinningsekologi blir mogen.
Sammanfattningsvis kommer tillämpningsområdet för aluminiumlegeringar i bilar att bli bredare och användningen av dem kommer att fortsätta att öka. I de nuvarande trenderna för energibesparing, utsläppsminskning och utvecklingen av den nya energifordonsindustrin, med den fördjupade förståelsen för aluminiumlegeringsegenskaper och effektiva lösningar på aluminiumlegeringsapplikationsproblem, kommer aluminiumextruderingsmaterial att användas mer allmänt i fordonslättvikt.
Redigerad av May Jiang från MAT Aluminium
Posttid: 2024-jan-12
