1. Introduktion
Automotive Lightweighting började i utvecklade länder och leddes initialt av traditionella bilgiganter. Med kontinuerlig utveckling har den fått betydande fart. Från den tid då indianerna först använde aluminiumlegering för att producera vevaxlar i fordonsens till Audis första massproduktion av all-aluminiumbilar 1999 har aluminiumlegering sett en robust tillväxt i fordonsapplikationer på grund av dess fördelar som lågtäthet, hög specifik styrka och styvhet, God elasticitet och slagmotstånd, hög återvinningsbarhet och hög regenerering. År 2015 hade applikationens andel av aluminiumlegering i bilar redan överskridit 35%.
Kinas fordonslättvikt började för mindre än tio år sedan, och både teknik- och tillämpningsnivån ligger bakom utvecklade länder som Tyskland, USA och Japan. Men med utvecklingen av nya energifordon fortskrider dock materiell lättvikt snabbt. Genom att utnyttja ökningen av nya energifordon visar Kinas fordonslättviktsteknik en trend att komma ikapp med utvecklade länder.
Kinas lätta materialmarknad är enorm. Å ena sidan, jämfört med utvecklade länder utomlands, började Kinas lätta teknik sent och den totala fordons trottoarkanten är större. Med tanke på riktmärket för lätta materialens andel i utländska länder finns det fortfarande gott om utrymme för utveckling i Kina. Å andra sidan, som drivs av politik, kommer den snabba utvecklingen av Kinas nya energifordonsindustri att öka efterfrågan på lätta material och uppmuntra bilföretag att gå mot lättviktning.
Förbättringen av utsläpps- och bränsleförbrukningsstandarder tvingar accelerationen av bilens lättvikt. Kina implementerade fullt ut China VI -utsläppsstandarder 2020. Enligt ”utvärderingsmetoden och indikatorerna för bränsleförbrukning av personbilar” och ”energibesparande och nya färdplan för energiteknologi”, 5,0 L/km bränsleförbrukningsstandard. Med hänsyn till det begränsade utrymmet för betydande genombrott inom motorteknologi och minskning av utsläpp, kan man använda åtgärder till lätta fordonskomponenter effektivt minska fordonsutsläppen och bränsleförbrukningen. Lättvikt av nya energifordon har blivit en viktig väg för branschens utveckling.
2016 utfärdade China Automotive Engineering Society ”Energy Saving and New Energy fordons teknik färdplan”, som planerade faktorer som energiförbrukning, kryssningsområde och tillverkningsmaterial för nya energifordon från 2020 till 2030. Lättviktning kommer att vara en nyckelriktning för den framtida utvecklingen av nya energifordon. Lättviktning kan öka kryssningsområdet och adressera "intervall ångest" i nya energifordon. Med den ökande efterfrågan på utökat kryssningsområde blir fordonslättvikt brådskande och försäljningen av nya energifordon har vuxit markant under de senaste åren. Enligt kraven i poängsystemet och ”Mid-to-Long-Term Development Plan for the Automotive Industry”, uppskattas att Kinas försäljning av nya energifordon kommer att överstiga 6 miljoner enheter fram till 2025, med en sammansatt årlig tillväxt årlig tillväxt hastighet som överstiger 38%.
2.Aluminiumlegeringsegenskaper och tillämpningar
2.1 Egenskaper för aluminiumlegering
Aluminiumtätheten är en tredjedel av stål, vilket gör det lättare. Den har högre specifik styrka, god extruderingsförmåga, stark korrosionsbeständighet och hög återvinningsbarhet. Aluminiumlegeringar kännetecknas av att de främst består av magnesium, uppvisar god värmebeständighet, goda svetsegenskaper, god trötthetsstyrka, oförmåga att stärkas genom värmebehandling och förmågan att öka styrkan genom kallt arbete. 6 -serien kännetecknas av att främst består av magnesium och kisel, med MG2SI som den huvudsakliga förstärkningsfasen. De mest använda legeringarna i denna kategori är 6063, 6061 och 6005A. 5052 Aluminiumplatta är en al-MG-serie legering aluminiumplatta, med magnesium som det huvudsakliga legeringselementet. Det är den mest använda anti-rost aluminiumlegeringen. Denna legering har hög styrka, hög trötthetsstyrka, god plasticitet och korrosionsbeständighet, kan inte stärkas genom värmebehandling, har god plasticitet i halvkallt arbete härdning, låg plasticitet i kallt arbete härdning, god korrosionsbeständighet och goda svetsningsegenskaper. Det 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 de viktigaste legeringselementen. Det är en värmebehandlingsbar förstärkande aluminiumlegeringsprofil med medelstyrka, främst används i strukturella komponenter såsom kolumner och sidopaneler för att bära styrka. En introduktion till aluminiumlegeringskvaliteter visas i tabell 1.
2.2 Extrudering är en viktig formningsmetod för aluminiumlegering
Aluminiumlegeringsekstrudering är en het bildningsmetod, och hela produktionsprocessen innebär att bilda aluminiumlegering under trevägs tryckspänning. Hela produktionsprocessen kan beskrivas på följande sätt: a. Aluminium och andra legeringar smälts och gjuts i de nödvändiga aluminiumlegeringarna; b. De förvärmda billets läggs i extruderingsutrustningen för extrudering. Under verkan av huvudcylindern bildas aluminiumlegeringskontrollen till de erforderliga profilerna genom formens kavitet; c. För att förbättra de mekaniska egenskaperna hos aluminiumprofiler utförs lösningsbehandling under eller efter extrudering, följt av åldrande behandling. De mekaniska egenskaperna efter åldrande behandling varierar beroende på olika material och åldrande regimer. Värmebehandlingsstatusen för lastbilsprofiler av låda-typ visas i tabell 2.
Aluminiumlegeringsextruderade produkter har flera fördelar jämfört med andra formningsmetoder:
a. Under extrudering får den extruderade metallen en starkare och mer enhetlig trevägs tryckspänning i deformationszonen än att rulla och smide, så att den helt kan spela plasticiteten hos den bearbetade metallen. Det kan användas för att bearbeta svåra att göra metaller som inte kan bearbetas genom att rulla eller smide och kan användas för att göra olika komplexa ihåliga eller solida tvärsnittskomponenter.
b. Eftersom geometrien för aluminiumprofiler kan varieras har deras komponenter hög styvhet, vilket kan förbättra fordonskroppens styvhet, minska dess NVH -egenskaper och förbättra fordonets dynamiska kontrollegenskaper.
c. Produkter med extruderingseffektivitet, efter släckning och åldrande, har betydligt högre längsgående styrka (R, RAZ) än produkter som behandlas med andra metoder.
d. Ytan på produkter efter strängsprutning har god färg och god korrosionsbeständighet, vilket eliminerar behovet av annan antikorrosion av ytbehandling.
e. Extruderingsbearbetning har stor flexibilitet, låga verktyg och mögelkostnader och låga designförändringskostnader.
f. På grund av kontrollerbarheten hos tvärsnitt av aluminiumprofil kan graden av komponentintegration ökas, antalet komponenter kan minskas och olika tvärsnittsdesign kan uppnå exakt svetspositionering.
Prestandajämförelsen mellan extruderade aluminiumprofiler för lastbilar av låda och vanligt kolstål visas i tabell 3.
Nästa utvecklingsriktning för aluminiumlegeringsprofiler för lastbilar av boxtyp: ytterligare förbättrar profilstyrkan och förbättrar extruderingsprestanda. Forskningsriktningen för nya material för aluminiumlegeringsprofiler för lastbilar av låda-typ visas i figur 1.
3.Aluminiumlegeringslådans lastbilstruktur, styrkaanalys och verifiering
3.1 Aluminiumlegeringslåda lastbilstruktur
Lådbilsbehållaren består huvudsakligen av montering av frontpaneler, montering av vänster och höger sida, bakre dörrmontering, golvmontering, takmontering samt U-formade bultar, sidovakter, bakre skydd, lera klaffar och andra tillbehör Ansluten till andra klassens chassi. Lådans kroppskorsstrålar, pelare, sidobalkar och dörrpaneler är gjorda av aluminiumlegeringsextruder, medan golv- och takpanelerna är gjorda av 5052 aluminiumlegeringsplattor. Strukturen för lastbilen för aluminiumlegering visas i figur 2.
Med hjälp av den heta extruderingsprocessen för 6-seriens aluminiumlegering kan bilda komplexa ihåliga tvärsnitt, en utformning av aluminiumprofiler med komplexa tvärsnitt kan spara material, uppfylla kraven på produktstyrka och styvhet och uppfylla kraven i ömsesidig anslutning mellan olika komponenter. Därför visas huvudstrålens designstruktur och sektionsmoment för tröghet I och motståndande stunder W i figur 3.
En jämförelse av huvuddata i tabell 4 visar att sektionsmomenten för tröghet och motståndande stunder i den designade aluminiumprofilen är bättre än motsvarande data för den järngjorda strålprofilen. Styvhetskoefficientdata är ungefär desamma som de i motsvarande järngjorda strålprofil, och alla uppfyller deformationskraven.
3.2 Maximal stressberäkning
Med den viktigaste lastbärande komponenten beräknas den tvärstrålen, som objekt, den maximala spänningen. Den nominella belastningen är 1,5 T, och tvärbalk är gjord av 6063-T6 aluminiumlegeringsprofil med mekaniska egenskaper som visas i tabell 5. Strålen förenklas som en utskjutande struktur för kraftberäkning, såsom visas i figur 4.
Med en 344 mm spanstråle beräknas tryckbelastningen på strålen som F = 3757 N baserat på 4,5T, vilket är tre gånger standardstatiska belastningen. q = f/l
där q är den inre spänningen i strålen under lasten, N/mm; F är den belastning som bärs av strålen, beräknad baserat på 3 gånger standardstatiska belastningen, som är 4,5 ton; L är strålens längd, mm.
Därför är den inre stress Q:
Stressberäkningsformeln är som följer:
Det maximala ögonblicket är:
Att ta det absoluta värdet för ögonblicket, 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 svetspunktstyrka är endast 60% av basmaterialstyrkan. 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 återstoden av Al2O3 att förbli i aluminiumlegeringslösningen, som påverkar aluminiumlegeringsstrukturen och minskar styrkan hos aluminiumlegeringspunkten. Därför, vid utformning av en all-aluminiumbehållare, beaktas dessa egenskaper fullt ut. Svetsning är huvudpositioneringsmetoden, och de huvudsakliga bärande komponenterna är anslutna med bultar. Anslutningar såsom riveting och svavningsstruktur visas i figurerna 5 och 6.
Huvudstrukturen i den all-aluminiumboxkroppen antar en struktur med horisontella balkar, vertikala pelare, sidobalkar och kantstrålar som är sammanlåsande med varandra. Det finns fyra anslutningspunkter mellan varje horisontell stråle och vertikal pelare. Anslutningspunkterna är utrustade med serrerade packningar för att mesh med den räfflade kanten på den horisontella strålen, vilket effektivt förhindrar glidning. De åtta hörnpunkterna är huvudsakligen anslutna med stålkärninsatser, fixerade med bultar och självlåsande nitar och förstärks av 5 mm triangulära aluminiumplattor svetsade inuti lådan för att stärka hörnpositionerna internt. Det yttre utseendet på lådan har inga svetsning eller exponerade anslutningspunkter, vilket säkerställer lådans övergripande utseende.
3.4 SE Synkron teknisk teknik
SE -synkron tekniksteknik används för att lösa de problem som orsakas av stora ackumulerade storleksavvikelser för matchande komponenter i lådkroppen och svårigheterna med att hitta orsakerna till luckor och plattfel. Genom CAE-analys (se figur 7-8) utförs en jämförelseanalys med järngjorda lådkroppar för att kontrollera den totala styrkan och styvheten i lådkroppen, hitta svaga punkter och vidta åtgärder för att optimera och förbättra designschemat mer effektivt .
4. Ljusviktningseffekt av aluminiumlegeringslådbil
Förutom lådkroppen kan aluminiumlegeringar användas för att ersätta stål för olika komponenter i lastbilsbehållare av lådor, såsom mudguards, bakre skydd, sidovakter, dörrspärrar, dörrgångjärn och bakre förkläskanter, uppnå en viktreduktion på 30% till 40% för lastfacket. Viktminskningseffekten för en tom 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm lastbehållare visas i tabell 6. Detta löser grundläggande problemen med överdriven vikt, bristande efterlevnad av tillkännagivanden och regleringsrisker för traditionella järngjorda lastutrymmen.
Genom att ersätta traditionellt stål med aluminiumlegeringar för fordonskomponenter kan inte bara utmärkta lätta effekter uppnås, utan det kan också bidra till bränslebesparingar, utsläppsminskning och förbättrad fordonsprestanda. För närvarande finns det olika åsikter om lättviktens bidrag till bränslebesparingar. Forskningsresultaten från International Aluminium Institute visas i figur 9. Varje minskning av fordonets vikt kan minska bränsleförbrukningen med 6% till 8%. Baserat på inhemsk statistik kan minskning av vikten för varje personbil med 100 kg minska bränsleförbrukningen med 0,4 l/100 km. Bidraget av lättvikt till bränslebesparingar baseras på resultat som erhållits från olika forskningsmetoder, så det finns en viss variation. Emellertid har fordonslättvikten en betydande inverkan på att minska bränsleförbrukningen.
För elektriska fordon är den lättviktande effekten ännu mer uttalad. För närvarande skiljer sig enhetens energitäthet för elektriska fordonsströmbatterier betydligt från traditionella flytande bränslefordon. Vikten på kraftsystemet (inklusive batteriet) hos elektriska fordon står ofta för 20% till 30% av den totala fordonets vikt. Samtidigt är det en världsomspännande utmaning att bryta igenom prestandaflaskhalsen för batterier. Innan det finns ett stort genombrott i högpresterande batteriteknologi är lättviktning ett effektivt sätt att förbättra kryssningsområdet för elfordon. För varje 100 kg minskning av vikten kan kryssningsområdet för elektriska fordon ökas med 6% till 11% (förhållandet mellan viktminskning och kryssningsområde visas i figur 10). För närvarande kan kryssningsområdet för rena elektriska fordon inte tillgodose behoven hos de flesta, men att minska vikten med en viss mängd kan förbättra kryssningsområdet, lättare ångest och förbättra användarupplevelsen.
5.
Förutom den all-aluminiumstrukturen i aluminiumlegeringslådbilen som introducerats i denna artikel finns det olika typer av lådbilar, såsom aluminium honungskakpaneler, aluminiumspännplattor, aluminiumramar + aluminiumskinn och järn-aluminiumhybridlastbehållare . De har fördelarna med lätt vikt, hög specifik styrka och god korrosionsbeständighet och kräver inte elektroforetisk färg för korrosionsskydd, vilket minskar miljöpåverkan av elektroforetisk färg. Aluminiumlegeringslådans lastbil löser i grunden problemen med överdriven vikt, bristande efterlevnad av tillkännagivanden och regleringsrisker för traditionella järngjorda lastfack.
Extrudering är en väsentlig bearbetningsmetod för aluminiumlegeringar, och aluminiumprofiler har utmärkta mekaniska egenskaper, så sektionsstyvheten hos komponenter är relativt hög. På grund av det variabla tvärsnittet kan aluminiumlegeringar uppnå kombinationen av flera komponentfunktioner, vilket gör det till ett bra material för bilens lättviktning. Den utbredda tillämpningen av aluminiumlegeringar står emellertid inför utmaningar som otillräcklig designförmåga för aluminiumlegeringslastfack, formning och svetsproblem och höga utvecklings- och marknadsföringskostnader för nya produkter. Det främsta skälet är fortfarande att aluminiumlegering kostar mer än stål innan återvinningsekologin för aluminiumlegeringar blir mogen.
Sammanfattningsvis kommer applikationsområdet för aluminiumlegeringar i bilar att bli bredare och deras användning kommer att fortsätta att öka. I de nuvarande trenderna för energibesparing, utsläppsminskning och utvecklingen av den nya energifordonsindustrin, med den fördjupande förståelsen av aluminiumlegeringsegenskaper och effektiva lösningar på applikationsproblem med aluminiumlegering, kommer aluminium extruderingsmaterial att användas i stor utsträckning vid fordonslätt.
Redigerad av May Jiang från Mat Aluminium
Inläggstid: jan-12-2024
