1.Введение
Легкая автомобильная промышленность зародилась в развитых странах и первоначально возглавлялась традиционными автомобильными гигантами. Благодаря постоянному развитию он приобрел значительный импульс. С тех пор, как индийцы впервые использовали алюминиевый сплав для производства автомобильных коленчатых валов, до первого массового производства полностью алюминиевых автомобилей Audi в 1999 году, алюминиевые сплавы активно используются в автомобильной промышленности благодаря своим преимуществам, таким как низкая плотность, высокая удельная прочность и жесткость. хорошая эластичность и ударопрочность, высокая пригодность к вторичной переработке и высокая скорость регенерации. К 2015 году доля применения алюминиевых сплавов в автомобилях уже превысила 35%.
Облегчение автомобилей в Китае началось менее 10 лет назад, и как технологии, так и уровень применения отстают от таких развитых стран, как Германия, США и Япония. Однако с развитием новых энергетических транспортных средств облегчение материалов быстро прогрессирует. Используя развитие новых энергетических транспортных средств, китайская автомобильная технология облегчения демонстрирует тенденцию догонять развитые страны.
Рынок легких материалов Китая огромен. С одной стороны, по сравнению с зарубежными развитыми странами, технология облегчения веса в Китае началась поздно, и общая снаряженная масса автомобиля больше. Учитывая уровень доли легких материалов в зарубежных странах, в Китае все еще есть много возможностей для развития. С другой стороны, быстрое развитие китайской автомобильной промышленности на новых источниках энергии, обусловленное проводимой политикой, повысит спрос на легкие материалы и побудит автомобильные компании перейти к уменьшению веса.
Улучшение стандартов выбросов и расхода топлива приводит к ускорению облегчения автомобилей. В 2020 году Китай полностью внедрил стандарты выбросов China VI. В соответствии с «Методом оценки и показателями расхода топлива легковых автомобилей» и «Дорожной картой технологий энергосбережения и новых энергетических транспортных средств» стандарт расхода топлива составляет 5,0 л/км. Принимая во внимание ограниченность возможностей для существенных прорывов в технологиях двигателей и сокращении выбросов, принятие мер по облегчению автомобильных компонентов может эффективно снизить выбросы транспортных средств и расход топлива. Облегчение транспортных средств на новых источниках энергии стало важным направлением развития отрасли.
В 2016 году Китайское общество автомобильной инженерии опубликовало «Дорожную карту технологий энергосбережения и новых энергетических транспортных средств», в которой на 2020–2030 годы запланированы такие факторы, как потребление энергии, запас хода и производственные материалы для транспортных средств на новой энергии. Ключевым направлением станет облегчение веса. для будущего развития транспортных средств на новой энергии. Облегчение может увеличить запас хода и решить проблему «беспокойства о запасе хода» в транспортных средствах на новых источниках энергии. В связи с растущим спросом на увеличенный запас хода, облегчение автомобилей становится актуальным, и продажи транспортных средств на новых источниках энергии в последние годы значительно выросли. В соответствии с требованиями системы баллов и «Средне-долгосрочного плана развития автомобильной промышленности» предполагается, что к 2025 году продажи автомобилей на новых источниках энергии в Китае превысят 6 миллионов единиц с совокупным годовым ростом. ставка превышает 38%.
2. Характеристики и применение алюминиевого сплава.
2.1 Характеристики алюминиевого сплава
Плотность алюминия составляет одну треть плотности стали, что делает его легче. Он имеет более высокую удельную прочность, хорошую способность к экструзии, высокую коррозионную стойкость и высокую пригодность для вторичной переработки. Алюминиевые сплавы характеризуются тем, что состоят в основном из магния, обладают хорошей термостойкостью, хорошими свариваемыми свойствами, хорошей усталостной прочностью, невозможностью упрочнения термической обработкой и способностью увеличивать прочность за счет холодной обработки. Серия 6 характеризуется тем, что состоит в основном из магния и кремния, а Mg2Si является основной упрочняющей фазой. Наиболее широко используемые сплавы этой категории — 6063, 6061 и 6005А. Алюминиевая пластина 5052 представляет собой алюминиевую пластину из сплава серии AL-Mg, в которой магний является основным легирующим элементом. Это наиболее широко используемый антикоррозийный алюминиевый сплав. Этот сплав обладает высокой прочностью, высокой усталостной прочностью, хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, не поддается упрочнению термической обработкой, имеет хорошую пластичность при полунаклепе, низкую пластичность при наклепе, хорошую коррозионную стойкость, хорошие сварочные свойства. В основном он используется для таких компонентов, как боковые панели, крыши и дверные панели. Алюминиевый сплав 6063 представляет собой термообрабатываемый упрочняющий сплав серии AL-Mg-Si, в котором основными легирующими элементами являются магний и кремний. Это термообрабатываемый упрочняющий профиль из алюминиевого сплава средней прочности, который в основном используется в конструктивных элементах, таких как колонны и боковые панели, для обеспечения прочности. Общие сведения о марках алюминиевых сплавов представлены в таблице 1.
2.2 Экструзия — важный метод формования алюминиевых сплавов.
Экструзия алюминиевого сплава — это метод горячей формовки, и весь производственный процесс включает формование алюминиевого сплава под трехсторонним сжимающим напряжением. Весь производственный процесс можно описать следующим образом: а. Алюминий и другие сплавы плавятся и отливаются в необходимые заготовки из алюминиевых сплавов; б. Предварительно нагретые заготовки помещаются в экструзионное оборудование для экструзии. Под действием главного цилиндра заготовка алюминиевого сплава через полость формы формуется в необходимые профили; в. С целью улучшения механических свойств алюминиевых профилей обработку на раствор проводят во время или после экструзии с последующим старением. Механические свойства после старения варьируются в зависимости от различных материалов и режимов старения. Состояние термической обработки профилей грузовых автомобилей коробчатого типа представлено в таблице 2.
Экструдированные изделия из алюминиевых сплавов имеют ряд преимуществ перед другими методами формования:
а. Во время экструзии экструдированный металл получает более сильное и равномерное трехстороннее сжимающее напряжение в зоне деформации, чем прокатка и ковка, поэтому он может полностью воспроизводить пластичность обрабатываемого металла. С его помощью можно обрабатывать труднодеформируемые металлы, которые не поддаются обработке прокаткой или ковкой, а также использовать для изготовления различных сложных полых или сплошных деталей поперечного сечения.
б. Поскольку геометрия алюминиевых профилей может варьироваться, их компоненты обладают высокой жесткостью, что позволяет повысить жесткость кузова автомобиля, снизить его NVH-характеристики и улучшить характеристики динамического управления автомобилем.
в. Изделия с эффективностью экструзии после закалки и старения имеют значительно более высокую продольную прочность (R, Raz), чем изделия, обработанные другими методами.
д. Поверхность изделий после экструзии имеет хороший цвет и хорошую коррозионную стойкость, что исключает необходимость другой антикоррозионной обработки поверхности.
е. Экструзионная обработка отличается большой гибкостью, низкими затратами на оснастку и пресс-формы, а также низкими затратами на изменение конструкции.
ф. Благодаря управляемости поперечного сечения алюминиевого профиля можно повысить степень интеграции компонентов, уменьшить количество компонентов, а различные конструкции поперечного сечения позволяют добиться точного позиционирования при сварке.
Сравнение характеристик экструдированных алюминиевых профилей для фургонных грузовиков и простой углеродистой стали показано в Таблице 3.
Следующее направление развития профилей из алюминиевых сплавов для фургонных грузовиков: дальнейшее повышение прочности профиля и улучшение характеристик экструзии. Направление исследований новых материалов для профилей из алюминиевых сплавов для фургонных грузовых автомобилей показано на рисунке 1.
3. Конструкция фургона из алюминиевого сплава, анализ прочности и проверка.
3.1 Конструкция фургона из алюминиевого сплава
Контейнер-фургон в основном состоит из передней панели, левой и правой боковой панели, боковой панели задней двери, пола, крыши, а также U-образных болтов, боковых и задних ограждений, брызговиков и других аксессуаров. подключен к шасси второго класса. Поперечины кузова-фургона, стойки, боковые балки и дверные панели изготовлены из экструдированных профилей из алюминиевого сплава, а панели пола и крыши изготовлены из плоских пластин из алюминиевого сплава 5052. Конструкция автофургона из алюминиевого сплава показана на рисунке 2.
Использование процесса горячей экструзии алюминиевого сплава серии 6 позволяет формировать сложные полые поперечные сечения, конструкция алюминиевых профилей со сложным поперечным сечением позволяет экономить материалы, отвечать требованиям прочности и жесткости изделия, а также удовлетворять требованиям взаимного соединения между различные компоненты. Поэтому расчетная конструкция главной балки, а также моменты инерции сечения I и моменты сопротивления W показаны на рисунке 3.
Сравнение основных данных таблицы 4 показывает, что поперечные моменты инерции и моменты сопротивления проектируемого алюминиевого профиля лучше, чем соответствующие данные железного балочного профиля. Данные коэффициента жесткости примерно такие же, как у соответствующего профиля железной балки, и все они соответствуют требованиям по деформации.
3.2 Расчет максимального напряжения
Принимая в качестве объекта ключевой несущий компонент — перекладину, рассчитывается максимальное напряжение. Номинальная нагрузка составляет 1,5 т, а перекладина изготовлена из профиля из алюминиевого сплава 6063-T6 с механическими свойствами, как показано в Таблице 5. Для расчета сил балка упрощена как консольная конструкция, как показано на Рисунке 4.
Для балки с пролетом 344 мм сжимающая нагрузка на балку рассчитывается как F=3757 Н из расчета 4,5 т, что в три раза превышает стандартную статическую нагрузку. q=Ф/Л
где q — внутреннее напряжение балки под нагрузкой, Н/мм; F — нагрузка, воспринимаемая балкой, рассчитанная исходя из 3-кратной стандартной статической нагрузки, составляющей 4,5 т; L – длина балки, мм.
Следовательно, внутреннее напряжение q равно:
Формула расчета напряжения выглядит следующим образом:
Максимальный момент:
Приняв абсолютное значение момента М=274283 Н·мм, максимальное напряжение σ=M/(1,05×w)=18,78 МПа и максимальное значение напряжения σ<215 МПа, что соответствует требованиям.
3.3 Характеристики подключения различных компонентов
Алюминиевый сплав имеет плохие сварочные свойства, а прочность его точки сварки составляет всего 60% от прочности основного материала. Благодаря покрытию слоя Al2O3 на поверхности алюминиевого сплава температура плавления Al2O3 высокая, а температура плавления алюминия низкая. При сварке алюминиевого сплава для выполнения сварки необходимо быстро разрушить находящийся на поверхности Al2O3. В то же время остаток Al2O3 останется в растворе алюминиевого сплава, влияя на структуру алюминиевого сплава и снижая прочность точки сварки алюминиевого сплава. Поэтому при проектировании цельноалюминиевого контейнера эти характеристики полностью учитываются. Сварка является основным методом позиционирования, а основные несущие компоненты соединяются болтами. Такие соединения, как клепка и конструкция «ласточкин хвост», показаны на рисунках 5 и 6.
Основная конструкция полностью алюминиевого кузова-фургона представляет собой конструкцию с горизонтальными балками, вертикальными стойками, боковыми балками и краевыми балками, соединенными друг с другом. Между каждой горизонтальной балкой и вертикальной стойкой имеется четыре точки соединения. Точки соединения оснащены зубчатыми прокладками, которые входят в зацепление с зубчатым краем горизонтальной балки, эффективно предотвращая скольжение. Восемь угловых точек в основном соединены вставками из стального сердечника, закреплены болтами и самоконтрящимися заклепками и усилены 5-миллиметровыми треугольными алюминиевыми пластинами, приваренными внутри коробки для внутреннего усиления угловых положений. Внешний вид коробки не имеет сварных швов и открытых мест соединения, что обеспечивает общий вид коробки.
3.4 Технология синхронного проектирования SE
Технология синхронного проектирования SE используется для решения проблем, вызванных большими накопленными отклонениями размеров для согласования компонентов в корпусе коробки, а также трудностей с поиском причин зазоров и нарушений плоскостности. Посредством CAE-анализа (см. Рисунок 7-8) проводится сравнительный анализ с чугунными кузовами-фургонами для проверки общей прочности и жесткости кузова-фургона, поиска слабых мест и принятия мер для более эффективной оптимизации и улучшения схемы конструкции. .
4. Эффект облегчения фургона из алюминиевого сплава.
Помимо корпуса кузова, алюминиевые сплавы могут использоваться для замены стали в различных компонентах грузовых контейнеров коробчатого типа, таких как крылья, задние ограждения, боковые ограждения, дверные защелки, дверные петли и края заднего фартука, что позволяет добиться снижения веса. от 30% до 40% для грузового отсека. Эффект снижения веса пустого грузового контейнера размером 4080×2300×2200 мм показан в Таблице 6. Это принципиально решает проблемы избыточного веса, несоответствия объявлений и нормативных рисков традиционных железных грузовых отсеков.
Заменив традиционную сталь алюминиевыми сплавами для автомобильных компонентов, можно не только добиться превосходного снижения веса, но также способствовать экономии топлива, сокращению выбросов и улучшению характеристик автомобиля. В настоящее время существуют различные мнения о вкладе облегчения в экономию топлива. Результаты исследований Международного института алюминия показаны на рисунке 9. Каждые 10% снижения веса автомобиля могут снизить расход топлива на 6–8%. По данным отечественной статистики, снижение веса каждого легкового автомобиля на 100 кг позволяет снизить расход топлива на 0,4 л/100 км. Вклад облегчения в экономию топлива основан на результатах, полученных с помощью различных методов исследования, поэтому существуют некоторые различия. Однако облегчение автомобиля оказывает существенное влияние на снижение расхода топлива.
Для электромобилей эффект облегчения еще более выражен. В настоящее время удельная плотность энергии аккумуляторов электромобилей существенно отличается от плотности энергии традиционных транспортных средств на жидком топливе. Вес системы питания (включая аккумулятор) электромобилей часто составляет от 20% до 30% от общего веса автомобиля. В то же время преодоление «узкого места» аккумуляторов является глобальной проблемой. Прежде чем произойдет крупный прорыв в технологии высокопроизводительных аккумуляторов, уменьшение веса станет эффективным способом увеличения запаса хода электромобилей. На каждые 100 кг снижения массы запас хода электромобилей может увеличиться на 6–11 % (зависимость между снижением массы и запасом хода показана на рисунке 10). В настоящее время запас хода чисто электрических транспортных средств не может удовлетворить потребности большинства людей, но снижение веса на определенную величину может значительно улучшить запас хода, уменьшить беспокойство по поводу запаса хода и улучшить удобство использования.
5. Заключение
В дополнение к полностью алюминиевой конструкции автофургона из алюминиевого сплава, представленной в этой статье, существуют различные типы автофургонов, такие как алюминиевые сотовые панели, алюминиевые пластины с пряжками, алюминиевые рамы + алюминиевая обшивка и гибридные грузовые контейнеры из железа и алюминия. . Они обладают такими преимуществами, как легкий вес, высокая удельная прочность и хорошая коррозионная стойкость, а также не требуют электрофоретической краски для защиты от коррозии, что снижает воздействие электрофоретической краски на окружающую среду. Автофургон из алюминиевого сплава принципиально решает проблемы избыточного веса, несоответствия объявлений и нормативных рисков традиционных железных грузовых отсеков.
Экструзия является важным методом обработки алюминиевых сплавов, а алюминиевые профили обладают превосходными механическими свойствами, поэтому жесткость профиля компонентов относительно высока. Благодаря переменному поперечному сечению алюминиевые сплавы могут сочетать в себе множество функций компонентов, что делает их хорошим материалом для облегчения автомобилей. Однако широкое применение алюминиевых сплавов сталкивается с такими проблемами, как недостаточные возможности проектирования грузовых отсеков из алюминиевых сплавов, проблемы формовки и сварки, а также высокие затраты на разработку и продвижение новых продуктов. Основная причина по-прежнему заключается в том, что алюминиевые сплавы стоят дороже, чем сталь, прежде чем экология переработки алюминиевых сплавов станет зрелой.
В заключение отметим, что сфера применения алюминиевых сплавов в автомобилях будет расширяться, а их использование будет продолжать расти. В соответствии с текущими тенденциями энергосбережения, сокращения выбросов и развития индустрии транспортных средств на новой энергии, с углублением понимания свойств алюминиевых сплавов и эффективными решениями проблем применения алюминиевых сплавов, алюминиевые экструзионные материалы будут более широко использоваться в облегчении автомобилей.
Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminium
Время публикации: 12 января 2024 г.
