1.Введение
Облегчение автомобилей началось в развитых странах и изначально возглавлялось традиционными автомобильными гигантами. С постоянным развитием оно набрало значительный импульс. С того времени, как индийцы впервые использовали алюминиевый сплав для производства автомобильных коленчатых валов, до первого массового производства полностью алюминиевых автомобилей Audi в 1999 году, алюминиевые сплавы показали устойчивый рост в автомобильных приложениях 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%.
Китайское автомобильное облегчение началось менее 10 лет назад, и как технология, так и уровень применения отстают от развитых стран, таких как Германия, США и Япония. Однако с развитием новых энергетических транспортных средств облегчение материалов быстро прогрессирует. Используя рост новых энергетических транспортных средств, китайская автомобильная технология облегчения демонстрирует тенденцию к догону с развитыми странами.
Рынок легких материалов Китая огромен. С одной стороны, по сравнению с развитыми странами за рубежом, технология облегчения в Китае началась поздно, и общая снаряженная масса автомобиля больше. Учитывая эталон доли легких материалов в зарубежных странах, в Китае все еще есть достаточно возможностей для развития. С другой стороны, под влиянием политики быстрое развитие китайской индустрии новых энергетических автомобилей увеличит спрос на легкие материалы и побудит автомобильные компании двигаться в сторону облегчения.
Улучшение стандартов выбросов и расхода топлива заставляет ускорить облегчение автомобилей. Китай полностью внедрил стандарты выбросов China VI в 2020 году. Согласно «Метод оценки и индикаторы расхода топлива легковых автомобилей» и «Дорожной карте энергосбережения и новых энергетических технологий транспортных средств», стандарт расхода топлива 5,0 л/км. Принимая во внимание ограниченное пространство для существенных прорывов в технологии двигателей и сокращении выбросов, принятие мер по облегчению автомобильных компонентов может эффективно снизить выбросы транспортных средств и расход топлива. Облегчение новых энергетических транспортных средств стало важным путем развития отрасли.
В 2016 году Китайское общество автомобильной инженерии выпустило «Дорожную карту энергосбережения и технологий транспортных средств на новой энергии», в которой были запланированы такие факторы, как потребление энергии, запас хода и производственные материалы для транспортных средств на новой энергии с 2020 по 2030 год. Облегчение веса станет ключевым направлением для будущего развития транспортных средств на новой энергии. Облегчение веса может увеличить запас хода и устранить «беспокойство по поводу запаса хода» в транспортных средствах на новой энергии. С ростом спроса на увеличенный запас хода облегчение автомобилей становится актуальным, и продажи транспортных средств на новой энергии значительно выросли в последние годы. Согласно требованиям системы оценок и «Средне- и долгосрочного плана развития автомобильной промышленности», предполагается, что к 2025 году продажи транспортных средств на новой энергии в Китае превысят 6 миллионов единиц, а совокупный годовой темп роста превысит 38%.
2.Характеристики и применение алюминиевых сплавов
2.1 Характеристики алюминиевого сплава
Плотность алюминия составляет одну треть от плотности стали, что делает его легче. Он имеет более высокую удельную прочность, хорошую способность к экструзии, сильную коррозионную стойкость и высокую пригодность к вторичной переработке. Алюминиевые сплавы характеризуются тем, что в основном состоят из магния, демонстрируя хорошую термостойкость, хорошие сварочные свойства, хорошую усталостную прочность, невозможность упрочнения термической обработкой и способность увеличивать прочность посредством холодной обработки. Серия 6 характеризуется тем, что в основном состоит из магния и кремния, причем Mg2Si является основной упрочняющей фазой. Наиболее широко используемые сплавы в этой категории - 6063, 6061 и 6005A. Алюминиевая пластина 5052 - это алюминиевая пластина из сплава серии AL-Mg, в которой магний является основным легирующим элементом. Это наиболее широко используемый антикоррозионный алюминиевый сплав. Этот сплав обладает высокой прочностью, высокой усталостной прочностью, хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, не может быть упрочнен термической обработкой, имеет хорошую пластичность при полухолодном упрочнении, низкую пластичность при холодном упрочнении, хорошую коррозионную стойкость и хорошие сварочные свойства. В основном он используется для таких компонентов, как боковые панели, крышки крыши и дверные панели. Алюминиевый сплав 6063 — это термообрабатываемый упрочняющий сплав в серии AL-Mg-Si, в котором магний и кремний являются основными легирующими элементами. Это термообрабатываемый упрочняющий алюминиевый сплав со средней прочностью, в основном используемый в конструкционных компонентах, таких как колонны и боковые панели, для обеспечения прочности. Введение в марки алюминиевых сплавов показано в Таблице 1.
2.2 Экструзия — важный метод формования алюминиевого сплава
Прессование алюминиевых сплавов является методом горячего формования, и весь процесс производства включает формование алюминиевого сплава под трехсторонним сжимающим напряжением. Весь процесс производства можно описать следующим образом: a. Алюминий и другие сплавы расплавляются и отливаются в требуемые заготовки из алюминиевого сплава; b. Предварительно нагретые заготовки помещаются в экструзионное оборудование для прессования. Под действием главного цилиндра заготовка из алюминиевого сплава формируется в требуемые профили через полость формы; c. Для улучшения механических свойств алюминиевых профилей во время или после прессования проводится обработка на твердый раствор с последующей обработкой старением. Механические свойства после обработки старением различаются в зависимости от различных материалов и режимов старения. Состояние термической обработки профилей коробчатого типа для грузовиков показано в таблице 2.
Изделия из экструдированного алюминиевого сплава имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами формования:
а. При экструзии выдавленный металл получает более сильное и равномерное трехстороннее сжимающее напряжение в очаге деформации, чем при прокатке и ковке, поэтому может в полной мере проявить пластичность обработанного металла. Его можно использовать для обработки труднодеформируемых металлов, которые не поддаются обработке прокаткой или ковкой, а также для изготовления различных сложных полых или сплошных деталей поперечного сечения.
б) Поскольку геометрия алюминиевых профилей может быть различной, их компоненты обладают высокой жесткостью, что позволяет повысить жесткость кузова транспортного средства, снизить его шумо- и виброизоляционные характеристики, а также улучшить динамические характеристики управления транспортным средством.
в) Изделия с эффективностью экструзии после закалки и старения имеют значительно более высокую продольную прочность (R, Raz), чем изделия, обработанные другими методами.
г. Поверхность изделий после экструзии имеет хороший цвет и хорошую коррозионную стойкость, что исключает необходимость в другой антикоррозионной обработке поверхности.
е. Экструзионная обработка отличается большой гибкостью, низкими затратами на инструмент и пресс-формы, а также низкими затратами на изменение конструкции.
е. Благодаря контролируемости поперечных сечений алюминиевых профилей можно повысить степень интеграции компонентов, сократить количество компонентов, а различные конструкции поперечных сечений позволяют добиться точного позиционирования сварки.
Сравнение характеристик экструдированных алюминиевых профилей для фургонов и профилей из обычной углеродистой стали показано в таблице 3.
Следующее направление развития профилей из алюминиевого сплава для фургонов: Дальнейшее повышение прочности профиля и улучшение характеристик экструзии. Направление исследований новых материалов для профилей из алюминиевого сплава для фургонов показано на рисунке 1.
3. Конструкция фургона из алюминиевого сплава, анализ прочности и проверка
3.1 Конструкция фургона из алюминиевого сплава
Контейнер фургона в основном состоит из передней панели, левой и правой боковой панели, задней двери, пола, крыши, а также U-образных болтов, боковых ограждений, задних ограждений, брызговиков и других аксессуаров, соединенных с шасси второго класса. Поперечные балки 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. Структура фургона из алюминиевого сплава показана на рисунке 2.
Используя процесс горячей экструзии алюминиевого сплава серии 6, можно формировать сложные полые поперечные сечения, конструкция алюминиевых профилей со сложными поперечными сечениями может экономить материалы, удовлетворять требованиям прочности и жесткости изделия, а также удовлетворять требованиям взаимного соединения различных компонентов. Поэтому конструкция главной балки и моменты инерции сечения I и моменты сопротивления W показаны на рисунке 3.
Сравнение основных данных в Таблице 4 показывает, что моменты инерции сечения и моменты сопротивления спроектированного алюминиевого профиля лучше, чем соответствующие данные профиля балки из железа. Данные коэффициента жесткости примерно такие же, как у соответствующего профиля балки из железа, и все они соответствуют требованиям по деформации.
3.2 Расчет максимального напряжения
Принимая в качестве объекта ключевой несущий компонент, поперечную балку, рассчитывается максимальное напряжение. Номинальная нагрузка составляет 1,5 т, а поперечная балка изготовлена из профиля из алюминиевого сплава 6063-T6 с механическими свойствами, указанными в Таблице 5. Для расчета силы балка упрощена до консольной конструкции, как показано на Рисунке 4.
При пролете балки 344 мм сжимающая нагрузка на балку рассчитывается как F=3757 Н на основе 4,5 т, что в три раза превышает стандартную статическую нагрузку. q=F/L
где q — внутреннее напряжение балки под нагрузкой, Н/мм; F — нагрузка, воспринимаемая балкой, рассчитанная исходя из утроенной нормативной статической нагрузки, составляющей 4,5 т; L — длина балки, мм.
Следовательно, внутреннее напряжение q равно:
Формула расчета напряжения выглядит следующим образом:
Максимальный момент:
Принимая абсолютное значение момента М=274283 Н·мм, максимальное напряжение σ=M/(1,05×w)=18,78 МПа, а максимальное значение напряжения σ<215 МПа, что соответствует требованиям.
3.3 Характеристики соединения различных компонентов
Алюминиевый сплав имеет плохие сварочные свойства, а его прочность в точке сварки составляет всего 60% от прочности основного материала. Из-за покрытия поверхности алюминиевого сплава слоем Al2O3 температура плавления Al2O3 высокая, в то время как температура плавления алюминия низкая. При сварке алюминиевого сплава Al2O3 на поверхности необходимо быстро разрушить для выполнения сварки. 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 полностью алюминиевого контейнера эти характеристики полностью учитываются. Сварка является основным методом позиционирования, а основные несущие нагрузку компоненты соединяются болтами. Такие соединения, как заклепка и структура «ласточкин хвост», показаны на рисунках 5 и 6.
Основная структура полностью алюминиевого кузова-фургона принимает структуру с горизонтальными балками, вертикальными стойками, боковыми балками и краевыми балками, сцепленными друг с другом. Между каждой горизонтальной балкой и вертикальной стойкой имеется четыре точки соединения. Точки соединения оснащены зубчатыми прокладками для сцепления с зубчатым краем горизонтальной балки, эффективно предотвращая скольжение. Восемь угловых точек в основном соединены стальными сердечниками, закрепленными болтами и самоблокирующимися заклепками и усиленными 5-миллиметровыми треугольными алюминиевыми пластинами, приваренными внутри коробки для укрепления угловых позиций изнутри. Внешний вид коробки не имеет сварных или открытых точек соединения, что обеспечивает общий вид коробки.
3.4 Технология синхронного инжиниринга SE
Технология синхронного проектирования SE используется для решения проблем, вызванных большими накопленными отклонениями размеров для соответствия компонентов в корпусе коробки и сложностями в поиске причин зазоров и нарушений плоскостности. С помощью анализа CAE (см. Рисунок 7-8) проводится сравнительный анализ с корпусами коробки, изготовленными из железа, для проверки общей прочности и жесткости корпуса коробки, поиска слабых мест и принятия мер по оптимизации и улучшению схемы проектирования более эффективно.
4. Эффект облегчения веса кузова из алюминиевого сплава
Помимо кузова, алюминиевые сплавы могут использоваться для замены стали в различных компонентах контейнеров грузовых автомобилей коробчатого типа, таких как брызговики, задние щитки, боковые щитки, дверные защелки, дверные петли и края заднего фартука, что позволяет снизить вес грузового отсека на 30–40%. Эффект снижения веса для пустого грузового контейнера размером 4080 мм × 2300 мм × 2200 мм показан в Таблице 6. Это принципиально решает проблемы избыточного веса, несоответствия объявлениям и нормативных рисков традиционных грузовых отсеков из железа.
Заменяя традиционную сталь алюминиевыми сплавами для автомобильных компонентов, можно не только достичь превосходного эффекта облегчения, но и способствовать экономии топлива, сокращению выбросов и улучшению эксплуатационных характеристик автомобиля. В настоящее время существуют различные мнения о вкладе облегчения в экономию топлива. Результаты исследований Международного института алюминия показаны на рисунке 9. Каждое 10%-ное снижение веса автомобиля может снизить расход топлива на 6–8%. Согласно отечественной статистике, снижение веса каждого легкового автомобиля на 100 кг может снизить расход топлива на 0,4 л/100 км. Вклад облегчения в экономию топлива основан на результатах, полученных с помощью различных методов исследования, поэтому есть некоторые различия. Однако облегчение автомобиля оказывает значительное влияние на снижение расхода топлива.
Для электромобилей эффект облегчения еще более выражен. В настоящее время удельная плотность энергии аккумуляторных батарей электромобилей значительно отличается от таковой у традиционных транспортных средств на жидком топливе. Вес энергосистемы (включая батарею) электромобилей часто составляет от 20% до 30% от общего веса транспортного средства. В то же время преодоление узких мест производительности аккумуляторов является всемирной проблемой. До того, как произойдет крупный прорыв в технологии высокопроизводительных аккумуляторов, облегчение является эффективным способом улучшения запаса хода электромобилей. При каждом снижении веса на 100 кг запас хода электромобилей может быть увеличен на 6% до 11% (соотношение между снижением веса и запасом хода показано на рисунке 10). В настоящее время запас хода чисто электромобилей не может удовлетворить потребности большинства людей, но снижение веса на определенную величину может значительно улучшить запас хода, снизив беспокойство о запасе хода и улучшив пользовательский опыт.
5.Заключение
В дополнение к полностью алюминиевой конструкции грузовика-фургона из алюминиевого сплава, представленной в этой статье, существуют различные типы грузовиков-фургонов, такие как алюминиевые сотовые панели, алюминиевые пластины-пряжки, алюминиевые рамы + алюминиевые оболочки и гибридные грузовые контейнеры из железа и алюминия. Они обладают преимуществами легкого веса, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости, а также не требуют электрофоретической краски для защиты от коррозии, что снижает воздействие электрофоретической краски на окружающую среду. Грузовик-фургон из алюминиевого сплава принципиально решает проблемы избыточного веса, несоответствия объявлениям и нормативных рисков традиционных грузовых отсеков из железа.
Экструзия является важным методом обработки алюминиевых сплавов, а алюминиевые профили обладают превосходными механическими свойствами, поэтому жесткость сечения компонентов относительно высока. Благодаря переменному сечению алюминиевые сплавы могут достигать сочетания функций нескольких 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 алюминиевый сплав стоит дороже стали до того, как экология переработки алюминиевых сплавов станет зрелой.
В заключение следует отметить, что сфера применения алюминиевых сплавов в автомобилях станет шире, а их использование продолжит расти. В современных тенденциях энергосбережения, сокращения выбросов и развития новой энергетической автомобильной промышленности, с углубленным пониманием 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 Aluminum
Время публикации: 12 января 2024 г.
