1.Pengenalan
Pemberat ringan automotif bermula di negara maju dan pada mulanya diterajui oleh gergasi automotif tradisional. Dengan pembangunan berterusan, ia telah mendapat momentum yang ketara. Dari masa apabila orang India mula-mula menggunakan aloi aluminium untuk menghasilkan aci engkol automotif kepada pengeluaran besar-besaran pertama kereta semua-aluminium Audi pada tahun 1999, aloi aluminium telah menyaksikan pertumbuhan yang teguh dalam aplikasi automotif kerana kelebihannya seperti ketumpatan rendah, kekuatan spesifik yang tinggi dan kekakuan, keanjalan yang baik dan rintangan hentaman, kebolehkitar semula yang tinggi, dan kadar penjanaan semula yang tinggi. Menjelang 2015, perkadaran penggunaan aloi aluminium dalam kereta telah melebihi 35%.
Pemberat ringan automotif China bermula kurang daripada 10 tahun lalu, dan kedua-dua tahap teknologi dan aplikasi ketinggalan di belakang negara maju seperti Jerman, Amerika Syarikat dan Jepun. Walau bagaimanapun, dengan pembangunan kenderaan tenaga baharu, pemberat ringan bahan sedang berkembang pesat. Memanfaatkan kebangkitan kenderaan tenaga baharu, teknologi pemberat ringan automotif China menunjukkan trend mengejar negara maju.
Pasaran bahan ringan China adalah luas. Di satu pihak, berbanding dengan negara maju di luar negara, teknologi pemberat ringan China bermula lewat, dan berat Kerb kenderaan keseluruhan lebih besar. Memandangkan penanda aras bahagian bahan ringan di negara asing, masih terdapat ruang yang cukup untuk pembangunan di China. Sebaliknya, didorong oleh dasar, perkembangan pesat industri kenderaan tenaga baharu China akan meningkatkan permintaan untuk bahan ringan dan menggalakkan syarikat automotif bergerak ke arah wajaran ringan.
Penambahbaikan piawaian pelepasan dan penggunaan bahan api memaksa pecutan pemberat ringan automotif. China melaksanakan sepenuhnya piawaian pelepasan China VI pada 2020. Menurut "Kaedah Penilaian dan Penunjuk Penggunaan Bahan Api Kereta Penumpang" dan "Pelan Hala Tuju Teknologi Kenderaan Penjimatan Tenaga dan Tenaga Baharu," piawaian penggunaan bahan api 5.0 L/km. Mengambil kira ruang yang terhad untuk penemuan besar dalam teknologi enjin dan pengurangan emisi, penggunaan langkah-langkah untuk komponen automotif ringan boleh mengurangkan pelepasan kenderaan dan penggunaan bahan api dengan berkesan. Pemberatan ringan kenderaan tenaga baharu telah menjadi laluan penting untuk pembangunan industri.
Pada 2016, Persatuan Kejuruteraan Automotif China mengeluarkan "Pelan Hala Tuju Teknologi Penjimatan Tenaga dan Kenderaan Tenaga Baharu," yang merancang faktor seperti penggunaan tenaga, jarak pelayaran dan bahan pembuatan untuk kenderaan tenaga baharu dari 2020 hingga 2030. Pemberat ringan akan menjadi hala tuju utama untuk pembangunan masa depan kenderaan tenaga baharu. Pemberat ringan boleh meningkatkan julat pelayaran dan menangani "kebimbangan jarak" dalam kenderaan tenaga baharu. Dengan peningkatan permintaan untuk jarak pelayaran lanjutan, pemberat ringan automotif menjadi mendesak, dan jualan kenderaan tenaga baharu telah meningkat dengan ketara dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Mengikut keperluan sistem skor dan “Rancangan Pembangunan Jangka Pertengahan hingga Panjang untuk Industri Automotif,” dianggarkan menjelang 2025, jualan kenderaan tenaga baharu China akan melebihi 6 juta unit, dengan pertumbuhan tahunan kompaun kadar melebihi 38%.
2. Ciri-ciri dan Aplikasi Aloi Aluminium
2.1 Ciri-ciri Aloi Aluminium
Ketumpatan aluminium adalah satu pertiga daripada keluli, menjadikannya lebih ringan. Ia mempunyai kekuatan khusus yang lebih tinggi, keupayaan penyemperitan yang baik, rintangan kakisan yang kuat, dan kebolehkitar semula yang tinggi. Aloi aluminium dicirikan oleh terutamanya terdiri daripada magnesium, mempamerkan rintangan haba yang baik, sifat kimpalan yang baik, kekuatan keletihan yang baik, ketidakupayaan untuk diperkukuh dengan rawatan haba, dan keupayaan untuk meningkatkan kekuatan melalui kerja sejuk. Siri 6 dicirikan dengan terutamanya terdiri daripada magnesium dan silikon, dengan Mg2Si sebagai fasa pengukuhan utama. Aloi yang paling banyak digunakan dalam kategori ini ialah 6063, 6061, dan 6005A. Plat aluminium 5052 ialah plat aluminium aloi siri AL-Mg, dengan magnesium sebagai unsur pengaloian utama. Ia adalah aloi aluminium anti-karat yang paling banyak digunakan. Aloi ini mempunyai kekuatan tinggi, kekuatan keletihan yang tinggi, keplastikan yang baik dan rintangan kakisan, tidak boleh dikuatkan dengan rawatan haba, mempunyai keplastikan yang baik dalam pengerasan kerja separa sejuk, keplastikan rendah dalam pengerasan kerja sejuk, rintangan kakisan yang baik, dan sifat kimpalan yang baik. Ia digunakan terutamanya untuk komponen seperti panel sisi, penutup bumbung, dan panel pintu. Aloi aluminium 6063 ialah aloi pengukuhan yang boleh dirawat haba dalam siri AL-Mg-Si, dengan magnesium dan silikon sebagai unsur pengaloian utama. Ia adalah profil aloi aluminium pengukuhan yang boleh dirawat haba dengan kekuatan sederhana, terutamanya digunakan dalam komponen struktur seperti tiang dan panel sisi untuk membawa kekuatan. Pengenalan kepada gred aloi aluminium ditunjukkan dalam Jadual 1.
2.2 Penyemperitan ialah Kaedah Pembentukan Penting Aloi Aluminium
Penyemperitan aloi aluminium adalah kaedah pembentukan panas, dan keseluruhan proses pengeluaran melibatkan pembentukan aloi aluminium di bawah tegasan mampatan tiga hala. Keseluruhan proses pengeluaran boleh digambarkan seperti berikut: a. Aluminium dan aloi lain dicairkan dan dibuang ke dalam bilet aloi aluminium yang diperlukan; b. Bilet yang dipanaskan terlebih dahulu dimasukkan ke dalam peralatan penyemperitan untuk penyemperitan. Di bawah tindakan silinder utama, bilet aloi aluminium dibentuk ke dalam profil yang diperlukan melalui rongga acuan; c. Untuk meningkatkan sifat mekanikal profil aluminium, rawatan larutan dijalankan semasa atau selepas penyemperitan, diikuti dengan rawatan penuaan. Sifat mekanikal selepas rawatan penuaan berbeza-beza mengikut bahan dan rejim penuaan yang berbeza. Status rawatan haba profil trak jenis kotak ditunjukkan dalam Jadual 2.
Produk tersemperit aloi aluminium mempunyai beberapa kelebihan berbanding kaedah pembentukan lain:
a. Semasa penyemperitan, logam tersemperit memperoleh tegasan mampatan tiga hala yang lebih kuat dan seragam dalam zon ubah bentuk daripada bergolek dan menempa, jadi ia boleh memainkan sepenuhnya keplastikan logam yang diproses. Ia boleh digunakan untuk memproses logam yang sukar berubah bentuk yang tidak boleh diproses dengan menggulung atau menempa dan boleh digunakan untuk membuat pelbagai komponen keratan rentas berongga atau pepejal yang kompleks.
b. Oleh kerana geometri profil aluminium boleh diubah, komponennya mempunyai kekakuan yang tinggi, yang boleh meningkatkan ketegaran badan kenderaan, mengurangkan ciri NVHnya, dan meningkatkan ciri kawalan dinamik kenderaan.
c. Produk dengan kecekapan penyemperitan, selepas pelindapkejutan dan penuaan, mempunyai kekuatan membujur (R, Raz) yang jauh lebih tinggi daripada produk yang diproses dengan kaedah lain.
d. Permukaan produk selepas penyemperitan mempunyai warna yang baik dan rintangan kakisan yang baik, menghapuskan keperluan untuk rawatan permukaan anti-karat yang lain.
e. Pemprosesan penyemperitan mempunyai fleksibiliti yang hebat, kos perkakas dan acuan yang rendah, dan kos perubahan reka bentuk yang rendah.
f. Disebabkan oleh kebolehkawalan keratan rentas profil aluminium, tahap penyepaduan komponen boleh ditingkatkan, bilangan komponen boleh dikurangkan, dan reka bentuk keratan rentas yang berbeza boleh mencapai kedudukan kimpalan yang tepat.
Perbandingan prestasi antara profil aluminium tersemperit untuk trak jenis kotak dan keluli karbon biasa ditunjukkan dalam Jadual 3.
Arah Pembangunan Seterusnya Profil Aloi Aluminium untuk Trak Jenis Kotak: Meningkatkan kekuatan profil dan meningkatkan prestasi penyemperitan. Arah penyelidikan bahan baharu untuk profil aloi aluminium untuk trak jenis kotak ditunjukkan dalam Rajah 1.
3. Struktur Lori Kotak Aloi Aluminium, Analisis Kekuatan dan Pengesahan
3.1 Struktur Lori Kotak Aloi Aluminium
Kontena trak kotak terutamanya terdiri daripada pemasangan panel hadapan, pemasangan panel sisi kiri dan kanan, pemasangan panel sisi pintu belakang, pemasangan lantai, pemasangan bumbung, serta bolt berbentuk U, pelindung sisi, pelindung belakang, kepak lumpur dan aksesori lain disambungkan ke casis kelas kedua. Rasuk silang badan kotak, tiang, rasuk sisi, dan panel pintu diperbuat daripada profil tersemperit aloi aluminium, manakala panel lantai dan bumbung diperbuat daripada plat rata aloi aluminium 5052. Struktur trak kotak aloi aluminium ditunjukkan dalam Rajah 2.
Menggunakan proses penyemperitan panas aloi aluminium 6 siri boleh membentuk keratan rentas berongga kompleks, reka bentuk profil aluminium dengan keratan rentas kompleks boleh menjimatkan bahan, memenuhi keperluan kekuatan dan kekukuhan produk, dan memenuhi keperluan sambungan bersama antara pelbagai komponen. Oleh itu, struktur reka bentuk rasuk utama dan momen keratan inersia I dan momen menentang W ditunjukkan dalam Rajah 3.
Perbandingan data utama dalam Jadual 4 menunjukkan bahawa momen keratan inersia dan momen menentang profil aluminium yang direka bentuk adalah lebih baik daripada data sepadan profil rasuk buatan besi. Data pekali kekukuhan adalah lebih kurang sama dengan profil rasuk buatan besi yang sepadan, dan semuanya memenuhi keperluan ubah bentuk.
3.2 Pengiraan Tekanan Maksimum
Mengambil komponen galas beban utama, rasuk silang, sebagai objek, tegasan maksimum dikira. Beban berkadar ialah 1.5 t, dan rasuk silang diperbuat daripada profil aloi aluminium 6063-T6 dengan sifat mekanikal seperti ditunjukkan dalam Jadual 5. Rasuk dipermudahkan sebagai struktur julur untuk pengiraan daya, seperti ditunjukkan dalam Rajah 4.
Mengambil rasuk rentang 344mm, beban mampatan pada rasuk dikira sebagai F=3757 N berdasarkan 4.5t, iaitu tiga kali ganda beban statik standard. q=F/L
di mana q ialah tegasan dalaman rasuk di bawah beban, N/mm; F ialah beban yang ditanggung oleh rasuk, dikira berdasarkan 3 kali beban statik standard, iaitu 4.5 t; L ialah panjang rasuk, mm.
Oleh itu, tegasan dalaman q ialah:
Formula pengiraan tegasan adalah seperti berikut:
Momen maksimum ialah:
Mengambil nilai mutlak momen, M=274283 N·mm, tegasan maksimum σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, dan nilai tegasan maksimum σ<215 MPa, yang memenuhi keperluan.
3.3 Ciri Sambungan Pelbagai Komponen
Aloi aluminium mempunyai sifat kimpalan yang lemah, dan kekuatan titik kimpalannya hanya 60% daripada kekuatan bahan asas. Disebabkan oleh penutupan lapisan Al2O3 pada permukaan aloi aluminium, takat lebur Al2O3 adalah tinggi, manakala takat lebur aluminium adalah rendah. Apabila aloi aluminium dikimpal, Al2O3 pada permukaan mesti dipecahkan dengan cepat untuk melakukan kimpalan. Pada masa yang sama, sisa Al2O3 akan kekal dalam larutan aloi aluminium, menjejaskan struktur aloi aluminium dan mengurangkan kekuatan titik kimpalan aloi aluminium. Oleh itu, apabila mereka bentuk bekas aluminium, ciri-ciri ini dipertimbangkan sepenuhnya. Kimpalan adalah kaedah penentududukan utama, dan komponen galas beban utama disambungkan dengan bolt. Sambungan seperti struktur rivet dan dovetail ditunjukkan dalam Rajah 5 dan 6.
Struktur utama badan kotak semua-aluminium menggunakan struktur dengan rasuk mendatar, tiang menegak, rasuk sisi dan rasuk tepi bersambung antara satu sama lain. Terdapat empat titik sambungan antara setiap rasuk mendatar dan tiang menegak. Titik sambungan dipasang dengan gasket bergerigi untuk diikat dengan tepi bergerigi rasuk mendatar, dengan berkesan menghalang gelongsor. Lapan titik penjuru disambungkan terutamanya oleh sisipan teras keluli, dipasang dengan bolt dan rivet pengunci sendiri, dan diperkukuh oleh plat aluminium segi tiga 5mm yang dikimpal di dalam kotak untuk mengukuhkan kedudukan sudut secara dalaman. Penampilan luar kotak tidak mempunyai titik sambungan kimpalan atau terdedah, memastikan penampilan keseluruhan kotak.
3.4 Teknologi Kejuruteraan Segerak SE
Teknologi kejuruteraan segerak SE digunakan untuk menyelesaikan masalah yang disebabkan oleh sisihan saiz terkumpul yang besar untuk padanan komponen dalam badan kotak dan kesukaran mencari punca jurang dan kegagalan kerataan. Melalui analisis CAE (lihat Rajah 7-8), analisis perbandingan dijalankan dengan badan kotak buatan besi untuk memeriksa keseluruhan kekuatan dan kekukuhan badan kotak, mencari titik lemah, dan mengambil langkah untuk mengoptimumkan dan menambah baik skema reka bentuk dengan lebih berkesan. .
4. Kesan Lightweighting Lori Kotak Aloi Aluminium
Sebagai tambahan kepada badan kotak, aloi aluminium boleh digunakan untuk menggantikan keluli untuk pelbagai komponen bekas trak jenis kotak, seperti pelindung lumpur, pelindung belakang, pelindung sisi, selak pintu, engsel pintu, dan tepi apron belakang, mencapai pengurangan berat. sebanyak 30% hingga 40% untuk petak kargo. Kesan pengurangan berat untuk bekas kargo 4080mm × 2300mm × 2200mm kosong ditunjukkan dalam Jadual 6. Ini secara asasnya menyelesaikan masalah berat berlebihan, ketidakpatuhan pengumuman dan risiko pengawalseliaan petak kargo buatan besi tradisional.
Dengan menggantikan keluli tradisional dengan aloi aluminium untuk komponen automotif, bukan sahaja kesan pemberat ringan yang cemerlang boleh dicapai, tetapi ia juga boleh menyumbang kepada penjimatan bahan api, pengurangan pelepasan dan prestasi kenderaan yang lebih baik. Pada masa ini, terdapat pelbagai pendapat mengenai sumbangan lightweighting kepada penjimatan bahan api. Hasil penyelidikan Institut Aluminium Antarabangsa ditunjukkan dalam Rajah 9. Setiap pengurangan 10% dalam berat kenderaan boleh mengurangkan penggunaan bahan api sebanyak 6% hingga 8%. Berdasarkan statistik domestik, mengurangkan berat setiap kereta penumpang sebanyak 100 kg boleh mengurangkan penggunaan bahan api sebanyak 0.4 L/100 km. Sumbangan pemberat ringan kepada penjimatan bahan api adalah berdasarkan hasil yang diperoleh daripada kaedah penyelidikan yang berbeza, jadi terdapat beberapa variasi. Walau bagaimanapun, pemberat ringan automotif mempunyai kesan yang ketara dalam mengurangkan penggunaan bahan api.
Untuk kenderaan elektrik, kesan pemberat ringan adalah lebih ketara. Pada masa ini, ketumpatan tenaga unit bateri kuasa kenderaan elektrik adalah berbeza dengan ketara daripada kenderaan bahan api cecair tradisional. Berat sistem kuasa (termasuk bateri) kenderaan elektrik selalunya menyumbang 20% hingga 30% daripada jumlah berat kenderaan. Pada masa yang sama, menerobos kesesakan prestasi bateri merupakan cabaran di seluruh dunia. Sebelum terdapat kejayaan besar dalam teknologi bateri berprestasi tinggi, pemberat ringan ialah cara yang berkesan untuk meningkatkan julat pelayaran kenderaan elektrik. Bagi setiap pengurangan berat 100 kg, julat pelayaran kenderaan elektrik boleh ditingkatkan sebanyak 6% hingga 11% (hubungan antara pengurangan berat dan julat pelayaran ditunjukkan dalam Rajah 10). Pada masa ini, julat pelayaran kenderaan elektrik tulen tidak dapat memenuhi keperluan kebanyakan orang, tetapi mengurangkan berat dengan jumlah tertentu boleh meningkatkan julat pelayaran dengan ketara, mengurangkan kebimbangan julat dan meningkatkan pengalaman pengguna.
5. Kesimpulan
Sebagai tambahan kepada struktur semua aluminium trak kotak aloi aluminium yang diperkenalkan dalam artikel ini, terdapat pelbagai jenis trak kotak, seperti panel sarang lebah aluminium, plat gesper aluminium, bingkai aluminium + kulit aluminium, dan bekas kargo hibrid besi-aluminium . Mereka mempunyai kelebihan berat ringan, kekuatan khusus yang tinggi, dan rintangan kakisan yang baik, dan tidak memerlukan cat elektroforetik untuk perlindungan kakisan, mengurangkan kesan alam sekitar cat elektroforetik. Trak kotak aloi aluminium secara asasnya menyelesaikan masalah berat yang berlebihan, ketidakpatuhan terhadap pengumuman dan risiko pengawalseliaan petak kargo buatan besi tradisional.
Penyemperitan adalah kaedah pemprosesan penting untuk aloi aluminium, dan profil aluminium mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik, jadi kekukuhan bahagian komponen agak tinggi. Oleh kerana keratan rentas berubah-ubah, aloi aluminium boleh mencapai gabungan pelbagai fungsi komponen, menjadikannya bahan yang baik untuk pemberat ringan automotif. Walau bagaimanapun, aplikasi meluas aloi aluminium menghadapi cabaran seperti keupayaan reka bentuk yang tidak mencukupi untuk petak kargo aloi aluminium, isu pembentukan dan kimpalan, serta kos pembangunan dan promosi yang tinggi untuk produk baharu. Sebab utamanya ialah aloi aluminium lebih mahal daripada keluli sebelum ekologi kitar semula aloi aluminium menjadi matang.
Kesimpulannya, skop penggunaan aloi aluminium dalam kereta akan menjadi lebih luas, dan penggunaannya akan terus meningkat. Dalam trend semasa penjimatan tenaga, pengurangan pelepasan, dan pembangunan industri kenderaan tenaga baharu, dengan pemahaman yang mendalam tentang sifat aloi aluminium dan penyelesaian yang berkesan untuk masalah aplikasi aloi aluminium, bahan penyemperitan aluminium akan digunakan secara lebih meluas dalam pemberat ringan automotif.
Disunting oleh May Jiang dari MAT Aluminium
Masa siaran: Jan-12-2024
