1. Ievads
Automobiļu vieglsvara ražošana aizsākās attīstītajās valstīs, un sākotnēji to vadīja tradicionālie autobūves giganti. Nepārtraukti attīstoties, tā ir ieguvusi ievērojamu impulsu. Kopš brīža, kad indieši pirmo reizi izmantoja alumīnija sakausējumu automobiļu kloķvārpstu ražošanā, līdz Audi pirmajai pilnībā no alumīnija ražotajai automašīnai 1999. gadā, alumīnija sakausējums ir piedzīvojis spēcīgu izaugsmi automobiļu pielietojumā, pateicoties tā priekšrocībām, piemēram, zemam blīvumam, augstai īpatnējai izturībai un stingrībai, labai elastībai un triecienizturībai, augstai pārstrādes iespējamībai un augstam reģenerācijas ātrumam. Līdz 2015. gadam alumīnija sakausējuma pielietojuma īpatsvars automobiļos jau pārsniedza 35%.
Ķīnas automobiļu vieglā svara tehnoloģijas aizsākās pirms mazāk nekā 10 gadiem, un gan tehnoloģiju, gan pielietojuma līmenis atpaliek no attīstītajām valstīm, piemēram, Vācijas, Amerikas Savienotajām Valstīm un Japānas. Tomēr, attīstoties jauniem enerģijas transportlīdzekļiem, materiālu vieglā svara tehnoloģijas strauji attīstās. Izmantojot jaunu enerģijas transportlīdzekļu pieaugumu, Ķīnas automobiļu vieglā svara tehnoloģijas uzrāda tendenci panākt attīstīto valstu līmeni.
Ķīnas vieglo materiālu tirgus ir plašs. No vienas puses, salīdzinot ar attīstītajām valstīm ārvalstīs, Ķīnas vieglo materiālu tehnoloģijas sāka attīstīties vēlu, un kopējais transportlīdzekļu pašmasas līmenis ir lielāks. Ņemot vērā vieglo materiālu īpatsvara etalonu ārvalstīs, Ķīnā joprojām ir daudz iespēju attīstībai. No otras puses, pateicoties politikai, straujā Ķīnas jaunās enerģijas transportlīdzekļu nozares attīstība palielinās pieprasījumu pēc vieglajiem materiāliem un mudinās autobūves uzņēmumus pāriet uz vieglo materiālu izmantošanu.
Emisiju un degvielas patēriņa standartu uzlabošana veicina automobiļu svara samazināšanu. Ķīna pilnībā ieviesa Ķīnas VI emisiju standartus 2020. gadā. Saskaņā ar "Pasažieru automašīnu degvielas patēriņa novērtēšanas metodi un rādītājiem" un "Enerģijas taupīšanas un jaunu enerģijas transportlīdzekļu tehnoloģiju ceļvedi", degvielas patēriņa standarts ir 5,0 l/km. Ņemot vērā ierobežoto iespēju būtiskiem sasniegumiem dzinēju tehnoloģijās un emisiju samazināšanā, pasākumu ieviešana vieglo automobiļu detaļu jomā var efektīvi samazināt transportlīdzekļu emisijas un degvielas patēriņu. Jaunu enerģijas transportlīdzekļu svara samazināšana ir kļuvusi par būtisku nozares attīstības ceļu.
2016. gadā Ķīnas Automobiļu inženierijas biedrība izdeva “Enerģijas taupīšanas un jaunu enerģijas transportlīdzekļu tehnoloģiju ceļvedi”, kurā no 2020. līdz 2030. gadam tika plānoti tādi faktori kā enerģijas patēriņš, nobraukums un ražošanas materiāli jauniem enerģijas transportlīdzekļiem. Viegls svars būs galvenais virziens jaunu enerģijas transportlīdzekļu turpmākajā attīstībā. Viegls svars var palielināt nobraukumu un mazināt “nobraukuma trauksmi” jaunos enerģijas transportlīdzekļos. Pieaugot pieprasījumam pēc palielināta nobraukuma, automobiļu vieglais svars kļūst steidzams, un jaunu enerģijas transportlīdzekļu pārdošanas apjomi pēdējos gados ir ievērojami pieauguši. Saskaņā ar vērtēšanas sistēmas prasībām un “Automobiļu rūpniecības vidēja termiņa un ilgtermiņa attīstības plānu” tiek lēsts, ka līdz 2025. gadam jaunu enerģijas transportlīdzekļu pārdošanas apjomi Ķīnā pārsniegs 6 miljonus vienību, un saliktais gada pieauguma temps pārsniegs 38 %.
2.Alumīnija sakausējuma raksturojums un pielietojums
2.1 Alumīnija sakausējuma raksturojums
Alumīnija blīvums ir viena trešdaļa no tērauda blīvuma, padarot to vieglāku. Tam ir augstāka īpatnējā izturība, laba ekstrūzijas spēja, spēcīga izturība pret koroziju un augsta pārstrādājamība. Alumīnija sakausējumus raksturo tas, ka tie galvenokārt sastāv no magnija, tiem ir laba karstumizturība, labas metināšanas īpašības, laba noguruma izturība, nespēja tikt stiprinātiem ar termisko apstrādi un spēja palielināt izturību, izmantojot auksto apstrādi. 6. sērijai raksturīgs tas, ka tie galvenokārt sastāv no magnija un silīcija, un galvenā stiprināšanas fāze ir Mg2Si. Visplašāk izmantotie sakausējumi šajā kategorijā ir 6063, 6061 un 6005A. 5052 alumīnija plāksne ir AL-Mg sērijas sakausējuma alumīnija plāksne, kuras galvenais leģējošais elements ir magnijs. Tas ir visplašāk izmantotais pretkorozijas alumīnija sakausējums. Šim sakausējumam ir augsta izturība, augsta noguruma izturība, laba plastiskums un izturība pret koroziju, to nevar stiprināt ar termisko apstrādi, tam ir laba plastiskums pusaukstā sacietēšanas laikā, zems plastiskums aukstās sacietēšanas laikā, laba izturība pret koroziju un labas metināšanas īpašības. To galvenokārt izmanto tādām detaļām kā sānu paneļi, jumta pārsegi un durvju paneļi. 6063 alumīnija sakausējums ir termiski apstrādājams stiprinošs sakausējums AL-Mg-Si sērijā, kurā galvenie leģējošie elementi ir magnijs un silīcijs. Tas ir termiski apstrādājams stiprinošs alumīnija sakausējuma profils ar vidēju izturību, ko galvenokārt izmanto konstrukcijas elementos, piemēram, kolonnās un sānu paneļos, izturības nodrošināšanai. Ievads alumīnija sakausējumu kategorijās ir parādīts 1. tabulā.
2.2 Ekstrūzija ir svarīga alumīnija sakausējuma formēšanas metode
Alumīnija sakausējuma ekstrūzija ir karstās formēšanas metode, un viss ražošanas process ietver alumīnija sakausējuma formēšanu trīsceļu spiedes sprieguma ietekmē. Visu ražošanas procesu var aprakstīt šādi: a. Alumīnijs un citi sakausējumi tiek kausēti un lieti nepieciešamajās alumīnija sakausējuma sagatavēs; b. Iepriekš uzkarsētās sagataves tiek ievietotas ekstrūzijas iekārtā ekstrūzijai. Galvenā cilindra darbības rezultātā alumīnija sakausējuma sagatave caur veidnes dobumu tiek veidota nepieciešamajos profilos; c. Lai uzlabotu alumīnija profilu mehāniskās īpašības, ekstrūzijas laikā vai pēc tās tiek veikta šķīduma apstrāde, kam seko novecošanas apstrāde. Mehāniskās īpašības pēc novecošanas apstrādes atšķiras atkarībā no dažādiem materiāliem un novecošanas režīmiem. Kastes tipa kravas automašīnu profilu termiskās apstrādes statuss ir parādīts 2. tabulā.
Alumīnija sakausējuma ekstrudētiem izstrādājumiem ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar citām formēšanas metodēm:
a. Ekstrūzijas laikā ekstrudētais metāls deformācijas zonā iegūst spēcīgāku un vienmērīgāku trīsvirzienu spiedes spriegumu nekā velmējot un kaljot, tāpēc tas var pilnībā atskaņot apstrādātā metāla plastiskumu. To var izmantot grūti deformējamu metālu apstrādei, kurus nevar apstrādāt ar velmēšanu vai kalšanu, un to var izmantot dažādu sarežģītu dobu vai cietu šķērsgriezuma detaļu izgatavošanai.
b. Tā kā alumīnija profilu ģeometriju var mainīt, to sastāvdaļām ir augsta stingrība, kas var uzlabot transportlīdzekļa virsbūves stingrību, samazināt tā NVH raksturlielumus un uzlabot transportlīdzekļa dinamiskās vadības raksturlielumus.
c. Izstrādājumiem ar ekstrūzijas efektivitāti pēc rūdīšanas un novecošanas ir ievērojami lielāka gareniskā izturība (R, Raz) nekā izstrādājumiem, kas apstrādāti ar citām metodēm.
d. Pēc ekstrūzijas izstrādājumu virsmai ir laba krāsa un laba izturība pret koroziju, tādējādi novēršot nepieciešamību pēc citas pretkorozijas virsmas apstrādes.
e. Ekstrūzijas apstrādei ir liela elastība, zemas instrumentu un veidņu izmaksas, kā arī zemas konstrukcijas izmaiņu izmaksas.
f. Pateicoties alumīnija profila šķērsgriezumu vadāmībai, var palielināt komponentu integrācijas pakāpi, samazināt komponentu skaitu un panākt precīzu metināšanas pozicionēšanu, izmantojot dažādus šķērsgriezuma dizainus.
Ekstrudēta alumīnija profilu kravas kastēm un parasta oglekļa tērauda veiktspējas salīdzinājums ir parādīts 3. tabulā.
Nākamais alumīnija sakausējuma profilu izstrādes virziens kravas kastēm: profila izturības tālāka uzlabošana un ekstrūzijas veiktspējas uzlabošana. Jaunu materiālu izpētes virziens alumīnija sakausējuma profiliem kravas kastēm ir parādīts 1. attēlā.
3. Alumīnija sakausējuma kravas automašīnas konstrukcija, stiprības analīze un verifikācija
3.1 Alumīnija sakausējuma kravas automašīnas konstrukcija
Kravas automašīnas konteiners galvenokārt sastāv no priekšējā paneļa mezgla, kreisā un labā sānu paneļa mezgla, aizmugurējo durvju sānu paneļa mezgla, grīdas mezgla, jumta mezgla, kā arī U veida skrūvēm, sānu aizsargiem, aizmugurējiem aizsargiem, dubļu sargiem un citiem piederumiem, kas savienoti ar otrās klases šasiju. Kravas automašīnas šķērssijas, statņi, sānu sijas un durvju paneļi ir izgatavoti no alumīnija sakausējuma ekstrudētiem profiliem, savukārt grīdas un jumta paneļi ir izgatavoti no 5052 alumīnija sakausējuma plakanām plāksnēm. Alumīnija sakausējuma kravas automašīnas konstrukcija ir parādīta 2. attēlā.
Izmantojot 6. sērijas alumīnija sakausējuma karstās ekstrūzijas procesu, var veidot sarežģītus dobus šķērsgriezumus, alumīnija profilu ar sarežģītiem šķērsgriezumiem konstrukcija var ietaupīt materiālus, izpildīt izstrādājuma izturības un stingrības prasības, kā arī izpildīt dažādu komponentu savstarpējās savienošanas prasības. Tāpēc galvenās sijas konstrukcijas struktūra un šķērsgriezuma inerces momenti I un pretestības momenti W ir parādīti 3. attēlā.
4. tabulas galveno datu salīdzinājums parāda, ka projektētā alumīnija profila šķērsgriezuma inerces momenti un pretestības momenti ir labāki nekā atbilstošie dzelzs sijas profila dati. Stingrības koeficienta dati ir aptuveni tādi paši kā atbilstošajam dzelzs sijas profilam, un tie visi atbilst deformācijas prasībām.
3.2 Maksimālā sprieguma aprēķins
Ņemot galveno slodzi nesošo komponentu – šķērssiju – par objektu, tiek aprēķināts maksimālais spriegums. Nominālā slodze ir 1,5 t, un šķērssija ir izgatavota no 6063-T6 alumīnija sakausējuma profila ar mehāniskajām īpašībām, kā parādīts 5. tabulā. Spēka aprēķināšanai sija ir vienkāršota kā konsoles konstrukcija, kā parādīts 4. attēlā.
Ņemot 344 mm laiduma siju, spiedes slodze uz siju tiek aprēķināta kā F=3757 N, pamatojoties uz 4,5 t, kas ir trīs reizes lielāka par standarta statisko slodzi. q=F/L
kur q ir sijas iekšējais spriegums zem slodzes, N/mm2; F ir sijas nestā slodze, kas aprēķināta, pamatojoties uz trīskāršu standarta statisko slodzi, kas ir 4,5 t; L ir sijas garums, mm.
Tāpēc iekšējais spriegums q ir:
Sprieguma aprēķina formula ir šāda:
Maksimālais moments ir:
Ņemot momenta absolūto vērtību M=274283 N·mm, maksimālo spriegumu σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa un maksimālo sprieguma vērtību σ<215 MPa, kas atbilst prasībām.
3.3 Dažādu komponentu savienojuma raksturlielumi
Alumīnija sakausējumam ir sliktas metināšanas īpašības, un tā metināšanas vietas izturība ir tikai 60% no pamatmateriāla izturības. Sakarā ar Al2O3 slāņa pārklājumu uz alumīnija sakausējuma virsmas, Al2O3 kušanas temperatūra ir augsta, bet alumīnija kušanas temperatūra ir zema. Metinot alumīnija sakausējumu, uz virsmas esošais Al2O3 ir ātri jāsalauž, lai veiktu metināšanu. Tajā pašā laikā Al2O3 atlikumi paliks alumīnija sakausējuma šķīdumā, ietekmējot alumīnija sakausējuma struktūru un samazinot alumīnija sakausējuma metināšanas vietas izturību. Tāpēc, projektējot pilnībā no alumīnija izgatavotu konteineru, šīs īpašības tiek pilnībā ņemtas vērā. Metināšana ir galvenā pozicionēšanas metode, un galvenās nesošās sastāvdaļas ir savienotas ar skrūvēm. Savienojumi, piemēram, kniedēšana un bezdelīgastes konstrukcija, ir parādīti 5. un 6. attēlā.
Pilnībā no alumīnija izgatavotās kastes korpusa galveno struktūru veido horizontālas sijas, vertikāli balsti, sānu sijas un malu sijas, kas savstarpēji savienotas. Starp katru horizontālo siju un vertikālo balstu ir četri savienojuma punkti. Savienojuma punkti ir aprīkoti ar robainām blīvēm, kas sader ar horizontālās sijas robaino malu, efektīvi novēršot slīdēšanu. Astoņi stūra punkti galvenokārt ir savienoti ar tērauda serdeņiem, nostiprināti ar skrūvēm un pašfiksējošām kniedēm, un pastiprināti ar 5 mm trīsstūrveida alumīnija plāksnēm, kas ir sametinātas kastes iekšpusē, lai nostiprinātu stūru pozīcijas iekšpusē. Kastes ārējam izskatam nav metinājumu vai atklātu savienojuma punktu, kas nodrošina kastes kopējo izskatu.
3.4 SE sinhronās inženierijas tehnoloģija
SE sinhronās inženiertehnoloģijas izmantošana ļauj risināt problēmas, ko rada lielas uzkrātās izmēru novirzes atbilstošajām komponentēm kastes korpusā, kā arī grūtības atrast spraugu un plakanuma defektu cēloņus. Izmantojot CAE analīzi (skatiet 7.-8. attēlu), tiek veikta salīdzinošā analīze ar dzelzs kastes korpusiem, lai pārbaudītu kastes korpusa kopējo izturību un stingrību, atrastu vājās vietas un veiktu pasākumus, lai efektīvāk optimizētu un uzlabotu projektēšanas shēmu.
4. Alumīnija sakausējuma kravas automašīnas vieglā svara efekts
Papildus kastes tipa virsbūvei alumīnija sakausējumus var izmantot, lai aizstātu tēraudu dažādām kastes tipa kravas automašīnu konteineru sastāvdaļām, piemēram, dubļu sargiem, aizmugurējiem aizsargiem, sānu aizsargiem, durvju aizbīdņiem, durvju eņģēm un aizmugurējo priekšējo spoileru malām, panākot kravas nodalījuma svara samazinājumu par 30–40%. Tukša 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm kravas konteinera svara samazināšanas efekts ir parādīts 6. tabulā. Tas principiāli atrisina pārmērīga svara, paziņojumu neievērošanas un regulējošo risku problēmas, kas saistītas ar tradicionālajiem no dzelzs izgatavotajiem kravas nodalījumiem.
Aizstājot tradicionālo tēraudu ar alumīnija sakausējumiem automobiļu detaļās, var ne tikai panākt izcilu vieglsvara efektu, bet arī veicināt degvielas ietaupījumu, emisiju samazināšanu un uzlabot transportlīdzekļu veiktspēju. Pašlaik pastāv dažādi viedokļi par vieglsvara ieguldījumu degvielas ietaupīšanā. Starptautiskā alumīnija institūta pētījumu rezultāti ir parādīti 9. attēlā. Ik pēc 10% transportlīdzekļa svara samazinājuma var samazināt degvielas patēriņu par 6% līdz 8%. Pamatojoties uz vietējo statistiku, katra vieglā automobiļa svara samazināšana par 100 kg var samazināt degvielas patēriņu par 0,4 l/100 km. Vieglsvara ieguldījums degvielas ietaupīšanā ir balstīts uz rezultātiem, kas iegūti, izmantojot dažādas pētījumu metodes, tāpēc pastāv zināmas atšķirības. Tomēr automobiļu vieglsvaram ir būtiska ietekme uz degvielas patēriņa samazināšanu.
Elektrotransportlīdzekļiem vieglsvara efekts ir vēl izteiktāks. Pašlaik elektrotransportlīdzekļu jaudas akumulatoru vienības enerģijas blīvums ievērojami atšķiras no tradicionālo šķidrās degvielas transportlīdzekļu enerģijas blīvuma. Elektrotransportlīdzekļu energosistēmas (ieskaitot akumulatoru) svars bieži vien veido 20–30 % no kopējā transportlīdzekļa svara. Vienlaikus akumulatoru veiktspējas sašaurinājuma pārvarēšana ir pasaules mēroga izaicinājums. Pirms tiek panākts ievērojams izrāviens augstas veiktspējas akumulatoru tehnoloģijā, vieglsvara samazināšana ir efektīvs veids, kā uzlabot elektrotransportlīdzekļu nobraukumu. Par katriem 100 kg svara samazinājuma elektrotransportlīdzekļu nobraukumu var palielināt par 6–11 % (svara samazinājuma un nobraukuma attiecības parādītas 10. attēlā). Pašlaik pilnībā elektrotransportlīdzekļu nobraukums nevar apmierināt vairuma cilvēku vajadzības, taču svara samazināšana par noteiktu daudzumu var ievērojami uzlabot nobraukumu, mazinot bažas par nobraukumu un uzlabojot lietotāja pieredzi.
5. Secinājums
Papildus šajā rakstā aprakstītajai pilnībā no alumīnija izgatavotajai alumīnija sakausējuma kravas kastei ir pieejami dažādi kravas kastes veidi, piemēram, alumīnija šūnveida paneļi, alumīnija sprādzes plāksnes, alumīnija rāmji + alumīnija apvalki un dzelzs-alumīnija hibrīda kravas konteineri. Tiem ir tādas priekšrocības kā viegls svars, augsta īpatnējā izturība un laba izturība pret koroziju, un tiem nav nepieciešama elektroforētiskā krāsa korozijas aizsardzībai, samazinot elektroforētiskās krāsas ietekmi uz vidi. Alumīnija sakausējuma kravas kaste principiāli atrisina pārmērīga svara, paziņojumu neievērošanas un regulējošo risku problēmas, kas saistītas ar tradicionālajiem no dzelzs izgatavotajiem kravas nodalījumiem.
Ekstrūzija ir būtiska alumīnija sakausējumu apstrādes metode, un alumīnija profiliem ir lieliskas mehāniskās īpašības, tāpēc detaļu šķērsgriezuma stingrība ir relatīvi augsta. Mainīgā šķērsgriezuma dēļ alumīnija sakausējumi var panākt vairāku komponentu funkciju kombināciju, padarot to par labu materiālu automobiļu vieglajām konstrukcijām. Tomēr plaša alumīnija sakausējumu pielietošana saskaras ar tādām problēmām kā nepietiekamas alumīnija sakausējumu kravas nodalījumu projektēšanas iespējas, formēšanas un metināšanas problēmas, kā arī augstas jaunu produktu izstrādes un reklamēšanas izmaksas. Galvenais iemesls joprojām ir tas, ka alumīnija sakausējums maksā vairāk nekā tērauds, pirms alumīnija sakausējumu pārstrādes ekoloģija kļūst nobriedusi.
Noslēgumā jāsaka, ka alumīnija sakausējumu pielietojuma joma automobiļos paplašināsies, un to izmantošana turpinās pieaugt. Pašreizējās enerģijas taupīšanas, emisiju samazināšanas un jaunās enerģijas transportlīdzekļu nozares attīstības tendencēs, padziļinoties izpratnei par alumīnija sakausējumu īpašībām un efektīviem risinājumiem alumīnija sakausējumu pielietojuma problēmām, alumīnija ekstrūzijas materiāli tiks plašāk izmantoti automobiļu vieglmetāla konstrukcijās.
Rediģēja Meja Dzjana no MAT Aluminum
Publicēšanas laiks: 2024. gada 12. janvāris
