1. Inleiding
Lichtgewicht auto's begonnen in ontwikkelde landen en werden aanvankelijk geleid door traditionele autogiganten. Door de voortdurende ontwikkeling heeft het een aanzienlijke impuls gekregen. Vanaf het moment dat Indiërs voor het eerst aluminiumlegeringen gebruikten voor de productie van krukassen tot Audi's eerste massaproductie van volledig aluminium auto's in 1999, heeft aluminiumlegering een sterke groei doorgemaakt in autotoepassingen dankzij voordelen zoals een lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en stijfheid, goede elasticiteit en slagvastheid, hoge recyclebaarheid en een hoge regeneratiesnelheid. In 2015 bedroeg het toepassingspercentage van aluminiumlegeringen in auto's al meer dan 35%.
De Chinese automobielindustrie is minder dan 10 jaar geleden begonnen met lichtgewichttechnologie en zowel de technologie als het toepassingsniveau blijven achter bij die van ontwikkelde landen zoals Duitsland, de Verenigde Staten en Japan. Met de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen boekt de lichtgewichttechnologie voor materialen echter snel vooruitgang. Door de opkomst van nieuwe energievoertuigen te benutten, vertoont de Chinese automobielindustrie een trend om de ontwikkelde landen in te halen.
De Chinese markt voor lichtgewicht materialen is enorm. Enerzijds is de Chinese markt voor lichtgewicht materialen, vergeleken met ontwikkelde landen in het buitenland, pas laat begonnen met de ontwikkeling van lichtgewichttechnologie en is het totale eigen gewicht van voertuigen hoger. Gezien de benchmark voor het aandeel lichtgewicht materialen in het buitenland, is er in China nog volop ruimte voor ontwikkeling. Anderzijds zal de snelle ontwikkeling van de Chinese industrie voor nieuwe energievoertuigen, gedreven door beleid, de vraag naar lichtgewicht materialen stimuleren en autobedrijven aanmoedigen om over te stappen op lichtgewicht materialen.
De verbetering van emissie- en brandstofverbruiksnormen zorgt voor een versnelling van de lichtgewicht auto-industrie. China heeft de China VI-emissienormen in 2020 volledig geïmplementeerd. Volgens de "Evaluatiemethode en indicatoren voor brandstofverbruik van personenauto's" en de "Stappenplan voor energiebesparing en nieuwe energietechnologieën voor voertuigen" is de norm voor het brandstofverbruik 5,0 l/km. Gezien de beperkte ruimte voor substantiële doorbraken in motortechnologie en emissiereductie, kunnen maatregelen voor lichtgewicht autocomponenten de voertuigemissies en het brandstofverbruik effectief verminderen. De lichtgewicht productie van nieuwe energievoertuigen is een essentieel onderdeel geworden van de ontwikkeling van de industrie.
In 2016 publiceerde de China Automotive Engineering Society de "Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap", waarin factoren zoals energieverbruik, actieradius en productiematerialen voor nieuwe energievoertuigen voor de periode 2020-2030 werden gepland. Lichtgewichting zal een belangrijke richting zijn voor de toekomstige ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen. Lichtgewichting kan de actieradius vergroten en de "actieradiusangst" bij nieuwe energievoertuigen aanpakken. Met de toenemende vraag naar een grotere actieradius wordt lichtgewichting in de automobielsector een urgentie en is de verkoop van nieuwe energievoertuigen de afgelopen jaren aanzienlijk gestegen. Volgens de eisen van het scoresysteem en het "Mid-to-Long-Term Development Plan for the Automotive Industry" wordt geschat dat de verkoop van nieuwe energievoertuigen in China tegen 2025 meer dan 6 miljoen eenheden zal bedragen, met een samengestelde jaarlijkse groei van meer dan 38%.
2. Kenmerken en toepassingen van aluminiumlegeringen
2.1 Kenmerken van aluminiumlegering
De dichtheid van aluminium is een derde van die van staal, waardoor het lichter is. Het heeft een hogere specifieke sterkte, goede extrusiemogelijkheden, een sterke corrosiebestendigheid en een hoge recyclebaarheid. Aluminiumlegeringen worden gekenmerkt door een primaire samenstelling van magnesium, een goede hittebestendigheid, goede laseigenschappen, een goede vermoeiingssterkte, het niet kunnen worden versterkt door warmtebehandeling en de mogelijkheid om de sterkte te verhogen door koudvervorming. De 6-serie wordt gekenmerkt door een primaire samenstelling van magnesium en silicium, met Mg2Si als de belangrijkste versterkingsfase. De meest gebruikte legeringen in deze categorie zijn 6063, 6061 en 6005A. 5052 aluminiumplaat is een aluminiumplaat uit de AL-Mg-serie, met magnesium als het belangrijkste legeringselement. Het is de meest gebruikte roestwerende aluminiumlegering. Deze legering heeft een hoge sterkte, hoge vermoeiingssterkte, goede plasticiteit en corrosiebestendigheid, kan niet worden versterkt door warmtebehandeling, heeft een goede plasticiteit bij semi-koude verharding, lage plasticiteit bij koude verharding, goede corrosiebestendigheid en goede laseigenschappen. Het wordt voornamelijk gebruikt voor componenten zoals zijpanelen, dakbedekking en deurpanelen. 6063 aluminiumlegering is een warmtebehandelbare versterkingslegering in de AL-Mg-Si-serie, met magnesium en silicium als belangrijkste legeringselementen. Het is een warmtebehandelbaar versterkingsprofiel van aluminiumlegering met gemiddelde sterkte, voornamelijk gebruikt in structurele componenten zoals kolommen en zijpanelen om de sterkte te verhogen. Tabel 1 geeft een inleiding tot de verschillende aluminiumlegeringssoorten.
2.2 Extrusie is een belangrijke vormmethode voor aluminiumlegeringen
Extrusie van aluminiumlegeringen is een warmvormmethode en het hele productieproces omvat het vormen van aluminiumlegeringen onder drievoudige drukspanning. Het hele productieproces kan als volgt worden beschreven: a. Aluminium en andere legeringen worden gesmolten en gegoten tot de vereiste aluminiumlegeringsblokken; b. De voorverwarmde blokken worden in de extrusieapparatuur geplaatst voor extrusie. Onder invloed van de hoofdcilinder wordt het aluminiumlegeringsblok via de holte van de matrijs gevormd tot de vereiste profielen; c. Om de mechanische eigenschappen van aluminiumprofielen te verbeteren, wordt tijdens of na de extrusie een oplossingsbehandeling uitgevoerd, gevolgd door een verouderingsbehandeling. De mechanische eigenschappen na de verouderingsbehandeling variëren afhankelijk van verschillende materialen en verouderingsregimes. De warmtebehandelingsstatus van doosvormige vrachtwagenprofielen wordt weergegeven in Tabel 2.
Geëxtrudeerde producten van aluminiumlegering hebben verschillende voordelen ten opzichte van andere vormingsmethoden:
a. Tijdens extrusie krijgt het geëxtrudeerde metaal een sterkere en gelijkmatigere drievoudige drukspanning in de vervormingszone dan bij walsen en smeden, waardoor de plasticiteit van het bewerkte metaal volledig tot zijn recht komt. Het kan worden gebruikt voor de verwerking van moeilijk te vervormen metalen die niet met walsen of smeden kunnen worden verwerkt, en voor de productie van diverse complexe holle of massieve componenten.
b. Omdat de geometrie van aluminiumprofielen kan worden gevarieerd, hebben hun componenten een hoge stijfheid, wat de stijfheid van de voertuigcarrosserie kan verbeteren, de NVH-kenmerken kan verminderen en de dynamische besturingseigenschappen van het voertuig kan verbeteren.
c. Producten met extrusie-efficiëntie hebben, na afschrikken en veroudering, een aanzienlijk hogere longitudinale sterkte (R, Raz) dan producten die met andere methoden worden verwerkt.
d. Het oppervlak van de producten na extrusie heeft een goede kleur en een goede corrosiebestendigheid, waardoor er geen andere anti-corrosie oppervlaktebehandeling nodig is.
e. Extrusie-verwerking kent een grote flexibiliteit, lage gereedschaps- en matrijskosten en lage kosten voor ontwerpwijzigingen.
f. Dankzij de regelbaarheid van de dwarsdoorsneden van aluminiumprofielen kan de mate van componentintegratie worden verhoogd, kan het aantal componenten worden verminderd en kunnen verschillende dwarsdoorsnedeontwerpen een nauwkeurige laspositionering bereiken.
De prestatievergelijking tussen geëxtrudeerde aluminiumprofielen voor bakwagens en gewoon koolstofstaal wordt weergegeven in Tabel 3.
Volgende ontwikkelingsrichting van aluminiumlegeringsprofielen voor bakwagens: verdere verbetering van de profielsterkte en extrusieprestaties. De onderzoeksrichting naar nieuwe materialen voor aluminiumlegeringsprofielen voor bakwagens wordt weergegeven in figuur 1.
3. Structuur van een aluminium bakwagen, sterkteanalyse en verificatie
3.1 Aluminiumlegering bakwagenstructuur
De bakwagen bestaat voornamelijk uit een frontpaneel, linker- en rechterzijpaneel, zijpaneel van de achterdeur, vloerpaneel, dakpaneel, evenals U-vormige bouten, zijbescherming, achterbescherming, spatlappen en andere accessoires die aan het tweedeklas chassis zijn bevestigd. De dwarsbalken, stijlen, zijbalken en deurpanelen van de bakwagen zijn gemaakt van geëxtrudeerde aluminiumprofielen, terwijl de vloer- en dakpanelen zijn gemaakt van vlakke platen van 5052 aluminiumlegering. De structuur van de bakwagen van aluminiumlegering is weergegeven in Afbeelding 2.
Met behulp van het warme extrusieproces van de aluminiumlegering uit de 6-serie kunnen complexe holle doorsneden worden gevormd. Een ontwerp van aluminium profielen met complexe doorsneden kan materiaal besparen, voldoen aan de eisen van productsterkte en -stijfheid en aan de eisen van de onderlinge verbinding tussen verschillende componenten. De ontwerpstructuur van de hoofdligger en de doorsnedetraagheidsmomenten I en de weerstandsmomenten W worden daarom weergegeven in figuur 3.
Een vergelijking van de belangrijkste gegevens in tabel 4 laat zien dat de traagheidsmomenten en de weerstandsmomenten van het ontworpen aluminium profiel beter zijn dan de overeenkomstige gegevens van het ijzeren balkprofiel. De gegevens over de stijfheidscoëfficiënt zijn ongeveer gelijk aan die van het overeenkomstige ijzeren balkprofiel en voldoen allemaal aan de vervormingseisen.
3.2 Maximale spanningsberekening
Met de belangrijkste dragende component, de dwarsbalk, als object, wordt de maximale spanning berekend. De nominale belasting bedraagt 1,5 ton en de dwarsbalk is gemaakt van een 6063-T6 aluminiumlegering met mechanische eigenschappen zoals weergegeven in tabel 5. De balk is vereenvoudigd tot een cantileverconstructie voor de krachtberekening, zoals weergegeven in figuur 4.
Als we een balk met een overspanning van 344 mm nemen, wordt de drukbelasting op de balk berekend als F = 3757 N op basis van 4,5 ton, wat driemaal de standaard statische belasting is. q = F/L
waarbij q de inwendige spanning van de balk onder belasting is, N/mm; F de belasting is die de balk draagt, berekend op basis van 3 maal de standaard statische belasting, die 4,5 t bedraagt; L de lengte van de balk is, mm.
De inwendige spanning q is dus:
De formule voor de spanningsberekening is als volgt:
Het maximale moment is:
Als we de absolute waarde van het moment nemen, M = 274283 N·mm, de maximale spanning σ = M/(1,05×w) = 18,78 MPa en de maximale spanningswaarde σ < 215 MPa, dan voldoen we aan de vereisten.
3.3 Verbindingskenmerken van verschillende componenten
Aluminiumlegeringen hebben slechte laseigenschappen en de laspuntsterkte bedraagt slechts 60% van de sterkte van het basismateriaal. Door de laag Al2O3 die het oppervlak van de aluminiumlegering bedekt, is het smeltpunt van Al2O3 hoog, terwijl dat van aluminium laag is. Bij het lassen van aluminiumlegeringen moet de Al2O3 op het oppervlak snel worden gebroken om te kunnen lassen. Tegelijkertijd blijven er resten Al2O3 achter in de aluminiumlegeringoplossing, wat de structuur van de aluminiumlegering beïnvloedt en de sterkte van het laspunt vermindert. Daarom wordt bij het ontwerpen van een volledig aluminium container rekening gehouden met deze kenmerken. Lassen is de belangrijkste positioneringsmethode en de belangrijkste dragende componenten worden met bouten verbonden. Verbindingen zoals klinknagels en zwaluwstaartverbindingen worden weergegeven in figuur 5 en 6.
De hoofdstructuur van de volledig aluminium bak bestaat uit een constructie met horizontale balken, verticale pilaren, zijbalken en randbalken die in elkaar grijpen. Tussen elke horizontale balk en verticale pilaar bevinden zich vier verbindingspunten. Deze verbindingspunten zijn voorzien van gekartelde pakkingen die in de gekartelde rand van de horizontale balk grijpen en zo effectief schuiven voorkomen. De acht hoekpunten zijn voornamelijk verbonden door stalen kerninzetstukken, bevestigd met bouten en zelfborgende klinknagels, en verstevigd met 5 mm dikke driehoekige aluminium platen die aan de binnenkant van de bak zijn gelast om de hoeken intern te verstevigen. Het uiterlijk van de bak is vrij van lasnaden of zichtbare verbindingspunten, waardoor de algehele uitstraling van de bak behouden blijft.
3.4 SE Synchrone Engineering Technologie
SE synchrone engineeringtechnologie wordt gebruikt om de problemen op te lossen die worden veroorzaakt door grote afwijkingen in de afmetingen van de componenten in de doos, evenals de moeilijkheden bij het vinden van de oorzaken van gaten en vlakheidsfouten. Door middel van CAE-analyse (zie figuur 7-8) wordt een vergelijkende analyse uitgevoerd met ijzeren doosconstructies om de algehele sterkte en stijfheid van de doosconstructie te controleren, zwakke punten te vinden en maatregelen te nemen om het ontwerp effectiever te optimaliseren en te verbeteren.
4. Lichtgewicht effect van een aluminium bakwagen
Naast de laadbak kunnen aluminiumlegeringen ook worden gebruikt ter vervanging van staal voor diverse onderdelen van bakwagens, zoals spatborden, achterschermen, zijschermen, deursloten, deurscharnieren en achterbumperranden. Dit levert een gewichtsbesparing van 30% tot 40% op voor de laadruimte. Het gewichtsbesparingseffect voor een lege laadcontainer van 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm wordt weergegeven in tabel 6. Dit lost de problemen van overgewicht, niet-naleving van aankondigingen en regelgevingsrisico's van traditionele, uit ijzer vervaardigde laadruimtes fundamenteel op.
Door traditioneel staal te vervangen door aluminiumlegeringen voor auto-onderdelen, kunnen niet alleen uitstekende lichtgewichteffecten worden bereikt, maar kan het ook bijdragen aan brandstofbesparing, emissiereductie en verbeterde voertuigprestaties. Momenteel bestaan er verschillende meningen over de bijdrage van lichtgewichtconstructie aan brandstofbesparing. De onderzoeksresultaten van het International Aluminium Institute worden weergegeven in Figuur 9. Elke 10% gewichtsvermindering van het voertuig kan het brandstofverbruik met 6% tot 8% verminderen. Gebaseerd op binnenlandse statistieken, kan een gewichtsvermindering van elke personenauto met 100 kg het brandstofverbruik met 0,4 l/100 km verminderen. De bijdrage van lichtgewichtconstructie aan brandstofbesparing is gebaseerd op resultaten verkregen uit verschillende onderzoeksmethoden, dus er is enige variatie. Lichtgewichtconstructie voor auto's heeft echter een aanzienlijke impact op het verminderen van het brandstofverbruik.
Voor elektrische voertuigen is het lichtgewichteffect nog sterker. Momenteel verschilt de energiedichtheid per eenheid van accu's voor elektrische voertuigen aanzienlijk van die van traditionele voertuigen op vloeibare brandstof. Het gewicht van het aandrijfsysteem (inclusief de accu) van elektrische voertuigen bedraagt vaak 20% tot 30% van het totale voertuiggewicht. Tegelijkertijd is het doorbreken van de prestatieknelpunten van accu's een wereldwijde uitdaging. Voordat er een grote doorbraak is in hoogwaardige accutechnologie, is lichtgewichtgebruik een effectieve manier om de actieradius van elektrische voertuigen te verbeteren. Voor elke 100 kg gewichtsvermindering kan de actieradius van elektrische voertuigen met 6% tot 11% toenemen (de relatie tussen gewichtsvermindering en actieradius wordt weergegeven in figuur 10). Momenteel kan de actieradius van puur elektrische voertuigen niet aan de behoeften van de meeste mensen voldoen, maar een zekere gewichtsvermindering kan de actieradius aanzienlijk verbeteren, waardoor de actieradiusangst afneemt en de gebruikerservaring wordt verbeterd.
5. Conclusie
Naast de volledig aluminium constructie van de in dit artikel beschreven bakwagen van aluminiumlegering, zijn er verschillende soorten bakwagens, zoals bakken met aluminium honingraatpanelen, aluminium knikplaten, aluminium frames met aluminium huiden en hybride containers van ijzer en aluminium. Deze bakken hebben de voordelen van een laag gewicht, een hoge specifieke sterkte en een goede corrosiebestendigheid. Bovendien is er geen elektroforetische verf nodig voor corrosiebescherming, waardoor de milieu-impact van elektroforetische verf wordt verminderd. De bakwagen van aluminiumlegering lost de problemen van overgewicht, niet-naleving van aankondigingen en de regelgevingsrisico's van traditionele laadruimtes van ijzer fundamenteel op.
Extrusie is een essentiële verwerkingsmethode voor aluminiumlegeringen. Aluminiumprofielen hebben uitstekende mechanische eigenschappen, waardoor de sectiestijfheid van componenten relatief hoog is. Door de variabele doorsnede kunnen aluminiumlegeringen meerdere componentfuncties combineren, waardoor het een geschikt materiaal is voor lichtgewicht auto's. De wijdverbreide toepassing van aluminiumlegeringen kent echter uitdagingen zoals onvoldoende ontwerpmogelijkheden voor de laadruimte van aluminiumlegeringen, problemen met vormen en lassen, en hoge ontwikkelings- en promotiekosten voor nieuwe producten. De belangrijkste reden is nog steeds dat aluminiumlegeringen duurder zijn dan staal voordat de recycling-ecologie van aluminiumlegeringen volwassen is.
Concluderend kan worden gesteld dat het toepassingsgebied van aluminiumlegeringen in auto's zal toenemen en dat het gebruik ervan zal blijven toenemen. Gezien de huidige trends van energiebesparing, emissiereductie en de ontwikkeling van de nieuwe energievoertuigenindustrie, met de toenemende kennis over de eigenschappen van aluminiumlegeringen en effectieve oplossingen voor toepassingsproblemen, zullen aluminium extrusiematerialen steeds breder worden gebruikt voor het lichtgewicht maken van auto's.
Bewerkt door May Jiang van MAT Aluminum
Plaatsingstijd: 12-01-2024
