1. Inleiding
Lichtgewicht in de automobielsector begon in ontwikkelde landen en werd aanvankelijk geleid door traditionele autogiganten. Door de voortdurende ontwikkeling heeft het een aanzienlijk momentum gekregen. Vanaf het moment dat Indiërs voor het eerst aluminiumlegeringen gebruikten om krukassen voor auto's te produceren tot Audi's eerste massaproductie van volledig aluminium auto's in 1999, heeft aluminiumlegeringen een robuuste groei doorgemaakt in automobieltoepassingen vanwege de voordelen ervan, zoals een lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en stijfheid. goede elasticiteit en slagvastheid, hoge recycleerbaarheid en hoge regeneratiesnelheid. In 2015 bedroeg het toepassingsaandeel van aluminiumlegeringen in auto's al meer dan 35%.
De Chinese lichtgewichtindustrie in de automobielsector begon minder dan tien jaar geleden, en zowel qua technologie als qua toepassing blijven ze achter bij ontwikkelde landen als Duitsland, de Verenigde Staten en Japan. Met de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen gaat het lichter maken van materialen echter snel vooruit. Door gebruik te maken van de opkomst van nieuwe energievoertuigen, vertoont de Chinese lichtgewichttechnologie voor auto's een trend om de ontwikkelde landen in te halen.
De Chinese markt voor lichtgewicht materialen is enorm. Aan de ene kant is de Chinese lichtgewichttechnologie, vergeleken met ontwikkelde landen in het buitenland, laat begonnen en is het totale gewicht van het voertuig groter. Gezien de maatstaf voor het aandeel lichtgewicht materialen in het buitenland, is er nog steeds voldoende ruimte voor ontwikkeling in China. Aan de andere kant zal de snelle ontwikkeling van China's nieuwe energievoertuigenindustrie, gedreven door beleid, de vraag naar lichtgewicht materialen stimuleren en autobedrijven aanmoedigen om over te stappen op lichtgewicht materialen.
De verbetering van de normen voor emissies en brandstofverbruik dwingt tot een versnelling van de lichtgewichtproductie van auto's. China heeft de China VI-emissienormen in 2020 volledig geïmplementeerd. Volgens de ‘Evaluation Method and Indicators for Fuel Consumption of Passenger Cars’ en de ‘Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap’, de norm voor een brandstofverbruik van 5,0 l/km. Rekening houdend met de beperkte ruimte voor substantiële doorbraken op het gebied van motortechnologie en emissiereductie, kan het nemen van maatregelen voor lichtgewicht auto-onderdelen de uitstoot van voertuigen en het brandstofverbruik effectief verminderen. Het lichter maken van nieuwe energievoertuigen is een essentieel pad geworden voor de ontwikkeling van de industrie.
In 2016 publiceerde de China Automotive Engineering Society de ‘Energy Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap’, waarin factoren als energieverbruik, actieradius en productiematerialen voor nieuwe energievoertuigen van 2020 tot 2030 werden gepland. Lichtgewicht zal een belangrijke richting zijn. voor de toekomstige ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen. Lichtgewichten kunnen het vaarbereik vergroten en de ‘bereikangst’ bij nieuwe energievoertuigen aanpakken. Met de toenemende vraag naar een groter vaarbereik wordt het lichter maken van auto’s urgent, en de verkoop van nieuwe energievoertuigen is de afgelopen jaren aanzienlijk gegroeid. Volgens de vereisten van het scoresysteem en het ‘Middellange-Term Ontwikkelingsplan voor de Auto-industrie’ wordt geschat dat de Chinese verkoop van nieuwe energievoertuigen in 2025 de 6 miljoen eenheden zal overschrijden, met een samengestelde jaarlijkse groei percentage van meer dan 38%.
2. Kenmerken en toepassingen van aluminiumlegering
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, goed extrusievermogen, sterke corrosieweerstand en hoge recycleerbaarheid. Aluminiumlegeringen worden gekenmerkt doordat ze voornamelijk uit magnesium bestaan, goede hittebestendigheid, goede laseigenschappen, goede vermoeiingssterkte, onvermogen om te worden versterkt door warmtebehandeling en het vermogen om de sterkte te vergroten door middel van koud bewerken. De 6-serie wordt gekenmerkt doordat deze voornamelijk bestaat uit magnesium en silicium, met Mg2Si als de belangrijkste versterkingsfase. De meest gebruikte legeringen in deze categorie zijn 6063, 6061 en 6005A. 5052 aluminium plaat is een aluminium plaat 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 corrosieweerstand, kan niet worden versterkt door warmtebehandeling, heeft een goede plasticiteit bij semi-koud werkharden, lage plasticiteit bij koudwerkharden, goede corrosieweerstand en goede laseigenschappen. Het wordt voornamelijk gebruikt voor onderdelen zoals zijpanelen, dakbedekking en deurpanelen. 6063 aluminiumlegering is een warmtebehandelbare versterkende legering in de AL-Mg-Si-serie, met magnesium en silicium als de belangrijkste legeringselementen. Het is een warmtebehandelbaar versterkend aluminiumlegeringsprofiel met gemiddelde sterkte, voornamelijk gebruikt in structurele componenten zoals kolommen en zijpanelen om sterkte te dragen. Een inleiding tot aluminiumlegeringen wordt weergegeven in Tabel 1.
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 gehele productieproces kan als volgt worden omschreven: Aluminium en andere legeringen worden gesmolten en tot de benodigde knuppels van aluminiumlegeringen gegoten; B. De voorverwarmde knuppels worden voor extrusie in de extrusieapparatuur geplaatst. Onder invloed van de hoofdcilinder wordt de knuppel van aluminiumlegering door de holte van de mal tot de vereiste profielen gevormd; 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 verouderingsbehandeling variëren afhankelijk van verschillende materialen en verouderingsregimes. De warmtebehandelingsstatus van doosvormige vrachtwagenprofielen wordt weergegeven in Tabel 2.
Geëxtrudeerde producten van aluminiumlegeringen hebben verschillende voordelen ten opzichte van andere vormmethoden:
A. Tijdens extrusie verkrijgt het geëxtrudeerde metaal een sterkere en meer uniforme driewegdrukspanning in de vervormingszone dan rollen en smeden, zodat het de plasticiteit van het verwerkte metaal volledig kan spelen. Het kan worden gebruikt voor het verwerken van moeilijk te vervormen metalen die niet kunnen worden verwerkt door walsen of smeden, en kan worden gebruikt om verschillende complexe holle of massieve dwarsdoorsnedecomponenten te maken.
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-eigenschappen kan verminderen en de dynamische regeleigenschappen 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 zijn verwerkt.
D. Het oppervlak van producten na extrusie heeft een goede kleur en goede corrosieweerstand, waardoor er geen andere corrosiewerende oppervlaktebehandeling nodig is.
e. Extrusieverwerking heeft een grote flexibiliteit, lage gereedschaps- en matrijskosten en lage ontwerpwijzigingskosten.
F. Dankzij de beheersbaarheid van de dwarsdoorsneden van aluminium profielen kan de mate van componentintegratie worden vergroot, kan het aantal componenten worden verminderd en kunnen verschillende dwarsdoorsnedeontwerpen een nauwkeurige laspositionering bereiken.
De prestatievergelijking tussen geëxtrudeerde aluminium profielen voor bakwagens en gewoon koolstofstaal wordt weergegeven in Tabel 3.
Volgende ontwikkelingsrichting van aluminiumlegeringsprofielen voor bakwagens: Verdere verbetering van de profielsterkte en verbetering van de extrusieprestaties. De onderzoeksrichting van nieuwe materialen voor profielen van aluminiumlegeringen voor bakwagens wordt weergegeven in figuur 1.
3. Aluminium bakwagenstructuur, sterkteanalyse en verificatie
3.1 Structuur van een aluminium bakwagen
De bakwagencontainer bestaat hoofdzakelijk uit een voorpaneelmontage, een linker- en rechterzijpaneelmontage, een zijpaneelmontage van de achterdeur, een vloermontage, een dakmontage, evenals U-vormige bouten, zijbeschermers, achterbeschermers, spatlappen en andere accessoires. verbonden met het tweederangschassis. De dwarsbalken, pilaren, zijbalken en deurpanelen van de kast zijn gemaakt van geëxtrudeerde profielen van aluminiumlegering, terwijl de vloer- en dakpanelen zijn gemaakt van vlakke platen van 5052 aluminiumlegering. De structuur van de bakwagen van aluminiumlegering wordt getoond in Figuur 2.
Met behulp van het hete extrusieproces van de aluminiumlegering uit de 6-serie kan complexe holle doorsneden worden gevormd, een ontwerp van aluminiumprofielen met complexe doorsneden kan materialen besparen, voldoen aan de eisen van productsterkte en stijfheid en voldoen aan de eisen van onderlinge verbinding tussen diverse componenten. Daarom worden de ontwerpstructuur van de hoofdbalk en de traagheidsmomenten I en de weerstandsmomenten W weergegeven in figuur 3.
Een vergelijking van de belangrijkste gegevens in Tabel 4 laat zien dat de traagheidsmomenten en weerstandsmomenten van het ontworpen aluminium profiel beter zijn dan de overeenkomstige gegevens van het uit ijzer vervaardigde balkprofiel. De gegevens over de stijfheidscoëfficiënten zijn grofweg dezelfde als die van het overeenkomstige uit ijzer vervaardigde balkprofiel en voldoen allemaal aan de vervormingseisen.
3.2 Berekening van maximale spanning
Door het belangrijkste dragende onderdeel, de dwarsbalk, als object te nemen, wordt de maximale spanning berekend. De nominale belasting is 1,5 t en de dwarsbalk is gemaakt van een 6063-T6 aluminiumlegeringsprofiel met mechanische eigenschappen zoals weergegeven in Tabel 5. De balk is vereenvoudigd als een vrijdragende structuur voor 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, gebaseerd op 4,5 ton, wat drie keer de standaard statische belasting is. q=F/L
waarbij q de interne spanning van de balk onder de belasting is, N/mm; F is de door de balk gedragen belasting, berekend op basis van driemaal de standaard statische belasting, namelijk 4,5 ton; L is de lengte van de balk, mm.
Daarom is de interne spanning q:
De formule voor de spanningsberekening is als volgt:
Het maximale moment is:
Uitgaande van de absolute waarde van het moment, M=274283 N·mm, de maximale spanning σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, en de maximale spanningswaarde σ<215 MPa, die aan de eisen voldoet.
3.3 Aansluitkarakteristieken van verschillende componenten
Aluminiumlegering heeft slechte laseigenschappen en de laspuntsterkte bedraagt slechts 60% van de sterkte van het basismateriaal. Door de bedekking van een laag Al2O3 op het oppervlak van de aluminiumlegering is het smeltpunt van Al2O3 hoog, terwijl het smeltpunt van aluminium laag is. Wanneer een aluminiumlegering wordt gelast, moet de Al2O3 op het oppervlak snel worden gebroken om te kunnen lassen. Tegelijkertijd zal het residu van Al2O3 in de oplossing van de aluminiumlegering achterblijven, waardoor de structuur van de aluminiumlegering wordt aangetast en de sterkte van het laspunt van de aluminiumlegering wordt verminderd. Daarom wordt bij het ontwerpen van een volledig aluminium container volledig rekening gehouden met deze kenmerken. Lassen is de belangrijkste positioneringsmethode en de belangrijkste dragende componenten zijn verbonden door bouten. Verbindingen zoals klinknagels en zwaluwstaartstructuur worden getoond in figuren 5 en 6.
De hoofdstructuur van de volledig uit aluminium vervaardigde kast bestaat uit een structuur met horizontale balken, verticale pilaren, zijbalken en randbalken die in elkaar grijpen. Tussen elke horizontale balk en verticale pilaar bevinden zich vier verbindingspunten. De verbindingspunten zijn voorzien van gekartelde pakkingen die aansluiten op de gekartelde rand van de horizontale balk, waardoor verschuiven effectief wordt voorkomen. De acht hoekpunten zijn voornamelijk verbonden door stalen kerninzetstukken, vastgezet met bouten en zelfborgende klinknagels, en versterkt door driehoekige aluminium platen van 5 mm die in de doos zijn gelast om de hoekposities intern te versterken. Het uiterlijk van de doos heeft geen las- of zichtbare verbindingspunten, waardoor het algehele uiterlijk van de doos wordt gewaarborgd.
3.4 SE synchrone engineeringtechnologie
SE synchrone engineeringtechnologie wordt gebruikt om de problemen op te lossen die worden veroorzaakt door grote geaccumuleerde maatafwijkingen voor het matchen van componenten in de kast en de moeilijkheden bij het vinden van de oorzaken van gaten en vlakheidsfouten. Door middel van CAE-analyse (zie Figuur 7-8) wordt een vergelijkingsanalyse uitgevoerd met van ijzer vervaardigde bakopbouwen om de algehele sterkte en stijfheid van de bakopbouw te controleren, zwakke punten te vinden en maatregelen te nemen om het ontwerpschema effectiever te optimaliseren en te verbeteren. .
4. Lichteffect van een aluminium bakwagen
Naast de bakopbouw kunnen aluminiumlegeringen worden gebruikt om staal te vervangen voor verschillende componenten van bakwagencontainers, zoals spatborden, achterschermen, zijbeschermers, deursluitingen, deurscharnieren en achterschortranden, waardoor een gewichtsvermindering wordt bereikt. van 30% tot 40% voor de bagageruimte. Het gewichtsreductie-effect voor een lege vrachtcontainer van 4080 mm x 2300 mm x 2200 mm wordt weergegeven in Tabel 6. Dit lost fundamenteel de problemen van overgewicht, het niet naleven van aankondigingen en de wettelijke risico's van traditionele, van ijzer gemaakte vrachtcompartimenten 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. Op dit moment bestaan er verschillende meningen over de bijdrage van lichtgewicht aan brandstofbesparing. De onderzoeksresultaten van het International Aluminium Institute zijn weergegeven in Figuur 9. Elke 10% vermindering van het voertuiggewicht kan het brandstofverbruik met 6% tot 8% verminderen. Op basis van binnenlandse statistieken kan het verminderen van het gewicht van elke personenauto met 100 kg het brandstofverbruik met 0,4 l/100 km verminderen. De bijdrage van lichtgewicht aan brandstofbesparing is gebaseerd op resultaten verkregen uit verschillende onderzoeksmethoden, dus er is enige variatie. Het lichter maken van auto's heeft echter een aanzienlijke invloed op het terugdringen van het brandstofverbruik.
Bij elektrische voertuigen is het lichtgewichteffect zelfs nog uitgesprokener. Momenteel verschilt de energiedichtheid per eenheid van batterijen voor elektrische voertuigen aanzienlijk van die van traditionele voertuigen met vloeibare brandstof. Het gewicht van het aandrijfsysteem (inclusief de batterij) van elektrische voertuigen bedraagt vaak 20% tot 30% van het totale voertuiggewicht. Tegelijkertijd is het doorbreken van het prestatieknelpunt van batterijen een wereldwijde uitdaging. Voordat er een grote doorbraak is in de krachtige batterijtechnologie, is lichtgewicht een effectieve manier om het rijbereik van elektrische voertuigen te vergroten. Voor elke 100 kg gewichtsvermindering kan de actieradius van elektrische voertuigen met 6% tot 11% toenemen (de relatie tussen gewichtsvermindering en actieradius is weergegeven in Figuur 10). Momenteel kan het bereik van puur elektrische voertuigen niet voldoen aan de behoeften van de meeste mensen, maar het verminderen van het gewicht met een bepaald bedrag kan het bereik aanzienlijk vergroten, de angst voor het bereik verminderen en de gebruikerservaring verbeteren.
5. Conclusie
Naast de volledig aluminium structuur van de bakwagen van aluminiumlegering die in dit artikel wordt geïntroduceerd, zijn er verschillende soorten bakwagens, zoals aluminium honingraatpanelen, aluminium gespplaten, aluminium frames + aluminium huiden en hybride vrachtcontainers van ijzer en aluminium . Ze hebben de voordelen van een laag gewicht, hoge specifieke sterkte en goede corrosieweerstand, en vereisen geen elektroforetische verf voor corrosiebescherming, waardoor de impact op het milieu van elektroforetische verf wordt verminderd. De bakwagen van aluminiumlegering lost fundamenteel de problemen op van overgewicht, het niet naleven van aankondigingen en wettelijke risico's van traditionele, van ijzer gemaakte vrachtcompartimenten.
Extrusie is een essentiële verwerkingsmethode voor aluminiumlegeringen en aluminiumprofielen hebben uitstekende mechanische eigenschappen, waardoor de sectiestijfheid van componenten relatief hoog is. Vanwege de variabele doorsnede kunnen aluminiumlegeringen de combinatie van meerdere componentfuncties bereiken, waardoor het een goed materiaal is voor lichtgewicht auto's. De wijdverbreide toepassing van aluminiumlegeringen wordt echter geconfronteerd met uitdagingen zoals onvoldoende ontwerpmogelijkheden voor vrachtcompartimenten van aluminiumlegeringen, vorm- en lasproblemen, en hoge ontwikkelings- en promotiekosten voor nieuwe producten. De belangrijkste reden is nog steeds dat aluminiumlegeringen meer kosten dan staal voordat de recycling-ecologie van aluminiumlegeringen volwassen wordt.
Concluderend zal het toepassingsgebied van aluminiumlegeringen in auto's breder worden en zal het gebruik ervan blijven toenemen. In de huidige trends van energiebesparing, emissiereductie en de ontwikkeling van de nieuwe energievoertuigindustrie, met het verdiepende inzicht in de eigenschappen van aluminiumlegeringen en effectieve oplossingen voor de toepassingsproblemen van aluminiumlegeringen, zullen aluminium extrusiematerialen op grotere schaal worden gebruikt in lichtgewicht auto's.
Bewerkt door May Jiang van MAT Aluminium
Posttijd: 12 januari 2024
