1. Įvadas
Lengvųjų automobilių konstrukcijų kūrimas prasidėjo išsivysčiusiose šalyse ir iš pradžių buvo tradicinių automobilių pramonės gigantų lyderiai. Nuolat tobulėjant, jis įgavo didelį pagreitį. Nuo tada, kai indai pirmą kartą panaudojo aliuminio lydinius automobilių alkūniniams velenams gaminti, iki pirmosios masinės „Audi“ gamybos automobilių, pagamintų iš aliuminio, 1999 m. aliuminio lydiniai sparčiai augo automobilių pramonėje dėl tokių privalumų kaip mažas tankis, didelis savitasis stiprumas ir standumas, geras elastingumas ir atsparumas smūgiams, didelis perdirbimo prieinamumas ir didelis regeneracijos greitis. Iki 2015 m. aliuminio lydinių panaudojimo dalis automobiliuose jau viršijo 35 %.
Kinijos automobilių lengvųjų konstrukcijų kūrimas prasidėjo mažiau nei prieš 10 metų, ir tiek technologijų, tiek pritaikymo lygis atsilieka nuo išsivysčiusių šalių, tokių kaip Vokietija, Jungtinės Valstijos ir Japonija. Tačiau, tobulėjant naujoms energijos transporto priemonėms, medžiagų lengvųjų konstrukcijų kūrimas sparčiai progresuoja. Pasinaudodama naujų energijos transporto priemonių atsiradimu, Kinijos automobilių lengvųjų konstrukcijų technologijos rodo tendenciją vytis išsivysčiusias šalis.
Kinijos lengvųjų medžiagų rinka yra didžiulė. Viena vertus, palyginti su išsivysčiusiomis šalimis užsienyje, Kinijos lengvųjų medžiagų technologijos pradėtos diegti vėlai, o bendras transporto priemonių svoris yra didesnis. Atsižvelgiant į lengvųjų medžiagų dalies lyginamąjį rodiklį užsienio šalyse, Kinijoje vis dar yra daug erdvės plėtrai. Kita vertus, dėl politikos spartus Kinijos naujos energijos transporto priemonių pramonės vystymasis padidins lengvųjų medžiagų paklausą ir paskatins automobilių įmones pereiti prie lengvųjų medžiagų.
Tobulėjant išmetamųjų teršalų ir degalų sąnaudų standartams, spartėja lengvesnių automobilių gamyba. Kinija visiškai įgyvendino Kinijos VI išmetamųjų teršalų standartus 2020 m. Remiantis „Keleivinių automobilių degalų sąnaudų vertinimo metodu ir rodikliais“ bei „Energijos taupymo ir naujų energijos transporto priemonių technologijų planu“, degalų sąnaudų standartas yra 5,0 l/km. Atsižvelgiant į ribotą erdvę esminiams proveržiams variklių technologijų ir išmetamųjų teršalų mažinimo srityje, lengvesnių automobilių komponentų priemonių priėmimas gali veiksmingai sumažinti transporto priemonių išmetamųjų teršalų kiekį ir degalų sąnaudas. Naujos energijos transporto priemonių lengvinimas tapo esminiu pramonės plėtros keliu.
2016 m. Kinijos automobilių inžinerijos draugija išleido „Energijos taupymo ir naujų energijos transporto priemonių technologijų planą“, kuriame buvo numatyti tokie veiksniai kaip energijos suvartojimas, pastovus atstumas ir gamybos medžiagos naujoms energijos transporto priemonėms nuo 2020 iki 2030 m. Lengvesnis svoris bus pagrindinė naujų energijos transporto priemonių kūrimo kryptis ateityje. Lengvesnis svoris gali padidinti pastovų atstumą ir išspręsti „atstumo nerimą“ naujose energijos transporto priemonėse. Didėjant ilgesnio pastovaus atstumo paklausai, lengvesnis automobilių svoris tampa neatidėliotinas, o naujų energijos transporto priemonių pardavimai pastaraisiais metais gerokai išaugo. Remiantis balų sistemos reikalavimais ir „Automobilių pramonės vidutinės trukmės ir ilgalaikės plėtros planu“, apskaičiuota, kad iki 2025 m. Kinijos naujų energijos transporto priemonių pardavimai viršys 6 mln. vienetų, o metinis augimo tempas viršys 38 %.
2. Aliuminio lydinio charakteristikos ir pritaikymas
2.1 Aliuminio lydinio charakteristikos
Aliuminio tankis yra trečdaliu mažesnis nei plieno, todėl jis lengvesnis. Jis pasižymi didesniu savituoju stiprumu, geromis ekstruzijos savybėmis, dideliu atsparumu korozijai ir dideliu perdirbimo galimybe. Aliuminio lydiniams būdingas tai, kad juos daugiausia sudaro magnis, jie pasižymi geru atsparumu karščiui, geromis suvirinimo savybėmis, geru atsparumu nuovargiui, nesugebėjimu sutvirtinti termiškai apdorojant ir galimybe padidinti stiprumą šaltuoju būdu. 6 serijai būdingas tai, kad juos daugiausia sudaro magnis ir silicis, o pagrindinė stiprinimo fazė yra Mg2Si. Plačiausiai naudojami šios kategorijos lydiniai yra 6063, 6061 ir 6005A. 5052 aliuminio plokštė yra AL-Mg serijos lydinio aliuminio plokštė, kurios pagrindinis legiruojantis elementas yra magnis. Tai plačiausiai naudojamas antikorozinis aliuminio lydinys. Šis lydinys pasižymi dideliu stiprumu, dideliu atsparumu nuovargiui, geru plastiškumu ir atsparumu korozijai, negali būti sutvirtintas termiškai apdorojant, turi gerą plastiškumą pusiau šaltojo grūdinimo metu, mažą plastiškumą šaltojo grūdinimo metu, gerą atsparumą korozijai ir geras suvirinimo savybes. Jis daugiausia naudojamas tokiems komponentams kaip šoninės panelės, stogo dangčiai ir durų paneliai. 6063 aliuminio lydinys yra termiškai apdorojamas stiprinamasis lydinys iš AL-Mg-Si serijos, kurio pagrindiniai legiruojantys elementai yra magnis ir silicis. Tai termiškai apdorojamas stiprinamasis aliuminio lydinio profilis, pasižymintis vidutiniu stiprumu, daugiausia naudojamas konstrukciniuose komponentuose, tokiuose kaip kolonos ir šoninės panelės, stiprumui išlaikyti. Aliuminio lydinių rūšių įvadas pateiktas 1 lentelėje.
2.2 Ekstruzija yra svarbus aliuminio lydinio formavimo būdas
Aliuminio lydinio ekstruzija yra karštojo formavimo metodas, o visas gamybos procesas apima aliuminio lydinio formavimą trigubo gniuždymo įtempio metu. Visą gamybos procesą galima apibūdinti taip: a. Aliuminis ir kiti lydiniai išlydomi ir liejami į reikiamus aliuminio lydinio ruošinius; b. Iš anksto pašildyti ruošiniai dedami į ekstruzijos įrangą ekstruzijai. Veikiant pagrindiniam cilindrui, aliuminio lydinio ruošinys per formos ertmę suformuojamas į reikiamus profilius; c. Siekiant pagerinti aliuminio profilių mechanines savybes, ekstruzijos metu arba po jos atliekamas tirpalo apdorojimas, po kurio atliekamas sendinimo apdorojimas. Mechaninės savybės po sendinimo apdorojimo skiriasi priklausomai nuo skirtingų medžiagų ir sendinimo režimų. Dėžutės tipo sunkvežimių profilių terminio apdorojimo būsena parodyta 2 lentelėje.
Aliuminio lydinio ekstruziniai gaminiai turi keletą pranašumų, palyginti su kitais formavimo būdais:
a. Ekstruzijos metu ekstruzuotas metalas deformacijos zonoje įgauna stipresnį ir tolygesnį trijų krypčių gniuždymo įtempį nei valcavimo ir kalimo metu, todėl gali visiškai išnaudoti apdirbto metalo plastiškumą. Juo galima apdirbti sunkiai deformuojamus metalus, kurių negalima apdirbti valcuojant ar kalint, ir gaminti įvairius sudėtingus tuščiavidurius arba vientisus skerspjūvio komponentus.
b. Kadangi aliuminio profilių geometrija gali būti įvairi, jų komponentai pasižymi dideliu standumu, o tai gali pagerinti transporto priemonės kėbulo standumą, sumažinti jo triukšmo, vibracijos ir vibracijos charakteristikas bei pagerinti transporto priemonės dinaminio valdymo charakteristikas.
c. Produktai, pasižymintys ekstruzijos efektyvumu, po grūdinimo ir sendinimo pasižymi žymiai didesniu išilginiu stiprumu (R, Raz) nei kitais metodais apdoroti produktai.
d. Po ekstruzijos gaminių paviršius turi gerą spalvą ir gerą atsparumą korozijai, todėl nereikia kito antikorozinio paviršiaus apdorojimo.
e. Ekstruzijos procesas pasižymi dideliu lankstumu, mažomis įrankių ir formų sąnaudomis bei mažomis konstrukcijos keitimo sąnaudomis.
f. Dėl aliuminio profilių skerspjūvių valdymo galima padidinti komponentų integravimo laipsnį, sumažinti komponentų skaičių, o skirtingi skerspjūvio projektai gali pasiekti tikslų suvirinimo padėties nustatymą.
Dėžių tipo sunkvežimiams skirtų ekstruzinio aliuminio profilių ir paprasto anglinio plieno eksploatacinių savybių palyginimas pateiktas 3 lentelėje.
Kita aliuminio lydinių profilių, skirtų sunkvežimiams su atviru kėbulu, plėtros kryptis: tolesnis profilio stiprumo gerinimas ir ekstruzijos charakteristikų gerinimas. Naujų medžiagų, skirtų sunkvežimiams su atviru kėbulu, aliuminio lydinių profiliams, tyrimų kryptis parodyta 1 paveiksle.
3. Aliuminio lydinio dėžės formos sunkvežimio konstrukcija, stiprumo analizė ir patikrinimas
3.1 Aliuminio lydinio dėžės sunkvežimio konstrukcija
Furgono konteinerį daugiausia sudaro priekinio skydo mazgas, kairiojo ir dešiniojo šoninių skydų mazgai, galinių durų šoninių skydų mazgas, grindų mazgas, stogo mazgas, taip pat U formos varžtai, šoninės apsaugos, galinės apsaugos, purvasaugiai ir kiti prie antros klasės važiuoklės pritvirtinti priedai. Furgono kėbulo skersinės sijos, atramos, šoninės sijos ir durų paneliai pagaminti iš aliuminio lydinio ekstruzinio profilio, o grindų ir stogo paneliai – iš 5052 aliuminio lydinio plokščių. Aliuminio lydinio furgono konstrukcija parodyta 2 paveiksle.
Naudojant 6 serijos aliuminio lydinio karštojo ekstruzijos procesą, galima suformuoti sudėtingus tuščiavidurius skerspjūvius, o sudėtingų skerspjūvių aliuminio profilių konstrukcija gali sutaupyti medžiagų, atitikti gaminio stiprumo ir standumo reikalavimus bei abipusio sujungimo tarp įvairių komponentų reikalavimus. Todėl pagrindinės sijos konstrukcijos ir skerspjūvio inercijos momentai I bei pasipriešinimo momentai W parodyti 3 paveiksle.
Palyginus 4 lentelėje pateiktus pagrindinius duomenis, matyti, kad suprojektuoto aliuminio profilio skerspjūvio inercijos ir pasipriešinimo momentai yra geresni nei atitinkami iš ketaus pagamintos sijos profilio duomenys. Standumo koeficiento duomenys yra maždaug tokie patys kaip ir atitinkamo iš ketaus pagamintos sijos profilio ir visi atitinka deformacijos reikalavimus.
3.2 Didžiausio įtempio skaičiavimas
Atsižvelgiant į pagrindinį apkrovą laikantį komponentą – skersinę siją – apskaičiuojamas maksimalus įtempis. Nominali apkrova yra 1,5 t, o skersinė sija pagaminta iš 6063-T6 aliuminio lydinio profilio, kurio mechaninės savybės pateiktos 5 lentelėje. Jėgos skaičiavimui sija supaprastinta kaip konsolinė konstrukcija, kaip parodyta 4 paveiksle.
Skaičiuojant 344 mm tarpatramio siją, gniuždymo apkrova, tenkanti sijai, apskaičiuojama kaip F = 3757 N, remiantis 4,5 t apkrova, kuri yra tris kartus didesnė už standartinę statinę apkrovą. q = F / L
kur q yra sijos vidinis įtempis veikiant apkrovai, N/mm2; F yra sijos patiriama apkrova, apskaičiuota pagal 3 kartus didesnę nei standartinė statinė apkrova, kuri yra 4,5 t; L yra sijos ilgis, mm.
Todėl vidinė įtampa q yra:
Įtempio skaičiavimo formulė yra tokia:
Didžiausias momentas yra:
Imant absoliučią momento vertę M=274283 N·mm, maksimalų įtempį σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, o maksimalų įtempio dydį σ<215 MPa, kas atitinka reikalavimus.
3.3 Įvairių komponentų prijungimo charakteristikos
Aliuminio lydinys pasižymi prastomis suvirinimo savybėmis, o jo suvirinimo taško stiprumas sudaro tik 60 % pagrindinės medžiagos stiprumo. Dėl Al2O3 sluoksnio, dengiančio aliuminio lydinio paviršių, Al2O3 lydymosi temperatūra yra aukšta, o aliuminio lydymosi temperatūra – žema. Suvirinant aliuminio lydinį, paviršiuje esantis Al2O3 turi būti greitai sulaužytas, kad būtų galima atlikti suvirinimą. Tuo pačiu metu Al2O3 likučiai liks aliuminio lydinio tirpale, paveikdami aliuminio lydinio struktūrą ir sumažindami aliuminio lydinio suvirinimo taško stiprumą. Todėl projektuojant vien aliuminio talpyklą, šios savybės yra visapusiškai atsižvelgiama. Suvirinimas yra pagrindinis pozicionavimo būdas, o pagrindiniai laikantys komponentai sujungiami varžtais. Kniedėmis ir uodegos jungtimis sujungtos jungtys parodytos 5 ir 6 paveiksluose.
Pagrindinė aliuminio dėžės korpuso konstrukcija sudaryta iš horizontalių sijų, vertikalių stulpų, šoninių sijų ir kraštinių sijų, sujungtų tarpusavyje. Tarp kiekvienos horizontalios sijos ir vertikalios kolonos yra keturi jungimo taškai. Jungimo taškuose sumontuotos dantytos tarpinės, kurios sujungiamos su horizontalios sijos dantytu kraštu ir efektyviai apsaugo nuo slydimo. Aštuoni kampiniai taškai daugiausia sujungti plieniniais įdėklais, pritvirtintais varžtais ir savaime užsifiksuojančiomis kniedėmis, ir sutvirtinti 5 mm trikampėmis aliuminio plokštėmis, suvirintomis dėžės viduje, siekiant sustiprinti kampines pozicijas viduje. Dėžės išorėje nėra suvirinimo ar atvirų jungimo taškų, užtikrinant bendrą dėžės išvaizdą.
3.4 SE sinchroninės inžinerijos technologija
SE sinchroninės inžinerijos technologija naudojama sprendžiant problemas, kylančias dėl didelių susikaupusių atitinkamų komponentų dydžių nuokrypių dėžės korpuse ir sunkumų nustatant tarpų bei plokštumo defektų priežastis. Taikant CAE analizę (žr. 7-8 pav.), atliekama lyginamoji analizė su iš ketaus pagamintomis dėžės korpuso konstrukcijomis, siekiant patikrinti bendrą dėžės korpuso stiprumą ir standumą, rasti silpnąsias vietas ir imtis priemonių projektavimo schemai optimizuoti ir patobulinti.
4. Aliuminio lydinio dėžės sunkvežimio lengvas svoris
Be dėžės tipo kėbulo, aliuminio lydiniai gali būti naudojami kaip plienas įvairiems dėžės tipo sunkvežimių konteinerių komponentams, pvz., purvasaugiams, galiniams apsaugams, šoniniams apsaugams, durų skląsčiams, durų vyriams ir galinio bamperio kraštams, pakeisti, taip sumažinant krovinių skyriaus svorį 30–40 %. Tuščio 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm krovininio konteinerio svorio mažinimo efektas parodytas 6 lentelėje. Tai iš esmės išsprendžia per didelio svorio, pranešimų nesilaikymo ir reguliavimo rizikos problemas, susijusias su tradiciniais iš geležies pagamintais krovinių skyriais.
Automobilių komponentams tradicinį plieną pakeitus aliuminio lydiniais, galima ne tik pasiekti puikų lengvesnio svorio efektą, bet ir prisidėti prie degalų taupymo, išmetamųjų teršalų kiekio mažinimo ir transporto priemonių eksploatacinių savybių gerinimo. Šiuo metu yra įvairių nuomonių apie lengvesnio svorio indėlį į degalų taupymą. Tarptautinio aliuminio instituto tyrimų rezultatai pateikti 9 paveiksle. Kiekvienas 10 % transporto priemonės svorio sumažinimas gali sumažinti degalų sąnaudas 6–8 %. Remiantis šalies statistika, kiekvieno lengvojo automobilio svorio sumažinimas 100 kg gali sumažinti degalų sąnaudas 0,4 l/100 km. Lengvesnio svorio indėlis į degalų taupymą pagrįstas skirtingų tyrimų metodų rezultatais, todėl yra tam tikrų skirtumų. Tačiau automobilių lengvesnis svoris daro didelę įtaką degalų sąnaudų mažinimui.
Elektromobilių atveju lengvesnio svorio efektas yra dar ryškesnis. Šiuo metu elektromobilių akumuliatorių vienetinis energijos tankis gerokai skiriasi nuo tradicinių skystuoju kuru varomų transporto priemonių. Elektromobilių maitinimo sistemos (įskaitant akumuliatorių) svoris dažnai sudaro 20–30 % viso transporto priemonės svorio. Tuo pačiu metu, įveikti akumuliatorių našumo kliūtis yra pasaulinis iššūkis. Kol neįvyko didelis proveržis didelio našumo akumuliatorių technologijose, lengvesnis svoris yra veiksmingas būdas pagerinti elektromobilių nuvažiuojamą atstumą. Sumažinus svorį 100 kg, elektromobilių nuvažiuojamas atstumas gali būti padidintas 6–11 % (svorio sumažinimo ir nuvažiuojamo atstumo santykis parodytas 10 paveiksle). Šiuo metu grynai elektrinių transporto priemonių nuvažiuojamas atstumas negali patenkinti daugumos žmonių poreikių, tačiau svorio sumažinimas tam tikru kiekiu gali gerokai padidinti nuvažiuojamą atstumą, sumažinti nerimą dėl nuvažiuojamo atstumo ir pagerinti naudotojo patirtį.
5. Išvada
Be šiame straipsnyje pristatytos aliuminio lydinio furgono konstrukcijos, yra įvairių tipų furgonų, tokių kaip aliuminio korio plokštės, aliuminio sagties plokštės, aliuminio rėmai + aliuminio apvalkalai ir hibridiniai geležies-aliuminio krovininiai konteineriai. Jie pasižymi lengvumu, dideliu savituoju stiprumu ir geru atsparumu korozijai, be to, jiems nereikia elektroforezinių dažų apsaugai nuo korozijos, todėl sumažėja elektroforezinių dažų poveikis aplinkai. Aliuminio lydinio furgonas iš esmės išsprendžia per didelio svorio, neatitikimo skelbimams ir reguliavimo rizikos problemas, susijusias su tradiciniais iš geležies pagamintais krovinių skyriais.
Ekstruzija yra esminis aliuminio lydinių apdorojimo metodas, o aliuminio profiliai pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis, todėl komponentų sekcijos standumas yra gana didelis. Dėl kintamo skerspjūvio aliuminio lydiniai gali pasiekti kelių komponentų funkcijų derinį, todėl tai yra gera medžiaga lengvųjų automobilių konstrukcijoms. Tačiau plačiai paplitęs aliuminio lydinių naudojimas susiduria su tokiais iššūkiais kaip nepakankamos aliuminio lydinių krovinių skyrių projektavimo galimybės, formavimo ir suvirinimo problemos, didelės naujų produktų kūrimo ir reklamos išlaidos. Pagrindinė priežastis vis dar yra ta, kad aliuminio lydinys kainuoja daugiau nei plienas, kol aliuminio lydinių perdirbimo ekologija tampa brandi.
Apibendrinant galima teigti, kad aliuminio lydinių taikymo sritis automobiliuose išsiplės, o jų naudojimas toliau didės. Atsižvelgiant į dabartines energijos taupymo, išmetamųjų teršalų mažinimo ir naujos energijos transporto priemonių pramonės plėtros tendencijas, gilėjant aliuminio lydinių savybių supratimui ir ieškant veiksmingų sprendimų aliuminio lydinių taikymo problemoms, aliuminio ekstruzijos medžiagos bus plačiau naudojamos lengvųjų automobilių konstrukcijose.
Redagavo May Jiang iš MAT Aluminum
Įrašo laikas: 2024 m. sausio 12 d.
