1.Introducción
El aligeramiento del sector automotriz comenzó en los países desarrollados y fue liderado inicialmente por los gigantes automotrices tradicionales. Con el desarrollo continuo, ha ganado un impulso significativo. Desde el momento en que los indios utilizaron por primera vez aleaciones de aluminio para producir cigüeñales de automóviles hasta la primera producción en masa de automóviles totalmente de aluminio por parte de Audi en 1999, las aleaciones de aluminio han experimentado un fuerte crecimiento en aplicaciones automotrices debido a sus ventajas como baja densidad, alta resistencia específica y rigidez. buena elasticidad y resistencia al impacto, alta reciclabilidad y alta tasa de regeneración. En 2015, la proporción de aplicación de aleaciones de aluminio en automóviles ya había superado el 35%.
La reducción del peso del sector automotriz en China comenzó hace menos de 10 años, y tanto el nivel de tecnología como de aplicación están por detrás de países desarrollados como Alemania, Estados Unidos y Japón. Sin embargo, con el desarrollo de vehículos de nueva energía, el aligeramiento de materiales está avanzando rápidamente. Aprovechando el auge de los vehículos de nueva energía, la tecnología de aligeramiento de los automóviles de China está mostrando una tendencia a alcanzar a los países desarrollados.
El mercado de materiales ligeros de China es enorme. Por un lado, en comparación con los países desarrollados en el extranjero, la tecnología de aligeramiento de China comenzó tarde y el peso total del vehículo en vacío es mayor. Teniendo en cuenta el punto de referencia de la proporción de materiales ligeros en países extranjeros, todavía hay un amplio margen de desarrollo en China. Por otro lado, impulsado por las políticas, el rápido desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía en China impulsará la demanda de materiales livianos y alentará a las empresas automotrices a avanzar hacia el aligeramiento.
La mejora de los estándares de emisiones y consumo de combustible está obligando a acelerar el aligeramiento del automóvil. China implementó plenamente los estándares de emisiones China VI en 2020. De acuerdo con el “Método de evaluación e indicadores para el consumo de combustible de los turismos” y la “Hoja de ruta de tecnología de vehículos de nueva energía y ahorro de energía”, el estándar de consumo de combustible es de 5,0 L/km. Teniendo en cuenta el espacio limitado para avances sustanciales en la tecnología de motores y la reducción de emisiones, la adopción de medidas para aligerar los componentes automotrices puede reducir efectivamente las emisiones de los vehículos y el consumo de combustible. El aligeramiento de los vehículos de nuevas energías se ha convertido en un camino esencial para el desarrollo de la industria.
En 2016, la Sociedad de Ingeniería Automotriz de China publicó la “Hoja de ruta de tecnología de vehículos de nueva energía y ahorro de energía”, que planificaba factores como el consumo de energía, la autonomía y los materiales de fabricación para vehículos de nueva energía de 2020 a 2030. El aligeramiento será una dirección clave para el futuro desarrollo de vehículos de nuevas energías. El aligeramiento puede aumentar la autonomía de crucero y abordar la "ansiedad de autonomía" en los vehículos de nueva energía. Con la creciente demanda de una autonomía de crucero ampliada, el aligeramiento de los automóviles se vuelve urgente y las ventas de vehículos de nueva energía han crecido significativamente en los últimos años. De acuerdo con los requisitos del sistema de puntuación y el “Plan de desarrollo a mediano y largo plazo para la industria automotriz”, se estima que para 2025, las ventas de vehículos de nuevas energías en China superarán los 6 millones de unidades, con un crecimiento anual compuesto. tasa superior al 38%.
2.Características y aplicaciones de las aleaciones de aluminio
2.1 Características de la aleación de aluminio
La densidad del aluminio es un tercio de la del acero, lo que lo hace más ligero. Tiene mayor resistencia específica, buena capacidad de extrusión, fuerte resistencia a la corrosión y alta reciclabilidad. Las aleaciones de aluminio se caracterizan por estar compuestas principalmente de magnesio, exhibir buena resistencia al calor, buenas propiedades de soldadura, buena resistencia a la fatiga, incapacidad de fortalecerse mediante tratamiento térmico y la capacidad de aumentar la resistencia mediante trabajo en frío. La serie 6 se caracteriza por estar compuesta principalmente por magnesio y silicio, con el Mg2Si como principal fase de refuerzo. Las aleaciones más utilizadas en esta categoría son 6063, 6061 y 6005A. La placa de aluminio 5052 es una placa de aleación de aluminio de la serie AL-Mg, con magnesio como principal elemento de aleación. Es la aleación de aluminio antioxidante más utilizada. Esta aleación tiene alta resistencia, alta resistencia a la fatiga, buena plasticidad y resistencia a la corrosión, no puede reforzarse mediante tratamiento térmico, tiene buena plasticidad en el endurecimiento por trabajo semifrío, baja plasticidad en el endurecimiento por trabajo en frío, buena resistencia a la corrosión y buenas propiedades de soldadura. Se utiliza principalmente para componentes como paneles laterales, cubiertas de techo y paneles de puertas. La aleación de aluminio 6063 es una aleación de refuerzo tratable térmicamente de la serie AL-Mg-Si, con magnesio y silicio como principales elementos de aleación. Es un perfil de aleación de aluminio de refuerzo tratable térmicamente con resistencia media, utilizado principalmente en componentes estructurales como columnas y paneles laterales para aportar resistencia. En la Tabla 1 se muestra una introducción a los grados de aleaciones de aluminio.
2.2 La extrusión es un método de formación importante de la aleación de aluminio
La extrusión de aleaciones de aluminio es un método de conformado en caliente y todo el proceso de producción implica el conformado de aleaciones de aluminio bajo tensión de compresión de tres vías. Todo el proceso de producción se puede describir de la siguiente manera: a. El aluminio y otras aleaciones se funden y moldean en los tochos de aleación de aluminio necesarios; b. Las palanquillas precalentadas se colocan en el equipo de extrusión para su extrusión. Bajo la acción del cilindro principal, el tocho de aleación de aluminio se forma en los perfiles requeridos a través de la cavidad del molde; do. Para mejorar las propiedades mecánicas de los perfiles de aluminio, se realiza un tratamiento de solución durante o después de la extrusión, seguido de un tratamiento de envejecimiento. Las propiedades mecánicas después del tratamiento de envejecimiento varían según los diferentes materiales y regímenes de envejecimiento. El estado del tratamiento térmico de los perfiles de camiones tipo caja se muestra en la Tabla 2.
Los productos extruidos de aleación de aluminio tienen varias ventajas sobre otros métodos de conformado:
a. Durante la extrusión, el metal extruido obtiene una tensión de compresión de tres vías más fuerte y uniforme en la zona de deformación que la laminación y el forjado, por lo que puede aprovechar plenamente la plasticidad del metal procesado. Se puede utilizar para procesar metales difíciles de deformar que no se pueden procesar mediante laminación o forja y se puede utilizar para fabricar diversos componentes complejos de sección transversal sólida o hueca.
b. Debido a que la geometría de los perfiles de aluminio se puede variar, sus componentes tienen una alta rigidez, lo que puede mejorar la rigidez de la carrocería del vehículo, reducir sus características NVH y mejorar las características de control dinámico del vehículo.
do. Los productos con eficiencia de extrusión, después del enfriamiento y envejecimiento, tienen una resistencia longitudinal (R, Raz) significativamente mayor que los productos procesados por otros métodos.
d. La superficie de los productos después de la extrusión tiene buen color y buena resistencia a la corrosión, lo que elimina la necesidad de otros tratamientos superficiales anticorrosivos.
mi. El procesamiento de extrusión tiene una gran flexibilidad, bajos costos de herramientas y moldes, y bajos costos de cambio de diseño.
F. Debido a la controlabilidad de las secciones transversales de los perfiles de aluminio, se puede aumentar el grado de integración de los componentes, reducir el número de componentes y diferentes diseños de secciones transversales pueden lograr un posicionamiento de soldadura preciso.
La comparación de rendimiento entre perfiles de aluminio extruido para camiones tipo caja y acero al carbono simple se muestra en la Tabla 3.
Próxima dirección de desarrollo de perfiles de aleación de aluminio para camiones tipo caja: mejorar aún más la resistencia del perfil y mejorar el rendimiento de extrusión. La dirección de investigación de nuevos materiales para perfiles de aleación de aluminio para camiones tipo caja se muestra en la Figura 1.
3.Estructura, análisis de resistencia y verificación del camión con caja de aleación de aluminio
3.1 Estructura del camión con caja de aleación de aluminio
El contenedor de camión con caja consta principalmente de un conjunto de panel frontal, un conjunto de panel lateral izquierdo y derecho, un conjunto de panel lateral de puerta trasera, un conjunto de piso, un conjunto de techo, así como pernos en forma de U, protectores laterales, protectores traseros, guardabarros y otros accesorios. conectado al chasis de segunda clase. Las vigas transversales, los pilares, las vigas laterales y los paneles de las puertas de la caja están hechos de perfiles extruidos de aleación de aluminio, mientras que los paneles del piso y el techo están hechos de placas planas de aleación de aluminio 5052. La estructura del camión con caja de aleación de aluminio se muestra en la Figura 2.
El uso del proceso de extrusión en caliente de la aleación de aluminio de la serie 6 puede formar secciones transversales huecas complejas, un diseño de perfiles de aluminio con secciones transversales complejas puede ahorrar materiales, cumplir con los requisitos de resistencia y rigidez del producto y cumplir con los requisitos de conexión mutua entre varios componentes. Por lo tanto, la estructura de diseño de la viga principal y los momentos seccionales de inercia I y los momentos resistentes W se muestran en la Figura 3.
Una comparación de los datos principales en la Tabla 4 muestra que los momentos de inercia seccionales y los momentos resistentes del perfil de aluminio diseñado son mejores que los datos correspondientes del perfil de viga de hierro. Los datos del coeficiente de rigidez son aproximadamente los mismos que los del perfil de viga de hierro correspondiente y todos cumplen con los requisitos de deformación.
3.2 Cálculo de tensión máxima
Tomando como objeto el componente clave de soporte de carga, la viga transversal, se calcula la tensión máxima. La carga nominal es de 1,5 t y la viga transversal está hecha de un perfil de aleación de aluminio 6063-T6 con propiedades mecánicas como se muestra en la Tabla 5. La viga se simplifica como una estructura en voladizo para el cálculo de fuerza, como se muestra en la Figura 4.
Tomando una viga de 344 mm de luz, la carga de compresión sobre la viga se calcula como F=3757 N basado en 4,5 t, que es tres veces la carga estática estándar. q=F/L
donde q es la tensión interna de la viga bajo la carga, N/mm; F es la carga que soporta la viga, calculada sobre la base de 3 veces la carga estática estándar, que es de 4,5 t; L es la longitud de la viga, mm.
Por tanto, la tensión interna q es:
La fórmula de cálculo de la tensión es la siguiente:
El momento máximo es:
Tomando el valor absoluto del momento, M=274283 N·mm, la tensión máxima σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, y el valor de tensión máxima σ<215 MPa, que cumple con los requisitos.
3.3 Características de conexión de varios componentes
La aleación de aluminio tiene malas propiedades de soldadura y la resistencia del punto de soldadura es solo el 60% de la resistencia del material base. Debido a la cobertura de una capa de Al2O3 sobre la superficie de la aleación de aluminio, el punto de fusión del Al2O3 es alto, mientras que el punto de fusión del aluminio es bajo. Cuando se suelda una aleación de aluminio, el Al2O3 de la superficie debe romperse rápidamente para realizar la soldadura. Al mismo tiempo, el residuo de Al2O3 permanecerá en la solución de aleación de aluminio, afectando la estructura de la aleación de aluminio y reduciendo la resistencia del punto de soldadura de la aleación de aluminio. Por lo tanto, al diseñar un contenedor totalmente de aluminio, estas características se consideran plenamente. La soldadura es el método de posicionamiento principal y los principales componentes de soporte de carga están conectados mediante pernos. Conexiones como remachado y estructura de cola de milano se muestran en las Figuras 5 y 6.
La estructura principal del cuerpo de la caja totalmente de aluminio adopta una estructura con vigas horizontales, pilares verticales, vigas laterales y vigas de borde entrelazadas entre sí. Hay cuatro puntos de conexión entre cada viga horizontal y pilar vertical. Los puntos de conexión están equipados con juntas dentadas para engranar con el borde dentado de la viga horizontal, evitando eficazmente el deslizamiento. Los ocho puntos de las esquinas están conectados principalmente mediante inserciones de núcleo de acero, fijadas con pernos y remaches autoblocantes, y reforzadas con placas triangulares de aluminio de 5 mm soldadas dentro de la caja para fortalecer las posiciones de las esquinas internamente. La apariencia externa de la caja no tiene soldaduras ni puntos de conexión expuestos, lo que garantiza la apariencia general de la caja.
3.4 Tecnología de ingeniería síncrona SE
La tecnología de ingeniería síncrona SE se utiliza para resolver los problemas causados por las grandes desviaciones de tamaño acumuladas para los componentes coincidentes en el cuerpo de la caja y las dificultades para encontrar las causas de los espacios y fallas de planitud. A través del análisis CAE (consulte la Figura 7-8), se realiza un análisis comparativo con carrocerías de caja fabricadas en hierro para verificar la resistencia y rigidez generales de la caja, encontrar puntos débiles y tomar medidas para optimizar y mejorar el esquema de diseño de manera más efectiva. .
4.Efecto aligerador del camión con caja de aleación de aluminio
Además de la carrocería de la caja, se pueden utilizar aleaciones de aluminio para reemplazar el acero en diversos componentes de los contenedores de camiones tipo caja, como guardabarros, protecciones traseras, protecciones laterales, pestillos de puertas, bisagras de puertas y bordes del faldón trasero, logrando una reducción de peso. del 30% al 40% para el compartimento de carga. El efecto de reducción de peso para un contenedor de carga vacío de 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm se muestra en la Tabla 6. Esto resuelve fundamentalmente los problemas de peso excesivo, incumplimiento de los anuncios y riesgos regulatorios de los compartimentos de carga tradicionales fabricados en hierro.
Al reemplazar el acero tradicional con aleaciones de aluminio para componentes automotrices, no solo se pueden lograr excelentes efectos de aligeramiento, sino que también se puede contribuir al ahorro de combustible, la reducción de emisiones y la mejora del rendimiento del vehículo. Actualmente existen diversas opiniones sobre la contribución del aligeramiento al ahorro de combustible. Los resultados de la investigación del Instituto Internacional del Aluminio se muestran en la Figura 9. Cada reducción del 10% en el peso del vehículo puede reducir el consumo de combustible entre un 6% y un 8%. Según las estadísticas nacionales, reducir el peso de cada turismo en 100 kg puede reducir el consumo de combustible en 0,4 l/100 km. La contribución del aligeramiento al ahorro de combustible se basa en resultados obtenidos de diferentes métodos de investigación, por lo que existen algunas variaciones. Sin embargo, el aligeramiento del automóvil tiene un impacto significativo en la reducción del consumo de combustible.
En el caso de los vehículos eléctricos, el efecto de aligeramiento es aún más pronunciado. Actualmente, la densidad de energía unitaria de las baterías de los vehículos eléctricos es significativamente diferente de la de los vehículos tradicionales de combustible líquido. El peso del sistema de energía (incluida la batería) de los vehículos eléctricos suele representar entre el 20% y el 30% del peso total del vehículo. Al mismo tiempo, superar el cuello de botella en el rendimiento de las baterías es un desafío mundial. Antes de que se produzca un gran avance en la tecnología de baterías de alto rendimiento, el aligeramiento es una forma eficaz de mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos. Por cada 100 kg de reducción de peso, la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos se puede aumentar entre un 6% y un 11% (la relación entre la reducción de peso y la autonomía de crucero se muestra en la Figura 10). Actualmente, la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos puros no puede satisfacer las necesidades de la mayoría de las personas, pero reducir el peso en cierta cantidad puede mejorar significativamente la autonomía de crucero, aliviar la ansiedad por la autonomía y mejorar la experiencia del usuario.
5.Conclusión
Además de la estructura totalmente de aluminio del camión con caja de aleación de aluminio que se presenta en este artículo, existen varios tipos de camiones con caja, como paneles de nido de abeja de aluminio, placas de hebilla de aluminio, marcos de aluminio + revestimientos de aluminio y contenedores de carga híbridos de hierro y aluminio. . Tienen las ventajas de peso ligero, alta resistencia específica y buena resistencia a la corrosión, y no requieren pintura electroforética para protección contra la corrosión, lo que reduce el impacto ambiental de la pintura electroforética. El camión con caja de aleación de aluminio resuelve fundamentalmente los problemas de peso excesivo, incumplimiento de los anuncios y riesgos regulatorios de los compartimentos de carga tradicionales de hierro.
La extrusión es un método de procesamiento esencial para las aleaciones de aluminio y los perfiles de aluminio tienen excelentes propiedades mecánicas, por lo que la rigidez de la sección de los componentes es relativamente alta. Debido a la sección transversal variable, las aleaciones de aluminio pueden lograr la combinación de múltiples funciones de componentes, lo que las convierte en un buen material para aligerar el peso de los automóviles. Sin embargo, la aplicación generalizada de aleaciones de aluminio enfrenta desafíos como una capacidad de diseño insuficiente para los compartimentos de carga de aleaciones de aluminio, problemas de conformado y soldadura y altos costos de desarrollo y promoción de nuevos productos. La razón principal sigue siendo que la aleación de aluminio cuesta más que el acero antes de que madure la ecología del reciclaje de las aleaciones de aluminio.
En conclusión, el ámbito de aplicación de las aleaciones de aluminio en los automóviles se ampliará y su uso seguirá aumentando. En las tendencias actuales de ahorro de energía, reducción de emisiones y desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía, con una comprensión cada vez más profunda de las propiedades de las aleaciones de aluminio y soluciones efectivas a los problemas de aplicación de las aleaciones de aluminio, los materiales de extrusión de aluminio se utilizarán más ampliamente en el aligeramiento de automóviles.
Editado por May Jiang de MAT Aluminium
Hora de publicación: 12 de enero de 2024
