1. Introducción
El liviano automotriz comenzó en los países desarrollados e inicialmente fue dirigido por gigantes automotrices tradicionales. Con el desarrollo continuo, ha ganado un impulso significativo. Desde la época en que los indios usaron la aleación de aluminio por primera vez para producir cigüeñales automotrices hasta la primera producción en masa de Audi de automóviles totalmente de aluminio en 1999, la aleación de aluminio ha visto un crecimiento robusto 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. Para 2015, la proporción de aplicación de aleación de aluminio en automóviles ya había excedido el 35%.
El peso ligero automotriz de China comenzó hace menos de 10 años, y el nivel de tecnología y la aplicación se retrasan detrás de países desarrollados como Alemania, Estados Unidos y Japón. Sin embargo, con el desarrollo de nuevos vehículos de energía, el material ligero está progresando rápidamente. Aprovechando el aumento de los nuevos vehículos de energía, la tecnología de peso ligero automotriz de China muestra una tendencia de ponerse al día con los países desarrollados.
El mercado de materiales livianos de China es vasto. Por un lado, en comparación con los países desarrollados en el extranjero, la tecnología de peso ligero de China comenzó tarde, y el peso general de la acera del vehículo es mayor. Teniendo en cuenta el punto de referencia de la proporción de materiales livianos en países extranjeros, todavía hay un amplio espacio para el desarrollo en China. Por otro lado, impulsado por las políticas, el rápido desarrollo de la nueva industria de vehículos energéticos de China aumentará la demanda de materiales livianos y alentará a las empresas automotrices a avanzar hacia el peso ligero.
La mejora de los estándares de emisión y consumo de combustible está forzando la aceleración del peso ligero automotriz. China implementó completamente los estándares de emisión de China VI en 2020. Según el "método de evaluación e indicadores para el consumo de combustible de automóviles de pasajeros" y la "Hoja de ruta de tecnología de vehículos de energía y ahorro de energía", el estándar de consumo de combustible de 5.0 l/km. Teniendo en cuenta el espacio limitado para avances sustanciales en la tecnología del motor y la reducción de las emisiones, la adopción de medidas a componentes automotrices livianos puede reducir efectivamente las emisiones del vehículo y el consumo de combustible. La ligera peso de los nuevos vehículos de energía se ha convertido en un camino esencial para el desarrollo de la industria.
En 2016, la China Automotive Engineering Society emitió la "Hoja de ruta de tecnología de vehículos de energía y ahorro de energía", que planificó factores como el consumo de energía, el rango de crucero y los materiales de fabricación para nuevos vehículos de energía desde 2020 hasta 2030. La ligera será una dirección clave para el desarrollo futuro de nuevos vehículos de energía. La liviana puede aumentar el rango de crucero y abordar la "ansiedad de rango" en nuevos vehículos de energía. Con la creciente demanda de rango de crucero extendido, el peso ligero automotriz se vuelve urgente, y las ventas de nuevos vehículos de energía han crecido significativamente en los últimos años. De acuerdo con los requisitos del sistema de puntaje y el "plan de desarrollo a mediados a largo plazo para la industria automotriz", se estima que para 2025, las ventas de nuevos vehículos de energía de China superarán los 6 millones de unidades, con un crecimiento anual compuesto anual tasa superior al 38%.
2. Características y aplicaciones de aleación de aluminio
2.1 Características de aleación de aluminio
La densidad del aluminio es un tercio de el acero, lo que la hace más ligera. Tiene mayor resistencia específica, buena capacidad de extrusión, resistencia a la corrosión fuerte 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 para reforzarse con el tratamiento térmico y la capacidad de aumentar la resistencia a través del trabajo en frío. La serie 6 se caracteriza por estar compuesta principalmente de magnesio y silicio, con MG2SI como la fase de fortalecimiento principal. Las aleaciones más utilizadas en esta categoría son 6063, 6061 y 6005A. La placa de aluminio 5052 es una placa de aluminio de aleación de aleación de la serie Al-MG, con magnesio como elemento de aleación principal. Es la aleación de aluminio anti-rominación más utilizada. Esta aleación tiene alta resistencia, alta resistencia a la fatiga, buena plasticidad y resistencia a la corrosión, no puede fortalecerse mediante el tratamiento térmico, tiene una buena plasticidad en el endurecimiento semi-frío del trabajo, baja plasticidad en el endurecimiento por el 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 puerta. La aleación de aluminio 6063 es una aleación de fortalecimiento de tratamiento térmico en la serie Al-MG-Si, con magnesio y silicio como elementos de aleación principales. Es un perfil de aleación de aluminio de fortalecimiento de fortalecimiento de calor con calor con resistencia media, utilizado principalmente en componentes estructurales, como columnas y paneles laterales para transportar resistencia. Una introducción a los grados de aleación de aluminio se muestra en la Tabla 1.
2.2 La extrusión es un método de formación importante de aleación de aluminio
La extrusión de aleación de aluminio es un método de formación en caliente, y todo el proceso de producción implica formar aleación de aluminio bajo estrés por compresión de tres vías. Todo el proceso de producción se puede describir de la siguiente manera: a. El aluminio y otras aleaciones se derriten y se funden en los billets de aleación de aluminio requeridos; b. Los billets precalentados se colocan en el equipo de extrusión para la 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, el tratamiento de la solución se lleva a cabo durante o después de la extrusión, seguido de un tratamiento de envejecimiento. Las propiedades mecánicas después del tratamiento con envejecimiento varían según 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 formación:
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 rodadura y la falsificación, por lo que puede jugar completamente la plasticidad del metal procesado. Se puede utilizar para procesar metales difíciles de defender que no se pueden procesar rodando o forjando y se pueden usar para hacer varios componentes complejos de sección transversal hueca o sólida.
b. Debido a que la geometría de los perfiles de aluminio puede variar, sus componentes tienen una alta rigidez, lo que puede mejorar la rigidez del cuerpo 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 el envejecimiento, tienen una fuerza longitudinal significativamente mayor (R, RAZ) que los productos procesados por otros métodos.
d. La superficie de los productos después de la extrusión tiene un buen color y buena resistencia a la corrosión, eliminando la necesidad de otro tratamiento de superficie anticorrosión.
mi. El procesamiento de extrusión tiene una gran flexibilidad, bajos costos de herramientas y moho, y bajos costos de cambio de diseño.
F. Debido a la capacidad de control de las secciones transversales del perfil de aluminio, se puede aumentar el grado de integración de componentes, se puede reducir el número de componentes y diferentes diseños de sección transversal pueden lograr un posicionamiento preciso de soldadura.
La comparación de rendimiento entre los perfiles de aluminio extruido para camiones tipo caja y acero al carbono liso se muestra en la Tabla 3.
Siguiente dirección de desarrollo de los perfiles de aleación de aluminio para camiones de tipo caja: mejora aún más la resistencia del perfil y la mejora del rendimiento de la 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 de camión de caja de aleación de aluminio, análisis de resistencia y verificación
3.1 Estructura de camión de caja de aleación de aluminio
El contenedor de camión de la caja consta principalmente de un conjunto del panel frontal, conjunto del panel lateral izquierdo y derecho, conjunto del panel lateral de la puerta trasera, conjunto del piso, conjunto del techo, así como pernos en forma de U, guardias laterales, protectores traseros, aletas de lodo y otros accesorios conectado al chasis de segunda clase. Las vigas transversales del cuerpo de la caja, los pilares, las vigas laterales y los paneles de las puertas están hechos de perfiles extruidos de aleación de aluminio, mientras que el piso y los paneles del techo están hechos de placas planas de aleación de aluminio 5052. La estructura del camión de 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 guardar 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 del haz principal y los momentos seccionales de inercia I y los momentos de resistencia W se muestran en la Figura 3.
Una comparación de los datos principales en la Tabla 4 muestra que los momentos seccionales de inercia y los momentos de resistencia del perfil de aluminio diseñado son mejores que los datos correspondientes del perfil de haz hecho de hierro. Los datos del coeficiente de rigidez son más o menos los mismos que los del perfil de haz hecho de hierro correspondiente, y todos cumplen con los requisitos de deformación.
3.2 Cálculo máximo de estrés
Tomando el componente clave de carga, el viga cruzada, como objeto, se calcula el estrés máximo. La carga nominal es de 1,5 T, y el haz cruzado está hecho de perfil de aleación de aluminio 6063-T6 con propiedades mecánicas como se muestra en la Tabla 5. El haz se simplifica como una estructura de voladizo para el cálculo de la fuerza, como se muestra en la Figura 4.
Tomando un haz de tramo de 344 mm, la carga de compresión en el haz se calcula como F = 3757 N en función de 4.5t, que es tres veces la carga estática estándar. Q = F/L
donde Q es el estrés interno del haz debajo de la carga, n/mm; F es la carga transmitida por el haz, calculada en base a 3 veces la carga estática estándar, que es de 4.5 t; L es la longitud de la viga, mm.
Por lo tanto, el estrés interno Q es:
La fórmula de cálculo de estrés es la siguiente:
El momento máximo es:
Tomando el valor absoluto del momento, M = 274283 n · mm, el estrés máximo σ = m/(1.05 × W) = 18.78 MPa, y el valor de estrés máximo 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 su resistencia al punto de soldadura es solo el 60% de la resistencia del material base. Debido a la cubierta de una capa de Al2O3 en la superficie de aleación de aluminio, el punto de fusión de Al2O3 es alto, mientras que el punto de fusión de aluminio es bajo. Cuando la aleación de aluminio se suelde, el Al2O3 en la superficie debe romperse rápidamente para realizar soldadura. Al mismo tiempo, el residuo de Al2O3 permanecerá en la solución de aleación de aluminio, afectando la estructura de aleación de aluminio y reduciendo la resistencia del punto de soldadura de aleación de aluminio. Por lo tanto, al diseñar un contenedor de aluminio, estas características se consideran completamente. La soldadura es el método de posicionamiento principal, y los principales componentes de carga están conectados por pernos. Las conexiones como el remachado y la estructura de la cola de doblete se muestran en las Figuras 5 y 6.
La estructura principal del cuerpo de la caja 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 haz horizontal y pilar vertical. Los puntos de conexión están equipados con juntas serradas para combinar con el borde serrado del haz horizontal, evitando efectivamente el deslizamiento. Los ocho puntos de la esquina están conectados principalmente por insertos de núcleo de acero, fijados con pernos y remaches autoboquecedor, y reforzadas por placas de aluminio triangulares de 5 mm soldadas dentro de la caja para fortalecer las posiciones de la esquina internamente. La apariencia externa de la caja no tiene soldadura o puntos de conexión expuestos, lo que garantiza la apariencia general de la caja.
3.4 Tecnología de ingeniería sincrónica de SE
La tecnología de ingeniería SE síncrona se utiliza para resolver los problemas causados por grandes desviaciones de tamaño acumulado para los componentes coincidentes en el cuerpo de la caja y las dificultades para encontrar las causas de las brechas y las fallas de planitud. A través del análisis CAE (ver Figura 7-8), se realiza un análisis de comparación con cuerpos de caja hechos en hierro para verificar la resistencia y la rigidez general del cuerpo de la caja, encontrar puntos débiles y tomar medidas para optimizar y mejorar el esquema de diseño de manera más efectiva .
4. Efecto de peso de aluminio camión de aleación de aluminio
Además del cuerpo de la caja, las aleaciones de aluminio se pueden usar para reemplazar el acero para varios componentes de los contenedores de camiones de tipo caja, como guardabarros, protectores traseros, protectores laterales, pestillos de las puertas, bisagras de las puertas y bordes del delantal trasero, logro de una reducción de peso del 30% al 40% para el compartimento de carga. En la Tabla 6 se muestra el efecto de reducción de peso para un contenedor de carga vacío de 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm.
Al reemplazar el acero tradicional con aleaciones de aluminio para componentes automotrices, no solo se pueden lograr excelentes efectos de peso ligero, sino que también puede contribuir al ahorro de combustible, la reducción de emisiones y el mejor rendimiento del vehículo. En la actualidad, hay varias opiniones sobre la contribución del peso ligero al ahorro de combustible. Los resultados de la investigación del Instituto Internacional de Aluminio se muestran en la Figura 9. Cada 10% de reducción en el peso del vehículo puede reducir el consumo de combustible en un 6% a 8%. Según las estadísticas domésticas, reducir el peso de cada automóvil de pasajeros en 100 kg puede reducir el consumo de combustible en 0.4 l/100 km. La contribución del peso ligero al ahorro de combustible se basa en los resultados obtenidos de diferentes métodos de investigación, por lo que existe cierta variación. Sin embargo, el peso ligero automotriz tiene un impacto significativo en la reducción del consumo de combustible.
Para los vehículos eléctricos, el efecto de peso ligero es aún más pronunciado. Actualmente, la densidad de energía unitaria de las baterías eléctricas eléctricas es significativamente diferente de la de los vehículos de combustible líquido tradicionales. El peso del sistema de energía (incluida la batería) de los vehículos eléctricos a menudo representa el 20% al 30% del peso total del vehículo. Simultáneamente, romper el cuello de botella de baterías de rendimiento es un desafío mundial. Antes de que haya un gran avance en la tecnología de baterías de alto rendimiento, el peso ligero es una forma efectiva de mejorar la gama de cruceros de vehículos eléctricos. Por cada reducción de peso de 100 kg, el rango de crucero de vehículos eléctricos se puede aumentar en un 6% a 11% (la relación entre la reducción de peso y el rango de crucero se muestra en la Figura 10). Actualmente, la gama de cruceros de vehículos eléctricos puros no puede satisfacer las necesidades de la mayoría de las personas, pero reducir el peso en una cierta cantidad puede mejorar significativamente el rango de crucero, aliviar la ansiedad del rango y mejorar la experiencia del usuario.
5. Conclusión
Además de la estructura de todo aluminio del camión de caja de aleación de aluminio introducida en este artículo, hay varios tipos de camiones de caja, como paneles de panal de aluminio, placas de hebilla de aluminio, cuadros de aluminio + pieles de aluminio y contenedores de carga híbridos de aluminio de hierro. . Tienen las ventajas de peso ligero, alta resistencia específica y buena resistencia a la corrosión, y no requieren pintura electroforética para la protección de corrosión, reduciendo el impacto ambiental de la pintura electroforética. El camión de caja de aleación de aluminio resuelve fundamentalmente los problemas de peso excesivo, el incumplimiento de los anuncios y los riesgos regulatorios de los compartimentos de carga tradicionales hechos en 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, por lo que es un buen material para el peso ligero automotriz. Sin embargo, la aplicación generalizada de aleaciones de aluminio enfrenta desafíos, como la capacidad de diseño insuficiente para compartimentos de carga de aleación de aluminio, problemas de formación y soldadura, y altos costos de desarrollo y promoción para nuevos productos. La razón principal sigue siendo que la aleación de aluminio cuesta más que el acero antes de que la ecología de reciclaje de las aleaciones de aluminio se vuelva madura.
En conclusión, el alcance de la aplicación de las aleaciones de aluminio en los automóviles se volverá más amplio, y su uso continuará aumentando. En las tendencias actuales del ahorro de energía, la reducción de emisiones y el desarrollo de la nueva industria de vehículos energéticos, con la comprensión de la comprensión de las propiedades de aleación de aluminio y las soluciones efectivas para los problemas de aplicación de aleación de aluminio, los materiales de extrusión de aluminio se utilizarán más ampliamente en el peso ligero automotriz.
Editado por May Jiang de Mat Aluminium
Tiempo de publicación: enero-12-2024
