1.Introdução
A redução de peso automotivo começou em países desenvolvidos e foi inicialmente liderada por gigantes automotivos tradicionais. Com o desenvolvimento contínuo, ganhou impulso significativo. Desde a época em que os indianos utilizaram pela primeira vez a liga de alumínio para produzir virabrequins automotivos até a primeira produção em massa de carros totalmente de alumínio pela Audi em 1999, a liga de alumínio tem apresentado um crescimento robusto em aplicações automotivas devido às suas vantagens como baixa densidade, alta resistência específica e rigidez, boa elasticidade e resistência ao impacto, alta reciclabilidade e alta taxa de regeneração. Em 2015, a proporção de aplicação de liga de alumínio em automóveis já ultrapassava 35%.
A redução de peso dos veículos automotivos na China começou há menos de 10 anos, e tanto a tecnologia quanto o nível de aplicação estão atrás de países desenvolvidos como Alemanha, Estados Unidos e Japão. No entanto, com o desenvolvimento de veículos de nova energia, a redução de peso dos materiais está progredindo rapidamente. Aproveitando o crescimento dos veículos de nova energia, a tecnologia de redução de peso dos veículos automotivos da China demonstra uma tendência de alcançar os países desenvolvidos.
O mercado de materiais leves da China é vasto. Por um lado, em comparação com países desenvolvidos no exterior, a tecnologia de redução de peso da China começou tarde, e o peso total dos veículos é maior. Considerando a proporção de materiais leves em países estrangeiros, ainda há amplo espaço para desenvolvimento na China. Por outro lado, impulsionado por políticas, o rápido desenvolvimento da indústria de veículos de nova energia da China aumentará a demanda por materiais leves e incentivará as montadoras a adotarem a redução de peso.
A melhoria dos padrões de emissões e consumo de combustível está impulsionando a aceleração da redução de peso automotivo. A China implementou integralmente os padrões de emissões China VI em 2020. De acordo com o "Método de Avaliação e Indicadores para o Consumo de Combustível de Automóveis de Passageiros" e o "Roteiro para Economia de Energia e Tecnologia de Veículos de Nova Energia", o padrão de consumo de combustível é de 5,0 l/km. Considerando o espaço limitado para avanços substanciais na tecnologia de motores e redução de emissões, a adoção de medidas para componentes automotivos leves pode reduzir efetivamente as emissões dos veículos e o consumo de combustível. A redução de peso de veículos de nova energia tornou-se um caminho essencial para o desenvolvimento da indústria.
Em 2016, a Sociedade de Engenharia Automotiva da China publicou o "Roteiro de Tecnologia para Veículos de Nova Energia e Economia de Energia", que planejou fatores como consumo de energia, autonomia e materiais de fabricação para veículos de nova energia de 2020 a 2030. A redução de peso será uma direção fundamental para o desenvolvimento futuro de veículos de nova energia. A redução de peso pode aumentar a autonomia e lidar com a "ansiedade de alcance" em veículos de nova energia. Com a crescente demanda por maior autonomia, a redução de peso automotivo se torna urgente, e as vendas de veículos de nova energia cresceram significativamente nos últimos anos. De acordo com os requisitos do sistema de pontuação e o "Plano de Desenvolvimento de Médio a Longo Prazo para a Indústria Automotiva", estima-se que, até 2025, as vendas de veículos de nova energia na China excederão 6 milhões de unidades, com uma taxa composta de crescimento anual superior a 38%.
2. Características e aplicações da liga de alumínio
2.1 Características da Liga de Alumínio
A densidade do alumínio é um terço da do aço, tornando-o mais leve. Possui maior resistência específica, boa capacidade de extrusão, forte resistência à corrosão e alta reciclabilidade. As ligas de alumínio são caracterizadas por serem compostas principalmente de magnésio, exibindo boa resistência ao calor, boas propriedades de soldagem, boa resistência à fadiga, incapacidade de serem reforçadas por tratamento térmico e a capacidade de aumentar a resistência por trabalho a frio. A série 6 é caracterizada por ser composta principalmente de magnésio e silício, com Mg2Si como a principal fase de reforço. As ligas mais amplamente utilizadas nesta categoria são 6063, 6061 e 6005A. A placa de alumínio 5052 é uma placa de liga de alumínio da série AL-Mg, com magnésio como o principal elemento de liga. É a liga de alumínio antiferrugem mais amplamente utilizada. Esta liga tem alta resistência, alta resistência à fadiga, boa plasticidade e resistência à corrosão, não pode ser reforçada por tratamento térmico, tem boa plasticidade no endurecimento a semi-frio, baixa plasticidade no endurecimento a frio, boa resistência à corrosão e boas propriedades de soldagem. É usado principalmente em componentes como painéis laterais, coberturas de teto e painéis de portas. A liga de alumínio 6063 é uma liga de reforço tratável termicamente da série AL-Mg-Si, com magnésio e silício como principais elementos de liga. É um perfil de liga de alumínio de reforço tratável termicamente com resistência média, usado principalmente em componentes estruturais como colunas e painéis laterais para aumentar a resistência. Uma introdução aos graus de liga de alumínio é apresentada na Tabela 1.
2.2 A extrusão é um importante método de conformação de ligas de alumínio
A extrusão de liga de alumínio é um método de conformação a quente, e todo o processo de produção envolve a conformação da liga de alumínio sob tensão compressiva tripla. Todo o processo de produção pode ser descrito da seguinte forma: a. O alumínio e outras ligas são fundidos e fundidos nos tarugos de liga de alumínio necessários; b. Os tarugos pré-aquecidos são colocados no equipamento de extrusão para extrusão. Sob a ação do cilindro principal, o tarugo de liga de alumínio é moldado nos perfis necessários através da cavidade do molde; c. Para melhorar as propriedades mecânicas dos perfis de alumínio, o tratamento de solução é realizado durante ou após a extrusão, seguido pelo tratamento de envelhecimento. As propriedades mecânicas após o tratamento de envelhecimento variam de acordo com os diferentes materiais e regimes de envelhecimento. O estado do tratamento térmico dos perfis de caminhão tipo baú é mostrado na Tabela 2.
Produtos extrudados de liga de alumínio têm diversas vantagens em relação a outros métodos de conformação:
a. Durante a extrusão, o metal extrudado obtém uma tensão de compressão tripla mais forte e uniforme na zona de deformação do que a laminação e o forjamento, permitindo assim que a plasticidade do metal processado seja totalmente aproveitada. Pode ser usado para processar metais difíceis de deformar que não podem ser processados por laminação ou forjamento, e pode ser usado para fabricar diversos componentes complexos de seção transversal oca ou sólida.
b. Como a geometria dos perfis de alumínio pode ser variada, seus componentes têm alta rigidez, o que pode melhorar a rigidez da carroceria do veículo, reduzir suas características NVH e melhorar as características de controle dinâmico do veículo.
c. Produtos com eficiência de extrusão, após têmpera e envelhecimento, apresentam resistência longitudinal significativamente maior (R, Raz) do que produtos processados por outros métodos.
d. A superfície dos produtos após a extrusão tem boa cor e boa resistência à corrosão, eliminando a necessidade de outro tratamento de superfície anticorrosivo.
e. O processamento de extrusão tem grande flexibilidade, baixos custos de ferramentas e moldes e baixos custos de alteração de projeto.
f. Devido à controlabilidade das seções transversais do perfil de alumínio, o grau de integração dos componentes pode ser aumentado, o número de componentes pode ser reduzido e diferentes projetos de seções transversais podem alcançar um posicionamento de soldagem preciso.
A comparação de desempenho entre perfis de alumínio extrudado para caminhões tipo baú e aço carbono simples é mostrada na Tabela 3.
Próxima Direção de Desenvolvimento de Perfis de Liga de Alumínio para Caminhões do Tipo Baú: Aprimorando ainda mais a resistência do perfil e aprimorando o desempenho da extrusão. A direção da pesquisa de novos materiais para perfis de liga de alumínio para caminhões do tipo baú é mostrada na Figura 1.
3. Estrutura de caminhão de caixa de liga de alumínio, análise de resistência e verificação
3.1 Estrutura de caminhão com caixa de liga de alumínio
O contêiner do caminhão baú consiste principalmente em conjunto de painel frontal, conjunto de painéis laterais esquerdo e direito, conjunto de painéis laterais da porta traseira, conjunto de piso, conjunto de teto, bem como parafusos em forma de U, proteções laterais, proteções traseiras, para-lamas e outros acessórios conectados ao chassi de segunda classe. As travessas, pilares, longarinas e painéis das portas da carroceria baú são feitos de perfis extrudados de liga de alumínio, enquanto os painéis do piso e do teto são feitos de chapas planas de liga de alumínio 5052. A estrutura do caminhão baú em liga de alumínio é mostrada na Figura 2.
Utilizando o processo de extrusão a quente da liga de alumínio da série 6, é possível formar seções transversais ocas complexas. Um projeto de perfis de alumínio com seções transversais complexas pode economizar materiais, atender aos requisitos de resistência e rigidez do produto e aos requisitos de conexão mútua entre vários componentes. Portanto, a estrutura do projeto da viga principal e os momentos de inércia seccionais I e os momentos de resistência W são mostrados na Figura 3.
A comparação dos principais dados da Tabela 4 mostra que os momentos de inércia e os momentos de resistência da seção transversal do perfil de alumínio projetado são superiores aos dados correspondentes do perfil de viga de ferro. Os dados do coeficiente de rigidez são aproximadamente os mesmos do perfil de viga de ferro correspondente, e todos atendem aos requisitos de deformação.
3.2 Cálculo da Tensão Máxima
Considerando o principal componente de suporte de carga, a viga transversal, como objeto, calcula-se a tensão máxima. A carga nominal é de 1,5 t e a viga transversal é feita de perfil de liga de alumínio 6063-T6 com propriedades mecânicas conforme mostrado na Tabela 5. A viga é simplificada como uma estrutura em balanço para o cálculo da força, conforme mostrado na Figura 4.
Considerando uma viga com vão de 344 mm, a carga de compressão na viga é calculada como F = 3757 N com base em 4,5 t, que é três vezes a carga estática padrão. q = F/L
onde q é a tensão interna da viga sob a carga, N/mm; F é a carga suportada pela viga, calculada com base em 3 vezes a carga estática padrão, que é 4,5 t; L é o comprimento da viga, mm.
Portanto, a tensão interna q é:
A fórmula de cálculo do estresse é a seguinte:
O momento máximo é:
Tomando o valor absoluto do momento, M=274283 N·mm, a tensão máxima σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, e o valor de tensão máxima σ<215 MPa, que atende aos requisitos.
3.3 Características de conexão de vários componentes
A liga de alumínio possui propriedades de soldagem ruins, e sua resistência ao ponto de soldagem é de apenas 60% da resistência do material base. Devido à camada de Al2O3 sobre a superfície da liga de alumínio, o ponto de fusão do Al2O3 é alto, enquanto o ponto de fusão do alumínio é baixo. Quando a liga de alumínio é soldada, o Al2O3 na superfície deve ser quebrado rapidamente para realizar a soldagem. Ao mesmo tempo, o resíduo de Al2O3 permanecerá na solução da liga de alumínio, afetando a estrutura da liga de alumínio e reduzindo a resistência ao ponto de soldagem da liga de alumínio. Portanto, ao projetar um contêiner totalmente de alumínio, essas características são totalmente consideradas. A soldagem é o principal método de posicionamento, e os principais componentes de suporte de carga são conectados por parafusos. Conexões como rebitagem e estrutura de cauda de andorinha são mostradas nas Figuras 5 e 6.
A estrutura principal da caixa, toda em alumínio, adota uma estrutura com vigas horizontais, pilares verticais, vigas laterais e vigas de borda interligadas. Há quatro pontos de conexão entre cada viga horizontal e pilar vertical. Os pontos de conexão são equipados com juntas serrilhadas para se encaixarem na borda serrilhada da viga horizontal, impedindo efetivamente o deslizamento. Os oito pontos de canto são conectados principalmente por insertos de núcleo de aço, fixados com parafusos e rebites autotravantes, e reforçados por placas triangulares de alumínio de 5 mm soldadas internamente à caixa para fortalecer as posições dos cantos internamente. A aparência externa da caixa não possui soldas ou pontos de conexão expostos, garantindo a aparência geral da caixa.
3.4 SE Tecnologia de Engenharia Síncrona
A tecnologia de engenharia síncrona SE é utilizada para solucionar os problemas causados por grandes desvios dimensionais acumulados para componentes correspondentes na carroceria e as dificuldades em encontrar as causas de folgas e falhas de planicidade. Por meio da análise CAE (ver Figura 7-8), é realizada uma análise comparativa com carrocerias de ferro para verificar a resistência e a rigidez gerais da carroceria, encontrar pontos fracos e tomar medidas para otimizar e aprimorar o esquema de projeto de forma mais eficaz.
4. Efeito de redução de peso do caminhão de caixa de liga de alumínio
Além da carroceria, ligas de alumínio podem ser usadas para substituir o aço em diversos componentes de contêineres tipo baú, como para-lamas, proteções traseiras, proteções laterais, travas de portas, dobradiças de portas e bordas do para-choque traseiro, proporcionando uma redução de peso de 30% a 40% no compartimento de carga. O efeito da redução de peso para um contêiner de carga vazio de 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm é mostrado na Tabela 6. Isso resolve fundamentalmente os problemas de peso excessivo, não conformidade com as normas e riscos regulatórios dos compartimentos de carga tradicionais de ferro.
Ao substituir o aço tradicional por ligas de alumínio em componentes automotivos, não apenas excelentes efeitos de redução de peso podem ser alcançados, mas também podem contribuir para a economia de combustível, redução de emissões e melhor desempenho do veículo. Atualmente, existem várias opiniões sobre a contribuição da redução de peso para a economia de combustível. Os resultados da pesquisa do Instituto Internacional do Alumínio são mostrados na Figura 9. Cada redução de 10% no peso do veículo pode reduzir o consumo de combustível em 6% a 8%. Com base em estatísticas nacionais, a redução do peso de cada carro de passeio em 100 kg pode reduzir o consumo de combustível em 0,4 L/100 km. A contribuição da redução de peso para a economia de combustível é baseada em resultados obtidos de diferentes métodos de pesquisa, portanto, há alguma variação. No entanto, a redução de peso automotivo tem um impacto significativo na redução do consumo de combustível.
Para veículos elétricos, o efeito de redução de peso é ainda mais pronunciado. Atualmente, a densidade de energia unitária das baterias de veículos elétricos é significativamente diferente daquela dos veículos tradicionais de combustível líquido. O peso do sistema de energia (incluindo a bateria) dos veículos elétricos frequentemente representa de 20% a 30% do peso total do veículo. Simultaneamente, romper o gargalo de desempenho das baterias é um desafio mundial. Antes que haja um grande avanço na tecnologia de baterias de alto desempenho, a redução de peso é uma maneira eficaz de melhorar a autonomia de veículos elétricos. Para cada 100 kg de redução de peso, a autonomia de veículos elétricos pode ser aumentada em 6% a 11% (a relação entre redução de peso e autonomia é mostrada na Figura 10). Atualmente, a autonomia de veículos puramente elétricos não pode atender às necessidades da maioria das pessoas, mas reduzir o peso em uma certa quantidade pode melhorar significativamente a autonomia, aliviando a ansiedade de autonomia e melhorando a experiência do usuário.
5.Conclusão
Além da estrutura totalmente em alumínio do caminhão baú de liga de alumínio apresentada neste artigo, existem vários tipos de caminhões baú, como painéis alveolares de alumínio, chapas de fivela de alumínio, estruturas de alumínio + revestimentos de alumínio e contêineres de carga híbridos de ferro e alumínio. Eles apresentam as vantagens de leveza, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, além de não necessitarem de pintura eletroforética para proteção contra corrosão, reduzindo o impacto ambiental da pintura eletroforética. O caminhão baú de liga de alumínio resolve fundamentalmente os problemas de peso excessivo, não conformidade com as normas e riscos regulatórios dos compartimentos de carga tradicionais de ferro.
A extrusão é um método de processamento essencial para ligas de alumínio, e os perfis de alumínio possuem excelentes propriedades mecânicas, o que torna a rigidez da seção transversal dos componentes relativamente alta. Devido à seção transversal variável, as ligas de alumínio podem combinar múltiplas funções, tornando-se um bom material para a redução de peso automotivo. No entanto, a ampla aplicação de ligas de alumínio enfrenta desafios como capacidade insuficiente de projeto para compartimentos de carga de liga de alumínio, problemas de conformação e soldagem e altos custos de desenvolvimento e promoção de novos produtos. O principal motivo ainda é o custo da liga de alumínio ser maior do que o do aço antes que a ecologia de reciclagem de ligas de alumínio se torne madura.
Em conclusão, o escopo de aplicação das ligas de alumínio em automóveis se tornará mais amplo e seu uso continuará a aumentar. Com as tendências atuais de economia de energia, redução de emissões e o desenvolvimento da indústria de veículos de nova energia, com o aprofundamento da compreensão das propriedades das ligas de alumínio e soluções eficazes para os problemas de aplicação dessas ligas, os materiais de extrusão de alumínio serão mais amplamente utilizados na redução de peso automotivo.
Editado por May Jiang da MAT Aluminum
Horário da postagem: 12/01/2024
