1.Introdução
A redução de peso automotivo começou nos países desenvolvidos e foi inicialmente liderada por gigantes automotivos tradicionais. Com o desenvolvimento contínuo, ganhou um impulso significativo. Desde a época em que os indianos usaram pela primeira vez a liga de alumínio para produzir virabrequins automotivos até a primeira produção em massa de carros totalmente em alumínio da Audi em 1999, a liga de alumínio teve 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 automotivo 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 novos veículos energéticos, a redução do peso dos materiais está a progredir rapidamente. Aproveitando a ascensão de novos veículos energéticos, a tecnologia de redução de peso automotivo da China está mostrando uma tendência de se aproximar dos países desenvolvidos.
O mercado de materiais leves da China é vasto. Por um lado, em comparação com os países desenvolvidos no exterior, a tecnologia de redução de peso da China começou tarde e o peso total do veículo é maior. Considerando a referência da 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 nova indústria de veículos energéticos da China impulsionará a procura de materiais leves e incentivará as empresas automóveis a avançarem no sentido da redução do peso.
A melhoria dos padrões de emissões e consumo de combustível está forçando a aceleração da redução do peso automotivo. A China implementou totalmente os padrões de emissão da 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 de economia de energia e tecnologia de veículos com novas energias”, o padrão de consumo de combustível de 5,0 L/km. Tendo em conta o espaço limitado para avanços substanciais na tecnologia de motores e na redução de emissões, a adoção de medidas para componentes automóveis leves pode efetivamente reduzir as emissões dos veículos e o consumo de combustível. A redução do peso dos novos veículos energéticos tornou-se um caminho essencial para o desenvolvimento da indústria.
Em 2016, a Sociedade de Engenharia Automotiva da China emitiu o “Roteiro de Economia de Energia e Tecnologia de Veículos com Novas Energias”, que planejou fatores como consumo de energia, autonomia de cruzeiro e materiais de fabricação para veículos com novas energias de 2020 a 2030. A redução de peso será uma direção fundamental. para o futuro desenvolvimento de novos veículos energéticos. A redução do peso pode aumentar a autonomia de cruzeiro e resolver a “ansiedade de autonomia” em veículos de novas energias. Com a crescente procura por autonomia de cruzeiro alargada, a redução do peso automóvel torna-se urgente e as vendas de veículos de nova energia cresceram significativamente nos últimos anos. De acordo com os requisitos do sistema de pontuação e do “Plano de Desenvolvimento de Médio e Longo Prazo para a Indústria Automotiva”, estima-se que até 2025, as vendas de veículos de energia nova na China excederão 6 milhões de unidades, com um crescimento anual composto taxa 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, o que o torna 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, apresentando boa resistência ao calor, boas propriedades de soldagem, boa resistência à fadiga, incapacidade de serem reforçadas por tratamento térmico e capacidade de aumentar a resistência por meio de trabalho a frio. A série 6 caracteriza-se por ser composta principalmente por magnésio e silício, tendo o Mg2Si como principal fase de reforço. As ligas mais 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 principal elemento de liga. É a liga de alumínio antiferrugem mais 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 por trabalho semi-frio, baixa plasticidade no endurecimento por trabalho a frio, boa resistência à corrosão e boas propriedades de soldagem. É usado principalmente para componentes como painéis laterais, coberturas de telhado 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 e de resistência média, utilizado principalmente em componentes estruturais como colunas e painéis laterais para maior resistência. Uma introdução aos graus de liga de alumínio é mostrada na Tabela 1.
2.2 A extrusão é um importante método de formação de liga de alumínio
A extrusão de liga de alumínio é um método de conformação a quente e todo o processo de produção envolve a formação de liga de alumínio sob tensão de compressão de três vias. Todo o processo de produção pode ser descrito da seguinte forma: a. O alumínio e outras ligas são derretidos 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 formado nos perfis necessários através da cavidade do molde; c. Para melhorar as propriedades mecânicas dos perfis de alumínio, o tratamento da solução é realizado durante ou após a extrusão, seguido de 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.
Os produtos extrudados de liga de alumínio têm diversas vantagens sobre outros métodos de conformação:
um. Durante a extrusão, o metal extrudado obtém uma tensão de compressão de três vias mais forte e uniforme na zona de deformação do que a laminação e o forjamento, para que possa desempenhar totalmente a plasticidade do metal processado. Ele pode ser usado para processar metais difíceis de deformar que não podem ser processados por laminação ou forjamento e pode ser usado para fazer vários componentes complexos de seção transversal oca ou sólida.
b. Como a geometria dos perfis de alumínio pode ser variada, seus componentes apresentam 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 (R, Raz) significativamente maior do que produtos processados por outros métodos.
d. A superfície dos produtos após a extrusão apresenta boa cor e boa resistência à corrosão, eliminando a necessidade de outros tratamentos de superfície anticorrosivos.
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 designs de seções transversais podem alcançar um posicionamento preciso da soldagem.
A comparação de desempenho entre perfis de alumínio extrudado para caminhões tipo baú e aço carbono liso é apresentada na Tabela 3.
Próxima direção de desenvolvimento de perfis de liga de alumínio para caminhões tipo caixa: Melhorando ainda mais a resistência do perfil e melhorando o desempenho de extrusão. O direcionamento da pesquisa de novos materiais para perfis de liga de alumínio para caminhões tipo baú é mostrado na Figura 1.
3. Estrutura, análise de resistência e verificação do caminhão com caixa de liga de alumínio
3.1 Estrutura do caminhão caixa de liga de alumínio
O contêiner do caminhão baú consiste principalmente na montagem do painel frontal, montagem do painel lateral esquerdo e direito, montagem do painel lateral da porta traseira, montagem do piso, montagem do teto, bem como parafusos em forma de U, proteções laterais, proteções traseiras, pára-lamas e outros acessórios conectado ao chassi de segunda classe. As vigas transversais, pilares, vigas laterais e painéis das portas da carroceria são feitos de perfis extrudados de liga de alumínio, enquanto os painéis do piso e do teto são feitos de placas planas de liga de alumínio 5052. A estrutura do caminhão baú em liga de alumínio é mostrada na Figura 2.
Usando o processo de extrusão a quente da liga de alumínio da série 6 pode 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 atender aos requisitos de conexão mútua entre vários componentes. Portanto, a estrutura de projeto da viga principal e os momentos de inércia seccionais I e os momentos resistentes W são mostrados na Figura 3.
Uma comparação dos dados principais da Tabela 4 mostra que os momentos de inércia seccionais e os momentos resistentes do perfil de alumínio projetado são melhores que os dados correspondentes do perfil da 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
Tomando o principal componente de suporte de carga, a viga mestra, como objeto, a tensão máxima é calculada. 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 cantilever para cálculo de força, conforme mostrado na Figura 4.
Tomando 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 de 4,5 t; L é o comprimento da viga, mm.
Portanto, a tensão interna q é:
A fórmula de cálculo de tensão 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 da tensão máxima σ<215 MPa, que atende aos requisitos.
3.3 Características de Conexão de Vários Componentes
A liga de alumínio tem propriedades de soldagem ruins e sua resistência no ponto de soldagem é de apenas 60% da resistência do material base. Devido à cobertura de uma camada de Al2O3 na 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 do ponto de soldagem da liga de alumínio. Portanto, ao projetar um contêiner totalmente em 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 em cauda de andorinha são mostradas nas Figuras 5 e 6.
A estrutura principal do corpo em caixa totalmente em alumínio adota uma estrutura com vigas horizontais, pilares verticais, vigas laterais e vigas de borda interligadas. Existem quatro pontos de conexão entre cada viga horizontal e pilar vertical. Os pontos de conexão são equipados com juntas serrilhadas que se encaixam na borda serrilhada da viga horizontal, evitando 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 dentro da caixa para fortalecer internamente as posições dos cantos. A aparência externa da caixa não possui soldas ou pontos de conexão expostos, garantindo a aparência geral da caixa.
3.4 Tecnologia de Engenharia Síncrona SE
A tecnologia de engenharia síncrona SE é usada para resolver os problemas causados por grandes desvios de tamanho acumulados para combinar componentes no corpo da caixa e as dificuldades em encontrar as causas de lacunas e falhas de planicidade. Através da análise CAE (ver Figura 7-8), uma análise de comparação é conduzida com corpos em caixa feitos de ferro para verificar a resistência e rigidez geral do corpo em caixa, encontrar pontos fracos e tomar medidas para otimizar e melhorar o esquema de projeto de forma mais eficaz. .
4. Efeito de leveza do caminhão baú de liga de alumínio
Além da carroceria, as ligas de alumínio podem ser usadas para substituir o aço em vários componentes de contêineres tipo baú, como guarda-lamas, proteções traseiras, proteções laterais, travas de portas, dobradiças de portas e bordas do avental traseiro, obtendo uma redução de peso de 30% a 40% para o compartimento de carga. O efeito de redução de peso para um contêiner de carga vazio de 4.080 mm × 2.300 mm × 2.200 mm é mostrado na Tabela 6. Isso resolve fundamentalmente os problemas de peso excessivo, não conformidade com anúncios e riscos regulatórios dos compartimentos de carga tradicionais feitos de ferro.
Ao substituir o aço tradicional por ligas de alumínio em componentes automotivos, não só podem ser alcançados excelentes efeitos de redução de peso, mas também podem contribuir para a economia de combustível, redução de emissões e melhor desempenho do veículo. Actualmente, existem diversas opiniões sobre a contribuição da redução de peso para a poupança 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, reduzir o peso de cada automóvel de passageiros em 100 kg pode reduzir o consumo de combustível em 0,4 L/100 km. A contribuição da redução de peso para a poupança de combustível baseia-se em resultados obtidos a partir de diferentes métodos de investigação, pelo que existe alguma variação. No entanto, a redução do 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 unitária de energia 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 eléctricos representa frequentemente 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 do peso é uma forma eficaz de melhorar a autonomia de cruzeiro dos veículos elétricos. Para cada redução de peso de 100 kg, a autonomia de cruzeiro dos veículos elétricos pode ser aumentada em 6% a 11% (a relação entre redução de peso e autonomia de cruzeiro é mostrada na Figura 10). Atualmente, a autonomia de cruzeiro dos veículos puramente elétricos não consegue atender às necessidades da maioria das pessoas, mas reduzir o peso em uma certa quantidade pode melhorar significativamente a autonomia de cruzeiro, aliviando a ansiedade de autonomia e melhorando a experiência do usuário.
5.Conclusão
Além da estrutura toda em alumínio do caminhão baú de liga de alumínio apresentada neste artigo, existem vários tipos de caminhões baú, como painéis alveolares de alumínio, placas de fivela de alumínio, molduras de alumínio + revestimentos de alumínio e contêineres de carga híbridos de ferro-alumínio . Possuem as vantagens de peso leve, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, além de não necessitarem de pintura eletroforética para proteção contra corrosão, reduzindo o impacto ambiental da tinta eletroforética. O caminhão baú em liga de alumínio resolve fundamentalmente os problemas de peso excessivo, não conformidade com anúncios e riscos regulatórios dos tradicionais compartimentos de carga feitos de ferro.
A extrusão é um método de processamento essencial para ligas de alumínio, e os perfis de alumínio possuem excelentes propriedades mecânicas, de modo que a rigidez da seção dos componentes é relativamente alta. Devido à seção transversal variável, as ligas de alumínio podem atingir a combinação de múltiplas funções de componentes, tornando-as um bom material para peso leve automotivo. No entanto, a aplicação generalizada de ligas de alumínio enfrenta desafios como capacidade de design insuficiente para compartimentos de carga de ligas de alumínio, problemas de formação e soldadura e elevados custos de desenvolvimento e promoção de novos produtos. A principal razão ainda é que a liga de alumínio custa mais que o aço antes que a ecologia de reciclagem das ligas de alumínio amadureça.
Concluindo, o escopo de aplicação das ligas de alumínio em automóveis se tornará mais amplo e seu uso continuará a aumentar. Nas tendências atuais de economia de energia, redução de emissões e desenvolvimento da nova indústria de veículos energéticos, com o aprofundamento da compreensão das propriedades da liga de alumínio e soluções eficazes para problemas de aplicação de ligas de alumínio, os materiais de extrusão de alumínio serão mais amplamente utilizados na redução de peso automotivo.
Editado por May Jiang da MAT Aluminium
Horário da postagem: 12 de janeiro de 2024
