1.Introdução
O peso leve automotivo começou em países desenvolvidos e foi inicialmente liderado por gigantes automotivos tradicionais. Com o desenvolvimento contínuo, ele ganhou impulso significativo. Desde o momento em que os índios usaram a liga de alumínio pela primeira vez para produzir eixos de manivela automotivos para a primeira produção em massa de carros em alumínio da Audi, em 1999, a liga de alumínio teve um crescimento robusto em aplicações automotivas devido a suas vantagens, como baixa densidade, alta resistência e rigidez específica, Boa elasticidade e resistência ao impacto, alta reciclabilidade e alta taxa de regeneração. Até 2015, a proporção de aplicação de liga de alumínio em automóveis já havia excedido 35%.
A peso leve automotivo da China começou há menos de 10 anos, e o atraso no nível de tecnologia e no nível de aplicação por trás de países desenvolvidos como Alemanha, Estados Unidos e Japão. No entanto, com o desenvolvimento de novos veículos energéticos, o material leve está progredindo rapidamente. Aproveitando a ascensão de novos veículos de energia, a tecnologia leve automotiva da China está mostrando uma tendência de acompanhar os países desenvolvidos.
O mercado de materiais leves da China é vasto. Por um lado, em comparação com os países desenvolvidos no exterior, a tecnologia leve da China começou tarde e o peso geral do meio -fio é maior. Considerando a referência da proporção dos materiais leves em países estrangeiros, ainda há amplo espaço para o desenvolvimento na China. Por outro lado, impulsionado por políticas, o rápido desenvolvimento da nova indústria de veículos energéticos da China aumentará a demanda por materiais leves e incentivará as empresas automotivas a avançarem para a leveza.
A melhoria dos padrões de emissão e consumo de combustível está forçando a aceleração do peso leve 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 carros de passageiros” e “Roteiro de economia de energia e tecnologia de veículos novos”, o padrão de consumo de combustível de 5,0 L/km. Levando em consideração o espaço limitado para avanços substanciais na tecnologia do motor e redução de emissões, a adoção de medidas para componentes automotivos leves pode reduzir efetivamente as emissões de veículos e o consumo de combustível. A leveza de novos veículos energéticos se tornou um caminho essencial para o desenvolvimento da indústria.
Em 2016, a China Automotive Engineering Society emitiu o “Roteiro de Tecnologia de Veículos de Energia e Nova Energia”, que planejava fatores como consumo de energia, alcance de cruzeiro e materiais de fabricação para novos veículos de energia de 2020 a 2030. Para o desenvolvimento futuro de novos veículos energéticos. A peso leve pode aumentar a faixa de cruzeiro e abordar a “ansiedade do alcance” em novos veículos energéticos. Com a crescente demanda por um alcance prolongado de cruzeiro, a peso leve automotivo se torna urgente e as vendas de novos veículos energéticos cresceram significativamente nos últimos anos. De acordo com os requisitos do sistema de pontuação e o "plano de desenvolvimento de meio a longo prazo para a indústria automotiva", estima-se que, até 2025, as vendas da China de novos veículos de energia excederão 6 milhões de unidades, com um crescimento anual composto taxa superior a 38%.
2. Características e aplicações de liga de alumínio
2.1 Características da liga de alumínio
A densidade do alumínio é um terço da de aço, tornando-o mais leve. Possui maior força específica, boa capacidade de extrusão, forte resistência à corrosão e alta reciclabilidade. As ligas de alumínio são caracterizadas por serem compostas principalmente por magnésio, exibindo boa resistência ao calor, boas propriedades de soldagem, boa força de fadiga, incapacidade de serem fortalecidas pelo tratamento térmico e a capacidade de aumentar a força através do trabalho de frio. A série 6 é caracterizada por ser composta principalmente de magnésio e silício, com MG2SI como a principal fase de fortalecimento. As ligas mais usadas nesta categoria são 6063, 6061 e 6005A. A placa de alumínio 5052 é uma placa de alumínio de liga da série Al-MG, com magnésio como o principal elemento de liga. É a liga de alumínio anti-Rust mais usada. Essa liga tem alta resistência, alta resistência à fadiga, boa plasticidade e resistência à corrosão, não pode ser fortalecida pelo tratamento térmico, tem boa plasticidade no endurecimento do trabalho semi-frio, baixa plasticidade no endurecimento do trabalho a frio, boa resistência à corrosão e boas propriedades de soldagem. É usado principalmente para componentes como painéis laterais, tampas de teto e painéis de portas. A liga de alumínio 6063 é uma liga de fortalecimento tratável térmico na série Al-MG-Si, com magnésio e silício como os principais elementos de liga. É um perfil de liga de alumínio de fortalecimento tratável térmico com resistência média, usada principalmente em componentes estruturais, como colunas e painéis laterais, para transportar força. 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 formação quente, e todo o processo de produção envolve a formação de liga de alumínio sob tensão compressiva de três vias. Todo o processo de produção pode ser descrito da seguinte forma: a. O alumínio e outras ligas são derretidas e lançadas 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 da 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 pelo tratamento com envelhecimento. As propriedades mecânicas após o tratamento do envelhecimento variam de acordo com diferentes materiais e regimes de envelhecimento. O status de tratamento térmico dos perfis de caminhão do tipo caixa é mostrado na Tabela 2.
Os produtos extrudados em liga de alumínio têm várias vantagens sobre outros métodos de formação:
um. Durante a extrusão, o metal extrudado obtém uma tensão compressiva de três vias mais forte e uniforme na zona de deformação do que o rolamento e o forjamento, para que possa tocar completamente a plasticidade do metal processado. Ele pode ser usado para processar metais difíceis de deformar que não podem ser processados por rolamento ou forjamento e podem ser usados para criar vários 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 do corpo do veículo, reduzir suas características de NVH e melhorar as características de controle dinâmico do veículo.
c. Os produtos com eficiência de extrusão, após a têmpera e o envelhecimento, apresentam resistência longitudinal significativamente maior (R, RAZ) do que os 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 da superfície anticorrosão.
e. O processamento de extrusão tem grande flexibilidade, baixos custos de ferramentas e mofo e baixos custos de mudança de projeto.
f. Devido à controlabilidade das seções transversais do perfil de alumínio, o grau de integração de componentes pode ser aumentado, o número de componentes pode ser reduzido e diferentes projetos de seção transversal podem obter posicionamento preciso de soldagem.
A comparação de desempenho entre perfis de alumínio extrudados para caminhões do tipo caixa e aço carbono simples é mostrado na Tabela 3.
Próxima direção de desenvolvimento dos perfis de liga de alumínio para caminhões do tipo caixa: melhorando ainda mais a força do perfil e aumentando o desempenho da extrusão. A direção de pesquisa de novos materiais para perfis de liga de alumínio para caminhões do tipo caixa é mostrada na Figura 1.
3. Alumínio da estrutura da caixa de ligas, análise de força e verificação
3.1 Estrutura de caminhão de caixa de liga de alumínio
O recipiente de caminhão da caixa consiste principalmente no conjunto do painel frontal, conjunto do painel lateral esquerdo e direito, conjunto do painel lateral da porta traseira, conjunto do piso, conjunto do telhado, bem como parafusos em forma de U, guardas laterais, guardas traseiros, retalhos de lama e outros acessórios conectado ao chassi de segunda classe. As vigas cruzadas da caixa da caixa, pilares, vigas laterais e painéis de portas são feitos de perfis extrudados em liga de alumínio, enquanto os painéis de piso e teto são feitos de placas planas de liga de alumínio 5052. A estrutura do caminhão de caixa de 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 design de perfis de alumínio com seções transversais complexas pode salvar materiais, atender aos requisitos de força e rigidez do produto e atender aos requisitos de conexão mútua entre vários componentes. Portanto, a estrutura principal do projeto do feixe e os momentos seccionais da inércia I e os momentos de resistência W são mostrados na Figura 3.
Uma comparação dos principais dados da Tabela 4 mostra que os momentos seccionais de inércia e os momentos de resistência ao perfil de alumínio projetados são melhores do que os dados correspondentes do perfil de feixe feito por ferro. Os dados do coeficiente de rigidez são aproximadamente os mesmos do perfil de feixe fabricado em ferro e todos atendem aos requisitos de deformação.
3.2 Cálculo máximo de tensão
Tomando o componente chave de carga, o cruzamento, como o objeto, a tensão máxima é calculada. A carga nominal é de 1,5 T e o crus de liga de alumínio 6063-T6 com propriedades mecânicas, como mostrado na Tabela 5. O feixe é simplificado como uma estrutura de cantilever para o cálculo da força, como mostra a Figura 4.
Tomando um feixe de extensão de 344 mm, a carga compressiva na viga é calculada como F = 3757 N com base em 4,5T, que é três vezes a carga estática padrão. q = f/l
onde q é o estresse interno do feixe sob a carga, n/mm; F é a carga carregada pelo feixe, calculada com base em 3 vezes a carga estática padrão, que é 4,5 t; L é o comprimento do feixe, mm.
Portanto, o estresse interno 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 máximo de tensão σ <215 MPa, que atende aos requisitos.
3.3 Características de conexão de vários componentes
A liga de alumínio possui más propriedades de soldagem e sua força de ponto de soldagem é de apenas 60% da força do material base. Devido à cobertura de uma camada de Al2O3 na superfície da liga de alumínio, o ponto de fusão de 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 soldagem. Ao mesmo tempo, o resíduo de Al2O3 permanecerá na solução de liga de alumínio, afetando a estrutura da liga de alumínio e reduzindo a força do ponto de soldagem da liga de alumínio. Portanto, ao projetar um recipiente de alumínio, essas características são totalmente consideradas. A soldagem é o principal método de posicionamento e os principais componentes de carga são conectados por parafusos. Conexões como rebite e estrutura de cauda de encaixe são mostradas nas Figuras 5 e 6.
A estrutura principal do corpo da caixa de alumínio totalmente adota uma estrutura com vigas horizontais, pilares verticais, vigas laterais e vigas de borda entrelaçadas entre si. Existem quatro pontos de conexão entre cada feixe horizontal e pilar vertical. Os pontos de conexão são equipados com juntas serrilhadas para combater a borda serrilhada do feixe horizontal, impedindo efetivamente o deslizamento. Os oito pontos de canto são conectados principalmente por inserções de núcleo de aço, fixadas com parafusos e rebites de bloqueio automático e reforçados por placas de alumínio triangular de 5 mm soldadas dentro da caixa para fortalecer as posições de canto internamente. A aparência externa da caixa não possui pontos de soldagem ou conexão expostos, garantindo a aparência geral da caixa.
3.4 Tecnologia de engenharia síncrona SE
A tecnologia de engenharia síncrona de SE é usada para resolver os problemas causados por grandes desvios de tamanho acumulado para corresponder componentes no corpo da caixa e as dificuldades em encontrar as causas de lacunas e falhas de planicidade. Através da análise do CAE (veja a Figura 7-8), uma análise de comparação é realizada com corpos de caixa fabricada com ferro para verificar a força e a rigidez geral do corpo da caixa, encontrar pontos fracos e tomar medidas para otimizar e melhorar o esquema de design com mais eficácia .
4. Efeito leve do caminhão de caixa de liga de alumínio
Além do corpo da caixa, as ligas de alumínio podem ser usadas para substituir o aço para vários componentes de recipientes de caminhões do tipo caixa, como guarda de 30% a 40% para o compartimento de carga. O efeito de redução de peso para um recipiente de carga vazia de 4080 mm × 2300mm × 2200mm é mostrado na Tabela 6. Isso resolve fundamentalmente os problemas de peso excessivo, não conformidade com anúncios e riscos regulatórios de compartimentos tradicionais de carga fabricados em ferro.
Ao substituir o aço tradicional por ligas de alumínio para componentes automotivos, não apenas podem ser alcançados excelentes efeitos leves, mas também pode contribuir para economia de combustível, redução de emissões e melhor desempenho do veículo. Atualmente, existem várias opiniões sobre a contribuição do peso leve para a economia de combustível. Os resultados da pesquisa do Instituto Internacional de Alumínio são mostrados na Figura 9. A cada redução de 10% no peso do veículo, pode reduzir o consumo de combustível em 6% a 8%. Com base nas estatísticas domésticas, reduzir o peso de cada carro de passageiro em 100 kg pode reduzir o consumo de combustível em 0,4 L/100 km. A contribuição do peso leve para a economia de combustível é baseada nos resultados obtidos de diferentes métodos de pesquisa, portanto, há alguma variação. No entanto, a peso leve automotivo tem um impacto significativo na redução do consumo de combustível.
Para veículos elétricos, o efeito leve é ainda mais pronunciado. Atualmente, a densidade de energia unitária das baterias de energia de veículos elétricos é significativamente diferente da dos veículos tradicionais de combustível líquido. O peso do sistema de energia (incluindo a bateria) de veículos elétricos geralmente representa 20% a 30% do peso total do veículo. Simultaneamente, romper o gargalo de baterias é um desafio mundial. Antes de haver um grande avanço na tecnologia de bateria de alto desempenho, a peso leve é uma maneira eficaz de melhorar a faixa de cruzeiro de veículos elétricos. Para cada redução de 100 kg de peso, a faixa de cruzeiro de veículos elétricos pode ser aumentada em 6% a 11% (a relação entre redução de peso e faixa de cruzeiro é mostrada na Figura 10). Atualmente, a gama de cruzeiros de veículos elétricos puros não pode atender às necessidades da maioria das pessoas, mas reduzir o peso em uma certa quantia pode melhorar significativamente a faixa de cruzeiro, diminuindo a ansiedade da faixa e melhorando a experiência do usuário.
5.Clusão
Além da estrutura de alumínio do caminhão de caixa de liga de alumínio introduzido neste artigo, existem vários tipos de caminhões de caixa, como painéis de favo de mel em alumínio, placas de fivela de alumínio, armações de alumínio + peles de alumínio e recipientes híbridos de alumínio de ferro-alumínio . Eles têm as vantagens de peso leve, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, e não requerem tinta eletroforética para proteção contra corrosão, reduzindo o impacto ambiental da tinta eletroforética. O caminhão de caixa da liga de alumínio resolve fundamentalmente os problemas de peso excessivo, não conformidade com anúncios e riscos regulatórios de compartimentos tradicionais de carga fabricados em ferro.
A extrusão é um método essencial de processamento para ligas de alumínio, e os perfis de alumínio têm excelentes propriedades mecânicas; portanto, a rigidez da seção dos componentes é relativamente alta. Devido à seção transversal variável, as ligas de alumínio podem atingir a combinação de funções de múltiplos componentes, tornando-o um bom material para a peso leve automotivo. No entanto, a aplicação generalizada de ligas de alumínio enfrenta desafios, como capacidade de projeto insuficiente para compartimentos de carga de liga de alumínio, problemas de formação e soldagem e altos custos de desenvolvimento e promoção para novos produtos. O principal motivo ainda é que a liga de alumínio custa mais do que aço antes que a ecologia da reciclagem de ligas de alumínio se torne madura.
Em conclusão, o escopo da aplicação das ligas de alumínio em automóveis se tornará mais amplo e seu uso continuará aumentando. Nas tendências atuais de economia de energia, redução de emissões e desenvolvimento da nova indústria de veículos energéticos, com o aprofundamento do entendimento das propriedades da liga de alumínio e soluções eficazes para problemas de aplicação de liga de alumínio, os materiais de extrusão de alumínio serão mais amplamente utilizados na peso leve automotivo.
Editado por May Jiang de Mat Aluminium
Horário de postagem: janeiro-12-2024
