1. Introduzione
L'alleggerimentu di l'automobile hà cuminciatu in i paesi sviluppati è hè statu inizialmente guidatu da i giganti tradiziunali di l'automobile. Cù un sviluppu cuntinuu, hà guadagnatu un impulsu significativu. Da u mumentu chì l'Indiani anu utilizatu per a prima volta a lega d'aluminiu per pruduce alberi motore per automobili à a prima pruduzzione di massa di vitture interamente in aluminiu da parte di Audi in u 1999, a lega d'aluminiu hà vistu una crescita robusta in l'applicazioni automobilistiche per via di i so vantaghji cum'è a bassa densità, l'alta resistenza specifica è a rigidità, a bona elasticità è a resistenza à l'impattu, l'alta riciclabilità è l'altu tassu di rigenerazione. In u 2015, a proporzione di l'applicazione di a lega d'aluminiu in l'automobile avia digià superatu u 35%.
L'alleggerimentu di l'automobile in Cina hà cuminciatu menu di 10 anni fà, è sia a tecnulugia sia u livellu d'applicazione sò in ritardu rispetto à i paesi sviluppati cum'è a Germania, i Stati Uniti è u Giappone. Tuttavia, cù u sviluppu di i veiculi à nova energia, l'alleggerimentu di i materiali avanza rapidamente. Sfruttendu l'ascesa di i veiculi à nova energia, a tecnulugia cinese di l'alleggerimentu di l'automobile mostra una tendenza à ghjunghje à u livellu di i paesi sviluppati.
U mercatu cinese di i materiali leggeri hè vastu. Da una parte, paragunatu à i paesi sviluppati à l'esteru, a tecnulugia di alleggerimentu di a Cina hà cuminciatu tardi, è u pesu generale di u veiculu hè più grande. Cunsiderendu u benchmark di a proporzione di materiali leggeri in i paesi stranieri, ci hè sempre assai spaziu per u sviluppu in Cina. Da l'altra parte, guidatu da e pulitiche, u rapidu sviluppu di l'industria cinese di i veiculi à nova energia aumenterà a dumanda di materiali leggeri è incuraghjerà e cumpagnie automobilistiche à passà à l'alleggerimentu.
U migliuramentu di e norme d'emissioni è di cunsumu di carburante forza l'accelerazione di l'alleggerimentu di l'automobile. A Cina hà implementatu cumpletamente e norme d'emissioni China VI in u 2020. Sicondu u "Metudu di Valutazione è Indicatori per u Cunsumu di Carburante di e Vetture Passageri" è a "Carta Stradale per u Risparmiu Energeticu è a Tecnulugia di i Veiculi à Nova Energia", a norma di cunsumu di carburante di 5,0 L/km. Tenendu contu di u spaziu limitatu per scoperte sustanziali in a tecnulugia di i motori è a riduzione di l'emissioni, l'adopzione di misure per i cumpunenti automobilistici alleggeriti pò riduce efficacemente l'emissioni di i veiculi è u cunsumu di carburante. L'alleggerimentu di i veiculi à nova energia hè diventatu una via essenziale per u sviluppu di l'industria.
In u 2016, a Società Cinese di l'Ingegneria Automotiva hà publicatu a "Carta di Strada per u Risparmiu Energeticu è a Tecnulugia di i Veiculi à Nova Energia", chì pianificava fattori cum'è u cunsumu energeticu, l'autonomia di crociera è i materiali di fabricazione per i veiculi à nova energia da u 2020 à u 2030. L'alleggerimentu serà una direzzione chjave per u sviluppu futuru di i veiculi à nova energia. L'alleggerimentu pò aumentà l'autonomia di crociera è risolve l'"ansietà di l'autonomia" in i veiculi à nova energia. Cù a crescente dumanda di autonomia di crociera estesa, l'alleggerimentu automobilisticu diventa urgente, è e vendite di veiculi à nova energia sò cresciute significativamente in l'ultimi anni. Sicondu i requisiti di u sistema di puntuazione è u "Pianu di Sviluppu à Mediu è Lungu Termine per l'Industria Automotiva", si stima chì da u 2025, e vendite cinesi di veiculi à nova energia supereranu i 6 milioni di unità, cù un tassu di crescita annuale cumpostu superiore à u 38%.
2. Caratteristiche è applicazioni di a lega d'aluminiu
2.1 Caratteristiche di a lega d'aluminiu
A densità di l'aluminiu hè un terzu di quella di l'acciaiu, ciò chì u rende più ligeru. Hà una resistenza specifica più alta, una bona capacità di estrusione, una forte resistenza à a corrosione è una alta riciclabilità. E leghe d'aluminiu sò carattarizate da esse principalmente cumposte di magnesiu, chì mostranu una bona resistenza à u calore, bone proprietà di saldatura, una bona resistenza à a fatica, l'incapacità di esse rinfurzate da u trattamentu termicu è a capacità di aumentà a resistenza per via di a lavorazione à fretu. A serie 6 hè carattarizata da esse principalmente cumposta di magnesiu è siliciu, cù Mg2Si cum'è a principale fase di rinfurzamentu. E leghe più aduprate in questa categuria sò 6063, 6061 è 6005A. A piastra d'aluminiu 5052 hè una piastra d'aluminiu in lega di serie AL-Mg, cù u magnesiu cum'è principale elementu di lega. Hè a lega d'aluminiu antiruggine più aduprata. Questa lega hà alta resistenza, alta resistenza à a fatica, bona plasticità è resistenza à a corrosione, ùn pò esse rinfurzata da u trattamentu termicu, hà una bona plasticità in l'indurimentu à semi-fretu, bassa plasticità in l'indurimentu à fretu, bona resistenza à a corrosione è bone proprietà di saldatura. Hè principalmente adupratu per cumpunenti cum'è pannelli laterali, coperture di tettu è pannelli di porta. A lega d'aluminiu 6063 hè una lega di rinforzu trattabile termicamente in a serie AL-Mg-Si, cù magnesiu è siliciu cum'è principali elementi di lega. Hè un prufilu di lega d'aluminiu di rinforzu trattabile termicamente cù una resistenza media, principalmente adupratu in cumpunenti strutturali cum'è colonne è pannelli laterali per purtà a resistenza. Una introduzione à i gradi di lega d'aluminiu hè mostrata in a Tabella 1.
2.2 L'estrusione hè un metudu impurtante di furmazione di lega d'aluminiu
L'estrusione di lega d'aluminiu hè un metudu di furmazione à caldu, è tuttu u prucessu di pruduzzione implica a furmazione di lega d'aluminiu sottu à una tensione di cumpressione à trè vie. Tuttu u prucessu di pruduzzione pò esse discrittu cusì: a. L'aluminiu è altre leghe sò fuse è colate in e billette di lega d'aluminiu richieste; b. E billette preriscaldate sò messe in l'attrezzatura di estrusione per l'estrusione. Sottu l'azione di u cilindru principale, a billetta di lega d'aluminiu hè furmata in i profili richiesti attraversu a cavità di u stampu; c. Per migliurà e proprietà meccaniche di i profili d'aluminiu, u trattamentu in suluzione hè realizatu durante o dopu l'estrusione, seguitu da un trattamentu d'invecchiamentu. E proprietà meccaniche dopu u trattamentu d'invecchiamentu varianu secondu i diversi materiali è i regimi d'invecchiamentu. U statutu di trattamentu termicu di i profili di camion di tipu scatula hè mostratu in a Tabella 2.
I prudutti estrusi in lega d'aluminiu anu parechji vantaghji rispetto à altri metudi di furmazione:
a. Durante l'estrusione, u metallu estrusu ottiene una tensione di compressione trilaterale più forte è più uniforme in a zona di deformazione chè a laminazione è a forgiatura, cusì pò ghjucà cumpletamente a plasticità di u metallu trasfurmatu. Pò esse adupratu per trasfurmà metalli difficiuli da deformà chì ùn ponu esse trasfurmati per laminazione o forgiatura è pò esse adupratu per fà diversi cumpunenti cumplessi di sezione trasversale cava o solida.
b. Siccomu a geometria di i profili d'aluminiu pò esse variata, i so cumpunenti anu una rigidità elevata, chì pò migliurà a rigidità di a carrozzeria di u veiculu, riduce e so caratteristiche NVH è migliurà e caratteristiche di cuntrollu dinamicu di u veiculu.
c. I prudutti cù efficienza di estrusione, dopu a tempra è l'invecchiamentu, anu una resistenza longitudinale significativamente più alta (R, Raz) cà i prudutti trasfurmati cù altri metudi.
d. A superficia di i prudutti dopu l'estrusione hà un bon culore è una bona resistenza à a currusione, eliminendu a necessità di altri trattamenti di superficia anticorrosione.
e. U trattamentu di l'estrusione hà una grande flessibilità, bassi costi di utensili è di stampi, è bassi costi di cambiamentu di cuncepimentu.
f. A causa di a cuntrollabilità di e sezioni trasversali di u prufilu in aluminiu, u gradu d'integrazione di i cumpunenti pò esse aumentatu, u numeru di cumpunenti pò esse riduttu, è diversi disinni di sezioni trasversali ponu ottene un pusizionamentu precisu di saldatura.
A paragone di e prestazioni trà i profili d'aluminiu estrusu per i camion di tipu scatula è l'acciaiu à u carbone pianu hè mostrata in a Tabella 3.
Prossima Direzzione di Sviluppu di i Profili in Lega d'Alluminiu per Camion di Tipu Scatola: Miglioramentu ulteriore di a resistenza di u prufilu è miglioramentu di e prestazioni di estrusione. A direzzione di ricerca di novi materiali per i profili in lega d'aluminiu per camion di tipu scatola hè mostrata in a Figura 1.
3. Struttura di u camion di scatula in lega d'aluminiu, analisi di forza è verificazione
3.1 Struttura di camion in lega d'aluminiu
U container di u camionu hè custituitu principalmente da u gruppu di pannelli frontali, u gruppu di pannelli laterali sinistro è destro, u gruppu di pannelli laterali di a porta posteriore, u gruppu di u pianu, u gruppu di u tettu, è ancu da bulloni in forma di U, protezioni laterali, protezioni posteriori, parafanghi è altri accessori cunnessi à u chassis di seconda classe. E travi trasversali di a carrozzeria, i pilastri, e travi laterali è i pannelli di e porte sò fatti di profili estrusi in lega d'aluminiu, mentre chì i pannelli di u pianu è di u tettu sò fatti di piastre piane in lega d'aluminiu 5052. A struttura di u camionu in lega d'aluminiu hè mostrata in a Figura 2.
L'usu di u prucessu d'estrusione à caldu di a lega d'aluminiu di a serie 6 pò furmà sezioni trasversali cave cumplesse, un cuncepimentu di profili d'aluminiu cù sezioni trasversali cumplesse pò risparmià materiali, risponde à i requisiti di resistenza è rigidità di u produttu, è risponde à i requisiti di cunnessione mutuale trà i vari cumpunenti. Dunque, a struttura di cuncepimentu di a trave principale è i momenti d'inerzia sezionali I è i momenti resistenti W sò mostrati in a Figura 3.
Una paragone di i dati principali in a Tavula 4 mostra chì i mumenti d'inerzia sezionali è i mumenti resistenti di u prufilu d'aluminiu cuncipitu sò megliu cà i dati currispondenti di u prufilu di trave in ferru. I dati di u coefficientu di rigidità sò più o menu listessi à quelli di u prufilu di trave in ferru currispundente, è tutti rispondenu à i requisiti di deformazione.
3.2 Calculu di a tensione massima
Pigliendu u cumpunente chjave di supportu di carica, a trave trasversale, cum'è ughjettu, a tensione massima hè calculata. A carica nominale hè 1,5 t, è a trave trasversale hè fatta di prufilu di lega d'aluminiu 6063-T6 cù proprietà meccaniche cum'è mostratu in a Tabella 5. A trave hè simplificata cum'è una struttura à sbalzo per u calculu di a forza, cum'è mostratu in a Figura 4.
Pigliendu una trave di 344 mm di campata, u caricu di compressione nantu à a trave hè calculatu cum'è F = 3757 N basatu annantu à 4,5 t, chì hè trè volte u caricu staticu standard. q = F / L
induve q hè a tensione interna di a trave sottu à carica, N/mm; F hè a carica purtata da a trave, calculata basendu si nantu à 3 volte a carica statica standard, chì hè 4,5 t; L hè a lunghezza di a trave, mm.
Dunque, a tensione interna q hè:
A formula di calculu di u stress hè a seguente:
U mumentu massimu hè:
Pigliendu u valore assulutu di u mumentu, M=274283 N·mm, a tensione massima σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, è u valore di tensione massima σ<215 MPa, chì risponde à i requisiti.
3.3 Caratteristiche di cunnessione di diversi cumpunenti
A lega d'aluminiu hà proprietà di saldatura scadenti, è a so resistenza di u puntu di saldatura hè solu u 60% di a resistenza di u materiale di basa. A causa di a cupertura di un stratu di Al2O3 nantu à a superficia di a lega d'aluminiu, u puntu di fusione di Al2O3 hè altu, mentre chì u puntu di fusione di l'aluminiu hè bassu. Quandu a lega d'aluminiu hè saldata, l'Al2O3 nantu à a superficia deve esse rottu rapidamente per eseguisce a saldatura. À u listessu tempu, u residu di Al2O3 resterà in a suluzione di lega d'aluminiu, affettendu a struttura di a lega d'aluminiu è riducendu a resistenza di u puntu di saldatura di a lega d'aluminiu. Dunque, quandu si cuncepisce un cuntainer tuttu in aluminiu, queste caratteristiche sò pienamente cunsiderate. A saldatura hè u principale metudu di pusizionamentu, è i principali cumpunenti portanti sò cunnessi da bulloni. Cunnessioni cum'è rivettatura è struttura à coda di rondine sò mostrate in e Figure 5 è 6.
A struttura principale di u corpu di a scatula tuttu in aluminiu adotta una struttura cù travi urizzuntali, pilastri verticali, travi laterali è travi di bordu chì si interbloccanu trà di elli. Ci sò quattru punti di cunnessione trà ogni trave urizzuntale è pilastru verticale. I punti di cunnessione sò dotati di guarnizioni seghettate per ingranare cù u bordu seghettatu di a trave urizzuntale, impedendu efficacemente u scorrimentu. L'ottu punti d'angulu sò principalmente cunnessi da inserti cù anima d'acciaiu, fissati cù bulloni è rivetti autobloccanti, è rinforzati da piastre d'aluminiu triangolari di 5 mm saldate à l'internu di a scatula per rinfurzà e pusizioni di l'angulu internamente. L'aspettu esternu di a scatula ùn hà micca saldature o punti di cunnessione esposti, assicurendu l'aspettu generale di a scatula.
3.4 SE Tecnulugia di Ingegneria Sincrona
A tecnulugia d'ingegneria sincrona SE hè aduprata per risolve i prublemi causati da grandi deviazioni di dimensione accumulate per i cumpunenti currispondenti in u corpu di a scatula è e difficultà à truvà e cause di lacune è guasti di planarità. Attraversu l'analisi CAE (vede Figura 7-8), un'analisi di paragone hè realizata cù corpi di scatula in ferru per verificà a resistenza è a rigidità generale di u corpu di a scatula, truvà punti debuli è piglià misure per ottimizà è migliurà u schema di cuncepimentu in modu più efficace.
4. Effettu di ligera di u camion di scatula in lega d'aluminiu
In più di a carrozzeria, e leghe d'aluminiu ponu esse aduprate per rimpiazzà l'acciaiu per diversi cumpunenti di i container di camion di tipu scatula, cum'è i parafanghi, e guardie posteriori, e guardie laterali, i serrature di e porte, e cerniere di e porte è i bordi di u grembiule posteriore, ottenendu una riduzione di pesu di u 30% à u 40% per u compartimentu di carica. L'effettu di riduzione di u pesu per un container di carica viotu di 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm hè mostratu in a Tabella 6. Questu risolve fundamentalmente i prublemi di pesu eccessivu, a non conformità cù l'annunzii è i risichi regulatori di i compartimenti di carica tradiziunali in ferru.
Rimpiazzendu l'acciaiu tradiziunale cù leghe d'aluminiu per i cumpunenti automobilistici, ùn solu si ponu ottene eccellenti effetti di alleggerimentu, ma pò ancu cuntribuisce à u risparmiu di carburante, à a riduzione di l'emissioni è à u miglioramentu di e prestazioni di i veiculi. Attualmente, ci sò diverse opinioni nantu à u cuntributu di l'alleggerimentu à u risparmiu di carburante. I risultati di a ricerca di l'Istitutu Internaziunale di l'Aluminiu sò mostrati in a Figura 9. Ogni riduzione di 10% di u pesu di u veiculu pò riduce u cunsumu di carburante da 6% à 8%. Basatu annantu à e statistiche naziunali, riduce u pesu di ogni vittura di 100 kg pò riduce u cunsumu di carburante di 0,4 L/100 km. U cuntributu di l'alleggerimentu à u risparmiu di carburante hè basatu annantu à i risultati ottenuti da diversi metudi di ricerca, dunque ci hè qualchì variazione. Tuttavia, l'alleggerimentu automobilisticu hà un impattu significativu nantu à a riduzione di u cunsumu di carburante.
Per i veiculi elettrichi, l'effettu di alleggerimentu hè ancu più pronunciatu. Attualmente, a densità energetica unitaria di e batterie di i veiculi elettrichi hè significativamente diversa da quella di i veiculi tradiziunali à carburante liquidu. U pesu di u sistema di alimentazione (cumprese a batteria) di i veiculi elettrichi rapprisenta spessu da u 20% à u 30% di u pesu tutale di u veiculu. Simultaneamente, superà u collu di buttiglia di e prestazioni di e batterie hè una sfida mundiale. Prima chì ci sia una grande svolta in a tecnulugia di e batterie ad alte prestazioni, l'alleggerimentu hè un modu efficace per migliurà l'autonomia di crociera di i veiculi elettrichi. Per ogni riduzione di 100 kg di pesu, l'autonomia di crociera di i veiculi elettrichi pò esse aumentata da u 6% à l'11% (a relazione trà a riduzione di u pesu è l'autonomia di crociera hè mostrata in a Figura 10). Attualmente, l'autonomia di crociera di i veiculi puramente elettrichi ùn pò micca risponde à i bisogni di a maiò parte di e persone, ma riduce u pesu di una certa quantità pò migliurà significativamente l'autonomia di crociera, alleviendu l'ansietà di l'autonomia è migliurendu l'esperienza di l'utente.
5. Cunclusione
In più di a struttura interamente in alluminio di u camion in lega d'aluminiu presentatu in questu articulu, ci sò vari tipi di camion, cum'è pannelli à nido d'ape in alluminio, piastre à fibbia in alluminio, telai in alluminio + pelli in alluminio è container ibridi ferru-aluminiu. Anu i vantaghji di pesu ligeru, alta resistenza specifica è bona resistenza à a corrosione, è ùn necessitanu micca pittura elettroforetica per a prutezzione da a corrosione, riducendu l'impattu ambientale di a pittura elettroforetica. U camion in lega d'aluminiu risolve fundamentalmente i prublemi di pesu eccessivu, non conformità cù l'annunzii è risichi regulatori di i compartimenti di carica tradiziunali in ferru.
L'estrusione hè un metudu di trasfurmazione essenziale per e leghe d'aluminiu, è i profili d'aluminiu anu eccellenti proprietà meccaniche, dunque a rigidità di a sezione di i cumpunenti hè relativamente alta. A causa di a sezione trasversale variabile, e leghe d'aluminiu ponu ottene a cumbinazione di parechje funzioni di cumpunenti, ciò chì ne face un bon materiale per u ligeramentu di l'automobile. Tuttavia, l'applicazione diffusa di e leghe d'aluminiu si trova di fronte à sfide cum'è a capacità di cuncepimentu insufficiente per i compartimenti di carica in lega d'aluminiu, prublemi di furmazione è saldatura, è alti costi di sviluppu è prumuzione per i novi prudutti. A ragione principale hè sempre chì a lega d'aluminiu costa di più cà l'acciaiu prima chì l'ecologia di riciclaggio di e leghe d'aluminiu diventi matura.
In cunclusione, u campu d'applicazione di e leghe d'aluminiu in l'automobile diventerà più largu, è u so usu cuntinuerà à cresce. In e tendenze attuali di risparmiu energeticu, riduzione di l'emissioni è u sviluppu di a nova industria di i veiculi energetichi, cù a cunniscenza più approfondita di e proprietà di e leghe d'aluminiu è e soluzioni efficaci à i prublemi d'applicazione di e leghe d'aluminiu, i materiali d'estrusione d'aluminiu saranu più largamente aduprati in l'alleggerimentu automobilisticu.
Editatu da May Jiang da MAT Aluminum
Data di publicazione: 12 di ghjennaghju di u 2024
