1. Giới thiệu
Việc giảm trọng lượng ô tô bắt đầu ở các nước phát triển và ban đầu được dẫn dắt bởi các tập đoàn ô tô truyền thống. Với sự phát triển liên tục, nó đã đạt được đà tăng trưởng đáng kể. Từ khi người Ấn Độ lần đầu tiên sử dụng hợp kim nhôm để sản xuất trục khuỷu ô tô cho đến khi Audi sản xuất hàng loạt xe hoàn toàn bằng nhôm vào năm 1999, hợp kim nhôm đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ trong các ứng dụng ô tô nhờ những ưu điểm như mật độ thấp, độ bền và độ cứng riêng cao, độ đàn hồi và khả năng chống va đập tốt, khả năng tái chế cao và tốc độ tái sinh cao. Đến năm 2015, tỷ lệ ứng dụng của hợp kim nhôm trong ô tô đã vượt quá 35%.
Công nghệ giảm trọng lượng ô tô của Trung Quốc mới chỉ bắt đầu cách đây chưa đầy 10 năm, và cả công nghệ lẫn trình độ ứng dụng đều còn lạc hậu so với các nước phát triển như Đức, Hoa Kỳ và Nhật Bản. Tuy nhiên, với sự phát triển của xe năng lượng mới, công nghệ giảm trọng lượng vật liệu đang tiến triển nhanh chóng. Tận dụng sự phát triển của xe năng lượng mới, công nghệ giảm trọng lượng ô tô của Trung Quốc đang cho thấy xu hướng bắt kịp các nước phát triển.
Thị trường vật liệu nhẹ của Trung Quốc rất rộng lớn. Một mặt, so với các nước phát triển trên thế giới, công nghệ giảm trọng lượng của Trung Quốc khởi đầu khá muộn, và tổng trọng lượng xe lớn hơn. Xét về tỷ lệ vật liệu nhẹ so với các nước khác, Trung Quốc vẫn còn nhiều dư địa phát triển. Mặt khác, nhờ các chính sách thúc đẩy, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe năng lượng mới của Trung Quốc sẽ thúc đẩy nhu cầu về vật liệu nhẹ và khuyến khích các công ty ô tô chuyển sang hướng giảm trọng lượng.
Việc cải thiện tiêu chuẩn khí thải và tiêu thụ nhiên liệu đang thúc đẩy quá trình giảm trọng lượng xe ô tô. Trung Quốc đã hoàn tất việc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Trung Quốc VI vào năm 2020. Theo “Phương pháp và Chỉ số Đánh giá Mức tiêu thụ Nhiên liệu của Xe du lịch” và “Lộ trình Công nghệ Xe Tiết kiệm Năng lượng và Năng lượng Mới”, mức tiêu thụ nhiên liệu là 5,0 L/km. Xét đến không gian hạn chế cho những đột phá đáng kể trong công nghệ động cơ và giảm khí thải, việc áp dụng các biện pháp giảm trọng lượng linh kiện ô tô có thể giúp giảm hiệu quả lượng khí thải và mức tiêu thụ nhiên liệu của xe. Việc giảm trọng lượng xe năng lượng mới đã trở thành một hướng đi thiết yếu cho sự phát triển của ngành.
Năm 2016, Hiệp hội Kỹ thuật Ô tô Trung Quốc đã ban hành “Lộ trình Công nghệ Xe tiết kiệm năng lượng và Năng lượng mới”, trong đó lên kế hoạch các yếu tố như mức tiêu thụ năng lượng, phạm vi hoạt động và vật liệu sản xuất cho xe năng lượng mới từ năm 2020 đến năm 2030. Giảm trọng lượng sẽ là hướng đi chính cho sự phát triển tương lai của xe năng lượng mới. Giảm trọng lượng có thể tăng phạm vi hoạt động và giải quyết “nỗi lo về phạm vi hoạt động” ở xe năng lượng mới. Với nhu cầu ngày càng tăng về phạm vi hoạt động mở rộng, việc giảm trọng lượng ô tô trở nên cấp thiết và doanh số bán xe năng lượng mới đã tăng đáng kể trong những năm gần đây. Theo yêu cầu của hệ thống tính điểm và “Kế hoạch phát triển trung và dài hạn cho ngành công nghiệp ô tô”, ước tính đến năm 2025, doanh số bán xe năng lượng mới của Trung Quốc sẽ vượt quá 6 triệu chiếc, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm vượt quá 38%.
2. Đặc điểm và ứng dụng của hợp kim nhôm
2.1 Đặc điểm của hợp kim nhôm
Nhôm có tỷ trọng bằng một phần ba thép, khiến nó nhẹ hơn. Nhôm có cường độ riêng cao hơn, khả năng đùn tốt, khả năng chống ăn mòn mạnh và khả năng tái chế cao. Hợp kim nhôm được đặc trưng bởi thành phần chủ yếu là magiê, thể hiện khả năng chịu nhiệt tốt, tính chất hàn tốt, độ bền mỏi tốt, không thể gia cường bằng xử lý nhiệt và khả năng tăng cường độ thông qua gia công nguội. Dòng 6 được đặc trưng bởi thành phần chủ yếu là magiê và silic, với Mg2Si là pha gia cường chính. Các hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong danh mục này là 6063, 6061 và 6005A. Tấm nhôm 5052 là tấm nhôm hợp kim hệ AL-Mg, với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Đây là hợp kim nhôm chống gỉ được sử dụng rộng rãi nhất. Hợp kim này có độ bền cao, độ bền mỏi cao, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn tốt, không thể gia cường bằng xử lý nhiệt, có độ dẻo tốt khi làm cứng bán nguội, độ dẻo thấp khi làm cứng nguội, khả năng chống ăn mòn tốt và tính chất hàn tốt. Hợp kim nhôm 6063 chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận như tấm ốp hông, tấm lợp mái và tấm ốp cửa. Hợp kim nhôm 6063 là hợp kim gia cường có thể xử lý nhiệt thuộc nhóm AL-Mg-Si, với thành phần hợp kim chính là magie và silic. Hợp kim nhôm 6063 có độ bền trung bình, có thể xử lý nhiệt, chủ yếu được sử dụng trong các bộ phận kết cấu như cột và tấm ốp hông để chịu lực. Bảng 1 trình bày giới thiệu về các loại hợp kim nhôm.
2.2 Đùn là một phương pháp tạo hình quan trọng của hợp kim nhôm
Đùn hợp kim nhôm là phương pháp tạo hình nóng và toàn bộ quá trình sản xuất liên quan đến việc tạo hình hợp kim nhôm dưới ứng suất nén ba chiều. Toàn bộ quá trình sản xuất có thể được mô tả như sau: a. Nhôm và các hợp kim khác được nấu chảy và đúc thành các phôi hợp kim nhôm theo yêu cầu; b. Các phôi đã được làm nóng trước được đưa vào thiết bị đùn để đùn. Dưới tác động của xi lanh chính, phôi hợp kim nhôm được tạo thành các cấu hình theo yêu cầu thông qua khoang khuôn; c. Để cải thiện các tính chất cơ học của các cấu hình nhôm, xử lý dung dịch được thực hiện trong hoặc sau khi đùn, tiếp theo là xử lý lão hóa. Các tính chất cơ học sau khi xử lý lão hóa thay đổi tùy theo các vật liệu và chế độ lão hóa khác nhau. Trạng thái xử lý nhiệt của các cấu hình xe tải kiểu hộp được thể hiện trong Bảng 2.
Các sản phẩm đùn hợp kim nhôm có một số ưu điểm so với các phương pháp tạo hình khác:
a. Trong quá trình đùn, kim loại đùn tạo ra ứng suất nén ba chiều mạnh hơn và đồng đều hơn ở vùng biến dạng so với cán và rèn, do đó có thể phát huy đầy đủ tính dẻo của kim loại gia công. Nó có thể được sử dụng để gia công các kim loại khó biến dạng mà cán hoặc rèn không thể gia công được, và có thể được sử dụng để chế tạo các chi tiết rỗng hoặc đặc phức tạp khác nhau.
b. Do hình dạng của các thanh nhôm có thể thay đổi nên các thành phần của chúng có độ cứng cao, có thể cải thiện độ cứng của thân xe, giảm đặc tính NVH và cải thiện đặc tính kiểm soát động lực học của xe.
c. Các sản phẩm có hiệu suất đùn, sau khi làm nguội và lão hóa, có độ bền dọc (R, Raz) cao hơn đáng kể so với các sản phẩm được gia công bằng các phương pháp khác.
d. Bề mặt sản phẩm sau khi đùn có màu sắc đẹp, khả năng chống ăn mòn tốt, không cần xử lý bề mặt chống ăn mòn khác.
e. Quá trình đùn có tính linh hoạt cao, chi phí dụng cụ và khuôn mẫu thấp, chi phí thay đổi thiết kế thấp.
f. Do khả năng kiểm soát mặt cắt ngang của thanh nhôm nên có thể tăng mức độ tích hợp linh kiện, giảm số lượng linh kiện và các thiết kế mặt cắt ngang khác nhau có thể đạt được vị trí hàn chính xác.
So sánh hiệu suất giữa các thanh nhôm đùn cho xe tải hộp và thép cacbon thông thường được thể hiện trong Bảng 3.
Hướng phát triển tiếp theo của thanh định hình hợp kim nhôm cho xe tải hộp: Cải thiện hơn nữa độ bền thanh định hình và nâng cao hiệu suất đùn. Hướng nghiên cứu vật liệu mới cho thanh định hình hợp kim nhôm cho xe tải hộp được thể hiện trong Hình 1.
3. Cấu trúc xe tải thùng hợp kim nhôm, phân tích độ bền và xác minh
3.1 Cấu trúc xe tải thùng hợp kim nhôm
Thùng xe tải thùng kín chủ yếu bao gồm cụm tấm ốp phía trước, cụm tấm ốp bên trái và bên phải, cụm tấm ốp cửa sau, cụm sàn, cụm mái, cũng như bu lông hình chữ U, tấm chắn hông, tấm chắn sau, chắn bùn và các phụ kiện khác được kết nối với khung gầm hạng hai. Dầm ngang thân xe, trụ, dầm hông và tấm ốp cửa được làm bằng hợp kim nhôm đùn, trong khi tấm ốp sàn và mái được làm bằng tấm phẳng hợp kim nhôm 5052. Cấu trúc của thùng xe tải thùng kín hợp kim nhôm được thể hiện trong Hình 2.
Sử dụng quy trình đùn nóng hợp kim nhôm series 6 có thể tạo ra các tiết diện rỗng phức tạp, thiết kế thanh nhôm có tiết diện phức tạp có thể tiết kiệm vật liệu, đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ cứng của sản phẩm, đồng thời đáp ứng yêu cầu liên kết giữa các bộ phận khác nhau. Do đó, kết cấu thiết kế dầm chính và mô men quán tính tiết diện I và mô men cản W được thể hiện trong Hình 3.
So sánh các dữ liệu chính trong Bảng 4 cho thấy mô men quán tính và mô men cản tiết diện của thanh nhôm thiết kế tốt hơn dữ liệu tương ứng của thanh dầm thép. Dữ liệu hệ số độ cứng gần giống với dữ liệu của thanh dầm thép tương ứng, và tất cả đều đáp ứng các yêu cầu về biến dạng.
3.2 Tính toán ứng suất tối đa
Lấy thành phần chịu lực chính, dầm ngang, làm đối tượng, ứng suất cực đại được tính toán. Tải trọng định mức là 1,5 tấn, và dầm ngang được làm bằng hợp kim nhôm 6063-T6 với các đặc tính cơ học như thể hiện trong Bảng 5. Dầm được đơn giản hóa thành kết cấu công xôn để tính toán lực, như thể hiện trong Hình 4.
Lấy dầm có nhịp 344mm, tải trọng nén trên dầm được tính là F=3757 N dựa trên 4,5t, gấp ba lần tải trọng tĩnh tiêu chuẩn. q=F/L
trong đó q là ứng suất bên trong của dầm chịu tải, N/mm; F là tải trọng mà dầm chịu, tính toán dựa trên 3 lần tải trọng tĩnh tiêu chuẩn là 4,5 tấn; L là chiều dài của dầm, mm.
Do đó, ứng suất bên trong q là:
Công thức tính ứng suất như sau:
Mômen cực đại là:
Lấy giá trị tuyệt đối của mômen, M=274283 N·mm, ứng suất cực đại σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa và giá trị ứng suất cực đại σ<215 MPa, đáp ứng yêu cầu.
3.3 Đặc điểm kết nối của các thành phần khác nhau
Hợp kim nhôm có tính chất hàn kém, và độ bền điểm hàn của nó chỉ bằng 60% độ bền của vật liệu cơ bản. Do lớp phủ Al2O3 trên bề mặt hợp kim nhôm, điểm nóng chảy của Al2O3 cao, trong khi điểm nóng chảy của nhôm thấp. Khi hàn hợp kim nhôm, Al2O3 trên bề mặt phải nhanh chóng bị phá vỡ để thực hiện hàn. Đồng thời, cặn Al2O3 sẽ vẫn còn trong dung dịch hợp kim nhôm, ảnh hưởng đến cấu trúc hợp kim nhôm và làm giảm độ bền của điểm hàn hợp kim nhôm. Do đó, khi thiết kế một thùng chứa hoàn toàn bằng nhôm, những đặc điểm này được xem xét đầy đủ. Hàn là phương pháp định vị chính và các thành phần chịu lực chính được kết nối bằng bu lông. Các kết nối như kết cấu tán đinh và đuôi én được thể hiện trong Hình 5 và 6.
Cấu trúc chính của thân hộp hoàn toàn bằng nhôm sử dụng kết cấu dầm ngang, dầm dọc, dầm hông và dầm biên liên kết với nhau. Mỗi dầm ngang và dầm dọc có bốn điểm kết nối. Các điểm kết nối được lắp gioăng răng cưa để ăn khớp với cạnh răng cưa của dầm ngang, ngăn ngừa trượt hiệu quả. Tám điểm góc chủ yếu được kết nối bằng chèn lõi thép, cố định bằng bu lông và đinh tán tự khóa, và được gia cố bằng các tấm nhôm hình tam giác 5mm hàn bên trong hộp để gia cố các vị trí góc bên trong. Hình dáng bên ngoài của hộp không có điểm hàn hoặc điểm kết nối lộ ra ngoài, đảm bảo hình dáng tổng thể của hộp.
3.4 Công nghệ Kỹ thuật Đồng bộ SE
Công nghệ kỹ thuật đồng bộ SE được sử dụng để giải quyết các vấn đề phát sinh do sai lệch kích thước tích lũy lớn trong việc lắp ghép các linh kiện trong thân hộp và khó khăn trong việc tìm ra nguyên nhân gây ra khe hở và lỗi phẳng. Thông qua phân tích CAE (xem Hình 7-8), phân tích so sánh được thực hiện với thân hộp bằng sắt để kiểm tra độ bền và độ cứng tổng thể của thân hộp, tìm ra điểm yếu và thực hiện các biện pháp để tối ưu hóa và cải thiện phương án thiết kế hiệu quả hơn.
4. Hiệu ứng giảm trọng lượng của xe tải thùng hợp kim nhôm
Ngoài thân hộp, hợp kim nhôm có thể được sử dụng để thay thế thép cho nhiều bộ phận khác nhau của container xe tải dạng hộp, chẳng hạn như chắn bùn, chắn bùn sau, chắn bùn hông, chốt cửa, bản lề cửa và mép chắn bùn sau, giúp giảm trọng lượng khoang hàng từ 30% đến 40%. Hiệu quả giảm trọng lượng của một container rỗng kích thước 4080mm x 2300mm x 2200mm được thể hiện trong Bảng 6. Điều này giải quyết cơ bản các vấn đề về trọng lượng quá mức, không tuân thủ các thông báo và rủi ro pháp lý của các khoang hàng hóa truyền thống làm bằng sắt.
Bằng cách thay thế thép truyền thống bằng hợp kim nhôm cho các bộ phận ô tô, không chỉ có thể đạt được hiệu quả giảm trọng lượng tuyệt vời mà còn có thể góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và cải thiện hiệu suất của xe. Hiện nay, có nhiều ý kiến khác nhau về sự đóng góp của việc giảm trọng lượng vào việc tiết kiệm nhiên liệu. Kết quả nghiên cứu của Viện Nhôm Quốc tế được thể hiện trong Hình 9. Cứ giảm 10% trọng lượng xe có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 6% đến 8%. Dựa trên số liệu thống kê trong nước, việc giảm trọng lượng của mỗi xe chở khách 100 kg có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu 0,4 L/100 km. Sự đóng góp của việc giảm trọng lượng vào việc tiết kiệm nhiên liệu dựa trên kết quả thu được từ các phương pháp nghiên cứu khác nhau, do đó có một số khác biệt. Tuy nhiên, việc giảm trọng lượng ô tô có tác động đáng kể đến việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Đối với xe điện, hiệu ứng giảm trọng lượng thậm chí còn rõ rệt hơn. Hiện nay, mật độ năng lượng đơn vị của pin điện cho xe điện khác biệt đáng kể so với xe nhiên liệu lỏng truyền thống. Trọng lượng của hệ thống điện (bao gồm cả pin) của xe điện thường chiếm từ 20% đến 30% tổng trọng lượng xe. Đồng thời, việc phá vỡ điểm nghẽn hiệu suất của pin là một thách thức trên toàn thế giới. Trước khi có một bước đột phá lớn trong công nghệ pin hiệu suất cao, việc giảm trọng lượng là một cách hiệu quả để cải thiện phạm vi hoạt động của xe điện. Cứ giảm 100 kg trọng lượng, phạm vi hoạt động của xe điện có thể tăng từ 6% đến 11% (mối quan hệ giữa giảm trọng lượng và phạm vi hoạt động được thể hiện trong Hình 10). Hiện nay, phạm vi hoạt động của xe điện thuần túy không thể đáp ứng nhu cầu của hầu hết mọi người, nhưng việc giảm trọng lượng một lượng nhất định có thể cải thiện đáng kể phạm vi hoạt động, giảm bớt lo lắng về phạm vi hoạt động và nâng cao trải nghiệm của người dùng.
5. Kết luận
Ngoài kết cấu toàn bộ bằng nhôm của xe tải thùng hợp kim nhôm được giới thiệu trong bài viết này, còn có nhiều loại xe tải thùng khác nhau, chẳng hạn như tấm nhôm tổ ong, tấm khóa nhôm, khung nhôm + vỏ nhôm, và thùng chở hàng hỗn hợp sắt-nhôm. Chúng có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, cường độ riêng cao và khả năng chống ăn mòn tốt, đồng thời không cần sơn điện di để chống ăn mòn, giúp giảm thiểu tác động của sơn điện di đến môi trường. Xe tải thùng hợp kim nhôm về cơ bản giải quyết được các vấn đề về trọng lượng quá mức, không tuân thủ các quy định và rủi ro pháp lý của các khoang chở hàng bằng sắt truyền thống.
Đùn là một phương pháp gia công thiết yếu cho hợp kim nhôm, và nhôm định hình có các đặc tính cơ học tuyệt vời, do đó độ cứng tiết diện của các chi tiết tương đối cao. Nhờ tiết diện thay đổi, hợp kim nhôm có thể kết hợp nhiều chức năng thành phần, khiến nó trở thành vật liệu tốt cho việc giảm trọng lượng ô tô. Tuy nhiên, việc ứng dụng rộng rãi hợp kim nhôm đang phải đối mặt với những thách thức như khả năng thiết kế khoang hàng hóa bằng hợp kim nhôm chưa đủ, các vấn đề về tạo hình và hàn, và chi phí phát triển và quảng bá sản phẩm mới cao. Nguyên nhân chính vẫn là do hợp kim nhôm có giá thành cao hơn thép trước khi hệ sinh thái tái chế hợp kim nhôm hoàn thiện.
Tóm lại, phạm vi ứng dụng của hợp kim nhôm trong ô tô sẽ ngày càng mở rộng và việc sử dụng chúng sẽ tiếp tục tăng. Trong xu hướng tiết kiệm năng lượng, giảm khí thải và phát triển ngành công nghiệp xe năng lượng mới hiện nay, với sự hiểu biết sâu sắc hơn về các tính chất của hợp kim nhôm và các giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ứng dụng hợp kim nhôm, vật liệu đùn nhôm sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong việc giảm trọng lượng ô tô.
Biên tập bởi May Jiang từ MAT Aluminum
Thời gian đăng: 12-01-2024
