1.Giới thiệu
Việc giảm nhẹ ô tô bắt đầu ở các nước phát triển và ban đầu được dẫn đầu bởi những gã khổng lồ ô tô truyền thống. Với sự phát triển không ngừng, nó đã đạt được động lực đáng kể. Từ khi người Ấn Độ lần đầu tiên sử dụng hợp kim nhôm để sản xuất trục khuỷu ô tô cho đến việc sản xuất hàng loạt ô tô hoàn toàn bằng nhôm đầu tiên của Audi vào năm 1999, hợp kim nhôm đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ trong các ứng dụng ô tô nhờ những ưu điểm của nó như mật độ thấp, độ bền và độ cứng riêng cao, độ đàn hồi và chống va đập tốt, khả năng tái chế cao và tốc độ tái sinh cao. Đến năm 2015, tỷ lệ ứng dụng hợp kim nhôm trên ô tô đã vượt quá 35%.
Công nghệ giảm nhẹ ô tô của Trung Quốc đã bắt đầu cách đây chưa đầy 10 năm và cả trình độ công nghệ cũng như ứng dụng đều tụt hậu so với các nước phát triển như Đức, Hoa Kỳ và Nhật Bản. Tuy nhiên, với sự phát triển của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, việc giảm nhẹ vật liệu đang tiến triển nhanh chóng. Tận dụng sự phát triển của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, công nghệ ô tô nhẹ của Trung Quốc đang có 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 ở nước ngoài, công nghệ giảm nhẹ của Trung Quốc bắt đầu muộn hơn và tổng trọng lượng của xe ở lề đường lớn hơn. Xem xét tiêu chuẩn về tỷ lệ vật liệu nhẹ ở nước ngoài, vẫn còn nhiều dư địa để phát triển ở Trung Quốc. Mặt khác, được thúc đẩy bởi các chính sách, 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 hướng tới phương tiện nhẹ.
Việc cải thiện các tiêu chuẩn về khí thải và tiêu thụ nhiên liệu đang buộc phải tăng tốc độ nhẹ của ô tô. Trung Quốc đã thực hiện đầy đủ các tiêu chuẩn khí thải VI của Trung Quốc vào năm 2020. Theo “Phương pháp đánh giá và các chỉ số về mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô chở khách” và “Lộ trình công nghệ phương tiện năng lượng mới và tiết kiệm năng lượng”, tiêu chuẩn tiêu thụ nhiên liệu 5,0 L/km. Có tính đến không gian hạn chế cho những đột phá đáng kể trong công nghệ động cơ và giảm lượng khí thải, việc áp dụng các biện pháp đối với các bộ phận ô tô nhẹ có thể giảm lượng khí thải và mức tiêu thụ nhiên liệu của xe một cách hiệu quả. Giảm nhẹ các phương tiện sử dụng năng lượng mới đã trở thành một con đường 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 Năng lượng Mới và Tiết kiệm Năng lượng”, trong đó quy hoạch các yếu tố như mức tiêu thụ năng lượng, phạm vi di chuyển và vật liệu sản xuất cho các phương tiện sử dụng năng lượng mới từ năm 2020 đến năm 2030. Trọng lượng nhẹ sẽ là hướng đi chính cho sự phát triển tương lai của phương tiện sử dụng năng lượng mới. Trọng lượng nhẹ có thể tăng phạm vi di chuyển và giải quyết “nỗi lo về phạm vi di chuyển” trên các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Với nhu cầu ngày càng tăng về phạm vi di chuyển được mở rộng, việc giảm trọng lượng ô tô trở nên cấp thiết và doanh số bán các phương tiện sử dụng năng lượng mới đã tăng lên 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 sử dụng năng lượng mới của Trung Quốc sẽ vượt quá 6 triệu chiếc, với mức tăng trưởng kép hàng năm. tỷ lệ vượt quá 38%.
2. Đặc điểm và ứng dụng của hợp kim nhôm
2.1 Đặc tính của hợp kim nhôm
Mật độ của nhôm bằng một phần ba so với thép, làm cho nó nhẹ hơn. Nó có cường độ riêng cao hơn, khả năng ép 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, có khả năng chịu nhiệt tốt, tính chất hàn tốt, độ bền mỏi tốt, không có khả năng tăng cường bằng cách xử lý nhiệt và khả năng tăng cường độ khi gia công nguội. Dòng 6 được đặc trưng bởi thành phần chủ yếu là magie và silicon, với Mg2Si là pha tăng cường chính. Các hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong loại này là 6063, 6061 và 6005A. Tấm nhôm 5052 là tấm nhôm hợp kim dòng AL-Mg, với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Nó 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 tăng cường bằng cách xử lý nhiệt, có độ dẻo tốt trong quá trình làm cứng bán nguội, độ dẻo thấp khi làm cứng gia công nguội, chống ăn mòn tốt và đặc tính hàn tốt. Nó chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận như tấm bên, tấm che mái và tấm cửa. Hợp kim nhôm 6063 là hợp kim tăng cường có thể xử lý nhiệt trong dòng AL-Mg-Si, với magiê và silicon là nguyên tố hợp kim chính. Nó là một cấu hình hợp kim nhôm tăng cường có thể xử lý nhiệt với độ bền trung bình, chủ yếu được sử dụng trong các bộ phận kết cấu như cột và tấm bên để chịu lực. Giới thiệu về các loại hợp kim nhôm được thể hiện trong Bảng 1.
2.2 Đùn là một phương pháp tạo hình quan trọng của hợp kim nhôm
Đùn hợp kim nhôm là một phương pháp tạo hình nóng và toàn bộ quá trình sản xuất bao gồm 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 nung chảy và đúc thành phôi hợp kim nhôm theo yêu cầu; b. Các phôi đã được làm nóng trước được đưa vào thiết bị ép đùn để ép đùn. Dưới tác động của xi lanh chính, phôi hợp kim nhôm được tạo thành các hình dạng cần thiết thông qua khoang khuôn; c. Để cải thiện tính chất cơ học của nhôm định hình, việc xử lý dung dịch được thực hiện trong hoặc sau khi ép đùn, sau đó là xử lý lão hóa. Các tính chất cơ học sau khi xử lý lão hóa thay đổi tùy theo vật liệu và chế độ lão hóa khác nhau. Tình trạng xử lý nhiệt của profile xe tải kiểu hộp được thể hiện trong Bảng 2.
Sản phẩm ép đùn hợp kim nhôm có một số ưu điểm so với các phương pháp tạo hình khác:
Một. Trong quá trình ép đùn, kim loại ép đùn thu được ứng suất nén ba chiều mạnh hơn và đồng đều hơn trong vùng biến dạng so với cán và rèn, do đó nó có thể phát huy đầy đủ độ dẻo của kim loại đã qua xử lý. Nó có thể được sử dụng để xử lý các kim loại khó biến dạng, không thể xử lý bằng cách cán hoặc rèn và có thể được sử dụng để chế tạo các thành phần mặt cắt rỗng hoặc rắn phức tạp khác nhau.
b. Do hình dạng của nhôm có thể thay đổi nên các bộ phận của chúng có độ cứng cao, có thể cải thiện độ cứng của thân xe, giảm đặc tính NVH và cải thiện đặc tính điều khiển động của xe.
c. Các sản phẩm có hiệu suất ép đùn sau khi tôi 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 của sản phẩm sau khi ép đùn có màu sắc tốt và khả năng chống ăn mòn tốt, loại bỏ nhu cầu xử lý bề mặt chống ăn mòn khác.
đ. Quá trình ép đùn có tính linh hoạt cao, chi phí dụng cụ và khuôn thấp và chi phí thay đổi thiết kế thấp.
f. Do khả năng kiểm soát của mặt cắt ngang bằng nhôm, mức độ tích hợp thành phần có thể tăng lên, số lượng thành phần có thể giảm và các thiết kế mặt cắt khác nhau có thể đạt được vị trí hàn chính xác.
So sánh hiệu suất giữa các cấu hình nhôm ép đùn cho xe tải kiểu hộp và thép cacbon trơn được thể hiện trong Bảng 3.
Hướng phát triển tiếp theo của Profile hợp kim nhôm cho xe tải kiểu hộp: Cải thiện hơn nữa độ bền của profile và nâng cao hiệu suất ép đùn. Hướng nghiên cứu vật liệu mới làm profile hợp kim nhôm cho xe tải dạng thùng được thể hiện trên Hình 1.
3. Cấu trúc, phân tích và xác minh sức mạnh của xe tải hộp hợp kim nhôm
3.1 Kết cấu xe tải hộp hợp kim nhôm
Thùng xe tải hộp chủ yếu bao gồm cụm bảng phía trước, cụm bảng bên trái và bên phải, cụm bảng bên cửa sau, cụm sàn, cụm mái, cũng như bu lông hình chữ U, tấm bảo vệ bên, tấm bảo vệ phía sau, chắn bùn và các phụ kiện khác được kết nối với khung gầm hạng hai. Thân hộp dầm ngang, cột, dầm bên và tấm cửa được làm bằng nhôm định hình ép đùn, trong khi tấm sàn và mái được làm bằng tấm phẳng hợp kim nhôm 5052. Cấu trúc của xe tải hộp hợp kim nhôm được thể hiện trên Hình 2.
Sử dụng quy trình ép đùn nóng của hợp kim nhôm dòng 6 có thể tạo thành các mặt cắt rỗng phức tạp, thiết kế các cấu hình nhôm có mặt cắt phức tạp có thể tiết kiệm vật liệu, đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ cứng của sản phẩm, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kết nối lẫn nhau giữa các thành phần khác nhau. Do đó, kết cấu thiết kế dầm chính và mômen quán tính mặt cắt I và mômen kháng W được thể hiện trên Hình 3.
So sánh dữ liệu chính trong Bảng 4 cho thấy mômen quán tính và mô men cản từng phần của biên dạng nhôm được thiết kế tốt hơn dữ liệu tương ứng của biên dạng dầm làm bằng sắt. Dữ liệu hệ số độ cứng gần giống với dữ liệu của biên dạng dầm làm bằng sắt tương ứng và tất cả đều đáp ứng các yêu cầu về biến dạng.
3.2 Tính toán ứng suất cực đại
Lấy bộ phận chịu lực chính là dầm ngang làm đối tượng, ứng suất lớn nhất 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 trong Bảng 5. Dầm được đơn giản hóa dưới dạng kết cấu đúc hẫng để tính toán lực, như trong Hình 4.
Lấy dầm 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 trọng, N/mm; F là tải trọng do dầm chịu, tính bằng 3 lần tải trọng tĩnh tiêu chuẩn là 4,5 tấn; L là chiều dài của dầm, mm.
Do đó, ứng suất nội q là:
Công thức tính ứng suất như sau:
Momen cực đại là:
Lấy giá trị tuyệt đối của mô men 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 đạt yêu cầu.
3.3 Đặc điểm kết nối của các thành phần khác nhau
Hợp kim nhôm có đặc tính hàn kém và cường độ điểm hàn của nó chỉ bằng 60% cường độ vật liệu cơ bản. Do phủ một lớp Al2O3 lên bề mặt hợp kim nhôm nên nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 cao, trong khi nhiệt độ nóng chảy của nhôm thấp. Khi hàn hợp kim nhôm, Al2O3 trên bề mặt phải được phá vỡ nhanh chóng để thực hiện hàn. Đồng thời cặn Al2O3 sẽ đọng lại 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. Vì vậy, khi thiết kế thùng chứa hoàn toàn bằng nhôm, những đặc điểm này đều được xem xét đầy đủ. Hàn là phương pháp định vị chính và các bộ phận chịu lực chính được kết nối bằng bu lông. Các kết nối như cấu trúc tán đinh và khớp nối được thể hiện trong Hình 5 và 6.
Cấu trúc chính của thân hộp hoàn toàn bằng nhôm sử dụng cấu trúc với các dầm ngang, cột dọc, dầm bên và dầm cạnh lồng vào nhau. Có bốn điểm kết nối giữa mỗi dầm ngang và cột dọc. Các điểm nối được lắp gioăng răng cưa ăn khớp với mép răng cưa của dầm ngang, chống trượt hiệu quả. Tám điểm góc chủ yếu được kết nối bằng các miếng chèn lõi thép, cố định bằng bu lông và đinh tán tự khóa, đồng thời được gia cố bằng các tấm nhôm hình tam giác 5 mm được hàn bên trong hộp để tăng cường các vị trí góc bên trong. Hình dáng bên ngoài của hộp không có các điểm hàn hoặc lộ ra các điểm kết nối, 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 do sai lệch kích thước tích lũy lớn đối với các bộ phận khớp trong thân hộp và những khó khăn trong việc tìm ra nguyên nhân gây ra các khoảng trống và lỗi độ phẳng. Thông qua phân tích CAE (xem Hình 7-8), tiến hành phân tích so sánh với thân hộp làm bằng sắt để kiểm tra độ bền và độ cứng tổng thể của thân hộp, tìm ra điểm yếu và đưa ra biện pháp tối ưu hóa, cải tiến sơ đồ thiết kế hiệu quả hơn .
4.Tác dụng nhẹ của xe tải hộp hợp kim nhôm
Ngoài thân hộp, hợp kim nhôm có thể được sử dụng để thay thế thép cho các bộ phận khác nhau của thùng xe tải kiểu hộp, chẳng hạn như tấm chắn bùn, tấm chắn phía sau, tấm chắn bên, chốt cửa, bản lề cửa và mép tạp dề phía sau, giúp giảm trọng lượng. từ 30% đến 40% cho khoang hàng hóa. Hiệu quả giảm trọng lượng đối với container hàng rỗng 4080mm×2300mm×2200mm được thể hiện ở Bảng 6. Điều này giải quyết cơ bản các vấn đề về trọng lượng quá tải, không tuân thủ thông báo và rủi ro pháp lý của khoang hàng hóa bằng sắt truyền thống.
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 nhẹ 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 trọng lượng nhẹ vào việc tiết kiệm nhiên liệu. Kết quả nghiên cứu của Viện Nhôm Quốc tế được thể hiện trên Hình 9. Trọng lượng xe giảm 10% có thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu từ 6% đến 8%. Theo thống kê trong nước, việc giảm trọng lượng mỗi xe khách thêm 100 kg có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu 0,4 L/100 km. Sự đóng góp của trọng lượng nhẹ vào việc tiết kiệm nhiên liệu dựa trên kết quả thu được từ các phương pháp nghiên cứu khác nhau nên có một số khác biệt. Tuy nhiên, trọng lượng nhẹ của ô tô có tác động đáng kể đến việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Đối với xe điện, hiệu quả giảm nhẹ 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 mật độ năng lượng của xe sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống. Trọng lượng của hệ thống điện (bao gồm cả ắc quy) của xe điện thường chiếm từ 20% đến 30% tổng trọng lượng của xe. Đồng thời, việc vượt qua nút cổ chai về hiệu suất của pin là một thách thức toàn cầu. Trước khi có bước đột phá lớn trong công nghệ pin hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ là một giải pháp hiệu quả để cải thiện phạm vi di chuyển của xe điện. Với mỗi lần giảm 100 kg trọng lượng, phạm vi di chuyển của xe điện có thể tăng từ 6% đến 11% (mối quan hệ giữa việc giảm trọng lượng và phạm vi di chuyển được thể hiện trong Hình 10). Hiện tại, phạm vi di chuyển của xe điện thuần túy không thể đáp ứng nhu cầu của hầu hết mọi người, nhưng việc giảm trọng lượng ở một mức nhất định có thể cải thiện đáng kể phạm vi di chuyển, giảm bớt lo lắng về phạm vi di chuyển và cải thiện trải nghiệm người dùng.
5.Kết luận
Ngoài kết cấu hoàn toàn bằng nhôm của xe thùng hợp kim nhôm được giới thiệu trong bài viết, còn có nhiều loại xe thùng như: tấm nhôm tổ ong, tấm khóa nhôm, khung nhôm + vỏ nhôm, thùng chở hàng lai sắt-nhôm. . Chúng có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, cường độ riêng cao, khả năng chống ăn mòn tốt và không cần sơn điện di để chống ăn mòn, giảm tác động đến môi trường của sơn điện di. Xe tải thùng hợp kim nhôm 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 chở hàng bằng sắt truyền thống.
Đùn là một phương pháp xử lý thiết yếu đối với hợp kim nhôm, và các cấu hình nhôm có tính chất cơ học tuyệt vời nên độ cứng mặt cắt của các bộ phận tương đối cao. Do mặt cắt ngang thay đổi, hợp kim nhôm có thể đạt được sự kết hợp của nhiều chức năng thành phần, khiến nó trở thành vật liệu tốt để làm nhẹ ô tô. Tuy nhiên, việc ứng dụng rộng rãi hợp kim nhôm phải đối mặt với những thách thức như khả năng thiết kế không đủ cho khoang chở hàng bằng hợp kim nhôm, các vấn đề về tạo hình và hàn cũng như chi phí phát triển và quảng cáo cao cho các sản phẩm mới. Lý do chính vẫn là hợp kim nhôm có giá cao hơn thép trước khi hệ sinh thái tái chế hợp kim nhôm trưởng thành.
Tóm lại, phạm vi ứng dụng của hợp kim nhôm trong ô tô sẽ trở nên rộng hơn và việc sử dụng chúng sẽ tiếp tục tăng. Trong xu hướng tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải và phát triển ngành công nghiệp xe năng lượng mới hiện nay, với sự hiểu biết sâu sắc hơn về tính chất hợp kim nhôm và các giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ứng dụng hợp kim nhôm, vật liệu ép đùn nhôm sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong trọng lượng nhẹ của ô tô.
Được chỉnh sửa bởi May Jiang từ MAT Aluminium
Thời gian đăng: Jan-12-2024
