1. Sự giới thiệu
Nhẹ ô tô bắt đầu ở các nước phát triển và ban đầu được dẫn dắt bởi những người khổng lồ ô tô truyền thống. Với sự phát triển liên tục, nó đã đạt được động lực đáng kể. Từ lúc người Ấn Độ lần đầu tiên sử dụng hợp kim nhôm để sản xuất trục khuỷu ô tô để sản xuất hàng loạt xe nhôm đầu tiên của Audi vào năm 1999, hợp kim nhôm đã thấy tăng trưởng mạnh mẽ trong các ứng dụng ô tô do lợi thế của nó như mật độ thấp, độ bền cao và độ bền cao, Độ đàn hồi tốt và kháng tác động, khả năng tái chế cao và tỷ lệ tái tạo cao. Vào năm 2015, tỷ lệ ứng dụng của hợp kim nhôm trong ô tô đã vượt quá 35%.
Trọng lượng ô tô của Trung Quốc bắt đầu chưa đầy 10 năm trước, và cả cấp độ công nghệ và ứng dụng bị 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 năng lượng mới, trọng lượng vật liệu đang tiến triển nhanh chóng. Tận dụng sự gia tăng của các phương tiện năng lượng mới, công nghệ nhẹ ô tô của Trung Quốc đang cho thấy xu hướng bắt kịp với các nước phát triển.
Thị trường vật liệu hạng nhẹ của Trung Quốc là rất lớn. Một mặt, so với các nước phát triển ở nước ngoài, công nghệ hạng nhẹ của Trung Quốc bắt đầu muộn và trọng lượng curb của xe lớn hơn. Xem xét điểm chuẩn của tỷ lệ vật liệu nhẹ ở nước ngoài, vẫn còn nhiều chỗ để phát triển ở Trung Quốc. Mặt khác, được thúc đẩy bởi các chính sách, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp phương tiện năng lượng mới của Trung Quốc sẽ thúc đẩy nhu cầu về vật liệu nhẹ và khuyến khích các công ty ô tô tiến tới trọng lượng nhẹ.
Việc cải thiện tiêu chuẩn phát thải và tiêu thụ nhiên liệu đang buộc tăng tốc của trọng lượng nhẹ ô tô. Trung Quốc đã thực hiện đầy đủ các tiêu chuẩn khí thải Trung Quốc VI vào năm 2020. Theo phương pháp đánh giá và các chỉ số về tiêu thụ nhiên liệu của xe khách và việc tiết kiệm năng lượng và lộ trình công nghệ xe năng lượng mới, 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 phát thải, áp dụng các biện pháp cho các thành phần ô tô nhẹ có thể làm giảm hiệu quả khí thải của xe và mức tiêu thụ nhiên liệu. Nhẹ nhàng của các phương tiện 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 phát hành Lộ trình tiết kiệm năng lượng và công nghệ xe năng lượng mới, theo các yếu tố đã lên kế hoạch như tiêu thụ năng lượng, phạm vi bay và vật liệu sản xuất cho các phương tiện năng lượng mới từ năm 2020 đến 2030. Nhẹ sẽ là một hướng quan trọng cho sự phát triển trong tương lai của các phương tiện năng lượng mới. Nhẹ có thể làm tăng phạm vi bay và giải quyết sự lo lắng của phạm vi trên các phương tiện năng lượng mới. Với nhu cầu ngày càng tăng đối với phạm vi du lịch mở rộng, việc làm nhẹ ô tô trở nên cấp bách và doanh số của các phương tiện năng lượng mới đã tăng đáng kể trong những năm gần đây. Theo các yêu cầu của hệ thống điểm số và kế hoạch phát triển từ giữa đến dài hạn đối với ngành công nghiệp ô tô, ước tính vào năm 2025, doanh số bán xe năng lượng mới của Trung Quốc tỷ lệ vượt quá 38%.
2. Đặc điểm hợp kim và ứng dụng hợp kim
2.1 Đặc điểm của hợp kim nhôm
Mật độ của nhôm là một phần ba của thép, làm cho nó nhẹ hơn. Nó có sức mạnh cụ thể 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 chủ yếu bao gồm magiê, thể hiện khả năng chống nhiệt tốt, tính chất hàn tốt, sức mạnh mệt mỏi tốt, không có khả năng được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt và khả năng tăng cường sức mạnh thông qua hoạt động lạnh. 6 Series được đặc trưng bởi chủ yếu bao gồm magiê và silicon, với MG2SI là giai đoạn tăng cường chính. Các hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong danh mục này là 6063, 6061 và 6005A. Tấm nhôm 5052 là một tấm aluminum hợp kim AL-MG, với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Nó là hợp kim nhôm chống vỏ được sử dụng rộng rãi nhất. Hợp kim này có độ bền cao, độ bền mệt mỏi cao, tính dẻo và khả năng chống ăn mòn tốt, không thể được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt, có độ dẻo tốt trong làm cứng làm việc bán lạnh, độ dẻo thấp trong làm việc cứng, chống ăn mòn tốt và đặc tính hàn tốt. Nó chủ yếu được sử dụng cho các thành phần như tấm bên, nắp mái và tấm cửa. 6063 Hợp kim nhôm là hợp kim tăng cường có thể xử lý nhiệt trong chuỗi al-Mg-Si, với magiê và silicon là các yếu tố hợp kim chính. Nó là một cấu hình hợp kim nhôm tăng cường có thể xử lý nhiệt với cường độ trung bình, chủ yếu được sử dụng trong các thành phần cấu trúc như cột và bảng bên để mang sức mạnh. Giới thiệu về các lớp hợp kim nhôm được thể hiện trong Bảng 1.
2.2 đùn là một phương pháp hình thành quan trọng của hợp kim nhôm
Đái ra hợp kim nhôm là một phương pháp hình thành nóng và toàn bộ quy trình sản xuất liên quan đến việc hình thành 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 tan chảy và đúc vào phôi hợp kim nhôm cần thiết; b. Các phôi được làm nóng trước được đưa vào thiết bị đùn để ép đùn. Theo tác động của xi lanh chính, phôi hợp kim nhôm được hình thành thành các cấu hình cần thiết thông qua khoang của khuôn; c. Để cải thiện các tính chất cơ học của cấu hình nhôm, xử lý giải pháp được thực hiện trong hoặc sau khi đùn, sau đó là điều trị lão hóa. Các tính chất cơ học sau khi điều trị lão hóa khác nhau tùy theo các vật liệu và chế độ lão hóa khác nhau. Tình trạng xử lý nhiệt của hồ sơ xe tải kiểu hộp được thể hiện trong Bảng 2.
Các sản phẩm đùn hợp kim nhôm có một số lợi thế so với các phương pháp hình thành khác:
Một. Trong quá trình đùn, kim loại đùn có được ứng suất nén ba chiều mạnh hơn và đồng đều hơn trong vùng biến dạng so với lăn và rèn, do đó nó có thể chơi hoàn toàn độ dẻo của kim loại được xử lý. Nó có thể được sử dụng để xử lý các kim loại khó biến dạng không thể được xử lý bằng cách lăn hoặc rèn và có thể được sử dụng để tạo ra các thành phần cắt ngang hoặc mặt cắt rỗng phức tạp khác nhau.
b. Do hình học của cấu hình nhôm có thể thay đổi, các thành phần của chúng có độ cứng cao, có thể cải thiện độ cứng của cơ thể xe, làm giảm các đặc tính NVH của nó và cải thiện các đặc tính điều khiển động của xe.
c. Các sản phẩm có hiệu quả đùn, sau khi dập tắt và lão hóa, có độ bền theo chiều dọc cao hơn đáng kể (R, RAZ) so với các sản phẩm được xử lý bởi các phương pháp khác.
d. Bề mặt của các sản phẩm sau khi đùn có màu sắc tốt và khả năng chống ăn mòn tốt, loại bỏ nhu cầu xử lý bề mặt chống ăn mòn khác.
e. Xử lý đùn có sự linh hoạt tuyệt vời, chi phí dụng cụ và khuôn thấp, và chi phí thay đổi thiết kế thấp.
f. Do khả năng điều khiển của mặt cắt hồ sơ nhôm, mức độ tích hợp thành phần có thể được tăng lên, số lượng thành phần có thể giảm và các thiết kế mặt cắt khác nhau có thể đạt được định vị hàn chính xác.
Việc so sánh hiệu suất giữa các cấu hình nhôm đùn cho xe tải kiểu hộp và thép carbon trơn được thể hiện trong Bảng 3.
Hướng phát triển tiếp theo của cấu hình hợp kim nhôm cho xe tải kiểu hộp: cải thiện hơn nữa sức mạnh hồ sơ và tăng cường hiệu suất đùn. Hướng nghiên cứu của các vật liệu mới cho cấu hình hợp kim nhôm cho xe tải kiểu hộp được thể hiện trong Hình 1.
3. Cấu trúc xe tải hộp hợp kim ALOM, phân tích sức mạnh và xác minh
3.1 Cấu trúc xe tải hộp hợp kim nhôm
Hộp đựng xe tải hộp chủ yếu bao gồm lắp ráp bảng điều khiển phía trước, lắp ráp bảng điều khiển bên trái và bên phải, lắp ráp bảng điều khiển phía sau, lắp ráp sàn, lắp ráp mái, cũng như bu lông hình chữ U, bảo vệ bên, bảo vệ phía sau, nắp bùn và các phụ kiện khác kết nối với khung gầm hạng hai. Các dầm chéo thân hình hộp, trụ cột, dầm bên và tấm cửa được làm bằng các cấu hình xúc tác hợp kim nhôm, trong khi các tấm sàn và mái được làm bằng các tấm phẳng 5052 hợp kim nhôm. Cấu trúc của xe tải hộp hợp kim nhôm được hiển thị trong Hình 2.
Sử dụng quá trình đùn nóng của hợp kim nhôm 6 series có thể tạo thành các mặt cắt rỗng phức tạp, một thiết kế cấu hình nhôm với mặt cắt phức tạp có thể tiết kiệm vật liệu, đáp ứng các yêu cầu về sức mạnh và độ cứng của sản phẩm và đáp ứng các yêu cầu của kết nối lẫn nhau giữa các thành phần khác nhau. Do đó, cấu trúc thiết kế chùm tia chính và các khoảnh khắc mặt cắt của quán tính I và các khoảnh khắc chống lại w được thể hiện trong Hình 3.
So sánh dữ liệu chính trong Bảng 4 cho thấy các khoảnh khắc của quán tính và các khoảnh khắc chống lại cấu hình nhôm được thiết kế tốt hơn dữ liệu tương ứng của cấu hình chùm tia sắt. Dữ liệu hệ số độ cứng gần giống với các dữ liệu của cấu hình chùm tia sắt tương ứng và tất cả đều đáp ứng các yêu cầu biến dạng.
3.2 Tính toán ứng suất tối đa
Lấy thành phần chịu tải khóa, crossbeam, làm đối tượng, ứng suất tối đa được tính toán. Tải trọng định mức là 1,5 T và crossbeam được làm bằng cấu hình hợp kim nhôm 6063-T6 với các tính chất cơ học như trong Bảng 5. Chùm tia được đơn giản hóa như một cấu trúc đúc hẫng để tính toán lực, như trong Hình 4.
Lấy chùm tia nhịp 344mm, tải trọng nén trên chùm được tính là F = 3757 N dựa trên 4,5T, gấp ba lần tải tĩnh tiêu chuẩn. Q = f/l
trong đó q là ứng suất bên trong của chùm tia dưới tải, N/mm; F là tải do chùm tia chịu, được tính toán dựa trên 3 lần tải trọng tĩnh tiêu chuẩn, là 4,5 t; L là chiều dài của chùm tia, mm.
Do đó, căng thẳng nội bộ Q là:
Công thức tính toán căng thẳng như sau:
Thời điểm tối đa là:
Lấy giá trị tuyệt đối của thời điểm, M = 274283 N · mm, ứng suất tối đa = m/(1.05 × W) = 18,78 MPa và giá trị ứng suất tối đa <215 MPa, đáp ứng các 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 là 60% sức mạnh vật liệu cơ bản. Do độ che phủ của một lớp AL2O3 trên bề mặt hợp kim nhôm, điểm nóng chảy của AL2O3 cao, trong khi điểm nóng chảy của nhôm thấp. Khi hợp kim nhôm được hàn, AL2O3 trên bề mặt phải nhanh chóng bị phá vỡ để thực hiện hàn. Đồng thời, dư lượng của Al2O3 sẽ vẫn còn trong dung dịch hợp kim nhôm, ảnh hưởng đến cấu trúc hợp kim nhôm và giảm cường độ 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 tải chính được kết nối bằng các bu lông. Các kết nối như cấu trúc tán đinh và dovetail được hiển thị trong Hình 5 và 6.
Cấu trúc chính của thân hộp hoàn toàn bằng nhôm áp dụng một cấu trúc với dầm ngang, trụ dọc, dầm bên và dầm cạnh xen kẽ với nhau. Có bốn điểm kết nối giữa mỗi chùm ngang và trụ dọc. Các điểm kết nối được trang bị các miếng đệm răng cưa để kết nối với cạnh răng cưa của chùm ngang, ngăn chặn hiệu quả trượt. Tám điểm góc chủ yếu được kết nối bằng các phần chèn lõi thép, cố định bằng bu lông và đinh tán tự khóa, và được gia cố bằng các tấm nhôm hình tam giác 5 mm được hàn bên trong hộp để tăng cường vị trí góc bên trong. Sự xuất hiện bên ngoài của hộp không có các điểm kết nối hàn hoặc tiếp xúc, đảm bảo sự xuất hiện tổng thể của hộp.
3.4 SE công nghệ kỹ thuật đồng bộ
Công nghệ kỹ thuật đồng bộ SE được sử dụng để giải quyết các rắc rối gây ra bởi độ lệch kích thước tích lũy lớn cho các thành phần phù hợp trong cơ thể hộp và những khó khăn trong việc tìm ra nguyên nhân gây ra khoảng cách và thất bại độ phẳng. Thông qua phân tích CAE (xem Hình 7-8), một phân tích so sánh được thực hiện với các thân hộp làm sắt để kiểm tra sức mạnh và độ cứng tổng thể của cơ thể hộp, tìm các điểm yếu và thực hiện các biện pháp để tối ưu hóa và cải thiện sơ đồ thiết kế hiệu quả hơn .
4. Hiệu ứng trọng lượng của xe tải hộp hợp kim nhôm
Ngoài thân hộp, hợp kim nhôm có thể được sử dụng để thay thế thép cho các thành phần khác nhau của các thùng chứa xe tải loại hộp, như tấm chắn bùn, bảo vệ phía sau, bảo vệ bên, chốt cửa, bản lề cửa và các cạnh phía sau, đạt được giảm trọng lượng của 30% đến 40% cho khoang hàng hóa. Hiệu ứng giảm trọng lượng đối với thùng chứa hàng hóa 4080mm × 2300mm × 2200mm rỗng được thể hiện trong Bảng 6. Điều này về cơ bản giải quyết các vấn đề về trọng lượng quá mức, không tuân thủ các thông báo và rủi ro quy định của các ngăn hàng hóa do sắt truyền thống.
Bằng cách thay thế thép truyền thống bằng hợp kim nhôm cho các thành phần ô tô, không chỉ đạt được hiệu ứng nhẹ tuyệt vời mà còn có thể góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải và cải thiện hiệu suất của xe. Hiện tại, có nhiều ý kiến khác nhau về sự đóng góp của trọng lượng nhẹ để tiết kiệm nhiên liệu. Kết quả nghiên cứu của Viện nhôm quốc tế được thể hiện trong Hình 9. Mỗi trọng lượng xe giảm 10% có thể làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 6% xuống còn 8%. Dựa trên số liệu thống kê trong nước, việc giảm trọng lượng của mỗi chiếc xe chở khách xuống 100 kg có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu xuống 0,4 L/100 km. Sự đóng góp của nhẹ vào tiết kiệm nhiên liệu dựa trên kết quả thu được từ các phương pháp nghiên cứu khác nhau, do đó có một số biến thể. Tuy nhiên, ánh sáng ô tô có tác động đáng kể đến việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Đối với xe điện, hiệu ứng nhẹ thậm chí còn rõ rệt hơn. Hiện tại, mật độ năng lượng đơn vị của pin điện xe điện khác biệt đáng kể so với các phương tiện nhiên liệu lỏng truyền thống. Trọng lượng của hệ thống điện (bao gồm cả pin) của xe điện thường chiếm 20% đến 30% tổng trọng lượng xe. Đồng thời, phá vỡ nút thắt pin 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, nhẹ là một cách hiệu quả để cải thiện phạm vi bay của xe điện. Cứ trọng lượng giảm 100 kg, phạm vi bay của xe điện có thể được tăng 6% đến 11% (mối quan hệ giữa giảm cân và phạm vi bay được thể hiện trong Hình 10). Hiện tại, phạm vi bay của xe điện thuần túy không thể đáp ứng nhu cầu của hầu hết mọi người, nhưng việc giảm cân bằng một lượng nhất định có thể cải thiện đáng kể phạm vi bay, giảm bớt sự lo lắng về phạm vi và cải thiện trải nghiệm người dùng.
5. Khói
Ngoài cấu trúc hoàn toàn bằng nhôm của xe tải hộp hợp kim nhôm được giới thiệu trong bài viết này, còn có nhiều loại xe tải hộp, như tấm nhôm tổ ong, tấm khóa nhôm, khung nhôm . Chúng có những ưu điểm của trọng lượng nhẹ, sức mạnh đặc hiệu cao và khả năng chống ăn mòn tốt và không yêu cầu sơn điện di để bảo vệ ăn mòn, làm giảm tác động môi trường của sơn điện di. Xe tải hộp hợp kim nhôm về cơ bản giải quyết các vấn đề về trọng lượng quá mức, không tuân thủ các thông báo và rủi ro quy định của các ngăn chở hàng do sắt truyền thống.
Đất dùng là một phương pháp xử lý thiết yếu cho hợp kim nhôm và cấu hình nhôm có tính chất cơ học tuyệt vời, do đó độ cứng của phần của các thành phần 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, làm cho nó trở thành một vật liệu tốt cho trọng lượng nhẹ ô tô. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi các hợp kim nhôm phải đối mặt với những thách thức như không đủ khả năng thiết kế đối với các ngăn chứa hàng hóa hợp kim nhôm, các vấn đề hình thành và hàn, và chi phí phát triển và quảng bá cao cho các sản phẩm mới. Lý do chính vẫn là hợp kim nhôm có giá cao hơn thép trước khi sinh thái tái chế của hợp kim nhôm trở nên 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 các xu hướng tiết kiệm năng lượng hiện tại, giảm phát thải và sự phát triển của ngành công nghiệp phương tiện năng lượng mới, với sự hiểu biết sâu sắc về tính chất 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 trọng lượng ô tô.
Được chỉnh sửa bởi May Jiang từ Mat Aluminum
Thời gian đăng: Tháng 1-12-2024
