מחקר על יישומים של סגסוגת אלומיניום על משאיות מסוג קופסאות

1. מבוא

משקל קל של רכב החל במדינות מפותחות והובל בתחילה על ידי ענקיות הרכב המסורתיות. עם התפתחות רציפה, היא צברה תנופה משמעותית. מהתקופה בה אינדיאנים השתמשו לראשונה בסגסוגת אלומיניום כדי לייצר את רכבי הארכובה לרכב לייצור המוני הראשון של אאודי של מכוניות אלומיניום בשנת 1999, סגסוגת אלומיניום ראתה צמיחה חזקה ביישומי רכב בגלל היתרונות שלה כמו צפיפות נמוכה, חוזק ספציפי גבוה ונוקשות, גמישות טובה ועמידות בפני השפעה, מיחזור גבוה ושיעור התחדשות גבוהה. עד שנת 2015, חלק היישום של סגסוגת האלומיניום במכוניות כבר עבר 35%.

המשקל הקל של סין של סין החלה לפני פחות מעשר שנים, וגם הטכנולוגיה וגם רמת היישום מפגרת אחרי מדינות מפותחות כמו גרמניה, ארצות הברית ויפן. עם זאת, עם פיתוח רכבי אנרגיה חדשים, משקל קל משקל מתקדם במהירות. מינוף עליית רכבי האנרגיה החדשים, טכנולוגיית המשקל הקל של סין מציגה מגמה של הצגת מדינות מפותחות.

שוק החומרים הקלים של סין הוא עצום. מצד אחד, בהשוואה למדינות מפותחות בחו"ל, הטכנולוגיה הקלה של סין החלה באיחור, ומשקל שפת המדרכה הכולל של הרכב גדול יותר. בהתחשב במידה של חומרים קלים של חומרים במדינות זרות, עדיין יש מקום לפיתוח בסין. לעומת זאת, מונע על ידי מדיניות, ההתפתחות המהירה של תעשיית רכב האנרגיה החדשה של סין תגדיל את הביקוש לחומרים קלים ותעודד חברות רכב להתקדם לעבר משקל קל.

השיפור של תקני צריכת פליטה וצריכת דלק מכריח את האצת המשקל הקל של הרכב. סין יישמה באופן מלא את תקני הפליטה של ​​סין VI בשנת 2020. על פי "שיטת ההערכה ומדדים לצריכת דלק של מכוניות נוסעים" ו"החוסך אנרגיה וטכנולוגיית אנרגיה חדשה מפת דרכים ", תקן צריכת הדלק של 5.0 ליטר/ק"מ. תוך התחשבות במרחב המוגבל לפריצות דרך משמעותיות בטכנולוגיית המנוע והפחתת פליטות, אימוץ אמצעים לרכיבי רכב קלים יכול להפחית ביעילות את פליטת הרכב וצריכת הדלק. משקל קל של רכבי אנרגיה חדשים הפך לדרך חיונית להתפתחות הענף.

בשנת 2016 פרסמה האגודה להנדסת רכב סין את "חיסכון באנרגיה וטכנולוגיית רכב אנרגיה חדשה" מפת דרכים ", שתוכננו גורמים כמו צריכת אנרגיה, טווח שייט וחומרי ייצור לרכבי אנרגיה חדשים משנת 2020 עד 2030. משקל קל יהיה כיוון מפתח לפיתוח עתידי של רכבי אנרגיה חדשים. משקל קל יכול להגדיל את טווח ההפלגה ולהתייחס ל"חרדת טווח "ברכבי אנרגיה חדשים. עם הביקוש ההולך וגובר לטווח השייט המורחב, משקל קל של רכב הופך לדחוף, ומכירות רכבי אנרגיה חדשים צמחו משמעותית בשנים האחרונות. על פי הדרישות של מערכת הניקוד ותוכנית הפיתוח של אמצע עד ארוך לתעשיית הרכב ", ההערכה היא כי עד שנת 2025, מכירות סין של רכבי אנרגיה חדשים יעלו על 6 מיליון יחידות, עם צמיחה שנתית מורכבת שיעור העולה על 38%.

2. מאפייני סגסוגת אלומיניום

2.1 מאפייני סגסוגת אלומיניום

צפיפות האלומיניום היא שליש מזה של הפלדה, מה שהופך אותה לקלה יותר. יש לו חוזק ספציפי גבוה יותר, יכולת שחול טובה, עמידות בפני קורוזיה חזקה ומיחזור גבוה. סגסוגות אלומיניום מאופיינות בכך שהן מורכבות בעיקר ממגנזיום, המציגות עמידות טובה לחום, תכונות ריתוך טובות, חוזק עייפות טוב, חוסר יכולת לחזק על ידי טיפול בחום ויכולת להגביר את הכוח באמצעות עבודה קרה. סדרות 6 מאופיינות בכך שהורכב בעיקר ממגנזיום וסיליקון, כאשר MG2SI כשלב החיזוק העיקרי. הסגסוגות הנפוצות ביותר בקטגוריה זו הן 6063, 6061 ו- 6005A. צלחת אלומיניום 5052 היא צלחת אלומיניום סגסוגת AL-MG סדרת AL-MG, עם מגנזיום כאלמנט הסגסוגת העיקרי. זוהי סגסוגת האלומיניום הנפוצה ביותר נגד RUST. לסגסוגת זה יש חוזק גבוה, חוזק עייפות גבוהה, פלסטיות טובה ועמידות בפני קורוזיה, לא ניתן לחזק על ידי טיפול בחום, יש לו פלסטיות טובה בהתקשות עבודה חצי קרה, פלסטיות נמוכה בהקשה בעבודה קרה, עמידות בפני קורוזיה טובה ותכונות ריתוך טובות. הוא משמש בעיקר לרכיבים כמו לוחות צד, כיסויי גג ולוחות דלתות. 6063 סגסוגת אלומיניום היא סגסוגת חיזוק הניתנת לטיפול בחום בסדרת AL-MG-SI, עם מגנזיום וסיליקון כאלמנטים הסגסוגת העיקריים. זהו פרופיל סגסוגת אלומיניום חיזוק חום עם חוזק עם חוזק בינוני, המשמש בעיקר ברכיבים מבניים כמו עמודים ופאנלים צדדיים כדי לשאת כוח. מבוא לציוני סגסוגת אלומיניום מוצג בטבלה 1.

2.2 שחול הוא שיטת גיבוש חשובה של סגסוגת אלומיניום

שחול סגסוגת אלומיניום הוא שיטת גיבוש חמה, ותהליך הייצור כולו כרוך ביצירת סגסוגת אלומיניום תחת לחץ דחיסה תלת-כיווני. ניתן לתאר את כל תהליך הייצור כדלקמן: א. אלומיניום וסגסוגות אחרות נמסים ומושלכים לחיילי סגסוגת האלומיניום הנדרשים; ב. החיידקים שחוממו מראש מכניסים לציוד שחול לצורך שחול. תחת פעולת הצילינדר הראשי, נוצר בילט סגסוגת האלומיניום לפרופילים הנדרשים דרך חלל התבנית; ג. על מנת לשפר את התכונות המכניות של פרופילי אלומיניום, מתבצע טיפול בתמיסה במהלך שחול או אחריו, ואחריו טיפול מזדקן. התכונות המכניות לאחר הטיפול המזדקן משתנות בהתאם לחומרים שונים ומשטרי הזדקנות. מצב הטיפול בחום של פרופילי משאיות מסוג תיבה מוצג בטבלה 2.

מוצרים חמורים לסגסוגת אלומיניום הם בעלי מספר יתרונות על פני שיטות גיבוש אחרות:

א. במהלך שחול, המתכת המוחצבת משיגה לחץ דחיסה תלת-כיווני חזק יותר ואחיד יותר באזור העיוות מאשר גלגול וזיוף, כך שהיא יכולה לשחק במלוא הפלסטיות של המתכת המעובדת. זה יכול לשמש לעיבוד מתכות קשות לעיצוב שלא ניתן לעבד על ידי גלגול או זיוף וניתן להשתמש בו כדי ליצור רכיבי חתך חלולים או מוצקים שונים.

ב. מכיוון שהגיאומטריה של פרופילי אלומיניום יכולה להיות מגוונת, לרכיביהם יש קשיחות גבוהה, מה שיכול לשפר את קשיחות גוף הרכב, להפחית את מאפייני ה- NVH שלו ולשפר את מאפייני הבקרה הדינמיים של הרכב.

ג. מוצרים עם יעילות שחול, לאחר מרווה והזדקנות, הם בעלי חוזק אורכי גבוה משמעותית (R, RAZ) בהשוואה למוצרים שעובדו בשיטות אחרות.

ד. על פני המוצרים לאחר שחול יש צבע טוב ועמידות בפני קורוזיה טובה, ומבטלים את הצורך בטיפול אחר לפני השטח.

ה. לעיבוד שחול יש גמישות רבה, עלויות כלים נמוכות ועובש ועלויות שינוי בעיצוב נמוך.

ג. בשל יכולת השליטה של ​​חתכים על פרופיל אלומיניום, ניתן להגדיל את מידת שילוב הרכיבים, ניתן להפחית את מספר הרכיבים, ועיצובים שונים של חתכים שונים יכולים להשיג מיקום ריתוך מדויק.

השוואת הביצועים בין פרופילי אלומיניום מוחצנים למשאיות מסוג תיבות ופלדת פחמן רגילה מוצגת בטבלה 3.

כיוון הפיתוח הבא של פרופילי סגסוגת אלומיניום למשאיות מסוג תיבה: שיפור נוסף בחוזק הפרופיל ושיפור ביצועי שחול. כיוון המחקר של חומרים חדשים לפרופילי סגסוגת אלומיניום למשאיות מסוג תיבה מוצג באיור 1.

3. מבנה משאיות סגסוגת סגסוגת אלומיניום, ניתוח חוזק ואימות

3.1 מבנה משאית סגסוגת אלומיניום

מיכל משאית הקופסא מורכב בעיקר ממכלול הלוח הקדמי, מכלול הפאנל הצדדי השמאלי והימני, מכלול לוח צד אחורי, מכלול רצפה, מכלול גג, כמו גם ברגים בצורת U, שומרי צד, שומרים אחוריים, דפי בוץ ואביזרים אחרים מחובר לשלדה מהשורה השנייה. קורות צלב גוף הקופסה, עמודים, קורות צד ופאנלים לדלתות עשויים פרופילים מוחזרים בסגסוגת אלומיניום, ואילו לוחות הרצפה והגג עשויים 5052 צלחות שטוחות סגסוגת אלומיניום. מבנה משאית תיבת סגסוגת האלומיניום מוצג באיור 2.

בעזרת תהליך שחול חם של סגסוגת האלומיניום של 6 סדרות יכול ליצור חתכים חלולים מורכבים, תכנון של פרופילי אלומיניום עם חתכים מורכבים יכול לחסוך חומרים, לעמוד בדרישות חוזק המוצר ונוקשות, ולעמוד בדרישות החיבור ההדדי בין רכיבים שונים. לפיכך, מבנה עיצוב הקורות העיקרי ורגעי חתך של אינרציה I ורגעים מתנגדים W מוצגים באיור 3.

השוואה בין הנתונים העיקריים בטבלה 4 מראה כי הרגעים של האינרציה של האינרציה ורגעי ההתנגדות של פרופיל האלומיניום המעוצב טובים יותר מהנתונים המתאימים של פרופיל הקורה מתוצרת ברזל. נתוני מקדם הנוקשות זהים בערך אלה של פרופיל הקורה המתאים לברזל, וכולם עומדים בדרישות העיוות.

3.2 חישוב מתח מרבי

לקיחת רכיב הנושא עומס המפתח, קרן הצלב, כאובייקט, מחושב הלחץ המרבי. העומס המדורג הוא 1.5 T, והקרב הצולב עשוי מפרופיל סגסוגת אלומיניום 6063-T6 עם תכונות מכניות כפי שמוצג בטבלה 5. הקורה מפושטת כמבנה שלוחה לחישוב כוח, כמוצג באיור 4.

לוקח קרן טווח של 344 מ"מ, עומס הדחיסה על הקורה מחושב כ- f = 3757 n על בסיס 4.5T, שהוא פי שלושה מהעומס הסטטי הרגיל. q = f/l

כאשר Q הוא הלחץ הפנימי של הקורה מתחת לעומס, n/mm; F הוא העומס הנישא על ידי הקורה, המחושב על סמך פי 3 מהעומס הסטטי הסטטי, שהוא 4.5 T; L הוא אורך הקורה, מ"מ.

לכן, הלחץ הפנימי Q הוא:

נוסחת חישוב הלחץ היא כדלקמן:

הרגע המרבי הוא:

לוקח את הערך המוחלט של הרגע, M = 274283 N · מ"מ, הלחץ המרבי σ = M/(1.05 × W) = 18.78 מגה -בתים, וערך הלחץ המרבי σ <215 MPa, העומד בדרישות.

3.3 מאפייני חיבור של רכיבים שונים

לסגסוגת אלומיניום יש תכונות ריתוך לקויות, ועוצמת נקודת הריתוך שלה היא רק 60% מכוח חומר הבסיס. בשל כיסוי שכבה של Al2O3 על פני סגסוגת האלומיניום, נקודת ההיתוך של Al2O3 גבוהה, ואילו נקודת ההיתוך של האלומיניום נמוכה. כאשר מרותך סגסוגת אלומיניום, יש לשבור במהירות את ה- AL2O3 על פני השטח כדי לבצע ריתוך. במקביל, שאריות AL2O3 יישארו בתמיסת סגסוגת האלומיניום, וישפיעו על מבנה סגסוגת האלומיניום ויפחיתו את חוזק נקודת הריתוך של סגסוגת האלומיניום. לכן, בעת תכנון מיכל כל אלומיניום, מאפיינים אלה נחשבים במלואם. ריתוך הוא שיטת המיקום העיקרית, והרכיבים העיקריים הנושאים עומס מחוברים על ידי ברגים. חיבורים כמו מסמרת ומבנה זנב מוצגים באיורים 5 ו -6.

המבנה העיקרי של גוף תיבת אלומיניום מאמץ מבנה עם קורות אופקיות, עמודים אנכיים, קורות צד וקורות קצה משתלבות זו בזו. ישנן ארבע נקודות חיבור בין כל קרן אופקית לעמוד אנכי. נקודות החיבור מצוידות באטמים משוננים לרשת עם הקצה המשונן של הקורה האופקית, ומונעים למעשה את החלקה. שמונה נקודות הפינה מחוברות בעיקר על ידי תוספות ליבת פלדה, קבועות עם ברגים ומסמרות נעילה עצמית, ומחוזקות על ידי לוחות אלומיניום משולשים 5 מ"מ מרותכים בתוך הקופסה כדי לחזק את מיקום הפינה באופן פנימי. למראה החיצוני של התיבה אין ריתוך או נקודות חיבור חשופות, ומבטיחה את המראה הכללי של התיבה.

3.4 טכנולוגיית הנדסה סינכרונית SE

טכנולוגיית הנדסה סינכרונית SE משמשת לפיתרון הצרות הנגרמות כתוצאה מסטייה גדולה של גודל שהצטברו להתאמת רכיבים בגוף הקופסא והקשיים במציאת הגורמים לפערים וכישלונות שטוחים. באמצעות ניתוח CAE (ראה איור 7-8), נערך ניתוח השוואה עם גופי תיבה מתוצרת ברזל כדי לבדוק את חוזקם וקשיחותם הכללית של גוף התיבה, למצוא נקודות תורפה ולנקוט במדדים כדי לייעל ולשפר את תוכנית העיצוב בצורה יעילה יותר ו

4. השפעת משקל אור של משאית סגסוגת אלומיניום

בנוסף לגוף הקופסא, ניתן להשתמש בסגסוגות אלומיניום להחלפת פלדה לרכיבים שונים של מיכלי משאיות מסוג תיבה, כמו שומרי בוץ, שומרי אחורי, שומרי צד, תפסים לדלתות, צירי דלתות וקצוות סינר אחורי, השגת הפחתת משקל של 30% עד 40% עבור תא המטען. אפקט הפחתת המשקל עבור מיכל מטען 4080 מ"מ × 2300 מ"מ × 2200 מ"מ ריק מוצג בטבלה 6. זה פותר באופן בסיסי את הבעיות של משקל מוגזם, אי ציות עם הכרזות, וסיכונים רגולטוריים של תאי מטען מסורתיים.

על ידי החלפת פלדה מסורתית בסגסוגות אלומיניום לרכיבי רכב, לא רק שניתן להשיג השפעות קלות מצוינות, אלא שהיא יכולה גם לתרום לחיסכון בדלק, להפחתת פליטה ולשיפור ביצועי הרכב. נכון לעכשיו, ישנן דעות שונות על תרומתו של קל משקל לחיסכון בדלק. תוצאות המחקר של מכון האלומיניום הבינלאומי מוצגות באיור 9. כל ירידה של 10% במשקל הרכב יכולה להפחית את צריכת הדלק ב- 6% עד 8%. בהתבסס על נתונים סטטיסטיים מקומיים, צמצום המשקל של כל מכונית נוסעים ב 100 ק"ג יכול להפחית את צריכת הדלק ב 0.4 ליטר/100 ק"מ. התרומה של משקל קל לחיסכון בדלק מבוססת על תוצאות המתקבלות משיטות מחקר שונות, כך שיש שונות מסוימת. עם זאת, משקל קל של רכב משפיע משמעותית על צמצום צריכת הדלק.

עבור כלי רכב חשמליים, אפקט המשקל קל בולט עוד יותר. נכון לעכשיו, צפיפות האנרגיה של היחידה של סוללות כוח רכב חשמלי שונה באופן משמעותי מזו של רכבי דלק נוזלי מסורתיים. משקל מערכת החשמל (כולל הסוללה) של כלי רכב חשמליים מהווה לרוב 20% עד 30% ממשקל הרכב הכולל. במקביל, פריצת צוואר הבקבוק של הביצועים של סוללות היא אתגר עולמי. לפני שיש פריצת דרך משמעותית בטכנולוגיית סוללות בעלות ביצועים גבוהים, משקל קל הוא דרך יעילה לשפר את מגוון השייט של כלי רכב חשמליים. עבור כל הפחתה של 100 ק"ג במשקל, ניתן להגדיל את טווח השייט של כלי רכב חשמליים ב- 6% עד 11% (הקשר בין הפחתת משקל לטווח שייט מוצג באיור 10). נכון לעכשיו, מגוון השייט של כלי רכב חשמליים טהורים אינו יכול לענות על צרכיהם של מרבית האנשים, אך הפחתת המשקל בכמות מסוימת יכולה לשפר משמעותית את טווח ההפלגה, הקלת חרדת טווח ושיפור חווית המשתמש.

5. הסכמה

בנוסף למבנה כל אלומיניום של משאית קופסאות סגסוגת אלומיניום שהוצגה במאמר זה, ישנם סוגים שונים של משאיות קופסאות, כמו לוחות חלת דבש אלומיניום, צלחות אבזם אלומיניום, מסגרות אלומיניום + עורות אלומיניום ומכלי אגרו היברידי ברזל-אלומיניום-ברזל-אלומיניום-ברזל-אלומיניום-ברזל-אלומיניום-ברזל-אלומיניום-ברזל-אלומיניום-אלומיניום. בנוסף אלומיניום. ו יש להם את היתרונות של משקל קל, חוזק ספציפי גבוה ועמידות בפני קורוזיה טובה, ואינם דורשים צבע אלקטרופורטי להגנת קורוזיה, מה שמפחית את ההשפעה הסביבתית של צבע אלקטרופורטי. משאית תיבות סגסוגת האלומיניום פותרת באופן מהותי את בעיות המשקל המופרז, אי ציות להודעות, וסיכונים רגולטוריים של תאי מטען מסורתיים מתוצרת ברזל.

שחול הוא שיטת עיבוד חיונית לסגסוגות אלומיניום, ופרופילי אלומיניום הם בעלי תכונות מכניות מצוינות, ולכן לקשיחות הקטע של הרכיבים גבוה יחסית. בשל חתך הרוחב המשתנה, סגסוגות אלומיניום יכולות להשיג את השילוב של פונקציות רכיבים מרובות, מה שהופך אותו לחומר טוב למשקל קל לרכב. עם זאת, היישום הרחב של סגסוגות אלומיניום עומד בפני אתגרים כמו יכולת עיצוב לא מספקת לתאי מטען של סגסוגת אלומיניום, סוגיות גיבוש וריתוך ועלויות פיתוח וקידום גבוהות עבור מוצרים חדשים. הסיבה העיקרית היא שעדיין סגסוגת אלומיניום עולה יותר מפלדה לפני שהאקולוגיה המיחזור של סגסוגות אלומיניום הופכת לבוגרת.

לסיכום, היקף היישום של סגסוגות אלומיניום במכוניות יהפוך לרחב יותר, והשימוש בהן ימשיך לגדול. במגמות הנוכחיות של חיסכון באנרגיה, הפחתת פליטה ופיתוח תעשיית רכב האנרגיה החדשה, עם ההבנה העמקה של תכונות סגסוגת אלומיניום ופתרונות יעילים לבעיות יישום סגסוגת אלומיניום, חומרי שחול אלומיניום יהיו בשימוש נרחב יותר במשקל קל לרכב.

נערך על ידי מאי ג'יאנג ממאט אלומיניום