מחקר יישומי של סגסוגת אלומיניום על משאיות מסוג תיבת אחסון

1. מבוא

הפיכת משקל קל לרכב החלה במדינות מפותחות והובלה בתחילה על ידי ענקיות הרכב המסורתיות. עם הפיתוח המתמשך, היא צברה תאוצה משמעותית. מהתקופה בה הודים השתמשו לראשונה בסגסוגת אלומיניום לייצור גלי ארכובה לרכב ועד לייצור ההמוני הראשון של מכוניות אלומיניום מלאות של אאודי בשנת 1999, סגסוגת האלומיניום חוותה צמיחה חזקה ביישומי רכב הודות ליתרונותיה כגון צפיפות נמוכה, חוזק וקשיחות ספציפיים גבוהים, גמישות ועמידות טובה בפני פגיעות, יכולת מיחזור גבוהה וקצב התחדשות גבוה. עד שנת 2015, שיעור היישום של סגסוגת אלומיניום ברכבים כבר עלה על 35%.

תחום הפחתת משקל הרכב בסין החל לפני פחות מ-10 שנים, והן הטכנולוגיה והן רמת היישום מפגרים אחרי מדינות מפותחות כמו גרמניה, ארצות הברית ויפן. עם זאת, עם פיתוח כלי רכב חדשים המונעים באנרגיה, פחתת משקל החומרים מתקדמת במהירות. הודות לעלייה בשימוש ברכבים חדשים, טכנולוגיית הפחתת משקל הרכב של סין מראה מגמה של הדבקת הפער עם המדינות המפותחות.

שוק החומרים הקלים בסין הוא עצום. מצד אחד, בהשוואה למדינות מפותחות בחו"ל, טכנולוגיית ההפקה הקלה של סין החלה באיחור, ומשקל הרכב הכולל גדול יותר. בהתחשב בשיעור החומרים הקלים במדינות זרות, עדיין יש מקום רב לפיתוח בסין. מצד שני, בהתבסס על מדיניות, הפיתוח המהיר של תעשיית הרכב הסינית המונעת על ידי אנרגיה חדשה יגביר את הביקוש לחומרים קלים ויעודד חברות רכב לעבור לכיוון ההפקה הקלה.

השיפור בתקני הפליטה וצריכת הדלק מאלץ את האצת תהליך הפחתת המשקל של כלי רכב. סין יישמה במלואה את תקני הפליטה של ​​סין VI בשנת 2020. על פי "שיטת הערכה ומדדים לצריכת דלק של מכוניות נוסעים" ו"מפת הדרכים לחיסכון באנרגיה וטכנולוגיית רכב חדשה", תקן צריכת הדלק הוא 5.0 ליטר/ק"מ. בהתחשב במרחב המוגבל לפריצות דרך משמעותיות בטכנולוגיית מנועים ובהפחתת פליטות, אימוץ צעדים לשיפור רכיבי הרכב יכול להפחית ביעילות את פליטות כלי הרכב ואת צריכת הדלק. הפחתת המשקל של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה הפכה לנתיב חיוני לפיתוח התעשייה.

בשנת 2016, פרסמה אגודת הנדסת הרכב הסינית את "מפת הדרכים לחיסכון באנרגיה וטכנולוגיית רכבים חדשים באנרגיה", אשר תכננה גורמים כגון צריכת אנרגיה, טווח שיוט וחומרי ייצור עבור רכבים חדשים באנרגיה בין השנים 2020 ל-2030. קל משקל יהיה כיוון מפתח לפיתוח עתידי של רכבים חדשים באנרגיה. קל משקל יכול להגדיל את טווח השיוט ולטפל ב"חרדת טווח" בכלי רכב חדשים באנרגיה. עם הביקוש הגובר לטווח שיוט מורחב, קל משקל ברכב הופך דחוף, ומכירות רכבים חדשים באנרגיה גדלו משמעותית בשנים האחרונות. על פי דרישות מערכת הניקוד ו"תוכנית הפיתוח הבינונית-ארוכת הטווח לתעשיית הרכב", ההערכה היא שעד 2025, מכירות רכבי האנרגיה החדשים בסין יעלו על 6 מיליון יחידות, עם קצב צמיחה שנתי מצטבר העולה על 38%.

2. מאפייני סגסוגת אלומיניום ויישומים

2.1 מאפייני סגסוגת אלומיניום

צפיפות האלומיניום היא שליש מזו של פלדה, מה שהופך אותו לקל יותר. יש לו חוזק סגולי גבוה יותר, יכולת שיחול טובה, עמידות חזקה בפני קורוזיה ויכולת מיחזור גבוהה. סגסוגות אלומיניום מאופיינות בכך שהן מורכבות בעיקר ממגנזיום, בעלות עמידות טובה בחום, תכונות ריתוך טובות, חוזק עייפות טוב, חוסר יכולת להתחזק באמצעות טיפול בחום ויכולת להגביר את החוזק באמצעות עיבוד קר. סדרת 6 מאופיינת בכך שהיא מורכבת בעיקר ממגנזיום וסיליקון, כאשר Mg2Si הוא שלב החיזוק העיקרי. הסגסוגות הנפוצות ביותר בקטגוריה זו הן 6063, 6061 ו-6005A. לוח אלומיניום 5052 הוא לוח אלומיניום מסדרת AL-Mg, כאשר מגנזיום הוא מרכיב הסגסוגת העיקרי. זוהי סגסוגת האלומיניום נגד חלודה הנפוצה ביותר. לסגסוגת זו חוזק גבוה, חוזק עייפות גבוה, פלסטיות טובה ועמידות בפני קורוזיה, לא ניתן לחזק אותה באמצעות טיפול בחום, יש לה פלסטיות טובה בהתקשות חצי קרה, פלסטיות נמוכה בהתקשות קרה, עמידות טובה בפני קורוזיה ותכונות ריתוך טובות. הוא משמש בעיקר עבור רכיבים כגון פאנלים צדדיים, כיסויי גג ופאנלים לדלתות. סגסוגת אלומיניום 6063 היא סגסוגת חיזוק הניתנת לטיפול בחום בסדרת AL-Mg-Si, עם מגנזיום וסיליקון כמרכיבי הסגסוגת העיקריים. זהו פרופיל סגסוגת אלומיניום חיזוק הניתן לטיפול בחום בעל חוזק בינוני, המשמש בעיקר ברכיבים מבניים כגון עמודים ופאנלים צדדיים לנשיאת חוזק. מבוא לדרגות סגסוגת אלומיניום מוצג בטבלה 1.

2.2 שחול הוא שיטת עיצוב חשובה של סגסוגת אלומיניום

שיחול סגסוגת אלומיניום היא שיטת עיצוב בחום, וכל תהליך הייצור כרוך בעיצוב סגסוגת אלומיניום תחת מאמץ דחיסה תלת-כיווני. ניתן לתאר את כל תהליך הייצור כדלקמן: א. אלומיניום וסגסוגות אחרות מותכות ויוצקות לפרופילי סגסוגת אלומיניום נדרשים; ב. הפרופילים שחוממו מראש מוכנסים לציוד שיחול לצורך שיחול. תחת פעולת הגליל הראשי, פרופיל סגסוגת האלומיניום מעוצב לפרופילים הנדרשים דרך חלל התבנית; ג. על מנת לשפר את התכונות המכניות של פרופילי האלומיניום, טיפול בתמיסה מתבצע במהלך או אחרי השחול, ולאחר מכן טיפול הזדקנות. התכונות המכניות לאחר טיפול ההזדקנות משתנות בהתאם לחומרים שונים ומשטרי הזדקנות. מצב הטיפול בחום של פרופילי משאיות מסוג קופסה מוצג בטבלה 2.

למוצרי סגסוגת אלומיניום אקסטרודד יש מספר יתרונות על פני שיטות עיצוב אחרות:

א. במהלך שיחול, המתכת השחולית מקבלת מאמץ דחיסה תלת-כיווני חזק ואחיד יותר באזור העיוות בהשוואה לגלגול וחישול, כך שהיא יכולה לשחק באופן מלא את הפלסטיות של המתכת המעובדת. ניתן להשתמש בה לעיבוד מתכות קשות לעיוות שלא ניתן לעבד באמצעות גלגול או חישול, וניתן להשתמש בה לייצור רכיבים מורכבים חלולים או מוצקים שונים.

ב. מכיוון שניתן לגוון את הגיאומטריה של פרופילי אלומיניום, לרכיביהם יש קשיחות גבוהה, מה שיכול לשפר את קשיחות גוף הרכב, להפחית את מאפייני ה-NVH שלו ולשפר את מאפייני הבקרה הדינמית של הרכב.

ג. מוצרים בעלי יעילות שיחול, לאחר קפיאה ויישון, בעלי חוזק אורכי גבוה משמעותית (R, Raz) בהשוואה למוצרים שעובדו בשיטות אחרות.

ד. לפני השטח של המוצרים לאחר האקסטרוזיה יש צבע טוב ועמידות טובה בפני קורוזיה, מה שמבטל את הצורך בטיפולי פני שטח אחרים נגד קורוזיה.

ה. עיבוד שחול בעל גמישות רבה, עלויות נמוכות של ייצור כלים ותבנית ועלויות נמוכות של שינוי עיצוב.

ו. בשל יכולת השליטה בחתכי פרופילי אלומיניום, ניתן להגדיל את מידת שילוב הרכיבים, להפחית את מספר הרכיבים, ותכנוני חתך שונים יכולים להשיג מיקום מדויק של ריתוך.

השוואת הביצועים בין פרופילי אלומיניום אקסטרודיים למשאיות מסוג ארגז לבין פרופילי פלדת פחמן רגילה מוצגת בטבלה 3.

כיוון הפיתוח הבא של פרופילי סגסוגת אלומיניום למשאיות קופסה: שיפור נוסף של חוזק הפרופיל ושיפור ביצועי השיחול. כיוון המחקר של חומרים חדשים לפרופילי סגסוגת אלומיניום למשאיות קופסה מוצג באיור 1.

3. מבנה משאית סגסוגת אלומיניום, ניתוח חוזק ואימות

3.1 מבנה משאית סגסוגת אלומיניום

מכולת משאית הקופסה מורכבת בעיקר ממכלול פאנל קדמי, מכלול פאנל צד שמאל וימין, מכלול פאנל צד של דלת אחורית, מכלול רצפה, מכלול גג, וכן ברגים בצורת U, מגני צד, מגני אחוריים, מגיני בוץ ואביזרים נוספים המחוברים לשלדה מסוג ב'. קורות הרוחב, העמודים, קורות הצד ולוחות הדלת עשויים מפרופילי סגסוגת אלומיניום בולטים, בעוד שפאנלי הרצפה והגג עשויים מלוחות שטוחים מסגסוגת אלומיניום 5052. מבנה משאית הקופסה מסגסוגת האלומיניום מוצג באיור 2.

באמצעות תהליך שיחול חם של סגסוגת אלומיניום מסדרה 6 ניתן ליצור חתכים חלולים מורכבים, עיצוב של פרופילי אלומיניום עם חתכים מורכבים יכול לחסוך חומרים, לעמוד בדרישות חוזק וקשיחות המוצר, ולעמוד בדרישות החיבור ההדדי בין רכיבים שונים. לכן, מבנה עיצוב הקורה הראשית ומומנט האינרציה החתכית I ומומנט ההתנגדות W מוצגים באיור 3.

השוואה של הנתונים העיקריים בטבלה 4 מראה כי מומנטי האינרציה החתכיים ומומנטי ההתנגדות של פרופיל האלומיניום המתוכנן טובים יותר מהנתונים המקבילים של פרופיל קורה עשויה ברזל. נתוני מקדם הנוקשות זהים בערך לאלה של פרופיל קורה עשויה ברזל המתאים, וכולם עומדים בדרישות העיוות.

3.2 חישוב מאמץ מקסימלי

בהתחשב ברכיב נושא העומס העיקרי, קורת הרוחב, כאובייקט, מחושב המאמץ המרבי. העומס המדורג הוא 1.5 טון, והקורה עשויה מפרופיל סגסוגת אלומיניום 6063-T6 בעל תכונות מכניות כפי שמוצג בטבלה 5. הקורה מפושטת כמבנה שלוחה לחישוב כוח, כפי שמוצג באיור 4.

עבור קורה עם מוטת 344 מ"מ, עומס הדחיסה על הקורה מחושב כ- F=3757 ניוטון בהתבסס על 4.5 טון, שהוא פי שלושה מהעומס הסטטי הסטנדרטי. q=F/L

כאשר q הוא המאמץ הפנימי של הקורה תחת העומס, ניוטון למ"מ; F הוא העומס המוטל על הקורה, המחושב על סמך פי 3 מהעומס הסטטי הסטנדרטי, שהוא 4.5 טון; L הוא אורך הקורה, מ"מ.

לכן, המאמץ הפנימי q הוא:

נוסחת חישוב הלחץ היא כדלקמן:

המומנט המקסימלי הוא:

ניקח את הערך המוחלט של המומנט, M=274283 ניוטון מ"מ, המאמץ המקסימלי σ=M/(1.05×w)=18.78 מגה פסקל, וערך המאמץ המקסימלי σ<215 מגה פסקל, אשר עומד בדרישות.

3.3 מאפייני חיבור של רכיבים שונים

לסגסוגת אלומיניום תכונות ריתוך גרועות, וחוזק נקודת הריתוך שלה הוא רק 60% מחוזק חומר הבסיס. עקב כיסוי שכבת Al2O3 על פני סגסוגת האלומיניום, נקודת ההיתוך של Al2O3 גבוהה, בעוד שנקודת ההיתוך של אלומיניום נמוכה. בעת ריתוך סגסוגת אלומיניום, יש צורך לשבור במהירות את ה-Al2O3 על פני השטח כדי לבצע ריתוך. יחד עם זאת, שאריות ה-Al2O3 יישארו בתמיסת סגסוגת האלומיניום, מה שיפגע במבנה סגסוגת האלומיניום ויפחית את חוזק נקודת הריתוך של סגסוגת האלומיניום. לכן, בעת תכנון מיכל עשוי כולו מאלומיניום, מאפיינים אלה נלקחים בחשבון במלואם. ריתוך הוא שיטת המיקום העיקרית, והרכיבים הנושאים את העומס העיקריים מחוברים באמצעות ברגים. חיבורים כגון מסמרות ומבנה זנב יונה מוצגים באיורים 5 ו-6.

המבנה העיקרי של גוף הקופסה העשוי כולו מאלומיניום מאמץ מבנה עם קורות אופקיות, עמודים אנכיים, קורות צד וקורות קצה המשתלבות זו בזו. ישנן ארבע נקודות חיבור בין כל קורה אופקית לעמוד אנכי. נקודות החיבור מצוידות באטמים משוננים כדי להשתלב עם הקצה המשונן של הקורה האופקית, ובכך למנוע החלקה ביעילות. שמונה נקודות הפינה מחוברות בעיקר באמצעות מוספי ליבה מפלדה, המקובעים באמצעות ברגים ומסמרות נעילות עצמית, ומחוזקות על ידי לוחות אלומיניום משולשים בעובי 5 מ"מ המרותכים בתוך הקופסה כדי לחזק את מיקומי הפינות מבפנים. המראה החיצוני של הקופסה אינו כולל נקודות ריתוך או חיבור חשוף, מה שמבטיח את המראה הכללי של הקופסה.

3.4 טכנולוגיית הנדסה סינכרונית SE

טכנולוגיית הנדסה סינכרונית SE משמשת לפתרון הבעיות הנגרמות עקב סטיות גודל מצטברות גדולות עבור התאמת רכיבים בגוף הקופסה והקשיים במציאת הגורמים לפערים וכשלים בשטיחות. באמצעות ניתוח CAE (ראה איור 7-8), מתבצע ניתוח השוואה עם גופי קופסאות עשויים ברזל כדי לבדוק את החוזק והקשיחות הכוללים של גוף הקופסה, למצוא נקודות תורפה ולנקוט צעדים לייעול ושיפור תוכנית התכנון בצורה יעילה יותר.

4. אפקט קל משקל של משאית תיבת סגסוגת אלומיניום

בנוסף לגוף הארגז, ניתן להשתמש בסגסוגות אלומיניום כדי להחליף פלדה עבור רכיבים שונים של מכולות משאיות מסוג ארגז, כגון מגני בוץ, מגני אחוריים, מגני צד, בריחי דלתות, צירים של דלתות וקצוות סינר אחורי, ובכך להשיג הפחתת משקל של 30% עד 40% עבור תא המטען. אפקט הפחתת המשקל עבור מכולה ריקה בגודל 4080 מ"מ × 2300 מ"מ × 2200 מ"מ מוצג בטבלה 6. זה פותר באופן מהותי את בעיות המשקל המוגזם, אי עמידה בהודעות וסיכונים רגולטוריים של תאי מטען מסורתיים עשויים ברזל.

על ידי החלפת פלדה מסורתית בסגסוגות אלומיניום עבור רכיבי רכב, לא רק שניתן להשיג אפקטים מצוינים של הקלת משקל, אלא גם לתרום לחיסכון בדלק, להפחתת פליטות ולשיפור ביצועי הרכב. נכון לעכשיו, ישנן דעות שונות לגבי תרומת ההקלה במשקל לחיסכון בדלק. תוצאות המחקר של מכון האלומיניום הבינלאומי מוצגות באיור 9. כל הפחתה של 10% במשקל הרכב יכולה להפחית את צריכת הדלק ב-6% עד 8%. בהתבסס על נתונים סטטיסטיים מקומיים, הפחתת משקל של כל מכונית נוסעים ב-100 ק"ג יכולה להפחית את צריכת הדלק ב-0.4 ליטר/100 ק"מ. תרומת ההקלה במשקל לחיסכון בדלק מבוססת על תוצאות שהתקבלו משיטות מחקר שונות, כך שיש שונות מסוימת. עם זאת, להקלת משקל ברכב יש השפעה משמעותית על הפחתת צריכת הדלק.

עבור כלי רכב חשמליים, אפקט הקלת המשקל בולט אף יותר. כיום, צפיפות האנרגיה של יחידת הסוללות לרכב חשמלי שונה משמעותית מזו של כלי רכב מסורתיים המונעים בדלק נוזלי. משקל מערכת החשמל (כולל הסוללה) של כלי רכב חשמליים מהווה לעתים קרובות 20% עד 30% ממשקל הרכב הכולל. במקביל, פיצוץ צוואר הבקבוק בביצועים של סוללות הוא אתגר עולמי. לפני שתהיה פריצת דרך משמעותית בטכנולוגיית סוללות בעלות ביצועים גבוהים, הקלת המשקל היא דרך יעילה לשיפור טווח השיוט של כלי רכב חשמליים. עבור כל 100 ק"ג הפחתה במשקל, ניתן להגדיל את טווח השיוט של כלי רכב חשמליים ב-6% עד 11% (הקשר בין הפחתת משקל לטווח שיוט מוצג באיור 10). כיום, טווח השיוט של כלי רכב חשמליים טהורים אינו יכול לענות על הצרכים של רוב האנשים, אך הפחתת משקל בכמות מסוימת יכולה לשפר משמעותית את טווח השיוט, להקל על חרדת הטווח ולשפר את חוויית המשתמש.

5. סיכום

בנוסף למבנה האלומיניום כולו של משאית הארגזים מסגסוגת האלומיניום המוצגת במאמר זה, ישנם סוגים שונים של משאיות ארגזים, כגון לוחות חלת דבש מאלומיניום, לוחות אבזם אלומיניום, מסגרות אלומיניום + מעטפות אלומיניום, ומכולות מטען היברידיות מברזל-אלומיניום. יש להן יתרונות של משקל קל, חוזק ספציפי גבוה ועמידות טובה בפני קורוזיה, והן אינן דורשות צבע אלקטרופורטי להגנה מפני קורוזיה, מה שמפחית את ההשפעה הסביבתית של צבע אלקטרופורטי. משאית הארגזים מסגסוגת האלומיניום פותרת באופן מהותי את בעיות המשקל המוגזם, אי עמידה בהודעות וסיכונים רגולטוריים של תאי מטען מסורתיים עשויים ברזל.

שיחול (Extrusion) הוא שיטת עיבוד חיונית לסגסוגות אלומיניום, ולפרופילי אלומיניום תכונות מכניות מצוינות, כך שקשיחות החתך של הרכיבים גבוהה יחסית. בשל החתך המשתנה, סגסוגות אלומיניום יכולות להשיג שילוב של מספר פונקציות רכיבים, מה שהופך אותן לחומר טוב להפחתת משקל ברכב. עם זאת, היישום הנרחב של סגסוגות אלומיניום מתמודד עם אתגרים כגון יכולת תכנון לא מספקת עבור תאי מטען מסגסוגת אלומיניום, בעיות עיצוב וריתוך ועלויות פיתוח וקידום גבוהות של מוצרים חדשים. הסיבה העיקרית עדיין היא שסגסוגת אלומיניום עולה יותר מפלדה לפני שאקולוגיית המיחזור של סגסוגות אלומיניום הופכת לבשלה.

לסיכום, היקף היישום של סגסוגות אלומיניום ברכבים יתרחב, והשימוש בהן ימשיך לגדול. במגמות הנוכחיות של חיסכון באנרגיה, הפחתת פליטות ופיתוח תעשיית הרכב החדשה, עם ההבנה המעמיקה של תכונות סגסוגות האלומיניום ופתרונות יעילים לבעיות יישום סגסוגות אלומיניום, חומרי שיחול אלומיניום יהיו בשימוש נרחב יותר בהפחתת משקל ברכב.

נערך על ידי מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminum