تحقیق کاربردی آلیاژ آلومینیوم در کامیون‌های جعبه‌ای

1-مقدمه

سبک وزن سازی خودرو در کشورهای توسعه یافته آغاز شد و در ابتدا توسط غول های سنتی خودرو رهبری می شد. با توسعه مداوم، شتاب قابل توجهی به دست آورده است. از زمانی که هندی ها برای اولین بار از آلیاژ آلومینیوم برای تولید میل لنگ خودرو استفاده کردند تا اولین تولید انبوه خودروهای تمام آلومینیومی آئودی در سال 1999، آلیاژ آلومینیوم به دلیل مزایایی مانند چگالی کم، استحکام ویژه بالا و سختی، رشد قابل توجهی در کاربردهای خودرو داشته است. کشش خوب و مقاومت در برابر ضربه، قابلیت بازیافت بالا و نرخ بازسازی بالا. تا سال 2015، نسبت کاربرد آلیاژ آلومینیوم در خودروها از 35 درصد فراتر رفته بود.

سبک وزن سازی خودرو در چین کمتر از 10 سال پیش آغاز شد و هر دو سطح فناوری و کاربرد از کشورهای توسعه یافته مانند آلمان، ایالات متحده و ژاپن عقب هستند. با این حال، با توسعه وسایل نقلیه انرژی جدید، وزن سبک مواد به سرعت در حال پیشرفت است. فناوری سبک‌وزن خودرو چین با استفاده از افزایش وسایل نقلیه انرژی جدید، روندی را برای رسیدن به کشورهای توسعه یافته نشان می‌دهد.

بازار مواد سبک وزن چین گسترده است. از یک سو، در مقایسه با کشورهای توسعه‌یافته خارج از کشور، فناوری سبک‌وزن چین دیر شروع شد و وزن کلی خودرو بزرگتر است. با توجه به معیار نسبت مواد سبک وزن در کشورهای خارجی، هنوز فضای کافی برای توسعه در چین وجود دارد. از سوی دیگر، با هدایت سیاست‌ها، توسعه سریع صنعت خودروهای انرژی جدید چین، تقاضا برای مواد سبک وزن را افزایش می‌دهد و شرکت‌های خودروسازی را تشویق می‌کند به سمت سبک‌سازی حرکت کنند.

بهبود استانداردهای آلایندگی و مصرف سوخت باعث شتاب گرفتن سبک وزن خودرو می شود. چین استانداردهای آلایندگی China VI را به طور کامل در سال 2020 اجرا کرد. طبق «روش ارزیابی و شاخص‌های مصرف سوخت خودروهای سواری» و «نقشه راه فناوری خودروهای صرفه‌جویی در انرژی و انرژی جدید»، استاندارد مصرف سوخت 5.0 لیتر در کیلومتر. با در نظر گرفتن فضای محدود برای پیشرفت های اساسی در فناوری موتور و کاهش آلایندگی، اتخاذ تدابیری برای اجزای سبک وزن خودرو می تواند به طور موثری آلایندگی خودرو و مصرف سوخت را کاهش دهد. سبک وزن کردن وسایل نقلیه انرژی جدید به یک مسیر ضروری برای توسعه صنعت تبدیل شده است.

در سال 2016، انجمن مهندسی خودرو چین "نقشه راه فناوری خودروهای صرفه جویی در انرژی و انرژی جدید" را صادر کرد که عواملی مانند مصرف انرژی، محدوده حرکت و مواد تولیدی برای خودروهای انرژی جدید را از سال 2020 تا 2030 برنامه ریزی می کرد. سبک وزن یک جهت کلیدی خواهد بود. برای توسعه آینده وسایل نقلیه انرژی جدید. وزن سبک می تواند برد کروز را افزایش دهد و "اضطراب برد" را در وسایل نقلیه انرژی جدید برطرف کند. با افزایش تقاضا برای افزایش محدوده کروز، وزن سبک خودرو ضروری می شود و فروش خودروهای انرژی جدید در سال های اخیر رشد قابل توجهی داشته است. با توجه به الزامات سیستم امتیازدهی و "برنامه توسعه میان مدت تا بلندمدت صنعت خودرو"، تخمین زده می‌شود که تا سال 2025، فروش خودروهای انرژی نو در چین با رشد مرکب سالانه از 6 میلیون دستگاه فراتر رود. نرخ بیش از 38٪.

2. ویژگی ها و کاربردهای آلیاژ آلومینیوم

2.1 ویژگی های آلیاژ آلومینیوم

چگالی آلومینیوم یک سوم فولاد است که آن را سبک تر می کند. استحکام ویژه بالاتر، قابلیت اکستروژن خوب، مقاومت در برابر خوردگی قوی و قابلیت بازیافت بالا دارد. آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً از منیزیم تشکیل شده‌اند، مقاومت حرارتی خوبی از خود نشان می‌دهند، خواص جوشکاری خوب، استحکام خستگی خوب، ناتوانی در تقویت با عملیات حرارتی و توانایی افزایش استحکام از طریق کار سرد. سری 6 عمدتاً از منیزیم و سیلیکون تشکیل شده است و Mg2Si به عنوان فاز اصلی تقویت کننده است. پرکاربردترین آلیاژهای این دسته عبارتند از 6063، 6061 و 6005A. صفحه آلومینیومی 5052 یک صفحه آلومینیومی آلیاژی سری AL-Mg است که عنصر اصلی آلیاژ منیزیم است. پرکاربردترین آلیاژ آلومینیوم ضد زنگ است. این آلیاژ دارای استحکام بالا، استحکام خستگی بالا، پلاستیسیته خوب و مقاومت در برابر خوردگی است، با عملیات حرارتی قابل تقویت نیست، دارای پلاستیسیته خوب در سخت کاری نیمه سرد، پلاستیسیته پایین در سخت کاری سرد، مقاومت در برابر خوردگی خوب و خواص جوشکاری خوب است. این عمدتا برای اجزایی مانند پانل های جانبی، پوشش سقف و پانل های درب استفاده می شود. آلیاژ آلومینیوم 6063 یک آلیاژ تقویتی قابل عملیات حرارتی در سری AL-Mg-Si است که منیزیم و سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی اصلی می باشد. این یک پروفیل آلیاژ آلومینیوم تقویت‌کننده قابل عملیات حرارتی با استحکام متوسط ​​است که عمدتاً در اجزای ساختاری مانند ستون‌ها و پانل‌های جانبی برای حمل استحکام استفاده می‌شود. مقدمه ای بر گریدهای آلیاژ آلومینیوم در جدول 1 نشان داده شده است.

2.2 اکستروژن یک روش مهم شکل دهی آلیاژ آلومینیوم است

اکستروژن آلیاژ آلومینیوم یک روش شکل دهی گرم است و کل فرآیند تولید شامل تشکیل آلیاژ آلومینیوم تحت تنش فشاری سه طرفه است. کل فرآیند تولید را می توان به شرح زیر توصیف کرد: الف. آلومینیوم و سایر آلیاژها ذوب می شوند و در بیلت های آلیاژ آلومینیوم مورد نیاز ریخته می شوند. ب بیلت های پیش گرم شده برای اکستروژن در تجهیزات اکستروژن قرار می گیرند. تحت عمل سیلندر اصلی، بیلت آلیاژ آلومینیوم از طریق حفره قالب به پروفیل های مورد نیاز تبدیل می شود. ج. به منظور بهبود خواص مکانیکی پروفیل های آلومینیومی، درمان محلول در حین یا پس از اکستروژن و به دنبال آن عملیات پیری انجام می شود. خواص مکانیکی پس از درمان پیری با توجه به مواد مختلف و رژیم های پیری متفاوت است. وضعیت عملیات حرارتی پروفیل های کامیون جعبه ای در جدول 2 نشان داده شده است.

محصولات اکسترود شده با آلیاژ آلومینیوم دارای چندین مزیت نسبت به سایر روش های شکل دهی هستند:

الف در طول اکستروژن، فلز اکسترود شده تنش فشاری سه طرفه قوی‌تری نسبت به نورد و آهنگری در ناحیه تغییر شکل به دست می‌آورد، بنابراین می‌تواند به طور کامل انعطاف‌پذیری فلز پردازش شده را بازی کند. می توان از آن برای پردازش فلزات با تغییر شکل سخت استفاده کرد که نمی توانند با نورد یا آهنگری پردازش شوند و می توان از آن برای ساخت اجزای مختلف توخالی یا سطح مقطع جامد استفاده کرد.

ب از آنجا که هندسه پروفیل های آلومینیومی می تواند متفاوت باشد، اجزای آنها دارای سختی بالایی هستند که می تواند استحکام بدنه خودرو را بهبود بخشد، ویژگی های NVH آن را کاهش دهد و ویژگی های کنترل دینامیکی خودرو را بهبود بخشد.

ج. محصولات با راندمان اکستروژن، پس از کوئنچ و پیری، استحکام طولی (R, Raz) به طور قابل توجهی نسبت به محصولات فرآوری شده با روش های دیگر دارند.

د سطح محصولات پس از اکستروژن دارای رنگ خوب و مقاومت در برابر خوردگی خوب است و نیاز به سایر عملیات سطح ضد خوردگی را از بین می برد.

ه. پردازش اکستروژن دارای انعطاف پذیری زیاد، هزینه ابزار و قالب کم و هزینه تغییر طراحی پایین است.

f. با توجه به کنترل پذیری سطح مقطع پروفیل آلومینیوم، می توان درجه یکپارچگی اجزا را افزایش داد، تعداد اجزا را کاهش داد و طرح های مختلف مقطع می توانند به موقعیت جوشکاری دقیق دست یابند.

مقایسه عملکرد بین پروفیل های آلومینیومی اکسترود شده برای کامیون های جعبه ای و فولاد کربنی ساده در جدول 3 نشان داده شده است.

جهت توسعه بعدی پروفیل های آلیاژ آلومینیوم برای کامیون های جعبه ای: بهبود بیشتر استحکام پروفیل و افزایش عملکرد اکستروژن. جهت تحقیق مواد جدید برای پروفیل های آلیاژ آلومینیوم برای کامیون های جعبه ای در شکل 1 نشان داده شده است.

3. ساختار کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم، تجزیه و تحلیل استحکام، و تایید

3.1 ساختار کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم

کانتینر کامیون جعبه عمدتاً از مونتاژ پانل جلو، مونتاژ پانل سمت چپ و راست، مونتاژ پانل جانبی درب عقب، مونتاژ کف، مونتاژ سقف، و همچنین پیچ‌های U شکل، حفاظ‌های جانبی، محافظ‌های عقب، فلپ‌های گلی و سایر لوازم جانبی تشکیل شده است. به شاسی درجه دو متصل می شود. تیرهای متقاطع بدنه جعبه، ستون ها، تیرهای جانبی و پانل درها از پروفیل های اکسترود شده با آلیاژ آلومینیوم ساخته شده اند، در حالی که پانل های کف و سقف از صفحات تخت آلیاژ آلومینیوم 5052 ساخته شده اند. ساختار کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم در شکل 2 نشان داده شده است.

با استفاده از فرآیند اکستروژن داغ از آلیاژ آلومینیوم سری 6 می توان مقاطع توخالی پیچیده ای را تشکیل داد، طراحی پروفیل های آلومینیومی با مقطع پیچیده می تواند باعث صرفه جویی در مواد شود، الزامات استحکام و سختی محصول را برآورده کند و الزامات اتصال متقابل بین را برآورده کند. اجزای مختلف بنابراین، ساختار طراحی تیر اصلی و گشتاورهای مقطعی اینرسی I و لنگرهای مقاومتی W در شکل 3 نشان داده شده است.

مقایسه داده های اصلی جدول 4 نشان می دهد که گشتاورهای مقطعی اینرسی و لنگرهای مقاومتی پروفیل آلومینیومی طراحی شده بهتر از داده های متناظر پروفیل تیر آهنی است. داده‌های ضریب سختی تقریباً مشابه مشخصات پروفیل تیر آهنی مربوطه است و همه الزامات تغییر شکل را برآورده می‌کنند.

3.2 محاسبه حداکثر استرس

با در نظر گرفتن جزء کلیدی باربر، تیر متقاطع، به عنوان جسم، حداکثر تنش محاسبه می شود. بار نامی 1.5 تن است و تیر متقاطع از پروفیل آلیاژ آلومینیوم 6063-T6 با خواص مکانیکی همانطور که در جدول 5 نشان داده شده است ساخته شده است. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، تیر به عنوان یک ساختار کنسولی برای محاسبه نیرو ساده شده است.

با در نظر گرفتن یک تیر دهانه 344 میلی متر، بار فشاری روی تیر بر اساس 4.5 تن، که سه برابر بار استاتیک استاندارد است، F=3757 N محاسبه می شود. q=F/L

که در آن q تنش داخلی تیر تحت بار، N/mm است. F بار تحمل شده توسط تیر است که بر اساس 3 برابر بار استاتیکی استاندارد که 4.5 تن است محاسبه می شود. L طول تیر، میلی متر است.

بنابراین تنش داخلی q به صورت زیر است:

فرمول محاسبه تنش به شرح زیر است:

حداکثر لحظه:

با در نظر گرفتن مقدار مطلق لحظه، M=274283 N·mm، حداکثر تنش σ=M/(1.05×w)=18.78 مگاپاسکال، و مقدار حداکثر تنش σ<215 MPa، که الزامات را برآورده می کند.

3.3 ویژگی های اتصال اجزای مختلف

آلیاژ آلومینیوم خواص جوشکاری ضعیفی دارد و استحکام نقطه جوش آن تنها 60 درصد استحکام ماده پایه است. به دلیل پوشاندن لایه ای از Al2O3 بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم، نقطه ذوب Al2O3 بالا و نقطه ذوب آلومینیوم پایین است. هنگامی که آلیاژ آلومینیوم جوش داده می شود، Al2O3 روی سطح باید به سرعت شکسته شود تا جوشکاری انجام شود. در همان زمان، باقی مانده Al2O3 در محلول آلیاژ آلومینیوم باقی می ماند و بر ساختار آلیاژ آلومینیوم تأثیر می گذارد و قدرت نقطه جوش آلیاژ آلومینیوم را کاهش می دهد. بنابراین هنگام طراحی یک ظرف تمام آلومینیومی این ویژگی ها کاملا در نظر گرفته می شود. جوشکاری روش اصلی موقعیت یابی است و اجزای باربر اصلی توسط پیچ و مهره به یکدیگر متصل می شوند. اتصالاتی مانند پرچ و ساختار دم کبوتر در شکل 5 و 6 نشان داده شده است.

ساختار اصلی بدنه جعبه تمام آلومینیومی ساختاری با تیرهای افقی، ستون های عمودی، تیرهای جانبی و تیرهای لبه ای دارد که با یکدیگر قفل شده اند. چهار نقطه اتصال بین هر تیر افقی و ستون عمودی وجود دارد. نقاط اتصال دارای واشرهای دندانه دار هستند تا با لبه دندانه دار تیر افقی مشبک شوند و به طور موثر از لغزش جلوگیری کنند. هشت نقطه گوشه عمدتاً توسط درج‌های هسته فولادی به هم متصل شده‌اند که با پیچ‌ها و پرچ‌های خود قفل‌شونده ثابت شده‌اند و با صفحات آلومینیومی مثلثی 5 میلی‌متری که در داخل جعبه جوش داده شده‌اند تقویت شده‌اند تا موقعیت‌های گوشه را در داخل تقویت کنند. ظاهر بیرونی جعبه فاقد نقاط اتصال جوش یا در معرض دید است و ظاهر کلی جعبه را تضمین می کند.

3.4 فناوری مهندسی سنکرون SE

فناوری مهندسی سنکرون SE برای حل مشکلات ناشی از انحرافات بزرگ اندازه انباشته شده برای تطبیق اجزا در بدنه جعبه و مشکلات در یافتن دلایل شکاف ها و خرابی های صافی استفاده می شود. از طریق تجزیه و تحلیل CAE (نگاه کنید به شکل 7-8)، یک تجزیه و تحلیل مقایسه با بدنه های جعبه ساخته شده از آهن انجام می شود تا استحکام و سفتی کلی بدنه جعبه را بررسی کند، نقاط ضعف را پیدا کند، و اقداماتی را برای بهینه سازی و بهبود طرح طراحی به طور موثرتری انجام دهد. .

4. اثر سبک وزن کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم

علاوه بر بدنه جعبه، می توان از آلیاژهای آلومینیوم برای جایگزینی فولاد برای اجزای مختلف کانتینرهای جعبه ای مانند گلگیر، محافظ عقب، محافظ جانبی، چفت درب، لولای در و لبه های پیش بند عقب استفاده کرد که باعث کاهش وزن می شود. 30 تا 40 درصد برای محفظه بار. اثر کاهش وزن برای یک کانتینر بار خالی 4080mm×2300mm×2200mm در جدول 6 نشان داده شده است. این امر اساساً مشکلات وزن بیش از حد، عدم رعایت اعلان ها و خطرات نظارتی محفظه های بار آهنی سنتی را حل می کند.

با جایگزینی فولاد سنتی با آلیاژهای آلومینیوم برای اجزای خودرو، نه تنها می توان به اثرات سبک وزنی عالی دست یافت، بلکه می تواند به صرفه جویی در سوخت، کاهش انتشار و بهبود عملکرد خودرو کمک کند. در حال حاضر نظرات مختلفی در مورد سهم سبک وزن در صرفه جویی در مصرف سوخت وجود دارد. نتایج تحقیقات موسسه بین المللی آلومینیوم در شکل 9 نشان داده شده است. هر 10 درصد کاهش وزن خودرو می تواند مصرف سوخت را بین 6 تا 8 درصد کاهش دهد. بر اساس آمارهای داخلی، کاهش 100 کیلوگرمی وزن هر خودروی سواری می تواند مصرف سوخت را 0.4 لیتر در هر 100 کیلومتر کاهش دهد. سهم سبک وزن در صرفه جویی در سوخت بر اساس نتایج به دست آمده از روش های مختلف تحقیقاتی است، بنابراین تغییراتی وجود دارد. با این حال، سبک وزن خودرو تأثیر بسزایی در کاهش مصرف سوخت دارد.

برای وسایل نقلیه الکتریکی، اثر سبک وزنی حتی بیشتر است. در حال حاضر، واحد چگالی انرژی باتری های برق خودروهای الکتریکی به طور قابل توجهی با خودروهای سوخت مایع سنتی متفاوت است. وزن سیستم قدرت (از جمله باتری) وسایل نقلیه الکتریکی اغلب 20٪ تا 30٪ از وزن کل خودرو را تشکیل می دهد. به طور همزمان، شکستن گلوگاه عملکرد باتری ها یک چالش جهانی است. قبل از اینکه پیشرفت بزرگی در فناوری باتری‌های با کارایی بالا ایجاد شود، سبک‌وزن روشی مؤثر برای بهبود محدوده حرکتی خودروهای الکتریکی است. به ازای هر 100 کیلوگرم کاهش وزن، محدوده کروز خودروهای الکتریکی را می توان 6 تا 11 درصد افزایش داد (رابطه بین کاهش وزن و محدوده کروز در شکل 10 نشان داده شده است). در حال حاضر، محدوده کروز خودروهای الکتریکی خالص نمی‌تواند نیازهای اکثر مردم را برآورده کند، اما کاهش وزن به میزان معینی می‌تواند به طور قابل توجهی محدوده کروز را بهبود بخشد، اضطراب برد را کاهش دهد و تجربه کاربر را بهبود بخشد.

5. نتیجه گیری

علاوه بر ساختار تمام آلومینیومی کامیون جعبه آلیاژ آلومینیومی که در این مقاله معرفی شده است، انواع مختلفی از کامیون های باکس مانند پانل های لانه زنبوری آلومینیومی، صفحات سگک آلومینیومی، قاب آلومینیومی + پوسته آلومینیومی و کانتینرهای بار هیبریدی آهن و آلومینیوم وجود دارد. . آنها دارای مزایای وزن سبک، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب هستند و برای محافظت در برابر خوردگی نیازی به رنگ الکتروفورتیک ندارند و اثرات زیست محیطی رنگ الکتروفورتیک را کاهش می دهند. کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم اساساً مشکلات وزن بیش از حد، عدم انطباق با اعلامیه ها و خطرات نظارتی محفظه های باری سنتی آهنی را حل می کند.

اکستروژن یک روش پردازش ضروری برای آلیاژهای آلومینیوم است و پروفیل های آلومینیومی دارای خواص مکانیکی عالی هستند، بنابراین سفتی بخش قطعات نسبتاً بالا است. با توجه به سطح مقطع متغیر، آلیاژهای آلومینیوم می توانند ترکیبی از عملکردهای چندگانه را به دست آورند که آن را به ماده خوبی برای سبک وزن کردن خودرو تبدیل می کند. با این حال، کاربرد گسترده آلیاژهای آلومینیوم با چالش‌هایی مانند توانایی طراحی ناکافی محفظه‌های بار آلیاژ آلومینیوم، مسائل شکل‌دهی و جوشکاری، و هزینه‌های بالای توسعه و ترویج محصولات جدید مواجه است. دلیل اصلی هنوز این است که آلیاژ آلومینیوم قبل از بالغ شدن اکولوژی بازیافت آلیاژهای آلومینیوم بیشتر از فولاد هزینه می کند.

در نتیجه، دامنه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم در خودروها گسترده‌تر خواهد شد و استفاده از آنها همچنان افزایش خواهد یافت. در روند فعلی صرفه جویی در انرژی، کاهش انتشار و توسعه صنعت خودروهای انرژی جدید، با درک عمیق از خواص آلیاژ آلومینیوم و راه حل های موثر برای مشکلات کاربرد آلیاژ آلومینیوم، مواد اکستروژن آلومینیوم به طور گسترده تری در سبک وزن سازی خودرو استفاده خواهند شد.

ویرایش شده توسط می جیانگ از MAT آلومینیوم