تحقیقات کاربردی آلیاژ آلومینیوم در کامیون های نوع جعبه

1. معرفی

سبک وزن خودرو در کشورهای توسعه یافته آغاز شد و در ابتدا توسط غول های سنتی خودرو هدایت می شد. با توسعه مداوم ، حرکت قابل توجهی به دست آورده است. از زمانی که سرخپوستان برای اولین بار از آلیاژ آلومینیوم برای تولید میل لنگ اتومبیل به اولین تولید انبوه آئودی از اتومبیل های آلومینیومی در سال 1999 استفاده می کردند ، آلیاژ آلومینیوم به دلیل مزایای آن مانند چگالی کم ، استحکام خاص و سفتی ، رشد قوی در کاربردهای خودرو مشاهده کرده است. کشش خوب و مقاومت در برابر ضربه ، بازیافت بالا و میزان بازسازی بالا. تا سال 2015 ، نسبت کاربرد آلیاژ آلومینیوم در خودروها از 35 ٪ فراتر رفته بود.

سبک وزن خودرو در چین کمتر از 10 سال پیش آغاز شد و هر دو سطح فناوری و کاربرد در کشورهای توسعه یافته مانند آلمان ، ایالات متحده و ژاپن عقب مانده اند. با این حال ، با توسعه وسایل نقلیه انرژی جدید ، سبک وزن مواد به سرعت در حال پیشرفت است. با افزایش افزایش وسایل نقلیه انرژی جدید ، فناوری سبک وزن خودرو در چین روند صعود با کشورهای توسعه یافته را نشان می دهد.

بازار مواد سبک وزن چین بسیار گسترده است. از یک طرف ، در مقایسه با کشورهای توسعه یافته در خارج از کشور ، فناوری سبک وزن 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 طرف دیگر ، با توجه به سیاست ها ، توسعه سریع صنعت جدید خودروهای انرژی چین باعث افزایش تقاضا برای مواد سبک وزن و ترغیب شرکت های خودروسازی برای حرکت به سمت سبک وزن می شود.

بهبود استانداردهای انتشار و مصرف سوخت باعث شتاب سبک وزن خودرو می شود. چین استانداردهای انتشار چین VI را در سال 2020 به طور کامل پیاده سازی کرد. طبق "روش ارزیابی و شاخص های مصرف سوخت خودروهای مسافربری" و "جاده صرفه جویی در مصرف انرژی و راه راه فناوری انرژی جدید" ، استاندارد مصرف سوخت 5.0 لیتر در کیلومتر. با در نظر گرفتن فضای محدود برای پیشرفت های قابل توجه در فناوری موتور و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای ، اتخاذ اقدامات مربوط به اجزای سبک وزن خودرو می تواند به طور موثری باعث کاهش انتشار وسایل نقلیه و مصرف سوخت شود. سبک وزن وسایل نقلیه انرژی جدید به یک مسیر اساسی برای توسعه صنعت تبدیل شده است.

در سال 2016 ، انجمن مهندسی خودرو چین "نقشه راه صرفه جویی در مصرف انرژی و فناوری انرژی جدید انرژی" را صادر کرد ، که عواملی از قبیل مصرف انرژی ، محدوده سفر و تولید مواد برای وسایل نقلیه انرژی جدید از سال 2020 تا 2030 برنامه ریزی کرده است. سبک وزن یک جهت اصلی خواهد بود برای توسعه آینده وسایل نقلیه انرژی جدید. سبک وزن می تواند دامنه کروز را افزایش داده و به "اضطراب دامنه" در وسایل نقلیه انرژی جدید بپردازد. با افزایش تقاضا برای محدوده گسترده سفر ، سبک وزن خودرو ضروری می شود و فروش وسایل نقلیه انرژی جدید در سالهای اخیر به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. با توجه به الزامات سیستم نمره و "برنامه توسعه اواسط تا طولانی برای صنعت خودرو" ، تخمین زده می شود که تا سال 2025 ، فروش خودروهای جدید انرژی چین از 6 میلیون واحد با رشد سالانه مرکب فراتر خواهد رفت. نرخ بیش از 38 ٪.

2. ویژگی ها و برنامه های آلیاژ آلومینیوم

2.1 ویژگی های آلیاژ آلومینیوم

چگالی آلومینیوم یک سوم از فولاد است و آن را سبک تر می کند. این مقاومت خاص بالاتری ، توانایی اکستروژن خوب ، مقاومت در برابر خوردگی قوی و بازیافت بالا دارد. آلیاژهای آلومینیوم با تشکیل در درجه اول از منیزیم ، نشان دادن مقاومت در برابر حرارت خوب ، خاصیت جوشکاری خوب ، استحکام خستگی خوب ، عدم توانایی تقویت با عملیات حرارتی و توانایی افزایش استحکام از طریق سرماخوردگی مشخص می شوند. این سری با تشکیل در درجه اول از منیزیم و سیلیکون ، با MG2SI به عنوان مرحله اصلی تقویت مشخص می شود. پرکاربردترین آلیاژهای موجود در این گروه 6063 ، 6061 و 6005A است. صفحه آلومینیومی 5052 یک صفحه آلومینیومی آلیاژ سری AL-MG است که منیزیم به عنوان عنصر اصلی آلیاژ است. این آلیاژ آلومینیوم ضد Rust بسیار پرکاربرد است. این آلیاژ از استحکام بالا ، مقاومت در برابر خستگی بالا ، انعطاف پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی برخوردار است ، با عملیات حرارتی نمی تواند تقویت شود ، در سخت شدن کار نیمه سرد ، انعطاف پذیری خوبی در سخت شدن کار سرماخوردگی ، مقاومت در برابر خوردگی خوب و خاصیت جوشکاری خوب ، از انعطاف پذیری خوبی برخوردار است. این ماده به طور عمده برای اجزای مانند پانل های جانبی ، روکش های سقف و پانل های درب استفاده می شود. 6063 آلیاژ آلومینیوم یک آلیاژ تقویت کننده گرما در سری AL-MG-SI است که منیزیم و سیلیکون به عنوان عناصر اصلی آلیاژ است. این یک پروفایل آلیاژ آلومینیوم تقویت کننده گرما با استحکام متوسط ​​است ، که عمدتا در اجزای ساختاری مانند ستون ها و پانل های جانبی برای حمل استحکام استفاده می شود. مقدمه ای برای نمرات آلیاژ آلومینیوم در جدول 1 نشان داده شده است.

2.2 اکستروژن یک روش مهم تشکیل آلیاژ آلومینیوم است

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

محصولات اکسترود شده آلیاژ آلومینیوم نسبت به سایر روشهای شکل گیری دارای چندین مزیت هستند:

الف در حین اکستروژن ، فلز اکسترود شده استرس فشاری سه طرفه قوی تر و یکنواخت تر در منطقه تغییر شکل نسبت به نورد و جعل به دست می آورد ، بنابراین می تواند به طور کامل انعطاف پذیری فلز فرآوری شده را بازی کند. می توان از آن برای پردازش فلزات دشوار برای تغییر شکل استفاده کرد که با نورد یا جعل نمی توانند پردازش شوند و می توان از آنها برای ساخت اجزای مختلف مقطع توخالی یا جامد استفاده کرد.

ب. از آنجا که هندسه پروفایلهای آلومینیومی می تواند متنوع باشد ، اجزای آنها از سفتی بالایی برخوردار است که می تواند استحکام بدن وسیله نقلیه را بهبود بخشد ، خصوصیات NVH آن را کاهش داده و ویژگی های کنترل پویا وسیله نقلیه را بهبود بخشد.

ج. محصولات با راندمان اکستروژن ، پس از خاموش شدن و پیری ، نسبت به محصولات پردازش شده توسط سایر روشها ، از مقاومت طولی به طور قابل توجهی بالاتر (R ، RAZ) برخوردار هستند.

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

ه. پردازش اکستروژن از انعطاف پذیری عالی ، هزینه کم و هزینه قالب و هزینه های تغییر طراحی پایین برخوردار است.

f. با توجه به قابلیت کنترل مقطع مشخصات آلومینیوم ، می توان میزان ادغام مؤلفه را افزایش داد ، می توان تعداد اجزای آن را کاهش داد و طرح های مختلف مقطع می توانند به موقعیت یابی دقیق جوش برسند.

مقایسه عملکرد بین پروفایل های آلومینیوم اکسترود شده برای کامیون های نوع جعبه و فولاد کربن ساده در جدول 3 نشان داده شده است.

جهت توسعه بعدی پروفایل های آلیاژ آلومینیوم برای کامیون های جعبه: بهبود بیشتر قدرت مشخصات و افزایش عملکرد اکستروژن. جهت تحقیق مواد جدید برای پروفایل آلیاژ آلومینیوم برای کامیون های نوع جعبه در شکل 1 نشان داده شده است.

3. ساختار کامیون جعبه آلیاژ آلیاژ ، تجزیه و تحلیل قدرت و تأیید

3.1 ساختار کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم

کانتینر کامیون جعبه به طور عمده از مونتاژ صفحه جلو ، مونتاژ پانل سمت چپ و راست ، مونتاژ پنل سمت درب عقب ، مونتاژ کف ، مونتاژ سقف و همچنین پیچ های U شکل ، نگهبانان جانبی ، نگهبانان عقب ، فلپ های گل و سایر لوازم جانبی تشکیل شده است. متصل به شاسی درجه دوم. پرتوهای متقاطع بدن ، ستون ها ، تیرهای جانبی و پانل های درب از پروفایل های اکسترود شده آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است ، در حالی که پانل های کف و سقف از 5052 صفحه مسطح آلیاژ آلومینیوم ساخته شده اند. ساختار کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم در شکل 2 نشان داده شده است.

با استفاده از فرآیند اکستروژن داغ آلیاژ آلومینیوم 6 سری می تواند مقطع توخالی پیچیده ای را تشکیل دهد ، طرحی از پروفایل های آلومینیومی با مقاطع پیچیده می تواند مواد را نجات دهد ، نیازهای قدرت و سفتی محصول را برآورده کند و الزامات ارتباط متقابل را برآورده کند اجزای مختلف بنابراین ، ساختار طراحی پرتو اصلی و لحظات مقطعی بی تحرکی I و لحظه های مقاومت در برابر W در شکل 3 نشان داده شده است.

مقایسه داده های اصلی در جدول 4 نشان می دهد که لحظات مقطعی بی تحرکی و لحظه های مقاومت در برابر مشخصات آلومینیوم طراحی شده بهتر از داده های مربوط به پروفایل پرتو آهن است. داده های ضریب سفتی تقریباً مشابه با مشخصات پرتو آهن مربوطه است و همه شرایط تغییر شکل را برآورده می کنند.

3.2 حداکثر محاسبه استرس

با استفاده از مؤلفه بارگذاری کلید ، چهار ضلعی ، به عنوان جسم ، حداکثر استرس محاسبه می شود. بار رتبه بندی 1.5 تن است ، و رگ های عبور از مشخصات آلیاژ آلومینیوم 6063-T6 با خصوصیات مکانیکی همانطور که در جدول 5 نشان داده شده است ساخته شده است. پرتو به عنوان یک ساختار کانسیلر برای محاسبه نیرو ساده می شود ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

با استفاده از پرتوی دهانه 344 میلی متر ، بار فشاری روی پرتو به صورت f = 3757 N بر اساس 4.5T محاسبه می شود ، که سه برابر بار استاندارد استاتیک است. q = f/l

جایی که q استرس داخلی پرتو در زیر بار ، n/mm است. f بار تحمل شده توسط پرتو است ، بر اساس 3 برابر بار استاتیک استاندارد ، که 4.5 تن است محاسبه می شود. l طول پرتو ، میلی متر است.

بنابراین ، استرس داخلی q:

فرمول محاسبه استرس به شرح زیر است:

حداکثر لحظه:

با توجه به مقدار مطلق لحظه ، M = 274283 N · mm ، حداکثر استرس σ = m/(1.05 × W) = 18.78 MPa و حداکثر مقدار استرس σ <215 MPa ، که مطابق با الزامات است.

3.3 ویژگی های اتصال اجزای مختلف

آلیاژ آلومینیوم دارای خاصیت جوشکاری ضعیف است و مقاومت نقطه جوش آن تنها 60 ٪ از استحکام مواد پایه است. با توجه به پوشش یک لایه از Al2O3 بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم ، نقطه ذوب Al2O3 زیاد است ، در حالی که نقطه ذوب آلومینیوم کم است. هنگامی که آلیاژ آلومینیوم جوش داده می شود ، برای انجام جوشکاری باید AL2O3 روی سطح به سرعت شکسته شود. در عین حال ، باقیمانده Al2O3 در محلول آلیاژ آلومینیوم باقی خواهد 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 آلومینیوم ، این خصوصیات کاملاً در نظر گرفته می شود. جوشکاری روش اصلی موقعیت یابی است و اجزای اصلی تحمل بار توسط پیچ ها متصل می شوند. اتصالات مانند پرچین و ساختار dovetail در شکل 5 و 6 نشان داده شده است.

ساختار اصلی بدنه جعبه آلومینیوم ساختاری را با تیرهای افقی ، ستون های عمودی ، تیرهای جانبی و تیرهای لبه در هم تنیده با یکدیگر قرار می دهد. بین هر تیر افقی و ستون عمودی چهار نقطه اتصال وجود دارد. نقاط اتصال به واشرهای دندانه دار مجهز شده است تا با لبه دندانه دار پرتو افقی مشبک شود و به طور موثری از کشویی جلوگیری می کند. هشت نقطه گوشه عمدتاً توسط درج هسته فولادی متصل می شوند ، با پیچ و مهره های خود قفل شده ثابت شده و توسط صفحات آلومینیومی مثلثی 5 میلی متر که در داخل جعبه جوش داده می شوند تقویت می شوند تا موقعیت های گوشه ای را در داخل تقویت کنند. ظاهر خارجی جعبه هیچ نقاط جوش یا در معرض اتصال ندارد و از ظاهر کلی جعبه اطمینان حاصل می کند.

3.4 SE فناوری مهندسی همزمان

از فناوری مهندسی هماهنگ SE برای حل مشکلات ناشی از انحراف اندازه انباشته شده برای تطبیق اجزای موجود در بدنه جعبه و مشکلات در یافتن دلایل شکاف ها و خرابی های صاف استفاده می شود. از طریق تجزیه و تحلیل CAE (شکل 7-8 را ببینید) ، تجزیه و تحلیل مقایسه با بدنهای جعبه آهن انجام می شود تا قدرت و سفتی کلی بدن جعبه را بررسی کنید ، نقاط ضعف پیدا کنید و اقدامات لازم را برای بهینه سازی و بهبود مؤثرتر طرح طراحی انجام دهید. بشر

4. اثر سبک وزن کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم

علاوه بر بدنه جعبه ، از آلیاژهای آلومینیومی می توان برای جایگزینی فولاد برای اجزای مختلف ظروف کامیون از نوع جعبه ، مانند گلدان ، نگهبانان عقب ، نگهبانان جانبی ، قفل درب ، لولا درب و لبه های پیش بند عقب استفاده کرد و به کاهش وزن رسید. از 30 ٪ تا 40 ٪ برای محفظه بار. اثر کاهش وزن برای یک کانتینر حمل و نقل 4080 میلی متر × 2300mm 2200 میلی متر در جدول 6 نشان داده شده است. این به طور اساسی مشکلات وزن بیش از حد ، عدم رعایت اطلاعیه ها و خطرات نظارتی محفظه های باری سنتی ساخت آهن را حل می کند.

با جایگزینی فولاد سنتی با آلیاژهای آلومینیوم برای اجزای خودرو ، نه تنها می توان جلوه های سبک وزن عالی را بدست آورد ، بلکه می تواند به صرفه جویی در سوخت ، کاهش انتشار و بهبود عملکرد وسیله نقلیه نیز کمک کند. در حال حاضر ، نظرات مختلفی در مورد سهم سبک وزن در صرفه جویی در سوخت وجود دارد. نتایج تحقیق موسسه بین المللی آلومینیوم در شکل 9 نشان داده شده است. هر 10 ٪ کاهش وزن وسیله نقلیه می تواند میزان مصرف سوخت را 6 ٪ به 8 ٪ کاهش دهد. بر اساس آمار خانگی ، کاهش وزن هر اتومبیل مسافری به 100 کیلوگرم می تواند میزان مصرف سوخت را 0.4 لیتر در 100 کیلومتر کاهش دهد. سهم سبک وزن در صرفه جویی در سوخت بر اساس نتایج به دست آمده از روشهای مختلف تحقیق است ، بنابراین تنوع وجود دارد. با این حال ، سبک وزن خودرو تأثیر قابل توجهی در کاهش مصرف سوخت دارد.

برای وسایل نقلیه الکتریکی ، اثر سبک وزن حتی بیشتر قابل توجه است. در حال حاضر ، چگالی انرژی واحد باتری های برق وسیله نقلیه الکتریکی با وسایل نقلیه سوخت مایع سنتی تفاوت معنی داری دارد. وزن سیستم برق (از جمله باتری) وسایل نقلیه برقی اغلب 20 تا 30 درصد از کل وزن وسیله نقلیه را تشکیل می دهد. به طور همزمان ، شکستن تنگنای عملکرد باتری ها یک چالش در سراسر جهان است. قبل از اینکه یک پیشرفت بزرگ در فناوری باتری با کارایی بالا وجود داشته باشد ، سبک وزن یک روش مؤثر برای بهبود دامنه کروز وسایل نقلیه برقی است. برای هر 100 کیلوگرم کاهش وزن ، دامنه کروز وسایل نقلیه برقی می تواند 6 ٪ به 11 ٪ افزایش یابد (رابطه بین کاهش وزن و محدوده کروز در شکل 10 نشان داده شده است). در حال حاضر ، محدوده سفر به وسایل نقلیه برقی خالص نمی تواند نیازهای اکثر افراد را برآورده کند ، اما کاهش وزن با مقدار معینی می تواند دامنه کروز را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد ، اضطراب دامنه را کاهش دهد و تجربه کاربر را بهبود بخشد.

5.Conclusion

علاوه بر ساختار تمام آلومینیومی کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم که در این مقاله معرفی شده است ، انواع مختلفی از کامیون های جعبه مانند پانل های لانه زنبوری آلومینیوم ، صفحات سگک آلومینیومی ، قاب های آلومینیومی + پوست آلومینیومی و ظروف باربری هیبریدی آهن-آلومینیوم وجود دارد. بشر آنها مزایای وزن سبک ، استحکام خاص و مقاومت در برابر خوردگی خوب را دارند و برای محافظت از خوردگی به رنگ الکتروفورز نیاز ندارند و باعث کاهش تأثیر محیطی رنگ الکتروفورز می شوند. کامیون جعبه آلیاژ آلومینیوم اساساً مشکلات وزن بیش از حد ، عدم رعایت اعلامیه ها و خطرات نظارتی محفظه های باری سنتی ساخت آهن را حل می کند.

اکستروژن یک روش پردازش ضروری برای آلیاژهای آلومینیوم است و پروفایل های آلومینیومی دارای خواص مکانیکی عالی هستند ، بنابراین سفتی بخش اجزای نسبتاً زیاد است. با توجه به مقطع متغیر ، آلیاژهای آلومینیوم می توانند به ترکیب عملکردهای چند مؤلفه دست یابند و آن را به یک ماده مناسب برای سبک وزن خودرو تبدیل کنند. با این حال ، استفاده گسترده از آلیاژهای آلومینیوم با چالش هایی از قبیل قابلیت طراحی کافی برای محفظه های باربری آلیاژ آلومینیوم ، مشکلات تشکیل و جوشکاری و هزینه های توسعه و تبلیغ بالا برای محصولات جدید روبرو است. دلیل اصلی این است که هنوز هم آلیاژ آلومینیوم بیشتر از فولاد هزینه دارد قبل از اینکه بوم شناسی بازیافت آلیاژهای آلومینیوم بالغ شود.

در پایان ، دامنه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم در خودروها گسترده تر می شود و استفاده از آنها همچنان افزایش می یابد. در روند فعلی صرفه جویی در مصرف انرژی ، کاهش انتشار و توسعه صنعت جدید وسیله نقلیه انرژی ، با درک عمیق تر از خواص آلیاژ آلومینیوم و راه حل های مؤثر برای مشکلات کاربردی آلیاژ آلومینیوم ، مواد اکستروژن آلومینیوم در سبک وزن خودرو به طور گسترده تر مورد استفاده قرار می گیرند.

ویرایش شده توسط می جیانگ از آلومینیوم مات