تحقیقات کاربردی آلیاژ آلومینیوم در کامیون‌های جعبه‌ای

۱. مقدمه

سبک‌سازی خودرو در کشورهای توسعه‌یافته آغاز شد و در ابتدا توسط غول‌های خودروسازی سنتی هدایت می‌شد. با توسعه مداوم، شتاب قابل توجهی یافته است. از زمانی که هندی‌ها برای اولین بار از آلیاژ آلومینیوم برای تولید میل‌لنگ خودرو استفاده کردند تا اولین تولید انبوه خودروهای تمام آلومینیومی آئودی در سال ۱۹۹۹، آلیاژ آلومینیوم به دلیل مزایایی مانند چگالی کم، استحکام و سختی ویژه بالا، خاصیت ارتجاعی خوب و مقاومت در برابر ضربه، قابلیت بازیافت بالا و نرخ بازسازی بالا، رشد چشمگیری در کاربردهای خودرو داشته است. تا سال ۲۰۱۵، نسبت کاربرد آلیاژ آلومینیوم در خودروها از ۳۵ درصد فراتر رفته بود.

سبک‌سازی خودرو در چین کمتر از 10 سال پیش آغاز شد و هم از نظر فناوری و هم از نظر سطح کاربرد از کشورهای توسعه‌یافته‌ای مانند آلمان، ایالات متحده و ژاپن عقب مانده است. با این حال، با توسعه خودروهای انرژی جدید، سبک‌سازی مواد به سرعت در حال پیشرفت است. با بهره‌گیری از ظهور خودروهای انرژی جدید، فناوری سبک‌سازی خودرو در چین روندی رو به رشد را نشان می‌دهد که به کشورهای توسعه‌یافته نزدیک می‌شود.

بازار مواد سبک وزن چین بسیار گسترده است. از یک سو، در مقایسه با کشورهای توسعه یافته خارجی، فناوری سبک سازی چین دیرتر آغاز شد و وزن کلی خودرو بیشتر است. با توجه به معیار نسبت مواد سبک وزن در کشورهای خارجی، هنوز فضای زیادی برای توسعه در چین وجود دارد. از سوی دیگر، توسعه سریع صنعت خودروهای انرژی جدید چین، با توجه به سیاست‌ها، تقاضا برای مواد سبک وزن را افزایش داده و شرکت‌های خودروسازی را به حرکت به سمت سبک سازی تشویق می‌کند.

بهبود استانداردهای انتشار و مصرف سوخت، شتاب بخشیدن به سبک‌سازی خودروها را الزامی می‌کند. چین استانداردهای انتشار چین VI را در سال 2020 به طور کامل اجرا کرد. طبق «روش ارزیابی و شاخص‌های مصرف سوخت خودروهای سواری» و «نقشه راه فناوری صرفه‌جویی در مصرف انرژی و خودروهای انرژی نو»، استاندارد مصرف سوخت 5.0 لیتر در کیلومتر. با توجه به فضای محدود برای پیشرفت‌های قابل توجه در فناوری موتور و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، اتخاذ اقداماتی برای سبک‌سازی قطعات خودرو می‌تواند به طور مؤثر انتشار گازهای گلخانه‌ای و مصرف سوخت خودروها را کاهش دهد. سبک‌سازی خودروهای انرژی نو به یک مسیر اساسی برای توسعه صنعت تبدیل شده است.

در سال ۲۰۱۶، انجمن مهندسی خودرو چین «نقشه راه فناوری خودروهای انرژی نو و صرفه‌جویی در مصرف انرژی» را منتشر کرد که در آن عواملی مانند مصرف انرژی، برد مسافتی و مواد تولیدی برای خودروهای انرژی نو از سال ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰ برنامه‌ریزی شده بود. سبک‌سازی، جهت‌گیری کلیدی برای توسعه آینده خودروهای انرژی نو خواهد بود. سبک‌سازی می‌تواند برد مسافتی را افزایش داده و «اضطراب برد» در خودروهای انرژی نو را برطرف کند. با افزایش تقاضا برای برد مسافتی بیشتر، سبک‌سازی خودرو ضروری می‌شود و فروش خودروهای انرژی نو در سال‌های اخیر به طور قابل توجهی افزایش یافته است. طبق الزامات سیستم امتیازدهی و «برنامه توسعه میان‌مدت تا بلندمدت برای صنعت خودرو»، تخمین زده می‌شود که تا سال ۲۰۲۵، فروش خودروهای انرژی نو در چین از ۶ میلیون دستگاه فراتر رود و نرخ رشد مرکب سالانه آن بیش از ۳۸ درصد باشد.

۲. ویژگی‌ها و کاربردهای آلیاژ آلومینیوم

۲.۱ ویژگی‌های آلیاژ آلومینیوم

چگالی آلومینیوم یک سوم فولاد است که آن را سبک‌تر می‌کند. این آلیاژها دارای استحکام ویژه بالاتر، قابلیت اکستروژن خوب، مقاومت در برابر خوردگی قوی و قابلیت بازیافت بالا هستند. آلیاژهای آلومینیوم با ترکیب اولیه منیزیم، مقاومت حرارتی خوب، خواص جوشکاری خوب، استحکام خستگی خوب، عدم توانایی تقویت با عملیات حرارتی و توانایی افزایش استحکام از طریق کار سرد مشخص می‌شوند. سری 6 با ترکیب اولیه منیزیم و سیلیکون، با Mg2Si به عنوان فاز تقویت‌کننده اصلی مشخص می‌شود. پرکاربردترین آلیاژهای این دسته 6063، 6061 و 6005A هستند. صفحه آلومینیومی 5052 یک صفحه آلومینیومی آلیاژی سری AL-Mg است که منیزیم به عنوان عنصر آلیاژی اصلی آن است. این آلیاژ پرکاربردترین آلیاژ آلومینیوم ضد زنگ است. این آلیاژ دارای استحکام بالا، استحکام خستگی بالا، انعطاف‌پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی است، نمی‌توان آن را با عملیات حرارتی تقویت کرد، انعطاف‌پذیری خوبی در سخت‌کاری نیمه سرد، انعطاف‌پذیری کم در سخت‌کاری سرد، مقاومت در برابر خوردگی خوب و خواص جوشکاری خوب دارد. این آلیاژ عمدتاً برای اجزایی مانند پنل‌های جانبی، پوشش‌های سقف و پنل‌های درب استفاده می‌شود. آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ یک آلیاژ تقویت‌شده با عملیات حرارتی در سری AL-Mg-Si است که منیزیم و سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی اصلی در آن قرار دارند. این یک پروفیل آلیاژ آلومینیوم تقویت‌شده با عملیات حرارتی با استحکام متوسط ​​است که عمدتاً در اجزای سازه‌ای مانند ستون‌ها و پنل‌های جانبی برای تحمل استحکام استفاده می‌شود. مقدمه‌ای بر گریدهای آلیاژ آلومینیوم در جدول ۱ نشان داده شده است.

۲.۲ اکستروژن یک روش مهم شکل‌دهی آلیاژ آلومینیوم است

اکستروژن آلیاژ آلومینیوم یک روش شکل‌دهی گرم است و کل فرآیند تولید شامل تشکیل آلیاژ آلومینیوم تحت تنش فشاری سه‌طرفه است. کل فرآیند تولید را می‌توان به شرح زیر توصیف کرد: الف. آلومینیوم و سایر آلیاژها ذوب شده و به بیلت‌های آلیاژ آلومینیوم مورد نیاز ریخته‌گری می‌شوند. ب. بیلت‌های پیش‌گرم شده برای اکستروژن در تجهیزات اکستروژن قرار می‌گیرند. بیلت آلیاژ آلومینیوم تحت عمل سیلندر اصلی از طریق حفره قالب به پروفیل‌های مورد نیاز شکل می‌گیرد. ج. به منظور بهبود خواص مکانیکی پروفیل‌های آلومینیومی، عملیات محلول‌سازی در حین یا بعد از اکستروژن انجام می‌شود و به دنبال آن عملیات پیرسازی انجام می‌شود. خواص مکانیکی پس از عملیات پیرسازی با توجه به مواد مختلف و رژیم‌های پیرسازی متفاوت است. وضعیت عملیات حرارتی پروفیل‌های کامیونی نوع جعبه‌ای در جدول 2 نشان داده شده است.

محصولات اکسترود شده آلیاژ آلومینیوم نسبت به سایر روش‌های شکل‌دهی مزایای متعددی دارند:

الف) در طول اکستروژن، فلز اکسترود شده در ناحیه تغییر شکل، تنش فشاری سه طرفه قوی‌تر و یکنواخت‌تری نسبت به نورد و آهنگری به دست می‌آورد، بنابراین می‌تواند به طور کامل خاصیت انعطاف‌پذیری فلز فرآوری شده را ایفا کند. می‌توان از آن برای پردازش فلزاتی که تغییر شکل آنها دشوار است و نمی‌توان با نورد یا آهنگری آنها را پردازش کرد، استفاده کرد و می‌توان از آن برای ساخت اجزای مختلف مقطع توخالی یا توپر پیچیده استفاده کرد.

ب. از آنجا که هندسه پروفیل‌های آلومینیومی می‌تواند متنوع باشد، اجزای آنها از سختی بالایی برخوردارند که می‌تواند استحکام بدنه خودرو را بهبود بخشد، ویژگی‌های NVH آن را کاهش دهد و ویژگی‌های کنترل دینامیکی خودرو را بهبود بخشد.

ج. محصولاتی که راندمان اکستروژن بالایی دارند، پس از کوئنچ و پیرسازی، استحکام طولی (R، Raz) به طور قابل توجهی بالاتری نسبت به محصولاتی که با روش‌های دیگر فرآوری می‌شوند، دارند.

د. سطح محصولات پس از اکستروژن رنگ خوب و مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد و نیاز به سایر عملیات سطحی ضد خوردگی را از بین می‌برد.

ه. فرآیند اکستروژن انعطاف‌پذیری بالایی دارد، هزینه‌های ابزار و قالب‌سازی آن پایین است و هزینه‌های تغییر طراحی آن نیز کم است.

و. با توجه به قابلیت کنترل مقاطع پروفیل آلومینیوم، می‌توان درجه ادغام اجزا را افزایش داد، تعداد اجزا را کاهش داد و با طراحی مقاطع مختلف، موقعیت‌یابی دقیق جوشکاری را محقق کرد.

مقایسه عملکرد بین پروفیل‌های آلومینیومی اکسترود شده برای کامیون‌های جعبه‌ای و فولاد کربنی ساده در جدول 3 نشان داده شده است.

جهت‌گیری توسعه بعدی پروفیل‌های آلیاژ آلومینیوم برای کامیون‌های جعبه‌ای: بهبود بیشتر استحکام پروفیل و افزایش عملکرد اکستروژن. جهت‌گیری تحقیق مواد جدید برای پروفیل‌های آلیاژ آلومینیوم برای کامیون‌های جعبه‌ای در شکل 1 نشان داده شده است.

۳. ساختار کامیون جعبه‌ای آلیاژ آلومینیوم، تحلیل مقاومت و تأیید آن

۳.۱ ساختار کامیون جعبه‌ای آلیاژ آلومینیوم

کانتینر کامیون جعبه‌ای عمدتاً از مجموعه پنل جلو، مجموعه پنل کناری چپ و راست، مجموعه پنل کناری درب عقب، مجموعه کف، مجموعه سقف و همچنین پیچ‌های U شکل، محافظ‌های کناری، محافظ‌های عقب، گلگیرها و سایر لوازم جانبی متصل به شاسی درجه دو تشکیل شده است. تیرهای عرضی بدنه جعبه‌ای، ستون‌ها، تیرهای کناری و پنل‌های درب از پروفیل‌های اکسترود شده آلیاژ آلومینیوم ساخته شده‌اند، در حالی که پنل‌های کف و سقف از صفحات تخت آلیاژ آلومینیوم 5052 ساخته شده‌اند. ساختار کامیون جعبه‌ای آلیاژ آلومینیوم در شکل 2 نشان داده شده است.

با استفاده از فرآیند اکستروژن گرم آلیاژ آلومینیوم سری 6 می‌توان مقاطع توخالی پیچیده‌ای را تشکیل داد، طراحی پروفیل‌های آلومینیومی با مقاطع پیچیده می‌تواند در مصرف مواد صرفه‌جویی کند، الزامات استحکام و سختی محصول را برآورده کند و الزامات اتصال متقابل بین اجزای مختلف را برآورده سازد. بنابراین، ساختار طراحی تیر اصلی و گشتاورهای اینرسی I و گشتاورهای مقاوم W در شکل 3 نشان داده شده است.

مقایسه داده‌های اصلی در جدول ۴ نشان می‌دهد که گشتاورهای مقطعی اینرسی و گشتاورهای مقاوم پروفیل آلومینیومی طراحی‌شده بهتر از داده‌های مربوط به پروفیل تیر آهنی هستند. داده‌های ضریب سختی تقریباً مشابه داده‌های پروفیل تیر آهنی مربوطه هستند و همگی الزامات تغییر شکل را برآورده می‌کنند.

۳.۲ محاسبه حداکثر تنش

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

با در نظر گرفتن یک تیر با دهانه ۳۴۴ میلی‌متر، بار فشاری وارد بر تیر به صورت F=3757 N بر اساس ۴.۵t محاسبه می‌شود که سه برابر بار استاتیکی استاندارد است. 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 محاسبه می‌شود که 4.5 تن است؛ L طول تیر است، میلی‌متر.

بنابراین، تنش داخلی q برابر است با:

فرمول محاسبه تنش به شرح زیر است:

حداکثر لحظه برابر است با:

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

۳.۳ ویژگی‌های اتصال اجزای مختلف

آلیاژ آلومینیوم خواص جوشکاری ضعیفی دارد و استحکام نقطه جوش آن تنها 60٪ از استحکام ماده پایه است. به دلیل پوشش لایه‌ای از Al2O3 بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم، نقطه ذوب Al2O3 بالا است، در حالی که نقطه ذوب آلومینیوم پایین است. هنگام جوشکاری آلیاژ آلومینیوم، Al2O3 روی سطح باید به سرعت شکسته شود تا جوشکاری انجام شود. در عین حال، باقیمانده Al2O3 در محلول آلیاژ آلومینیوم باقی می‌ماند و بر ساختار آلیاژ آلومینیوم تأثیر می‌گذارد و استحکام نقطه جوش آلیاژ آلومینیوم را کاهش می‌دهد. بنابراین، هنگام طراحی یک ظرف تمام آلومینیومی، این ویژگی‌ها به طور کامل در نظر گرفته می‌شوند. جوشکاری روش اصلی موقعیت‌یابی است و اجزای اصلی تحمل بار توسط پیچ و مهره به هم متصل می‌شوند. اتصالاتی مانند پرچ و ساختار دم چلچله‌ای در شکل‌های 5 و 6 نشان داده شده است.

ساختار اصلی بدنه جعبه تمام آلومینیومی، ساختاری با تیرهای افقی، ستون‌های عمودی، تیرهای جانبی و تیرهای لبه‌ای دارد که با یکدیگر قفل می‌شوند. بین هر تیر افقی و ستون عمودی، چهار نقطه اتصال وجود دارد. نقاط اتصال با واشرهای دندانه‌دار مجهز شده‌اند تا با لبه دندانه‌دار تیر افقی درگیر شوند و به طور مؤثر از لغزش جلوگیری کنند. هشت نقطه گوشه عمدتاً توسط درج‌های هسته فولادی متصل می‌شوند، با پیچ و مهره و پرچ‌های خود قفل شونده ثابت می‌شوند و توسط صفحات آلومینیومی مثلثی 5 میلی‌متری که در داخل جعبه جوش داده شده‌اند، تقویت می‌شوند تا موقعیت‌های گوشه را از داخل تقویت کنند. ظاهر خارجی جعبه هیچ جوش یا نقطه اتصال نمایانی ندارد و ظاهر کلی جعبه را تضمین می‌کند.

۳.۴ فناوری مهندسی همزمان SE

فناوری مهندسی همزمان SE برای حل مشکلات ناشی از انحرافات اندازه انباشته بزرگ برای تطبیق اجزا در بدنه جعبه و مشکلات مربوط به یافتن علل شکاف‌ها و خرابی‌های ناشی از صافی استفاده می‌شود. از طریق تجزیه و تحلیل CAE (شکل 7-8 را ببینید)، تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای با بدنه‌های جعبه ساخته شده از آهن انجام می‌شود تا استحکام و سختی کلی بدنه جعبه بررسی شود، نقاط ضعف پیدا شود و اقداماتی برای بهینه‌سازی و بهبود مؤثرتر طرح طراحی انجام شود.

۴. اثر سبک وزنی کامیون جعبه‌ای آلیاژ آلومینیوم

علاوه بر بدنه جعبه‌ای، می‌توان از آلیاژهای آلومینیوم برای جایگزینی فولاد در اجزای مختلف کانتینرهای کامیون‌های جعبه‌ای، مانند گلگیرها، محافظ‌های عقب، محافظ‌های جانبی، چفت در، لولاهای در و لبه‌های پیشبند عقب استفاده کرد و به کاهش وزن 30 تا 40 درصدی برای محفظه بار دست یافت. اثر کاهش وزن برای یک کانتینر بار خالی با ابعاد 4080 میلی‌متر × 2300 میلی‌متر × 2200 میلی‌متر در جدول 6 نشان داده شده است. این امر اساساً مشکلات وزن بیش از حد، عدم رعایت اطلاعیه‌ها و خطرات نظارتی محفظه‌های بار سنتی ساخته شده از آهن را حل می‌کند.

با جایگزینی فولاد سنتی با آلیاژهای آلومینیوم برای قطعات خودرو، نه تنها می‌توان به اثرات سبک‌سازی عالی دست یافت، بلکه می‌تواند به صرفه‌جویی در مصرف سوخت، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بهبود عملکرد خودرو نیز کمک کند. در حال حاضر، نظرات مختلفی در مورد سهم سبک‌سازی در صرفه‌جویی در مصرف سوخت وجود دارد. نتایج تحقیقات موسسه بین‌المللی آلومینیوم در شکل 9 نشان داده شده است. هر 10٪ کاهش وزن خودرو می‌تواند مصرف سوخت را 6٪ تا 8٪ کاهش دهد. بر اساس آمار داخلی، کاهش وزن هر خودروی سواری به میزان 100 کیلوگرم می‌تواند مصرف سوخت را 0.4 لیتر در 100 کیلومتر کاهش دهد. سهم سبک‌سازی در صرفه‌جویی در مصرف سوخت بر اساس نتایج به دست آمده از روش‌های تحقیقاتی مختلف است، بنابراین کمی تفاوت وجود دارد. با این حال، سبک‌سازی خودرو تأثیر قابل توجهی در کاهش مصرف سوخت دارد.

برای خودروهای الکتریکی، اثر سبک‌سازی حتی برجسته‌تر است. در حال حاضر، چگالی انرژی واحد باتری‌های خودروهای الکتریکی به طور قابل توجهی با خودروهای سوخت مایع سنتی متفاوت است. وزن سیستم قدرت (شامل باتری) خودروهای الکتریکی اغلب 20 تا 30 درصد از وزن کل خودرو را تشکیل می‌دهد. همزمان، عبور از تنگنای عملکرد باتری‌ها یک چالش جهانی است. قبل از اینکه پیشرفت بزرگی در فناوری باتری با کارایی بالا رخ دهد، سبک‌سازی راهی موثر برای بهبود برد پیمایش خودروهای الکتریکی است. به ازای هر 100 کیلوگرم کاهش وزن، برد پیمایش خودروهای الکتریکی می‌تواند 6 تا 11 درصد افزایش یابد (رابطه بین کاهش وزن و برد پیمایش در شکل 10 نشان داده شده است). در حال حاضر، برد پیمایش خودروهای الکتریکی خالص نمی‌تواند نیازهای اکثر مردم را برآورده کند، اما کاهش وزن به میزان مشخصی می‌تواند برد پیمایش را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، اضطراب برد پیمایش را کاهش دهد و تجربه کاربر را بهبود بخشد.

۵. نتیجه‌گیری

علاوه بر ساختار تمام آلومینیومی کامیون‌های جعبه‌ای آلیاژ آلومینیوم که در این مقاله معرفی شده است، انواع مختلفی از کامیون‌های جعبه‌ای مانند پنل‌های لانه زنبوری آلومینیومی، صفحات سگک آلومینیومی، قاب‌های آلومینیومی + پوسته‌های آلومینیومی و کانتینرهای باری هیبریدی آهن-آلومینیوم وجود دارد. آن‌ها از مزایای وزن سبک، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب برخوردارند و برای محافظت در برابر خوردگی نیازی به رنگ الکتروفورتیک ندارند و اثرات زیست‌محیطی رنگ الکتروفورتیک را کاهش می‌دهند. کامیون جعبه‌ای آلیاژ آلومینیوم اساساً مشکلات وزن بیش از حد، عدم رعایت اطلاعیه‌ها و خطرات نظارتی محفظه‌های باری سنتی ساخته شده از آهن را حل می‌کند.

اکستروژن یک روش پردازش ضروری برای آلیاژهای آلومینیوم است و پروفیل‌های آلومینیومی خواص مکانیکی عالی دارند، بنابراین سختی مقطع قطعات نسبتاً بالا است. به دلیل سطح مقطع متغیر، آلیاژهای آلومینیوم می‌توانند ترکیبی از عملکردهای چندگانه را به دست آورند و آن را به ماده‌ای مناسب برای سبک‌سازی خودرو تبدیل کنند. با این حال، کاربرد گسترده آلیاژهای آلومینیوم با چالش‌هایی مانند قابلیت طراحی ناکافی برای محفظه‌های بار آلیاژ آلومینیوم، مشکلات شکل‌دهی و جوشکاری و هزینه‌های بالای توسعه و تبلیغ برای محصولات جدید مواجه است. دلیل اصلی هنوز این است که آلیاژ آلومینیوم قبل از اینکه بوم‌شناسی بازیافت آلیاژهای آلومینیوم به بلوغ برسد، هزینه بیشتری نسبت به فولاد دارد.

در نتیجه، دامنه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم در خودروها گسترده‌تر خواهد شد و استفاده از آنها همچنان افزایش خواهد یافت. در روندهای فعلی صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و توسعه صنعت خودروهای انرژی نو، با درک عمیق‌تر از خواص آلیاژهای آلومینیوم و راه‌حل‌های مؤثر برای مشکلات کاربرد آلیاژهای آلومینیوم، مواد اکستروژن آلومینیوم به طور گسترده‌تری در سبک‌سازی خودرو مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

ویرایش شده توسط می جیانگ از MAT Aluminum