1.Giriş
Otomotivde hafifletme, gelişmiş ülkelerde başlamış ve başlangıçta geleneksel otomotiv devleri tarafından yönetilmiştir. Sürekli gelişimle önemli bir ivme kazanmıştır. Hintlilerin otomotiv krank millerini üretmek için ilk kez alüminyum alaşımı kullandığı zamandan, Audi'nin 1999'da tamamen alüminyumdan üretilen ilk otomobil seri üretimine kadar, alüminyum alaşımı düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet ve sertlik, iyi esneklik ve darbe direnci, yüksek geri dönüştürülebilirlik ve yüksek rejenerasyon oranı gibi avantajları sayesinde otomotiv uygulamalarında güçlü bir büyüme göstermiştir. 2015 yılına gelindiğinde, otomobillerde alüminyum alaşımının uygulama oranı %35'i aşmıştı.
Çin'in otomotiv hafifletme çalışmaları 10 yıldan kısa bir süre önce başladı ve hem teknoloji hem de uygulama düzeyi Almanya, Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya gibi gelişmiş ülkelerin gerisinde kalıyor. Ancak, yeni enerji araçlarının geliştirilmesiyle birlikte malzeme hafifletme çalışmaları hızla ilerliyor. Yeni enerji araçlarının yükselişinden yararlanan Çin'in otomotiv hafifletme teknolojisi, gelişmiş ülkeleri yakalama eğiliminde.
Çin'in hafif malzeme pazarı çok geniştir. Bir yandan, yurtdışındaki gelişmiş ülkelerle karşılaştırıldığında, Çin'in hafifletme teknolojisi geç başlamış ve toplam araç boş ağırlığı daha yüksektir. Hafif malzemelerin yabancı ülkelerdeki oranının kıyaslanması göz önüne alındığında, Çin'de hala gelişim için geniş alanlar bulunmaktadır. Öte yandan, politikaların etkisiyle, Çin'in yeni enerji araçları endüstrisinin hızla gelişmesi, hafif malzemelere olan talebi artıracak ve otomotiv şirketlerini hafifletmeye yönelmeye teşvik edecektir.
Emisyon ve yakıt tüketimi standartlarındaki iyileştirmeler, otomotiv hafifletme çalışmalarının hızlanmasını zorunlu kılıyor. Çin, 2020 yılında Çin VI emisyon standartlarını tamamen uygulamaya koydu. "Binek Otomobillerin Yakıt Tüketimi için Değerlendirme Yöntemi ve Göstergeleri" ve "Enerji Tasarrufu ve Yeni Enerji Araç Teknolojisi Yol Haritası"na göre, 5,0 L/km yakıt tüketimi standardı. Motor teknolojisinde ve emisyon azaltımında önemli atılımlar için sınırlı alan göz önüne alındığında, otomotiv bileşenlerini hafifletmeye yönelik önlemlerin benimsenmesi, araç emisyonlarını ve yakıt tüketimini etkili bir şekilde azaltabilir. Yeni enerji araçlarının hafifletilmesi, sektörün gelişimi için olmazsa olmaz bir yol haline geldi.
2016 yılında Çin Otomotiv Mühendisliği Topluluğu, 2020-2030 yılları arasında yeni enerji araçları için enerji tüketimi, seyir menzili ve üretim malzemeleri gibi faktörleri planlayan “Enerji Tasarrufu ve Yeni Enerji Araç Teknolojisi Yol Haritası”nı yayınladı. Hafifletme, yeni enerji araçlarının gelecekteki gelişimi için önemli bir yön olacaktır. Hafifletme, seyir menzilini artırabilir ve yeni enerji araçlarındaki “menzil kaygısını” giderebilir. Uzatılmış seyir menziline olan talebin artmasıyla birlikte, otomotiv hafifletmesi acil hale gelmekte ve yeni enerji araçlarının satışları son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. Puanlama sisteminin gereksinimlerine ve “Otomotiv Endüstrisi için Orta-Uzun Vadeli Kalkınma Planı”na göre, 2025 yılına kadar Çin'in yeni enerji araçları satışlarının 6 milyon adedi aşacağı ve yıllık bileşik büyüme oranının %38'i aşacağı tahmin edilmektedir.
2.Alüminyum Alaşım Özellikleri ve Uygulamaları
2.1 Alüminyum Alaşımının Özellikleri
Alüminyumun yoğunluğu çeliğin üçte biri kadardır ve bu onu daha hafif yapar. Daha yüksek özgül mukavemete, iyi ekstrüzyon kabiliyetine, güçlü korozyon direncine ve yüksek geri dönüştürülebilirliğe sahiptir. Alüminyum alaşımları, öncelikle magnezyumdan oluşmaları, iyi ısı direncine, iyi kaynak özelliklerine, iyi yorulma dayanımına, ısıl işlemle güçlendirilememesi ve soğuk işleme ile mukavemeti artırma yeteneği ile karakterize edilir. 6 serisi, öncelikle magnezyum ve silisyumdan oluşmasıyla karakterize edilir ve ana güçlendirme fazı Mg2Si'dir. Bu kategoride en yaygın kullanılan alaşımlar 6063, 6061 ve 6005A'dır. 5052 alüminyum levha, ana alaşım elementi magnezyum olan bir AL-Mg serisi alaşımlı alüminyum levhadır. En yaygın kullanılan pas önleyici alüminyum alaşımıdır. Bu alaşım yüksek mukavemete, yüksek yorulma dayanımına, iyi plastisiteye ve korozyon direncine sahiptir, ısıl işlemle güçlendirilemez, yarı soğuk iş sertleştirmede iyi plastisiteye, soğuk iş sertleştirmede düşük plastisiteye, iyi korozyon direncine ve iyi kaynak özelliklerine sahiptir. Esas olarak yan paneller, tavan kaplamaları ve kapı panelleri gibi bileşenlerde kullanılır. 6063 alüminyum alaşımı, ana alaşım elementleri magnezyum ve silisyum olan AL-Mg-Si serisinde ısıl işlem uygulanabilen bir güçlendirme alaşımıdır. Orta mukavemetli, ısıl işlem uygulanabilen bir güçlendirme alüminyum alaşım profilidir ve esas olarak kolonlar ve yan paneller gibi yapısal bileşenlerde mukavemeti taşımak için kullanılır. Alüminyum alaşım sınıflarına genel bir bakış Tablo 1'de gösterilmiştir.
2.2 Ekstrüzyon, Alüminyum Alaşımının Önemli Bir Şekillendirme Yöntemidir
Alüminyum alaşım ekstrüzyonu bir sıcak şekillendirme yöntemidir ve tüm üretim süreci, alüminyum alaşımının üç yönlü basınç gerilimi altında şekillendirilmesini içerir. Tüm üretim süreci şu şekilde tanımlanabilir: a. Alüminyum ve diğer alaşımlar eritilerek gerekli alüminyum alaşımlı kütüklere dökülür; b. Önceden ısıtılmış kütükler ekstrüzyon için ekstrüzyon ekipmanına yerleştirilir. Ana silindirin etkisi altında, alüminyum alaşımlı kütük, kalıbın boşluğundan gerekli profillere dönüştürülür; c. Alüminyum profillerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için, ekstrüzyon sırasında veya sonrasında çözeltiye alma işlemi uygulanır ve ardından yaşlandırma işlemi uygulanır. Yaşlandırma işleminden sonraki mekanik özellikler, farklı malzemelere ve yaşlandırma rejimlerine göre değişiklik gösterir. Kutu tipi kamyon profillerinin ısıl işlem durumu Tablo 2'de gösterilmiştir.
Alüminyum alaşımlı ekstrüzyon ürünlerinin diğer şekillendirme yöntemlerine göre birçok avantajı vardır:
a. Ekstrüzyon sırasında, ekstrüde edilen metal, haddeleme ve dövme işlemlerine kıyasla deformasyon bölgesinde daha güçlü ve daha düzgün bir üç yönlü basınç gerilimi elde eder, böylece işlenmiş metalin esnekliğini tam olarak kullanabilir. Haddeleme veya dövme ile işlenemeyen, deforme olması zor metallerin işlenmesinde ve çeşitli karmaşık içi boş veya dolu kesitli bileşenlerin üretiminde kullanılabilir.
b. Alüminyum profillerin geometrisi değiştirilebildiğinden, bileşenleri yüksek sertliğe sahiptir, bu da araç gövdesinin sertliğini artırabilir, NVH özelliklerini azaltabilir ve araç dinamik kontrol özelliklerini iyileştirebilir.
c. Ekstrüzyon verimliliğine sahip ürünler, söndürme ve yaşlandırma sonrasında, diğer yöntemlerle işlenen ürünlere kıyasla önemli ölçüde daha yüksek uzunlamasına mukavemete (R, Raz) sahiptir.
d. Ekstrüzyon sonrası ürünlerin yüzeyi iyi bir renge ve iyi bir korozyon direncine sahip olur, diğer korozyon önleyici yüzey işlemlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
e. Ekstrüzyon işlemi büyük esnekliğe, düşük takım ve kalıp maliyetlerine ve düşük tasarım değiştirme maliyetlerine sahiptir.
f. Alüminyum profil kesitlerinin kontrol edilebilirliği sayesinde, bileşen entegrasyon derecesi artırılabilir, bileşen sayısı azaltılabilir ve farklı kesit tasarımları hassas kaynak konumlandırması sağlayabilir.
Kutu tipi kamyonlar için ekstrüde alüminyum profiller ile düz karbon çeliğinin performans karşılaştırması Tablo 3’te gösterilmektedir.
Kutu Tipi Kamyonlar İçin Alüminyum Alaşımlı Profillerin Sonraki Geliştirme Yönü: Profil mukavemetinin daha da iyileştirilmesi ve ekstrüzyon performansının artırılması. Kutu tipi kamyonlar için alüminyum alaşımlı profiller için yeni malzemelerin araştırma yönü Şekil 1'de gösterilmektedir.
3. Alüminyum Alaşımlı Kamyon Yapısı, Mukavemet Analizi ve Doğrulaması
3.1 Alüminyum Alaşımlı Kasa Kamyon Yapısı
Kamyon konteyneri, temel olarak ön panel tertibatı, sol ve sağ yan panel tertibatı, arka kapı yan panel tertibatı, taban tertibatı, tavan tertibatı ve ikinci sınıf şasiye bağlı U şeklindeki cıvatalar, yan korumalar, arka korumalar, çamurluklar ve diğer aksesuarlardan oluşur. Kamyon kasasının çapraz kirişleri, direkleri, yan kirişleri ve kapı panelleri alüminyum alaşımlı ekstrüzyon profillerden, taban ve tavan panelleri ise 5052 alüminyum alaşımlı düz levhalardan yapılmıştır. Alüminyum alaşımlı kamyonun yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir.
6 serisi alüminyum alaşımının sıcak ekstrüzyon işlemi kullanılarak karmaşık içi boş kesitler oluşturulabilir. Karmaşık kesitli alüminyum profillerin tasarımı, malzeme tasarrufu sağlayabilir, ürün mukavemeti ve sertliği gereksinimlerini karşılayabilir ve çeşitli bileşenler arasındaki karşılıklı bağlantı gereksinimlerini karşılayabilir. Bu nedenle, ana kiriş tasarım yapısı ve kesit atalet momentleri I ve direnç momentleri W Şekil 3'te gösterilmiştir.
Tablo 4'teki ana verilerin karşılaştırılması, tasarlanan alüminyum profilin kesit atalet momentlerinin ve direnç momentlerinin, demirden yapılmış kiriş profiline ait verilerden daha iyi olduğunu göstermektedir. Rijitlik katsayısı verileri, demirden yapılmış kiriş profiline ait verilerle hemen hemen aynıdır ve hepsi deformasyon gerekliliklerini karşılamaktadır.
3.2 Maksimum Gerilim Hesaplaması
Ana yük taşıyıcı bileşen olan çapraz kirişi nesne olarak alarak, maksimum gerilim hesaplanır. Nominal yük 1,5 t'dir ve çapraz kiriş, Tablo 5'te gösterilen mekanik özelliklere sahip 6063-T6 alüminyum alaşımlı profilden yapılmıştır. Kiriş, Şekil 4'te gösterildiği gibi, kuvvet hesaplaması için konsol yapı olarak basitleştirilmiştir.
344 mm açıklıklı bir kiriş alındığında, kiriş üzerindeki basınç yükü, 4,5 t'ye göre F = 3757 N olarak hesaplanır; bu, standart statik yükün üç katıdır. q = F / L
Burada q, yük altındaki kirişin iç gerilmesidir (N/mm); F, standart statik yük olan 4,5 t'nin 3 katı esas alınarak hesaplanan kirişin taşıdığı yüktür (L), kirişin uzunluğudur (mm).
Dolayısıyla iç gerilim q şu şekildedir:
Stres hesaplama formülü şu şekildedir:
Maksimum moment:
Momentin mutlak değeri M=274283 N·mm alındığında, maksimum gerilme σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa ve maksimum gerilme değeri σ<215 MPa olup, bu da şartları sağlamaktadır.
3.3 Çeşitli Bileşenlerin Bağlantı Özellikleri
Alüminyum alaşımı zayıf kaynak özelliklerine sahiptir ve kaynak noktası dayanımı, ana malzeme dayanımının yalnızca %60'ı kadardır. Alüminyum alaşımı yüzeyinde bir Al2O3 tabakasının bulunması nedeniyle, Al2O3'ün erime noktası yüksek, alüminyumun ise düşüktür. Alüminyum alaşımı kaynaklandığında, kaynak işleminin yapılabilmesi için yüzeydeki Al2O3'ün hızla parçalanması gerekir. Aynı zamanda, Al2O3 kalıntısı alüminyum alaşımı çözeltisinde kalacak, alüminyum alaşımının yapısını etkileyecek ve alüminyum alaşımının kaynak noktasının dayanımını azaltacaktır. Bu nedenle, tamamen alüminyumdan yapılmış bir kap tasarlanırken bu özellikler tamamen dikkate alınır. Kaynak, ana konumlandırma yöntemidir ve ana yük taşıyıcı bileşenler cıvatalarla bağlanır. Perçinleme ve kırlangıç kuyruğu yapısı gibi bağlantılar Şekil 5 ve 6'da gösterilmiştir.
Tamamen alüminyum kutu gövdesinin ana yapısı, yatay kirişler, dikey sütunlar, yan kirişler ve kenar kirişlerinin birbirine kenetlendiği bir yapıyı benimser. Her yatay kiriş ve dikey sütun arasında dört bağlantı noktası bulunur. Bağlantı noktaları, yatay kirişin tırtıklı kenarıyla birleşerek kaymayı etkili bir şekilde önleyen tırtıklı contalarla donatılmıştır. Sekiz köşe noktası, cıvata ve kendinden kilitli perçinlerle sabitlenmiş çelik çekirdek ek parçalarıyla birbirine bağlanmış ve kutunun içine kaynaklanmış 5 mm üçgen alüminyum plakalarla güçlendirilerek içerideki köşe konumları güçlendirilmiştir. Kutunun dış görünümünde kaynak veya açıkta bağlantı noktası bulunmaması, kutunun genel görünümünün korunmasını sağlar.
3.4 SE Senkron Mühendislik Teknolojisi
SE senkron mühendislik teknolojisi, kutu gövdesindeki eşleşen bileşenlerde biriken büyük boyut sapmalarının neden olduğu sorunları ve boşluk ve düzlük hatalarının nedenlerini bulmadaki zorlukları çözmek için kullanılır. CAE analizi (bkz. Şekil 7-8) aracılığıyla, kutu gövdesinin genel mukavemetini ve sertliğini kontrol etmek, zayıf noktaları tespit etmek ve tasarım şemasını daha etkili bir şekilde optimize etmek ve iyileştirmek için önlemler almak üzere demirden yapılmış kutu gövdeleriyle bir karşılaştırma analizi yapılır.
4. Alüminyum Alaşımlı Kamyonun Hafifletme Etkisi
Alüminyum alaşımları, kutu tipi kamyon konteynerlerinin çamurluklar, arka korumalar, yan korumalar, kapı mandalları, kapı menteşeleri ve arka apron kenarları gibi çeşitli bileşenlerinde çelik yerine kutu gövdesine ek olarak kullanılabilir ve böylece kargo bölmesinde %30 ila %40 oranında ağırlık azaltımı sağlanabilir. 4080 mm x 2300 mm x 2200 mm boyutlarındaki boş bir kargo konteynerinin ağırlık azaltımı etkisi Tablo 6'da gösterilmiştir. Bu, geleneksel demirden yapılmış kargo bölmelerinin aşırı ağırlık, duyurulara uymama ve mevzuat riskleri gibi sorunlarını temelden çözer.
Otomotiv bileşenlerinde geleneksel çeliğin alüminyum alaşımlarıyla değiştirilmesi, mükemmel bir hafifletme etkisi elde etmenin yanı sıra yakıt tasarrufuna, emisyon azaltımına ve gelişmiş araç performansına da katkıda bulunabilir. Şu anda, hafifletmenin yakıt tasarrufuna katkısı konusunda çeşitli görüşler bulunmaktadır. Uluslararası Alüminyum Enstitüsü'nün araştırma sonuçları Şekil 9'da gösterilmektedir. Araç ağırlığındaki her %10'luk azalma, yakıt tüketimini %6 ila %8 oranında azaltabilir. Yerel istatistiklere göre, her binek otomobilin ağırlığını 100 kg azaltmak, yakıt tüketimini 100 km'de 0,4 L azaltabilir. Hafifletmenin yakıt tasarrufuna katkısı farklı araştırma yöntemlerinden elde edilen sonuçlara dayandığından, bazı farklılıklar göstermektedir. Ancak, otomotiv hafifletmesinin yakıt tüketimini azaltmada önemli bir etkisi vardır.
Elektrikli araçlarda hafifletme etkisi daha da belirgindir. Şu anda, elektrikli araç güç bataryalarının birim enerji yoğunluğu, geleneksel sıvı yakıtlı araçlarınkinden önemli ölçüde farklıdır. Elektrikli araçların güç sisteminin ağırlığı (batarya dahil), genellikle toplam araç ağırlığının %20 ila %30'unu oluşturur. Aynı zamanda, bataryaların performans darboğazını aşmak dünya çapında bir zorluktur. Yüksek performanslı batarya teknolojisinde büyük bir atılım gerçekleşmeden önce, hafifletme, elektrikli araçların seyir menzilini iyileştirmenin etkili bir yoludur. Her 100 kg ağırlık azaltımı, elektrikli araçların seyir menzilini %6 ila %11 oranında artırabilir (ağırlık azaltımı ile seyir menzili arasındaki ilişki Şekil 10'da gösterilmiştir). Şu anda, tamamen elektrikli araçların seyir menzili çoğu insanın ihtiyaçlarını karşılayamıyor, ancak ağırlığı belirli bir miktar azaltmak seyir menzilini önemli ölçüde iyileştirebilir, menzil kaygısını hafifletebilir ve kullanıcı deneyimini iyileştirebilir.
5.Sonuç
Bu makalede tanıtılan alüminyum alaşımlı kasa kamyonunun tamamen alüminyum yapısına ek olarak, alüminyum petek paneller, alüminyum toka plakaları, alüminyum çerçeveler + alüminyum kaplamalar ve demir-alüminyum hibrit kargo konteynerleri gibi çeşitli kasa kamyonu tipleri de mevcuttur. Hafiflik, yüksek özgül mukavemet ve iyi korozyon direnci gibi avantajlara sahip olan bu araçlar, korozyon koruması için elektroforetik boya gerektirmez ve elektroforetik boyanın çevresel etkisini azaltır. Alüminyum alaşımlı kasa kamyonu, geleneksel demirden yapılmış kargo bölmelerinin aşırı ağırlık, yönetmeliklere uymama ve yasal riskler gibi sorunlarını temelden çözer.
Ekstrüzyon, alüminyum alaşımları için temel bir işleme yöntemidir ve alüminyum profiller mükemmel mekanik özelliklere sahip olduğundan, bileşenlerin kesit sertliği nispeten yüksektir. Değişken kesit alanı sayesinde alüminyum alaşımları, birden fazla bileşen işlevini bir arada sunabilir ve bu da onu otomotiv hafifletme için iyi bir malzeme haline getirir. Ancak, alüminyum alaşımlarının yaygın kullanımı, alüminyum alaşımlı kargo bölmeleri için yetersiz tasarım kabiliyeti, şekillendirme ve kaynak sorunları ve yeni ürünler için yüksek geliştirme ve tanıtım maliyetleri gibi zorluklarla karşı karşıyadır. Bunun temel nedeni, alüminyum alaşımlarının geri dönüşüm ekolojisi olgunlaşana kadar alüminyum alaşımının çelikten daha pahalı olmasıdır.
Sonuç olarak, alüminyum alaşımlarının otomobillerdeki uygulama kapsamı genişleyecek ve kullanımları artmaya devam edecektir. Enerji tasarrufu, emisyon azaltımı ve yeni enerji araçları endüstrisinin gelişimi gibi mevcut trendler göz önüne alındığında, alüminyum alaşımı özelliklerinin daha iyi anlaşılması ve alüminyum alaşımı uygulama sorunlarına etkili çözümler sunulmasıyla birlikte, alüminyum ekstrüzyon malzemeleri otomotiv hafifletmede daha yaygın olarak kullanılacaktır.
MAT Alüminyum'dan May Jiang tarafından düzenlendi
Gönderim zamanı: 12 Ocak 2024
