1.Giriş
Otomotiv hafifletme gelişmiş ülkelerde başladı ve başlangıçta geleneksel otomotiv devleri tarafından yönetildi. Sürekli gelişimle önemli bir ivme kazandı. Hintlilerin otomotiv krank milleri üretmek için ilk kez alüminyum alaşımı kullandığı zamandan Audi'nin 1999'da tüm alüminyum otomobillerin ilk seri üretimine kadar, alüminyum alaşımı düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet ve sertlik, iyi elastikiyet ve darbe direnci, yüksek geri dönüştürülebilirlik ve yüksek rejenerasyon oranı gibi avantajları nedeniyle otomotiv uygulamalarında sağlam bir büyüme gördü. 2015 yılına gelindiğinde, otomobillerde alüminyum alaşımının uygulama oranı zaten %35'i aşmıştı.
Çin'in otomotiv hafifletmesi 10 yıldan daha kısa bir süre önce başladı ve hem teknoloji hem de uygulama seviyesi Almanya, Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya gibi gelişmiş ülkelerin gerisinde kaldı. Ancak, yeni enerji araçlarının geliştirilmesiyle birlikte, malzeme hafifletmesi hızla ilerliyor. Yeni enerji araçlarının yükselişinden yararlanan Çin'in otomotiv hafifletme teknolojisi, gelişmiş ülkeleri yakalama eğilimi gösteriyor.
Çin'in hafif malzemeler pazarı çok geniştir. Bir yandan, yurtdışındaki gelişmiş ülkelerle karşılaştırıldığında, Çin'in hafifletme teknolojisi geç başladı ve genel araç boş ağırlığı daha büyüktür. Hafif malzemelerin yabancı ülkelerdeki oranının ölçütü dikkate alındığında, Çin'de hala gelişme için bolca alan vardır. Öte yandan, politikalar tarafından yönlendirilen Çin'in yeni enerji araç endüstrisinin hızlı gelişimi, hafif malzemelere olan talebi artıracak ve otomotiv şirketlerini hafifletmeye doğru ilerlemeye teşvik edecektir.
Emisyon ve yakıt tüketimi standartlarının iyileştirilmesi otomotiv hafifletme çalışmalarının hızlanmasını zorluyor. Çin, 2020 yılında Çin VI emisyon standartlarını tamamen uygulamaya koydu. “Binek Araçların 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 Mühendislik Topluluğu, 2020'den 2030'a kadar 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 araçlarında "menzil kaygısını" giderebilir. Genişletilmiş seyir menziline olan talebin artmasıyla birlikte, otomotivde hafifletme acil hale geliyor ve son yıllarda yeni enerji araçlarının satışları önemli ölçüde arttı. 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 bileşik yıllık büyüme oranının %38'i aşacağı tahmin ediliyor.
2.Alüminyum Alaşım Özellikleri ve Uygulamaları
2.1 Alüminyum Alaşımının Özellikleri
Alüminyumun yoğunluğu çeliğin üçte biri kadardır ve bu da 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 yoluyla mukavemeti artırma kabiliyetine sahip olmaları ile karakterize edilir. 6 serisi, öncelikle magnezyum ve silisyumdan oluşması ve ana güçlendirme fazı olarak Mg2Si ile karakterize edilir. Bu kategoride en yaygın kullanılan alaşımlar 6063, 6061 ve 6005A'dır. 5052 alüminyum levha, ana alaşım elementi olarak magnezyum içeren 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 bileşenler için kullanılır. 6063 alüminyum alaşımı, ana alaşım elementleri magnezyum ve silisyum olan AL-Mg-Si serisinde ısıl işlem uygulanabilen bir güçlendirme alaşımıdır. Esas olarak kolonlar ve yan paneller gibi yapısal bileşenlerde mukavemeti taşımak için kullanılan, orta mukavemetli ısıl işlem uygulanabilen bir güçlendirme alüminyum alaşım profilidir. Alüminyum alaşım sınıflarına bir giriş Tablo 1'de gösterilmiştir.
2.2 Ekstrüzyon, Alüminyum Alaşımının Önemli Bir Şekillendirme Yöntemidir
Alüminyum alaşım ekstrüzyonu sıcak şekillendirme yöntemidir ve tüm üretim süreci alüminyum alaşımının üç yönlü basınç gerilimi altında şekillendirilmesini içerir. Tüm üretim süreci aşağıdaki gibi tanımlanabilir: a. Alüminyum ve diğer alaşımlar eritilir ve gerekli alüminyum alaşımlı kütüklere dökülür; b. Önceden ısıtılmış kütükler ekstrüzyon için ekstrüzyon ekipmanına konur. Ana silindirin etkisi altında, alüminyum alaşımlı kütük kalıbın boşluğu aracılığıyla gerekli profillere şekillendirilir; c. Alüminyum profillerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için ekstrüzyon sırasında veya sonrasında çözelti işlemi gerçekleştirilir ve ardından yaşlandırma işlemi uygulanır. Yaşlandırma işleminden sonraki mekanik özellikler farklı malzemelere ve yaşlandırma rejimlerine göre değişir. Kutu tipi kamyon profillerinin ısıl işlem durumu Tablo 2'de gösterilmektedir.
Alüminyum alaşımlı ekstrüde ürünlerin diğer şekillendirme yöntemlerine göre birçok avantajı vardır:
a. Ekstrüzyon sırasında, ekstrüde edilen metal, haddeleme ve dövmeye göre deformasyon bölgesinde daha güçlü ve daha düzgün bir üç yönlü basınç gerilimi elde eder, böylece işlenmiş metalin plastisitesini tam olarak kullanabilir. Haddeleme veya dövme ile işlenemeyen, deforme edilmesi zor metalleri işlemek için kullanılabilir ve çeşitli karmaşık içi boş veya katı kesitli bileşenler yapmak için kullanılabilir.
b. Alüminyum profillerin geometrisi değiştirilebildiği için 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. Ekstrüzyondan sonra 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 maliyetine ve düşük tasarım değiştirme maliyetine 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 çeliğin performans karşılaştırması Tablo 3’te gösterilmektedir.
Kutu Tipi Kamyonlar İçin Alüminyum Alaşımlı Profillerin Sonraki Geliştirme Yönü: Profil mukavemetini daha da iyileştirmek ve ekstrüzyon performansını geliştirmek. Kutu tipi kamyonlar için alüminyum alaşımlı profiller için yeni malzemelerin araştırma yönü Şekil 1'de gösterilmiştir.
3.Alüminyum Alaşımlı Kamyon Yapısı, Mukavemet Analizi ve Doğrulaması
3.1 Alüminyum Alaşımlı Kasa Kamyon Yapısı
Kutu kamyon konteyneri esas 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 şeklinde cıvatalar, yan korumalar, arka korumalar, çamurluklar ve diğer aksesuarlardan oluşur. Kutu gövde çapraz kirişleri, sütunlar, yan kirişler ve kapı panelleri alüminyum alaşımlı ekstrüde profillerden yapılırken, taban ve tavan panelleri 5052 alüminyum alaşımlı düz plakalardan yapılır. Alüminyum alaşımlı kutu kamyonun yapısı Şekil 2'de gösterilmiştir.
6 serisi alüminyum alaşımının sıcak ekstrüzyon işlemi kullanılarak karmaşık içi boş kesitler oluşturulabilir, karmaşık kesitlere sahip alüminyum profillerin tasarımı malzemelerden tasarruf sağlayabilir, ürün mukavemeti ve sertliği gereksinimlerini karşılayabilir ve çeşitli bileşenler arasındaki karşılıklı bağlantı gereksinimlerini karşılayabilir. Bu nedenle, ana kiriş tasarım yapısı ve kesitsel eylemsizlik momentleri I ve direnç momentleri W Şekil 3'te gösterilmiştir.
Tablo 4'teki ana verilerin karşılaştırılması, tasarlanan alüminyum profilin kesitsel eylemsizlik momentlerinin ve direnç momentlerinin demirden yapılmış kiriş profilinin karşılık gelen verilerinden daha iyi olduğunu göstermektedir. Sertlik katsayısı verileri, karşılık gelen demirden yapılmış kiriş profilinin verileriyle hemen hemen aynıdır ve hepsi deformasyon gereksinimlerini karşılamaktadır.
3.2 Maksimum Gerilim Hesaplaması
Ana yük taşıyıcı bileşen olan çapraz kiriş nesne olarak alındığında, 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 dayalı olarak 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:
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, şartları sağlamaktadır.
3.3 Çeşitli Bileşenlerin Bağlantı Özellikleri
Alüminyum alaşımı zayıf kaynak özelliklerine sahiptir ve kaynak noktası mukavemeti, temel malzeme mukavemetinin yalnızca %60'ıdır. Alüminyum alaşımı yüzeyinin bir Al2O3 tabakasıyla kaplanması nedeniyle, Al2O3'ün erime noktası yüksekken, alüminyumun erime noktası düşüktür. Alüminyum alaşımı kaynaklandığında, kaynak yapmak için yüzeydeki Al2O3'ün hızla kırılması gerekir. Aynı zamanda, Al2O3 kalıntısı alüminyum alaşım çözeltisinde kalacak, alüminyum alaşım yapısını etkileyecek ve alüminyum alaşımı kaynak noktasının mukavemetini azaltacaktır. Bu nedenle, tamamen alüminyumdan yapılmış bir kap tasarlanırken, bu özellikler tamamen dikkate alınır. Kaynak, ana konumlandırma yöntemidir ve ana yük taşıyan bileşenler cıvatalarla bağlanır. Perçinleme ve kuyruklu yapı 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 vardır. Bağlantı noktaları, yatay kirişin tırtıklı kenarıyla birleşecek şekilde tırtıklı contalarla donatılmıştır ve kaymayı etkili bir şekilde önler. Sekiz köşe noktası esas olarak cıvata ve kendinden kilitlemeli perçinlerle sabitlenmiş çelik çekirdek ekleriyle bağlanır ve kutunun içine kaynaklanmış 5 mm üçgen alüminyum plakalarla güçlendirilerek köşe konumlarını içeriden güçlendirir. Kutunun dış görünümünde kaynak veya açıkta bağlantı noktası yoktur ve kutunun genel görünümünü garanti eder.
3.4 SE Eşzamanlı Mühendislik Teknolojisi
SE senkron mühendislik teknolojisi, kutu gövdesindeki eşleşen bileşenler için büyük birikmiş boyut sapmalarının neden olduğu sorunları ve boşlukların ve düzlük arızalarının nedenlerini bulma zorluklarını çözmek için kullanılır. CAE analizi (bkz. Şekil 7-8) aracılığıyla, kutu gövdesinin genel mukavemetini ve sertliğini kontrol etmek, zayıf noktaları bulmak ve tasarım şemasını daha etkili bir şekilde optimize etmek ve iyileştirmek için önlemler almak üzere demirden yapılmış kutu gövdeleriyle bir karşılaştırma analizi yürütülür.
4. Alüminyum Alaşımlı Kamyon Kasasının Hafifletme Etkisi
Kutu gövdesine ek olarak, alüminyum alaşımları çamurluklar, arka korumalar, yan korumalar, kapı mandalları, kapı menteşeleri ve arka önlük kenarları gibi kutu tipi kamyon konteynerlerinin çeşitli bileşenleri için çeliğin yerini almak üzere kullanılabilir ve kargo bölmesi için %30 ila %40 oranında bir ağırlık azaltımı elde edilebilir. Boş bir 4080mm×2300mm×2200mm kargo konteyneri için ağırlık azaltma etkisi Tablo 6'da gösterilmiştir. Bu, geleneksel demirden yapılmış kargo bölmelerinin aşırı ağırlık, duyurulara uymama ve düzenleyici risk sorunlarını temelde çözer.
Otomotiv bileşenlerinde geleneksel çeliğin alüminyum alaşımlarıyla değiştirilmesiyle, sadece mükemmel hafifletme etkileri elde edilemez, aynı zamanda yakıt tasarrufuna, emisyon azaltımına ve gelişmiş araç performansına da katkıda bulunulabilir. 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. Yurt içi 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 dayanmaktadır, bu nedenle bazı farklılıklar vardır. Ancak, otomotiv hafifletmesinin yakıt tüketimini azaltmada önemli bir etkisi vardır.
Elektrikli araçlar için 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 olmadan önce, hafifletme, elektrikli araçların seyir menzilini iyileştirmenin etkili bir yoludur. Her 100 kg ağırlık azaltımı için, elektrikli araçların seyir menzili %6 ila %11 oranında artırılabilir (ağırlık azaltımı ile seyir menzili arasındaki ilişki Şekil 10'da gösterilmiştir). Şu anda, saf elektrikli araçların seyir menzili çoğu insanın ihtiyaçlarını karşılayamıyor, ancak ağırlığı belirli bir miktarda azaltmak seyir menzilini önemli ölçüde iyileştirebilir, menzil kaygısını azaltabilir ve kullanıcı deneyimini iyileştirebilir.
5.Sonuç
Bu makalede tanıtılan alüminyum alaşımlı kutu kamyonun tamamen alüminyum yapısına ek olarak, alüminyum petek paneller, alüminyum toka plakaları, alüminyum çerçeveler + alüminyum kaplamalar ve demir-alüminyum hibrit kargo konteynerleri gibi çeşitli kutu kamyon tipleri vardır. Hafiflik, yüksek özgül mukavemet ve iyi korozyon direnci avantajlarına sahiptirler ve korozyon koruması için elektroforetik boya gerektirmezler, bu da elektroforetik boyanın çevresel etkisini azaltır. Alüminyum alaşımlı kutu kamyon, geleneksel demirden yapılmış kargo bölmelerinin aşırı ağırlık, duyurulara uymama ve düzenleyici risk sorunlarını temelde çözer.
Ekstrüzyon, alüminyum alaşımları için temel bir işleme yöntemidir ve alüminyum profiller mükemmel mekanik özelliklere sahiptir, bu nedenle bileşenlerin kesit sertliği nispeten yüksektir. Değişken kesit nedeniyle, alüminyum alaşımları birden fazla bileşen işlevinin birleşimini elde edebilir ve bu da onu otomotiv hafifletme için iyi bir malzeme haline getirir. Ancak, alüminyum alaşımlarının yaygın uygulaması, 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. Ana neden, alüminyum alaşımlarının geri dönüşüm ekolojisi olgunlaşana kadar alüminyum alaşımının çelikten daha pahalı olmasıdır.
Sonuç olarak, alüminyum alaşımlarının otomobillerdeki uygulama kapsamı daha da genişleyecek ve kullanımları artmaya devam edecektir. Enerji tasarrufu, emisyon azaltma ve yeni enerji araç endüstrisinin gelişimi gibi mevcut eğilimlerde, alüminyum alaşımı özelliklerinin daha iyi anlaşılması ve alüminyum alaşımı uygulama sorunlarına etkili çözümler bulunmasıyla, alüminyum ekstrüzyon malzemeleri otomotiv hafifletmede daha yaygın olarak kullanılacaktır.
MAT Alüminyum'dan May Jiang tarafından düzenlendi
Gönderi zamanı: 12-Oca-2024
