1. Sissejuhatus
Autotööstuse kergekaalustamine sai alguse arenenud riikides ja algselt olid selle eestvedajad traditsioonilised autotööstuse hiiglased. Pideva arenguga on see saavutanud märkimisväärse hoo. Alates ajast, mil indialased kasutasid esimest korda alumiiniumisulamit autode väntvõllide tootmiseks, kuni Audi esimese täisalumiiniumist autode masstootmiseni 1999. aastal, on alumiiniumisulamite kasutamine autotööstuses tänu oma eelistele, nagu madal tihedus, suur eritugevus ja jäikus, hea elastsus ja löögikindlus, kõrge taaskasutatavus ja kõrge regenereerimiskiirus, jõuliselt kasvanud. 2015. aastaks oli alumiiniumisulamite osakaal autodes juba ületanud 35%.
Hiina autotööstuse kergkonstruktsioonide tehnoloogia sai alguse vähem kui 10 aastat tagasi ning nii tehnoloogia kui ka rakenduste tase jääb maha arenenud riikidest nagu Saksamaa, Ameerika Ühendriigid ja Jaapan. Uute energiasõidukite arendamisega edeneb materjalide kergkonstruktsioonide tehnoloogia aga kiiresti. Uute energiasõidukite esiletõusu ära kasutades näitab Hiina autotööstuse kergkonstruktsioonide tehnoloogia suundumust järele jõuda arenenud riikidele.
Hiina kergmaterjalide turg on tohutu. Ühest küljest, võrreldes arenenud riikidega välismaal, algas Hiina kergmaterjalide tehnoloogia arendamine hiljem ja sõidukite üldine tühimass on suurem. Arvestades kergmaterjalide osakaalu võrdlusalust välisriikides, on Hiinas veel palju arenguruumi. Teisest küljest suurendab poliitika tõttu Hiina uue energiaga sõidukite tööstuse kiire areng kergmaterjalide nõudlust ja julgustab autotootjaid kergmaterjalide poole liikuma.
Heitkoguste ja kütusekulu standardite täiustamine sunnib kiirendama autotööstuse kergendamise strateegiat. Hiina rakendas Hiina VI heitkoguste standardid täielikult 2020. aastal. Vastavalt „Sõiduautode kütusekulu hindamismeetodile ja -indikaatoritele“ ning „Energiasäästu ja uute energiaallikatega sõidukite tehnoloogia tegevuskavale“ on kütusekulu standard 5,0 l/km. Võttes arvesse mootoritehnoloogia ja heitkoguste vähendamise oluliste läbimurrete piiratud ruumi, saab kergete autokomponentide meetmete võtmisega tõhusalt vähendada sõidukite heitkoguseid ja kütusekulu. Uute energiaallikatega sõidukite kergendamisest on saanud tööstuse arengu oluline tee.
2016. aastal avaldas Hiina Autotehnika Selts „Energiasäästu ja uute energiaallikatega sõidukite tehnoloogia tegevuskava“, milles kavandati selliseid tegureid nagu energiatarbimine, läbisõiduulatus ja uute energiaallikatega sõidukite tootmismaterjalid aastateks 2020–2030. Kergekaaluline kaalumine on uute energiaallikatega sõidukite edasise arendamise peamine suund. Kergekaaluline kaalumine võib suurendada läbisõiduulatust ja lahendada uute energiaallikatega sõidukite „läbisõiduulatuse ärevuse“ probleemi. Suurema läbisõiduulatuse nõudluse kasvades muutub autode kergekaaluline kaalumine pakiliseks ning uute energiaallikatega sõidukite müük on viimastel aastatel märkimisväärselt kasvanud. Punktisüsteemi ja „Autotööstuse keskpika ja pikaajalise arengukava“ nõuete kohaselt prognoositakse, et 2025. aastaks ületab Hiina uute energiaallikatega sõidukite müük 6 miljonit ühikut, kusjuures aastane kasvumäär ületab 38%.
2. Alumiiniumsulami omadused ja rakendused
2.1 Alumiiniumsulami omadused
Alumiiniumi tihedus on üks kolmandik terase omast, mistõttu on see kergem. Sellel on suurem eritugevus, hea ekstrusioonivõime, tugev korrosioonikindlus ja hea taaskasutatavus. Alumiiniumsulameid iseloomustab see, et need koosnevad peamiselt magneesiumist, neil on hea kuumakindlus, head keevitusomadused, hea väsimustugevus, võimetus tugevdada kuumtöötlusega ja võime suurendada tugevust külmtöötlemise teel. 6. seeriat iseloomustab see, et need koosnevad peamiselt magneesiumist ja ränist, kusjuures peamine tugevdav faas on Mg2Si. Selle kategooria enimkasutatavad sulamid on 6063, 6061 ja 6005A. 5052 alumiiniumplaat on AL-Mg seeria sulamist alumiiniumplaat, mille peamine legeeriv element on magneesium. See on enimkasutatav roostevastane alumiiniumisulam. Sellel sulamil on kõrge tugevus, kõrge väsimustugevus, hea plastilisus ja korrosioonikindlus, seda ei saa tugevdada kuumtöötlusega, tal on hea plastilisus poolkülmtöötlemisel, madal plastilisus külmtöötlemisel, hea korrosioonikindlus ja head keevitusomadused. Seda kasutatakse peamiselt selliste komponentide jaoks nagu külgpaneelid, katusekatted ja uksepaneelid. 6063 alumiiniumisulam on AL-Mg-Si seeria kuumtöödeldav tugevdav sulam, mille peamised legeerelemendid on magneesium ja räni. See on keskmise tugevusega kuumtöödeldav tugevdav alumiiniumisulamist profiil, mida kasutatakse peamiselt konstruktsioonielementides, näiteks sammastes ja külgpaneelides, tugevuse suurendamiseks. Alumiiniumsulamite klasside tutvustus on esitatud tabelis 1.
2.2 Ekstrusioon on alumiiniumisulami oluline vormimismeetod
Alumiiniumsulami ekstrusioon on kuumvormimismeetod ja kogu tootmisprotsess hõlmab alumiiniumisulami vormimist kolmeastmelise survepinge all. Kogu tootmisprotsessi saab kirjeldada järgmiselt: a. Alumiinium ja muud sulamid sulatatakse ja valatakse vajalikeks alumiiniumisulamist toorikuteks; b. Eelsoojendatud toorikud pannakse ekstrusiooniks ekstrusiooniseadmesse. Peasilindri toimel vormitakse alumiiniumisulamist toorikust vormi õõnsuse kaudu vajalikud profiilid; c. Alumiiniumprofiilide mehaaniliste omaduste parandamiseks viiakse ekstrusiooni ajal või pärast seda läbi lahustöötlus, millele järgneb vanandamine. Vanandamise järgsed mehaanilised omadused varieeruvad vastavalt materjalidele ja vanandamise režiimidele. Kastitüüpi veoautoprofiilide kuumtöötluse staatus on näidatud tabelis 2.
Alumiiniumisulamist ekstrudeeritud toodetel on teiste vormimismeetodite ees mitmeid eeliseid:
a. Ekstrusiooni käigus saavutab ekstrudeeritud metall deformatsioonitsoonis tugevama ja ühtlasema kolmepoolse survepinge kui valtsimine ja sepistamine, mistõttu saab see töödeldava metalli plastilisust täielikult ära kasutada. Seda saab kasutada raskesti deformeeritavate metallide töötlemiseks, mida ei saa valtsimise või sepistamise teel töödelda, ning mitmesuguste keerukate õõnes- või tahke ristlõikega komponentide valmistamiseks.
b. Kuna alumiiniumprofiilide geomeetriat saab muuta, on nende komponentidel suur jäikus, mis võib parandada sõiduki kere jäikust, vähendada selle müra-, vibratsiooni- ja vibratsiooniomadusi ning parandada sõiduki dünaamilisi juhtimisomadusi.
c. Pärast karastamist ja vanandamist ekstrusiooniefektiivsusega toodetel on oluliselt suurem pikisuunaline tugevus (R, Raz) kui muude meetoditega töödeldud toodetel.
d. Pärast ekstrusiooni on toodete pinnal hea värv ja hea korrosioonikindlus, mis välistab vajaduse muu korrosioonivastase pinnatöötluse järele.
e. Ekstrusiooniprotsessil on suur paindlikkus, madalad tööriistade ja vormide kulud ning madalad disainimuutuste kulud.
f. Alumiiniumprofiili ristlõigete juhitavuse tõttu saab komponentide integreerimise astet suurendada, komponentide arvu vähendada ning erinevad ristlõikekonstruktsioonid võimaldavad saavutada täpse keevituspositsioneerimise.
Kastitüüpi veoautode ekstrudeeritud alumiiniumprofiilide ja tavalise süsinikterase jõudluse võrdlus on esitatud tabelis 3.
Kastitüüpi veoautode alumiiniumisulamist profiilide järgmine arendussuund: profiili tugevuse edasine parandamine ja ekstrusiooniomaduste parandamine. Kastitüüpi veoautode alumiiniumisulamist profiilide uute materjalide uurimissuund on näidatud joonisel 1.
3. Alumiiniumisulamist kastiga veoauto konstruktsioon, tugevusanalüüs ja kontrollimine
3.1 Alumiiniumisulamist kastiga veoauto konstruktsioon
Kastiga konteiner koosneb peamiselt esipaneeli komplektist, vasak- ja parempoolsetest külgpaneelidest, tagaukse külgpaneelide komplektist, põrandakomplektist, katusekomplektist, samuti U-kujulistest poltidest, külgkaitsetest, tagumistest kaitsetest, porilappidest ja muudest teise klassi šassiiga ühendatud lisatarvikutest. Kastiga kere risttalad, piilarid, külgtalad ja uksepaneelid on valmistatud alumiiniumisulamist pressitud profiilidest, põranda- ja katusepaneelid aga 5052 alumiiniumsulamist lamedatest plaatidest. Alumiiniumsulamist kastiga veoauto konstruktsioon on näidatud joonisel 2.
6. seeria alumiiniumisulamist kuumpressimisprotsessi abil saab moodustada keerukaid õõnesprofiile. Keerulise ristlõikega alumiiniumprofiilide konstruktsioon säästab materjale, vastab toote tugevuse ja jäikuse nõuetele ning vastab erinevate komponentide omavahelise ühenduse nõuetele. Seetõttu on joonisel 3 näidatud peatala konstruktsiooni struktuur ja sektsiooni inertsimomendid I ning vastupanumomendid W.
Tabelis 4 esitatud põhiandmete võrdlus näitab, et projekteeritud alumiiniumprofiili ristlõike inertsimomendid ja vastupanumomendid on paremad kui vastavad rauast talaprofiili andmed. Jäikuskoefitsiendi andmed on ligikaudu samad, mis vastava rauast talaprofiilil, ja kõik need vastavad deformatsiooninõuetele.
3.2 Maksimaalse pinge arvutamine
Võttes objektiks peamise koormust kandva komponendi, risttala, arvutatakse maksimaalne pinge. Nimikoormus on 1,5 t ja risttala on valmistatud 6063-T6 alumiiniumsulamist profiilist, mille mehaanilised omadused on näidatud tabelis 5. Jõu arvutamiseks on tala lihtsustatud konsoolkonstruktsioonina, nagu on näidatud joonisel 4.
344 mm sildega tala puhul arvutatakse talale mõjuv survekoormus F=3757 N, mis põhineb 4,5 t koormusel, mis on kolm korda suurem standardsest staatilisest koormusest. q=F/L
kus q on tala sisepinge koormuse all, N/mm2; F on tala kandev koormus, mis on arvutatud standardse staatilise koormuse 3-kordse suuruse põhjal, mis on 4,5 t; L on tala pikkus, mm.
Seega sisemine pinge q on:
Pinge arvutamise valem on järgmine:
Maksimaalne hetk on:
Võttes momendi absoluutväärtuse M=274283 N·mm, on maksimaalne pinge σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa ja maksimaalne pinge väärtus σ<215 MPa, mis vastab nõuetele.
3.3 Erinevate komponentide ühendusomadused
Alumiiniumsulamil on halvad keevitusomadused ja selle keevituskoha tugevus on vaid 60% alusmaterjali tugevusest. Alumiiniumsulamist pinnal oleva Al2O3 kihi tõttu on Al2O3 sulamistemperatuur kõrge, samas kui alumiiniumil on see madal. Alumiiniumsulamist keevitamisel tuleb pinnal olev Al2O3 keevitamiseks kiiresti purustada. Samal ajal jäävad Al2O3 jäägid alumiiniumsulami lahusesse, mõjutades alumiiniumsulami struktuuri ja vähendades alumiiniumsulami keevituskoha tugevust. Seetõttu arvestatakse neid omadusi täielikult täisalumiiniumist mahuti projekteerimisel. Keevitamine on peamine positsioneerimismeetod ja peamised kandvad komponendid on ühendatud poltidega. Ühendused, nagu neetimine ja tappühendus, on näidatud joonistel 5 ja 6.
Täisalumiiniumist kasti korpuse põhistruktuur koosneb omavahel ühendatud horisontaalsetest talade, vertikaalsete postide, külgtalade ja servatalade struktuurist. Iga horisontaalse ja vertikaalse posti vahel on neli ühenduspunkti. Ühenduspunktid on varustatud sakiliste tihenditega, mis ühenduvad horisontaalse tala sakilise servaga, takistades tõhusalt libisemist. Kaheksa nurgapunkti on ühendatud peamiselt terasest südamikuga, kinnitatud poltide ja iselukustuvate neetidega ning tugevdatud kasti sisse keevitatud 5 mm kolmnurksete alumiiniumplaatidega, et tugevdada nurkade positsioone seestpoolt. Kasti välisilmel puuduvad keevituskohad või nähtavad ühenduspunktid, mis tagab kasti üldise välimuse.
3.4 SE sünkroonse inseneritehnoloogia
SE sünkroonset inseneritehnoloogiat kasutatakse karbi korpuse sobivate komponentide suurte akumuleerunud suurushälvete ja raskuste lahendamiseks tühimike ja tasapinnaliste rikete põhjuste leidmisel. CAE-analüüsi (vt joonis 7-8) abil viiakse läbi võrdlusanalüüs rauast valmistatud karbi korpustega, et kontrollida karbi korpuse üldist tugevust ja jäikust, leida nõrku kohti ning võtta meetmeid projekteerimisskeemi optimeerimiseks ja täiustamiseks.
4. Alumiiniumisulamist kastiauto kergekaaluline efekt
Lisaks kastikujulisele kerele saab alumiiniumisulameid kasutada terase asendamiseks kasti tüüpi veoautokonteinerite erinevates komponentides, nagu poritiivad, tagakaitsed, külgkaitsed, ukselukud, uksehinged ja tagumise ääre servad, saavutades kaubaruumi kaalu vähenemise 30–40%. Tühja 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm kaubakonteineri kaalu vähendamise efekt on näidatud tabelis 6. See lahendab põhimõtteliselt traditsiooniliste rauast kaubaruumide liigse kaalu, teadete mittetäitmise ja regulatiivsete riskide probleemid.
Autotööstuses kasutatavate komponentide puhul traditsioonilise terase alumiiniumisulamitega asendamine mitte ainult ei võimalda saavutada suurepäraseid kergekaalulisi tulemusi, vaid aitab kaasa ka kütusesäästule, heitkoguste vähendamisele ja sõidukite jõudluse parandamisele. Praegu on kergekaalulisuse panuse kohta kütusesäästule mitmesuguseid arvamusi. Rahvusvahelise Alumiiniumiinstituudi uurimistulemused on näidatud joonisel 9. Iga 10% sõiduki kaalu vähendamine võib vähendada kütusekulu 6–8%. Riikliku statistika kohaselt võib iga sõiduauto kaalu vähendamine 100 kg võrra vähendada kütusekulu 0,4 l/100 km. Kergekaalulisuse panus kütusesäästule põhineb erinevate uurimismeetodite abil saadud tulemustel, seega on teatav varieeruvus. Autotööstuse kergekaalulisusel on aga kütusekulu vähendamisele märkimisväärne mõju.
Elektriautode puhul on kergekaalulisuse mõju veelgi ilmekam. Praegu erineb elektriautode akude energiaühik oluliselt traditsiooniliste vedelkütusel töötavate sõidukite omast. Elektriautode elektrisüsteemi (sh aku) kaal moodustab sageli 20–30% sõiduki kogukaalust. Samal ajal on akude jõudluse kitsaskoha ületamine ülemaailmne väljakutse. Enne suure läbimurde saavutamist suure jõudlusega akutehnoloogias on kergekaalulisuse vähendamine tõhus viis elektriautode sõiduulatuse parandamiseks. Iga 100 kg kaalu vähenemisega saab elektriautode sõiduulatust suurendada 6–11% (kaalu vähenemise ja sõiduulatuse vaheline seos on näidatud joonisel 10). Praegu ei suuda täiselektriliste autode sõiduulatus enamiku inimeste vajadusi rahuldada, kuid kaalu teatud määral vähendamine võib sõiduulatust oluliselt parandada, leevendades sõiduulatuse pärast muretsemist ja parandades kasutuskogemust.
5. Kokkuvõte
Lisaks selles artiklis tutvustatud alumiiniumisulamist kastiauto täisalumiiniumist konstruktsioonile on olemas ka mitmesuguseid kastiautosid, näiteks alumiiniumist kärgstruktuuriga paneelid, alumiiniumist pandlaplaadid, alumiiniumraamid + alumiiniumkatted ning raud-alumiinium hübriidsed kaubakonteinerid. Nende eelised on kerge kaal, kõrge eritugevus ja hea korrosioonikindlus ning nad ei vaja korrosioonikaitseks elektroforeetilist värvi, vähendades elektroforeetilise värvi keskkonnamõju. Alumiiniumisulamist kastiauto lahendab põhimõtteliselt traditsiooniliste rauast kaubaruumide liigse kaalu, teadete mittetäitmise ja regulatiivsete riskide probleemid.
Ekstrusioon on alumiiniumisulamite oluline töötlemismeetod ning alumiiniumprofiilidel on suurepärased mehaanilised omadused, mistõttu on komponentide ristlõikejäikus suhteliselt kõrge. Muutuva ristlõike tõttu on alumiiniumisulamitel võimalik saavutada mitme komponendi funktsiooni kombinatsioon, mis teeb neist hea materjali autotööstuse kergekaaluliseks kasutamiseks. Alumiiniumsulamite laialdane kasutamine seisab aga silmitsi selliste väljakutsetega nagu ebapiisav alumiiniumisulamist kaubaruumide projekteerimisvõime, vormimis- ja keevitusprobleemid ning uute toodete kõrged arendus- ja reklaamikulud. Peamine põhjus on endiselt see, et alumiiniumisulam maksab terasest rohkem, enne kui alumiiniumisulamite ringlussevõtu ökoloogia küpseks saab.
Kokkuvõtteks võib öelda, et alumiiniumisulamite rakendusala autodes laieneb ja nende kasutamine kasvab jätkuvalt. Praeguste energiasäästu, heitkoguste vähendamise ja uue energiaga sõidukitööstuse arengu suundumuste valguses, alumiiniumisulamite omaduste sügavama mõistmise ja alumiiniumisulamite rakendusprobleemide tõhusate lahenduste abil, kasutatakse alumiiniumist ekstrusioonmaterjale laialdasemalt autotööstuses kergekaaluliste konstruktsioonide tootmisel.
Toimetanud May Jiang MAT Aluminiumist
Postituse aeg: 12. jaanuar 2024
