1. Inleiding
Motorliggewigvermindering het in ontwikkelde lande begin en is aanvanklik deur tradisionele motorreuse gelei. Met voortdurende ontwikkeling het dit beduidende momentum gekry. Van die tyd toe Indiërs die eerste keer aluminiumlegering gebruik het om motorkrukasse te vervaardig tot Audi se eerste massaproduksie van volledig aluminiummotors in 1999, het aluminiumlegering robuuste groei in motortoepassings gesien as gevolg van sy voordele soos lae digtheid, hoë spesifieke sterkte en styfheid, goeie elastisiteit en impakweerstand, hoë herwinbaarheid en hoë regenerasietempo. Teen 2015 het die toepassingsverhouding van aluminiumlegering in motors reeds 35% oorskry.
China se motorligtevermindering het minder as 10 jaar gelede begin, en beide die tegnologie en toepassingsvlak bly agter ontwikkelde lande soos Duitsland, die Verenigde State en Japan. Met die ontwikkeling van nuwe energievoertuie vorder materiaalligtevermindering egter vinnig. Deur die opkoms van nuwe energievoertuie te benut, toon China se motorligteverminderingstegnologie 'n neiging om ontwikkelde lande in te haal.
China se mark vir liggewigmateriale is enorm. Aan die een kant, in vergelyking met ontwikkelde lande in die buiteland, het China se liggewigtegnologie laat begin, en die algehele voertuig se leë gewig is groter. In die lig van die verhouding van liggewigmateriale in die buiteland, is daar steeds genoeg ruimte vir ontwikkeling in China. Aan die ander kant, gedryf deur beleid, sal die vinnige ontwikkeling van China se nuwe energievoertuigbedryf die vraag na liggewigmateriale verhoog en motormaatskappye aanmoedig om na liggewig te beweeg.
Die verbetering van emissie- en brandstofverbruikstandaarde dwing die versnelling van liggewigvermindering in motorvoertuie af. China het die China VI-emissiestandaarde in 2020 ten volle geïmplementeer. Volgens die "Evalueringsmetode en aanwysers vir brandstofverbruik van passasiersmotors" en die "Energiebesparing en nuwe energievoertuigtegnologie-padkaart", die 5.0 L/km brandstofverbruikstandaard. Met inagneming van die beperkte ruimte vir aansienlike deurbrake in enjintegnologie en emissiereduksievermindering, kan die aanvaarding van maatreëls vir liggewig motoronderdele voertuigemissies en brandstofverbruik effektief verminder. Die liggewigvermindering van nuwe energievoertuie het 'n noodsaaklike pad vir die ontwikkeling van die bedryf geword.
In 2016 het die China Automotive Engineering Society die "Energiebesparing en Nuwe Energievoertuigtegnologie-padkaart" uitgereik, wat faktore soos energieverbruik, vaarafstand en vervaardigingsmateriaal vir nuwe energievoertuie van 2020 tot 2030 beplan het. Liggewigverbetering sal 'n sleutelrigting wees vir die toekomstige ontwikkeling van nuwe energievoertuie. Liggewigverbetering kan die vaarafstand verhoog en "afstandsangs" in nuwe energievoertuie aanspreek. Met die toenemende vraag na 'n uitgebreide vaarafstand word liggewigverbetering in motorvoertuie dringend, en die verkope van nuwe energievoertuie het die afgelope paar jaar aansienlik gegroei. Volgens die vereistes van die puntetellingstelsel en die "Medium-tot-Langtermyn-ontwikkelingsplan vir die Motorbedryf" word beraam dat China se verkope van nuwe energievoertuie teen 2025 6 miljoen eenhede sal oorskry, met 'n saamgestelde jaarlikse groeikoers van meer as 38%.
2. Eienskappe en Toepassings van Aluminiumlegering
2.1 Eienskappe van aluminiumlegering
Die digtheid van aluminium is een derde dié van staal, wat dit ligter maak. Dit het hoër spesifieke sterkte, goeie ekstrusievermoë, sterk korrosiebestandheid en hoë herwinbaarheid. Aluminiumlegerings word gekenmerk deur hoofsaaklik uit magnesium saam te wees, goeie hittebestandheid, goeie sweiseienskappe, goeie moegheidssterkte, onvermoë om deur hittebehandeling versterk te word, en die vermoë om sterkte deur koue bewerking te verhoog. Die 6-reeks word gekenmerk deur hoofsaaklik uit magnesium en silikon saam te wees, met Mg2Si as die hoofversterkingsfase. Die mees gebruikte legerings in hierdie kategorie is 6063, 6061 en 6005A. 5052 aluminiumplaat is 'n AL-Mg-reeks allooi aluminiumplaat, met magnesium as die hooflegeringselement. Dit is die mees gebruikte roeswerende aluminiumlegering. Hierdie legering het hoë sterkte, hoë moegheidssterkte, goeie plastisiteit en korrosiebestandheid, kan nie deur hittebehandeling versterk word nie, het goeie plastisiteit in semi-koue werkverharding, lae plastisiteit in koue werkverharding, goeie korrosiebestandheid en goeie sweiseienskappe. Dit word hoofsaaklik gebruik vir komponente soos sypanele, dakbedekkings en deurpanele. 6063 aluminiumlegering is 'n hittebehandelbare versterkingslegering in die AL-Mg-Si-reeks, met magnesium en silikon as die hooflegeringselemente. Dit is 'n hittebehandelbare versterkende aluminiumlegeringsprofiel met medium sterkte, hoofsaaklik gebruik in strukturele komponente soos kolomme en sypanele om sterkte te dra. 'n Inleiding tot aluminiumlegeringsgrade word in Tabel 1 getoon.
2.2 Ekstrusie is 'n belangrike vormingsmetode van aluminiumlegering
Aluminiumlegering-ekstrusie is 'n warmvormingsmetode, en die hele produksieproses behels die vorming van aluminiumlegering onder drieledige drukspanning. Die hele produksieproses kan soos volg beskryf word: a. Aluminium en ander legerings word gesmelt en in die vereiste aluminiumlegering-knuppels gegiet; b. Die voorverhitte knuppels word in die ekstrusietoerusting geplaas vir ekstrusie. Onder die werking van die hoofsilinder word die aluminiumlegering-knuppel deur die holte van die vorm in die vereiste profiele gevorm; c. Om die meganiese eienskappe van aluminiumprofiele te verbeter, word oplossingsbehandeling tydens of na ekstrusie uitgevoer, gevolg deur verouderingsbehandeling. Die meganiese eienskappe na verouderingsbehandeling wissel na gelang van verskillende materiale en verouderingsregimes. Die hittebehandelingstatus van bokstipe vragmotorprofiele word in Tabel 2 getoon.
Aluminiumlegering-geëxtrudeerde produkte het verskeie voordele bo ander vormmetodes:
a. Tydens ekstrusie verkry die geëxtrudeerde metaal 'n sterker en meer eenvormige drieweg-drukspanning in die vervormingsone as rol en smee, sodat dit die plastisiteit van die verwerkte metaal ten volle kan benut. Dit kan gebruik word om moeilik vervormbare metale te verwerk wat nie deur rol of smee verwerk kan word nie, en kan gebruik word om verskeie komplekse hol of soliede dwarssnitkomponente te maak.
b. Omdat die geometrie van aluminiumprofiele gevarieer kan word, het hul komponente hoë styfheid, wat die styfheid van die voertuigbak kan verbeter, die NVH-eienskappe daarvan kan verminder en die dinamiese beheereienskappe van die voertuig kan verbeter.
c. Produkte met ekstrusie-doeltreffendheid, na blus en veroudering, het aansienlik hoër longitudinale sterkte (R, Raz) as produkte wat met ander metodes verwerk word.
d. Die oppervlak van produkte na ekstrusie het goeie kleur en goeie korrosiebestandheid, wat die behoefte aan ander anti-korrosie oppervlakbehandeling uitskakel.
e. Ekstrusieverwerking het groot buigsaamheid, lae gereedskap- en vormkoste, en lae ontwerpveranderingskoste.
f. As gevolg van die beheerbaarheid van aluminiumprofiel-dwarssnitte, kan die mate van komponentintegrasie verhoog word, die aantal komponente verminder word, en verskillende dwarssnitontwerpe kan presiese sweisposisionering bereik.
Die prestasievergelyking tussen geëxtrudeerde aluminiumprofiele vir bokstipe vragmotors en gewone koolstofstaal word in Tabel 3 getoon.
Volgende Ontwikkelingsrigting van Aluminiumlegeringsprofiele vir Bokstipe-vragmotors: Verdere verbetering van profielsterkte en verbetering van ekstrusieprestasie. Die navorsingsrigting van nuwe materiale vir aluminiumlegeringsprofiele vir bokstipe-vragmotors word in Figuur 1 getoon.
3. Aluminiumlegering-bakvragmotorstruktuur, sterkte-analise en verifikasie
3.1 Aluminiumlegering-vragmotorstruktuur
Die bakvragmotor se houer bestaan hoofsaaklik uit die voorpaneelsamestelling, linker- en regtersypaneelsamestelling, agterdeur-sypaneelsamestelling, vloersamestelling, daksamestelling, sowel as U-vormige boute, sybeskermers, agterbeskermers, modderflappe en ander bykomstighede wat aan die tweedeklas-onderstel gekoppel is. Die bakwerk se dwarsbalke, pilare, sybalke en deurpanele is gemaak van geëxtrudeerde aluminiumlegeringprofiele, terwyl die vloer- en dakpanele van plat plate van 5052 aluminiumlegering gemaak is. Die struktuur van die aluminiumlegering-bakvragmotor word in Figuur 2 getoon.
Deur die warm-ekstrusieproses van die 6-reeks aluminiumlegering te gebruik, kan komplekse hol dwarssnitte gevorm word. 'n Ontwerp van aluminiumprofiele met komplekse dwarssnitte kan materiale bespaar, aan die vereistes vir produksterkte en styfheid voldoen, en aan die vereistes vir onderlinge verbinding tussen verskeie komponente voldoen. Daarom word die hoofbalkontwerpstruktuur en die deursnee-traagheidsmomente I en weerstandsmomente W in Figuur 3 getoon.
'n Vergelyking van die hoofdata in Tabel 4 toon dat die deursnee-traagheidsmomente en weerstandsmomente van die ontwerpte aluminiumprofiel beter is as die ooreenstemmende data van die ystergemaakte balkprofiel. Die styfheidskoëffisiëntdata is ongeveer dieselfde as dié van die ooreenstemmende ystergemaakte balkprofiel, en voldoen almal aan die vervormingsvereistes.
3.2 Maksimum Spanningsberekening
Deur die belangrikste lasdraende komponent, die dwarsbalk, as die voorwerp te neem, word die maksimum spanning bereken. Die nominale las is 1.5 t, en die dwarsbalk is gemaak van 'n 6063-T6 aluminiumlegeringsprofiel met meganiese eienskappe soos getoon in Tabel 5. Die balk word vereenvoudig as 'n vrydraende struktuur vir kragberekening, soos getoon in Figuur 4.
As 'n balk met 'n spanwydte van 344 mm geneem word, word die druklas op die balk bereken as F=3757 N gebaseer op 4.5 t, wat drie keer die standaard statiese las is. q=F/L
waar q die interne spanning van die balk onder die las is, N/mm; F die las is wat deur die balk gedra word, bereken op grond van 3 keer die standaard statiese las, wat 4.5 t is; L die lengte van die balk is, mm.
Daarom is die interne spanning q:
Die formule vir die berekening van spanning is soos volg:
Die maksimum moment is:
Deur die absolute waarde van die moment te neem, M=274283 N·mm, die maksimum spanning σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, en die maksimum spanningswaarde σ<215 MPa, wat aan die vereistes voldoen.
3.3 Verbindingseienskappe van Verskeie Komponente
Aluminiumlegering het swak sweiseienskappe, en die sweispuntsterkte daarvan is slegs 60% van die basismateriaalsterkte. As gevolg van die bedekking van 'n laag Al2O3 op die aluminiumlegeringoppervlak, is die smeltpunt van Al2O3 hoog, terwyl die smeltpunt van aluminium laag is. Wanneer aluminiumlegering gesweis word, moet die Al2O3 op die oppervlak vinnig gebreek word om sweiswerk uit te voer. Terselfdertyd sal die oorblyfsel van Al2O3 in die aluminiumlegeringoplossing agterbly, wat die aluminiumlegeringstruktuur beïnvloed en die sterkte van die aluminiumlegering se sweispunt verminder. Daarom word hierdie eienskappe ten volle in ag geneem wanneer 'n volledig-aluminiumhouer ontwerp word. Sweising is die hoofposisioneringsmetode, en die hooflasdraende komponente word deur boute verbind. Verbindings soos klinknaels en swaelstertstrukture word in Figure 5 en 6 getoon.
Die hoofstruktuur van die volledig-aluminium boksliggaam gebruik 'n struktuur met horisontale balke, vertikale pilare, sybalke en randbalke wat met mekaar ineenskakel. Daar is vier verbindingspunte tussen elke horisontale balk en vertikale pilaar. Die verbindingspunte is toegerus met getande pakkings om in te pas met die getande rand van die horisontale balk, wat gly effektief voorkom. Die agt hoekpunte word hoofsaaklik verbind deur staalkern-insetsels, vasgemaak met boute en selfsluitende klinknaels, en versterk deur 5 mm driehoekige aluminiumplate wat binne-in die boks gesweis is om die hoekposisies intern te versterk. Die eksterne voorkoms van die boks het geen sweiswerk of blootgestelde verbindingspunte nie, wat die algehele voorkoms van die boks verseker.
3.4 SE Sinchrone Ingenieurstegnologie
SE sinchrone ingenieurstegnologie word gebruik om die probleme op te los wat veroorsaak word deur groot opgehoopte grootteafwykings vir ooreenstemmende komponente in die boksliggaam, asook die probleme om die oorsake van gapings en platheidsfoute te vind. Deur middel van CAE-analise (sien Figuur 7-8) word 'n vergelykingsanalise uitgevoer met ystergemaakte boksliggame om die algehele sterkte en styfheid van die boksliggaam te kontroleer, swakpunte te vind en maatreëls te tref om die ontwerpskema meer effektief te optimaliseer en te verbeter.
4. Liggewig-effek van aluminiumlegeringsbakvragmotor
Benewens die boksbak, kan aluminiumlegerings gebruik word om staal te vervang vir verskeie komponente van bokstipe vragmotorhouers, soos modderskerms, agterskerms, syskerms, deurgrendels, deurskarniere en agterste voorskootrande, wat 'n gewigsvermindering van 30% tot 40% vir die vragkompartement bereik. Die gewigsverminderingseffek vir 'n leë 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm vraghouer word in Tabel 6 getoon. Dit los die probleme van oormatige gewig, nie-nakoming van aankondigings en regulatoriese risiko's van tradisionele ystervervaardigde vragkompartemente fundamenteel op.
Deur tradisionele staal met aluminiumlegerings vir motoronderdele te vervang, kan nie net uitstekende liggewig-effekte bereik word nie, maar dit kan ook bydra tot brandstofbesparing, emissiereduksievermindering en verbeterde voertuigprestasie. Tans is daar verskillende menings oor die bydrae van liggewig tot brandstofbesparing. Die navorsingsresultate van die Internasionale Aluminiuminstituut word in Figuur 9 getoon. Elke 10% vermindering in voertuiggewig kan brandstofverbruik met 6% tot 8% verminder. Gebaseer op plaaslike statistieke, kan die vermindering van die gewig van elke passasiersmotor met 100 kg brandstofverbruik met 0.4 L/100 km verminder. Die bydrae van liggewig tot brandstofbesparing is gebaseer op resultate wat verkry is uit verskillende navorsingsmetodes, dus is daar 'n mate van variasie. Motorliggewig het egter 'n beduidende impak op die vermindering van brandstofverbruik.
Vir elektriese voertuie is die liggewig-effek selfs meer prominent. Tans verskil die eenheidsenergiedigtheid van elektriese voertuigkragbatterye aansienlik van dié van tradisionele vloeibare brandstofvoertuie. Die gewig van die kragstelsel (insluitend die battery) van elektriese voertuie maak dikwels 20% tot 30% van die totale voertuiggewig uit. Terselfdertyd is die deurbraak van die prestasiebottelnek van batterye 'n wêreldwye uitdaging. Voordat daar 'n groot deurbraak in hoëprestasiebatterytegnologie is, is liggewig 'n effektiewe manier om die reikafstand van elektriese voertuie te verbeter. Vir elke 100 kg gewigsvermindering kan die reikafstand van elektriese voertuie met 6% tot 11% verhoog word (die verhouding tussen gewigsvermindering en reikafstand word in Figuur 10 getoon). Tans kan die reikafstand van suiwer elektriese voertuie nie aan die behoeftes van die meeste mense voldoen nie, maar die vermindering van gewig met 'n sekere hoeveelheid kan die reikafstand aansienlik verbeter, reikafstandsangs verlig en die gebruikerservaring verbeter.
5. Gevolgtrekking
Benewens die volledig aluminiumstruktuur van die aluminiumlegering-bakvragmotor wat in hierdie artikel bekendgestel word, is daar verskeie tipes bakvragmotors, soos aluminium-heuningkoekpanele, aluminium-gespeplate, aluminiumrame + aluminiumvelle, en yster-aluminium-hibriede vraghouers. Hulle het die voordele van ligte gewig, hoë spesifieke sterkte en goeie korrosieweerstand, en benodig nie elektroforetiese verf vir korrosiebeskerming nie, wat die omgewingsimpak van elektroforetiese verf verminder. Die aluminiumlegering-bakvragmotor los die probleme van oormatige gewig, nie-nakoming van aankondigings en regulatoriese risiko's van tradisionele ystervervaardigde vragkompartemente fundamenteel op.
Ekstrusie is 'n noodsaaklike verwerkingsmetode vir aluminiumlegerings, en aluminiumprofiele het uitstekende meganiese eienskappe, dus is die snitstyfheid van komponente relatief hoog. As gevolg van die veranderlike deursnit, kan aluminiumlegerings die kombinasie van verskeie komponentfunksies bereik, wat dit 'n goeie materiaal maak vir motorligte. Die wydverspreide toepassing van aluminiumlegerings staar egter uitdagings in die gesig soos onvoldoende ontwerpvermoë vir aluminiumlegeringsvragkompartemente, vorm- en sweisprobleme, en hoë ontwikkelings- en promosiekoste vir nuwe produkte. Die hoofrede is steeds dat aluminiumlegering meer kos as staal voordat die herwinningsekologie van aluminiumlegerings volwasse word.
Ten slotte, die toepassingsgebied van aluminiumlegerings in motors sal wyer word, en hul gebruik sal aanhou toeneem. In die huidige tendense van energiebesparing, emissiereduksie en die ontwikkeling van die nuwe energievoertuigbedryf, met die verdiepende begrip van aluminiumlegeringseienskappe en effektiewe oplossings vir aluminiumlegeringstoepassingsprobleme, sal aluminium-ekstrusiemateriale meer wyd gebruik word in motorligtewigvermindering.
Geredigeer deur May Jiang van MAT Aluminium
Plasingstyd: 12 Januarie 2024
