1.Introduzione
L’alleggerimento automobilistico è iniziato nei paesi sviluppati ed è stato inizialmente guidato dai giganti automobilistici tradizionali. Con lo sviluppo continuo, ha acquisito uno slancio significativo. Da quando gli indiani utilizzarono per la prima volta la lega di alluminio per produrre alberi a gomiti automobilistici fino alla prima produzione in serie di automobili interamente in alluminio da parte di Audi nel 1999, la lega di alluminio ha visto una crescita robusta nelle applicazioni automobilistiche grazie ai suoi vantaggi come bassa densità, elevata resistenza specifica e rigidità, buona elasticità e resistenza agli urti, elevata riciclabilità e alto tasso di rigenerazione. Nel 2015, la percentuale di applicazione della lega di alluminio nelle automobili aveva già superato il 35%.
L’alleggerimento automobilistico in Cina è iniziato meno di 10 anni fa e sia a livello tecnologico che applicativo sono in ritardo rispetto a paesi sviluppati come Germania, Stati Uniti e Giappone. Tuttavia, con lo sviluppo di nuovi veicoli energetici, l’alleggerimento dei materiali sta progredendo rapidamente. Sfruttando la crescita dei nuovi veicoli energetici, la tecnologia cinese di alleggerimento automobilistico sta mostrando una tendenza a recuperare terreno rispetto ai paesi sviluppati.
Il mercato cinese dei materiali leggeri è vasto. Da un lato, rispetto ai paesi sviluppati all'estero, la tecnologia cinese per l'alleggerimento è iniziata in ritardo e il peso complessivo del veicolo è maggiore. Considerando il valore di riferimento della quota di materiali leggeri nei paesi esteri, in Cina c'è ancora ampio spazio di sviluppo. D’altra parte, guidato dalle politiche, il rapido sviluppo dell’industria cinese dei veicoli a nuova energia aumenterà la domanda di materiali leggeri e incoraggerà le aziende automobilistiche a spostarsi verso la leggerezza.
Il miglioramento degli standard di emissione e consumo di carburante sta accelerando l’alleggerimento del settore automobilistico. La Cina ha implementato pienamente gli standard sulle emissioni China VI nel 2020. Secondo il “Metodo di valutazione e indicatori per il consumo di carburante delle autovetture” e la “Roadmap per il risparmio energetico e la tecnologia dei veicoli a nuova energia”, lo standard di consumo di carburante è di 5,0 l/km. Tenendo conto dello spazio limitato per progressi sostanziali nella tecnologia dei motori e nella riduzione delle emissioni, l’adozione di misure per componenti automobilistici leggeri può ridurre efficacemente le emissioni dei veicoli e il consumo di carburante. L'alleggerimento dei veicoli a nuova energia è diventato un percorso essenziale per lo sviluppo del settore.
Nel 2016, la China Automotive Engineering Society ha pubblicato la “Roadmap per il risparmio energetico e le nuove tecnologie dei veicoli energetici”, che pianifica fattori come il consumo di energia, l’autonomia di crociera e i materiali di produzione per i veicoli a nuova energia dal 2020 al 2030. La leggerezza sarà una direzione chiave per il futuro sviluppo di veicoli a nuova energia. L’alleggerimento può aumentare l’autonomia di crociera e affrontare l’ansia da autonomia nei veicoli a nuova energia. Con la crescente domanda di un’autonomia di crociera estesa, l’alleggerimento automobilistico diventa urgente e le vendite di veicoli alimentati da nuove energie sono cresciute in modo significativo negli ultimi anni. Secondo i requisiti del sistema di punteggio e del “Piano di sviluppo a medio e lungo termine per l’industria automobilistica”, si stima che entro il 2025 le vendite in Cina di veicoli a nuova energia supereranno i 6 milioni di unità, con una crescita annua composta tasso superiore al 38%.
2. Caratteristiche e applicazioni delle leghe di alluminio
2.1 Caratteristiche della lega di alluminio
La densità dell'alluminio è un terzo di quella dell'acciaio, il che lo rende più leggero. Ha una resistenza specifica più elevata, una buona capacità di estrusione, una forte resistenza alla corrosione e un'elevata riciclabilità. Le leghe di alluminio sono caratterizzate dall'essere composte principalmente da magnesio, presentare una buona resistenza al calore, buone proprietà di saldatura, buona resistenza alla fatica, incapacità di essere rinforzate mediante trattamento termico e capacità di aumentare la resistenza attraverso la lavorazione a freddo. La serie 6 è caratterizzata dall'essere composta principalmente da magnesio e silicio, con Mg2Si come principale fase di rinforzo. Le leghe più utilizzate in questa categoria sono 6063, 6061 e 6005A. La piastra in alluminio 5052 è una piastra in lega di alluminio della serie AL-Mg, con il magnesio come principale elemento di lega. È la lega di alluminio antiruggine più utilizzata. Questa lega ha elevata resistenza, elevata resistenza alla fatica, buona plasticità e resistenza alla corrosione, non può essere rafforzata dal trattamento termico, ha buona plasticità nell'incrudimento a semi-freddo, bassa plasticità nell'incrudimento a freddo, buona resistenza alla corrosione e buone proprietà di saldatura. Viene utilizzato principalmente per componenti come pannelli laterali, coperture del tetto e pannelli delle porte. La lega di alluminio 6063 è una lega di rinforzo trattabile termicamente della serie AL-Mg-Si, con magnesio e silicio come principali elementi di lega. È un profilo di rinforzo in lega di alluminio trattabile termicamente con resistenza media, utilizzato principalmente in componenti strutturali come colonne e pannelli laterali per sostenere la resistenza. Un'introduzione ai gradi delle leghe di alluminio è mostrata nella Tabella 1.
2.2 L'estrusione è un importante metodo di formatura della lega di alluminio
L'estrusione della lega di alluminio è un metodo di formatura a caldo e l'intero processo di produzione prevede la formatura della lega di alluminio sotto stress di compressione a tre vie. L'intero processo produttivo può essere descritto come segue: a. L'alluminio e altre leghe vengono fusi e fusi nelle billette di lega di alluminio richieste; B. Le billette preriscaldate vengono immesse nell'attrezzatura di estrusione per l'estrusione. Sotto l'azione del cilindro principale, la billetta in lega di alluminio viene modellata nei profili richiesti attraverso la cavità dello stampo; C. Per migliorare le proprietà meccaniche dei profili di alluminio, durante o dopo l'estrusione viene effettuato un trattamento di solubilizzazione, seguito da un trattamento di invecchiamento. Le proprietà meccaniche dopo il trattamento di invecchiamento variano a seconda dei diversi materiali e regimi di invecchiamento. Lo stato del trattamento termico dei profili scatolati per autocarri è mostrato nella Tabella 2.
I prodotti estrusi in lega di alluminio presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi di formatura:
UN. Durante l'estrusione, il metallo estruso ottiene una sollecitazione di compressione a tre vie più forte e più uniforme nella zona di deformazione rispetto alla laminazione e alla forgiatura, in modo da poter riprodurre appieno la plasticità del metallo lavorato. Può essere utilizzato per lavorare metalli difficili da deformare che non possono essere lavorati mediante laminazione o forgiatura e può essere utilizzato per realizzare vari componenti complessi a sezione trasversale cava o solida.
B. Poiché la geometria dei profili in alluminio può essere variata, i loro componenti hanno un'elevata rigidità, che può migliorare la rigidità della carrozzeria del veicolo, ridurre le sue caratteristiche NVH e migliorare le caratteristiche di controllo dinamico del veicolo.
C. I prodotti con efficienza di estrusione, dopo tempra e invecchiamento, hanno una resistenza longitudinale (R, Raz) significativamente più elevata rispetto ai prodotti lavorati con altri metodi.
D. La superficie dei prodotti dopo l'estrusione ha un buon colore e una buona resistenza alla corrosione, eliminando la necessità di altri trattamenti superficiali anticorrosivi.
e. Il processo di estrusione presenta una grande flessibilità, bassi costi di attrezzature e stampi e bassi costi di modifica del progetto.
F. Grazie alla controllabilità delle sezioni trasversali dei profili in alluminio, il grado di integrazione dei componenti può essere aumentato, il numero di componenti può essere ridotto e diversi design di sezioni trasversali possono ottenere un posizionamento preciso della saldatura.
Il confronto delle prestazioni tra i profili in alluminio estruso per camion box e quelli in acciaio al carbonio semplice è mostrato nella Tabella 3.
Prossima direzione di sviluppo dei profili in lega di alluminio per camion box: ulteriore miglioramento della resistenza del profilo e miglioramento delle prestazioni di estrusione. La direzione della ricerca di nuovi materiali per profili in lega di alluminio per camion box è mostrata nella Figura 1.
3. Struttura del camion con scatola in lega di alluminio, analisi della resistenza e verifica
3.1 Struttura del camion con cassone in lega di alluminio
Il container del furgone è costituito principalmente dall'assemblaggio del pannello anteriore, dall'assemblaggio dei pannelli laterali sinistro e destro, dall'assemblaggio dei pannelli laterali della porta posteriore, dall'assemblaggio del pavimento, dall'assemblaggio del tetto, nonché da bulloni a U, protezioni laterali, protezioni posteriori, paraspruzzi e altri accessori collegato al telaio di seconda classe. Le traverse del cassone, i montanti, le travi laterali e i pannelli delle porte sono realizzati con profili estrusi in lega di alluminio, mentre i pannelli del pavimento e del tetto sono realizzati con piastre piane in lega di alluminio 5052. La struttura del furgone in lega di alluminio è mostrata nella Figura 2.
Utilizzando il processo di estrusione a caldo della lega di alluminio della serie 6 è possibile formare sezioni trasversali cave complesse, un design di profili in alluminio con sezioni trasversali complesse può risparmiare materiali, soddisfare i requisiti di resistenza e rigidità del prodotto e soddisfare i requisiti di connessione reciproca tra vari componenti. Pertanto, la struttura di progetto della trave principale e i momenti di inerzia della sezione I e i momenti resistenti W sono mostrati nella Figura 3.
Dal confronto dei dati principali della Tabella 4 emerge che i momenti di inerzia della sezione e i momenti resistenti del profilo in alluminio progettato sono migliori dei dati corrispondenti del profilo a trave in ferro. I dati relativi al coefficiente di rigidezza sono più o meno gli stessi del corrispondente profilo della trave in ferro e tutti soddisfano i requisiti di deformazione.
3.2 Calcolo della sollecitazione massima
Prendendo come oggetto il componente portante principale, la traversa, viene calcolata la sollecitazione massima. Il carico nominale è di 1,5 t e la traversa è realizzata con un profilo in lega di alluminio 6063-T6 con proprietà meccaniche come mostrato nella Tabella 5. La trave è semplificata come struttura a sbalzo per il calcolo della forza, come mostrato nella Figura 4.
Prendendo una trave con campata di 344 mm, il carico di compressione sulla trave viene calcolato come F=3757 N basato su 4,5 t, ovvero tre volte il carico statico standard. q=F/L
dove q è la tensione interna della trave sotto il carico, N/mm; F è il carico sopportato dalla trave, calcolato sulla base di 3 volte il carico statico standard, che è pari a 4,5 t; L è la lunghezza della trave, mm.
Pertanto, la tensione interna q è:
La formula per il calcolo delle sollecitazioni è la seguente:
Il momento massimo è:
Prendendo il valore assoluto del momento, M=274283 N·mm, la sollecitazione massima σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa e il valore della sollecitazione massima σ<215 MPa, che soddisfa i requisiti.
3.3 Caratteristiche di connessione di vari componenti
La lega di alluminio ha scarse proprietà di saldatura e la resistenza del punto di saldatura è solo il 60% della resistenza del materiale di base. A causa della copertura di uno strato di Al2O3 sulla superficie della lega di alluminio, il punto di fusione di Al2O3 è elevato, mentre il punto di fusione dell'alluminio è basso. Quando la lega di alluminio viene saldata, l'Al2O3 sulla superficie deve essere rapidamente rotto per eseguire la saldatura. Allo stesso tempo, il residuo di Al2O3 rimarrà nella soluzione della lega di alluminio, influenzando la struttura della lega di alluminio e riducendo la resistenza del punto di saldatura della lega di alluminio. Pertanto, quando si progetta un contenitore interamente in alluminio, queste caratteristiche vengono pienamente prese in considerazione. La saldatura è il metodo di posizionamento principale e i principali componenti portanti sono collegati tramite bulloni. Collegamenti quali rivettatura e struttura a coda di rondine sono mostrati nelle Figure 5 e 6.
La struttura principale del corpo scatolare interamente in alluminio adotta una struttura con travi orizzontali, pilastri verticali, travi laterali e travi perimetrali ad incastro tra loro. Ci sono quattro punti di collegamento tra ciascuna trave orizzontale e pilastro verticale. I punti di collegamento sono dotati di guarnizioni dentellate per ingranare con il bordo seghettato della trave orizzontale, impedendone efficacemente lo scorrimento. Gli otto punti d'angolo sono collegati principalmente da inserti con anima in acciaio, fissati con bulloni e rivetti autobloccanti, e rinforzati da piastre triangolari in alluminio da 5 mm saldate all'interno della scatola per rafforzare le posizioni d'angolo internamente. L'aspetto esterno della scatola non presenta saldature o punti di connessione esposti, garantendo l'aspetto complessivo della scatola.
3.4 SE Tecnologia di ingegneria sincrona
La tecnologia di ingegneria sincrona SE viene utilizzata per risolvere i problemi causati da grandi deviazioni dimensionali accumulate per l'accoppiamento dei componenti nel corpo della scatola e le difficoltà nel trovare le cause degli spazi vuoti e dei difetti di planarità. Attraverso l'analisi CAE (vedere Figura 7-8), viene condotta un'analisi comparativa con corpi scatolari in ferro per verificare la resistenza e la rigidità complessiva del corpo scatolare, individuare i punti deboli e adottare misure per ottimizzare e migliorare lo schema di progettazione in modo più efficace .
effetto 4.Lightweighting del camion della scatola della lega di alluminio
Oltre al cassone, le leghe di alluminio possono essere utilizzate per sostituire l'acciaio per vari componenti dei container per camion, come parafanghi, protezioni posteriori, protezioni laterali, serrature delle porte, cerniere delle porte e bordi del grembiule posteriore, ottenendo una riduzione del peso. dal 30% al 40% per il vano di carico. L’effetto di riduzione del peso per un container di carico vuoto da 4080 mm×2300 mm×2200 mm è mostrato nella Tabella 6. Ciò risolve fondamentalmente i problemi di peso eccessivo, non conformità agli annunci e rischi normativi dei tradizionali compartimenti di carico in ferro.
Sostituendo l'acciaio tradizionale con le leghe di alluminio per i componenti automobilistici, non solo è possibile ottenere eccellenti effetti di leggerezza, ma si può anche contribuire al risparmio di carburante, alla riduzione delle emissioni e al miglioramento delle prestazioni del veicolo. Attualmente esistono opinioni diverse sul contributo dell'alleggerimento al risparmio di carburante. I risultati della ricerca dell'International Aluminium Institute sono mostrati nella Figura 9. Ogni riduzione del 10% del peso del veicolo può ridurre il consumo di carburante dal 6% all'8%. Secondo le statistiche nazionali, riducendo il peso di ciascuna autovettura di 100 kg è possibile ridurre il consumo di carburante di 0,4 l/100 km. Il contributo dell’alleggerimento al risparmio di carburante si basa sui risultati ottenuti da diversi metodi di ricerca, quindi esistono alcune variazioni. Tuttavia, l’alleggerimento automobilistico ha un impatto significativo sulla riduzione del consumo di carburante.
Per i veicoli elettrici l’effetto di alleggerimento è ancora più pronunciato. Attualmente, la densità energetica unitaria delle batterie dei veicoli elettrici è significativamente diversa da quella dei tradizionali veicoli a combustibile liquido. Il peso del sistema di alimentazione (compresa la batteria) dei veicoli elettrici rappresenta spesso dal 20% al 30% del peso totale del veicolo. Allo stesso tempo, superare il collo di bottiglia prestazionale delle batterie è una sfida mondiale. Prima che si verifichi un importante passo avanti nella tecnologia delle batterie ad alte prestazioni, l’alleggerimento è un modo efficace per migliorare l’autonomia dei veicoli elettrici. Per ogni riduzione di peso di 100 kg, l'autonomia dei veicoli elettrici può essere aumentata dal 6% all'11% (la relazione tra riduzione del peso e autonomia è mostrata nella Figura 10). Attualmente, l’autonomia dei veicoli elettrici puri non può soddisfare le esigenze della maggior parte delle persone, ma ridurre il peso di un certo importo può migliorare significativamente l’autonomia, alleviando l’ansia da autonomia e migliorando l’esperienza dell’utente.
5.Conclusione
Oltre alla struttura interamente in alluminio del furgone in lega di alluminio presentato in questo articolo, esistono vari tipi di furgoni, come pannelli a nido d'ape in alluminio, piastre con fibbia in alluminio, telai in alluminio + rivestimenti in alluminio e contenitori di carico ibridi in ferro-alluminio . Presentano i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza specifica e buona resistenza alla corrosione e non richiedono vernice elettroforetica per la protezione dalla corrosione, riducendo l'impatto ambientale della vernice elettroforetica. Il furgone in lega di alluminio risolve sostanzialmente i problemi di peso eccessivo, non conformità agli annunci e rischi normativi dei tradizionali compartimenti di carico in ferro.
L'estrusione è un metodo di lavorazione essenziale per le leghe di alluminio e i profili di alluminio hanno eccellenti proprietà meccaniche, quindi la rigidità della sezione dei componenti è relativamente elevata. A causa della sezione trasversale variabile, le leghe di alluminio possono ottenere la combinazione di più funzioni dei componenti, rendendole un buon materiale per l'alleggerimento automobilistico. Tuttavia, l’applicazione diffusa delle leghe di alluminio deve far fronte a sfide quali l’insufficiente capacità di progettazione dei compartimenti di carico in lega di alluminio, problemi di formatura e saldatura e elevati costi di sviluppo e promozione di nuovi prodotti. La ragione principale è ancora che la lega di alluminio costa più dell’acciaio prima che l’ecologia del riciclaggio delle leghe di alluminio diventi matura.
In conclusione, il campo di applicazione delle leghe di alluminio nelle automobili diventerà più ampio e il loro utilizzo continuerà ad aumentare. Nelle attuali tendenze di risparmio energetico, riduzione delle emissioni e sviluppo del settore dei veicoli a nuova energia, con l’approfondimento della comprensione delle proprietà delle leghe di alluminio e soluzioni efficaci ai problemi applicativi delle leghe di alluminio, i materiali di estrusione di alluminio saranno più ampiamente utilizzati nell’alleggerimento automobilistico.
A cura di May Jiang di MAT Aluminium
Orario di pubblicazione: 12 gennaio 2024
