1. Introduzione
L'alleggerimento dei componenti automobilistici è iniziato nei paesi sviluppati ed è stato inizialmente guidato dai giganti dell'automotive tradizionale. Con il continuo sviluppo, ha acquisito un notevole slancio. Da quando gli indiani hanno utilizzato per la prima volta la lega di alluminio per produrre alberi motore per automobili fino alla prima produzione in serie di auto interamente in alluminio da parte di Audi nel 1999, la lega di alluminio ha registrato una robusta crescita nelle applicazioni automobilistiche grazie ai suoi vantaggi quali bassa densità, elevata resistenza e rigidità specifiche, buona elasticità e resistenza agli urti, elevata riciclabilità e alto tasso di rigenerazione. Entro il 2015, la percentuale di applicazione della lega di alluminio nelle automobili aveva già superato il 35%.
L'alleggerimento dei materiali nel settore automobilistico in Cina è iniziato meno di 10 anni fa, e sia la tecnologia che il livello di applicazione sono in ritardo rispetto a paesi sviluppati come Germania, Stati Uniti e Giappone. Tuttavia, con lo sviluppo di veicoli a nuova energia, l'alleggerimento dei materiali sta progredendo rapidamente. Sfruttando l'ascesa dei veicoli a nuova energia, la tecnologia cinese per l'alleggerimento dei materiali nel settore 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, la tecnologia cinese per l'alleggerimento dei veicoli è iniziata tardi e il peso a vuoto complessivo dei veicoli è maggiore. Considerando il benchmark della quota di materiali leggeri nei paesi stranieri, in Cina c'è ancora ampio spazio per lo sviluppo. D'altro canto, trainato dalle politiche, il rapido sviluppo dell'industria cinese dei veicoli a nuova energia aumenterà la domanda di materiali leggeri e incoraggerà le case automobilistiche a orientarsi verso l'alleggerimento.
Il miglioramento degli standard sulle emissioni e sul consumo di carburante sta accelerando l'alleggerimento dei veicoli. La Cina ha pienamente implementato 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 le tecnologie dei veicoli a nuova energia", lo standard per il consumo di carburante è di 5,0 l/km. Considerando lo spazio limitato per innovazioni sostanziali nella tecnologia dei motori e nella riduzione delle emissioni, l'adozione di misure per l'alleggerimento dei componenti automobilistici 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 tecnologie dei veicoli a nuova energia", che ha pianificato fattori quali il consumo energetico, l'autonomia di viaggio e i materiali di produzione per i veicoli a nuova energia dal 2020 al 2030. L'alleggerimento sarà una direzione chiave per il futuro sviluppo dei veicoli a nuova energia. L'alleggerimento può aumentare l'autonomia di viaggio e affrontare la "range anxiety" nei veicoli a nuova energia. Con la crescente domanda di autonomia estesa, l'alleggerimento automobilistico diventa urgente e le vendite di veicoli a nuova energia sono cresciute significativamente negli ultimi anni. Secondo i requisiti del sistema di punteggio e del "Piano di sviluppo a medio-lungo termine per l'industria automobilistica", si stima che entro il 2025 le vendite di veicoli a nuova energia in Cina supereranno i 6 milioni di unità, con un tasso di crescita annuo composto superiore al 38%.
2. Caratteristiche e applicazioni della lega 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. Presenta una maggiore resistenza specifica, una buona capacità di estrusione, un'elevata resistenza alla corrosione e un'elevata riciclabilità. Le leghe di alluminio sono caratterizzate dall'essere composte principalmente da magnesio, presentano una buona resistenza al calore, buone proprietà di saldatura, una buona resistenza alla fatica, non possono essere rinforzate mediante trattamento termico e possono essere aumentate mediante 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 di alluminio 5052 è una piastra di alluminio della serie AL-Mg, con il magnesio come principale elemento di lega. È la lega di alluminio antiruggine più utilizzata. Questa lega presenta elevata resistenza, elevata resistenza alla fatica, buona plasticità e resistenza alla corrosione, non può essere rinforzata mediante trattamento termico, ha una buona plasticità nell'incrudimento a 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 portiere. 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. Si tratta di un profilo in lega di alluminio trattabile termicamente con resistenza media, utilizzato principalmente in componenti strutturali come montanti e pannelli laterali per conferire resistenza. Un'introduzione ai gradi di leghe di alluminio è riportata nella Tabella 1.
2.2 L'estrusione è un importante metodo di formatura della lega di alluminio
L'estrusione di leghe di alluminio è un metodo di formatura a caldo e l'intero processo produttivo prevede la formatura della lega di alluminio sotto sforzo di compressione tridirezionale. L'intero processo produttivo può essere descritto come segue: a. L'alluminio e altre leghe vengono fusi e colati nelle billette di lega di alluminio richieste; b. Le billette preriscaldate vengono inserite nell'impianto di estrusione. Sotto l'azione del cilindro principale, la billetta in lega di alluminio viene formata nei profili richiesti attraverso la cavità dello stampo; c. Per migliorare le proprietà meccaniche dei profili in alluminio, viene effettuato un trattamento di solubilizzazione durante o dopo l'estrusione, seguito da un trattamento di invecchiamento. Le proprietà meccaniche dopo il trattamento di invecchiamento variano a seconda dei diversi materiali e dei regimi di invecchiamento. Lo stato del trattamento termico dei profili per camion cassonati è mostrato nella Tabella 2.
I prodotti estrusi in lega di alluminio presentano diversi vantaggi rispetto ad altri metodi di formatura:
a. Durante l'estrusione, il metallo estruso subisce una sollecitazione di compressione tridirezionale più forte e uniforme nella zona di deformazione rispetto alla laminazione e alla forgiatura, consentendogli di sfruttare appieno la plasticità del metallo lavorato. Può essere utilizzato per la lavorazione di 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 piena.
b. Poiché la geometria dei profili in alluminio può essere variata, i loro componenti presentano 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, presentano una resistenza longitudinale (R, Raz) significativamente più elevata rispetto ai prodotti lavorati con altri metodi.
d. Dopo l'estrusione, la superficie dei prodotti presenta un buon colore e una buona resistenza alla corrosione, eliminando la necessità di altri trattamenti superficiali anticorrosivi.
e. Il processo di estrusione offre grande flessibilità, bassi costi di utensili e stampi e bassi costi di modifica del progetto.
f. Grazie alla controllabilità delle sezioni trasversali dei profili in alluminio, è possibile aumentare il grado di integrazione dei componenti, ridurre il numero di componenti e ottenere un posizionamento preciso della saldatura grazie a diverse sezioni trasversali.
Nella Tabella 3 è illustrato il confronto delle prestazioni tra i profili in alluminio estruso per camion cassonati e quelli in acciaio al carbonio semplice.
Prossima direzione di sviluppo dei profili in lega di alluminio per camion furgonati: ulteriore miglioramento della resistenza dei profili e delle prestazioni di estrusione. La direzione di ricerca di nuovi materiali per profili in lega di alluminio per camion furgonati è illustrata nella Figura 1.
3. Struttura, analisi della resistenza e verifica del camion con cassone in lega di alluminio
3.1 Struttura del camion con cassone in lega di alluminio
Il cassone è costituito principalmente da un pannello frontale, un pannello laterale sinistro e destro, un pannello laterale della porta posteriore, un pianale, un tetto, nonché da bulloni a U, protezioni laterali, protezioni posteriori, parafanghi e altri accessori collegati al telaio di seconda classe. Le traverse, i montanti, le traverse laterali e i pannelli delle porte del cassone sono realizzati con profili estrusi in lega di alluminio, mentre i pannelli del pianale e del tetto sono realizzati con piastre piatte in lega di alluminio 5052. La struttura del cassone in lega di alluminio è illustrata nella Figura 2.
Utilizzando il processo di estrusione a caldo della lega di alluminio serie 6, è possibile realizzare sezioni trasversali cave complesse. La progettazione di profili in alluminio con sezioni trasversali complesse consente di risparmiare materiale, soddisfare i requisiti di resistenza e rigidità del prodotto e soddisfare i requisiti di collegamento reciproco tra i vari componenti. Pertanto, la struttura di progettazione della trave principale e i momenti di inerzia sezionale I e i momenti resistenti W sono mostrati in Figura 3.
Un confronto tra i dati principali della Tabella 4 mostra che i momenti di inerzia e i momenti resistenti sezionali del profilo in alluminio progettato sono migliori rispetto ai dati corrispondenti del profilo della trave in ferro. I dati relativi al coefficiente di rigidezza sono pressoché identici a quelli del corrispondente profilo della trave in ferro e soddisfano tutti i requisiti di deformazione.
3.2 Calcolo dello stress massimo
Considerando come oggetto il componente portante chiave, la trave trasversale, si calcola la sollecitazione massima. Il carico nominale è di 1,5 t e la trave trasversale è realizzata in profilo di lega di alluminio 6063-T6 con proprietà meccaniche come mostrato nella Tabella 5. La trave è semplificata come una struttura a sbalzo per il calcolo della forza, come mostrato in 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, che è tre volte il carico statico standard. q=F/L
dove q è la sollecitazione 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, ovvero 4,5 t; L è la lunghezza della trave, mm.
Pertanto, lo stress interno q è:
La formula per il calcolo dello stress 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 dei vari componenti
La lega di alluminio ha scarse proprietà di saldatura e la sua resistenza al punto di saldatura è pari solo al 60% della resistenza del materiale base. A causa della presenza di uno strato di Al₂O₂ sulla superficie della lega di alluminio, il punto di fusione di Al₂O₂ è elevato, mentre quello dell'alluminio è basso. Quando la lega di alluminio viene saldata, l'Al₂O₂ sulla superficie deve essere rapidamente sciolto per consentire la saldatura. Allo stesso tempo, il residuo di Al₂O₂ rimane nella soluzione di lega di alluminio, compromettendone la struttura e riducendo la resistenza al punto di saldatura. Pertanto, nella progettazione di un contenitore interamente in alluminio, queste caratteristiche vengono tenute in debita considerazione. La saldatura è il metodo di posizionamento principale e i principali componenti portanti sono collegati tramite bulloni. Giunzioni come la rivettatura e la struttura a coda di rondine sono illustrate nelle Figure 5 e 6.
La struttura principale del cassone interamente in alluminio adotta una struttura con travi orizzontali, pilastri verticali, travi laterali e travi di bordo interconnesse. Sono presenti quattro punti di collegamento tra ciascuna trave orizzontale e pilastro verticale. I punti di collegamento sono dotati di guarnizioni dentellate che si incastrano con il bordo dentellato della trave orizzontale, impedendo efficacemente lo scorrimento. Gli otto punti angolari sono collegati principalmente da inserti in acciaio, fissati con bulloni e rivetti autobloccanti e rinforzati da piastre triangolari in alluminio da 5 mm saldate all'interno del cassone per rinforzare internamente le posizioni angolari. L'aspetto esterno del cassone non presenta saldature o punti di collegamento esposti, garantendo l'aspetto complessivo del cassone.
3.4 Tecnologia di ingegneria sincrona SE
La tecnologia di ingegneria sincrona SE viene utilizzata per risolvere i problemi causati dalle grandi deviazioni dimensionali accumulate per i componenti di accoppiamento nel cassone e dalle difficoltà nell'individuare le cause di fessure e difetti di planarità. Attraverso l'analisi CAE (vedere Figure 7-8), viene condotta un'analisi comparativa con cassoni in ferro per verificarne la resistenza e la rigidità complessive, individuarne i punti deboli e adottare misure per ottimizzare e migliorare lo schema progettuale in modo più efficace.
4. Effetto di alleggerimento del camion con cassone in lega di alluminio
Oltre al cassone, le leghe di alluminio possono essere utilizzate per sostituire l'acciaio in vari componenti dei container per camion, come parafanghi, sponde posteriori, sponde laterali, chiusure delle porte, cerniere delle porte e bordi del grembiale posteriore, ottenendo una riduzione di peso del 30-40% per il vano di carico. L'effetto di riduzione del peso per un container vuoto da 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm è illustrato nella Tabella 6. Questo risolve sostanzialmente i problemi di peso eccessivo, non conformità con gli annunci e rischi normativi dei tradizionali vani di carico in ferro.
Sostituendo l'acciaio tradizionale con leghe di alluminio per i componenti automobilistici, non solo si possono ottenere eccellenti risultati di alleggerimento, ma si può anche contribuire al risparmio di carburante, alla riduzione delle emissioni e al miglioramento delle prestazioni del veicolo. Attualmente, ci sono opinioni contrastanti 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, una riduzione di 100 kg del peso di ogni autovettura può ridurre il consumo di carburante di 0,4 l/100 km. Il contributo dell'alleggerimento al risparmio di carburante si basa sui risultati ottenuti con diversi metodi di ricerca, quindi vi sono 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 (batteria inclusa) 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 una svolta significativa nella tecnologia delle batterie ad alte prestazioni, l'alleggerimento è un modo efficace per migliorare l'autonomia di viaggio dei veicoli elettrici. Per ogni 100 kg di riduzione del peso, l'autonomia di viaggio 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 di viaggio dei veicoli elettrici puri non è sufficiente a soddisfare le esigenze della maggior parte delle persone, ma una certa riduzione del peso può migliorare significativamente l'autonomia, attenuando l'ansia da autonomia e migliorando l'esperienza utente.
5.Conclusion
Oltre alla struttura interamente in alluminio del furgone in lega di alluminio presentato in questo articolo, esistono diverse tipologie di furgoni con cassone, come pannelli a nido d'ape in alluminio, piastre di rinforzo in alluminio, telai in alluminio + rivestimenti in alluminio e container ibridi ferro-alluminio. Presentano i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza specifica e buona resistenza alla corrosione, e non richiedono verniciatura elettroforetica per la protezione dalla corrosione, riducendone così l'impatto ambientale. Il furgone in lega di alluminio risolve radicalmente i problemi di peso eccessivo, non conformità con gli annunci e rischi normativi dei tradizionali vani di carico in ferro.
L'estrusione è un metodo di lavorazione essenziale per le leghe di alluminio e i profili in alluminio presentano eccellenti proprietà meccaniche, che consentono una rigidità della sezione dei componenti relativamente elevata. Grazie alla sezione trasversale variabile, le leghe di alluminio possono combinare diverse funzioni, rendendole un ottimo materiale per l'alleggerimento dei componenti nel settore automobilistico. Tuttavia, l'applicazione diffusa delle leghe di alluminio presenta difficoltà quali l'insufficiente capacità di progettazione dei vani di carico in lega di alluminio, problemi di formatura e saldatura e costi elevati di sviluppo e promozione di nuovi prodotti. Il motivo principale è che le leghe di alluminio costano più dell'acciaio, prima che l'ecosistema del riciclo delle leghe di alluminio diventi maturo.
In conclusione, l'ambito di applicazione delle leghe di alluminio nel settore automobilistico si amplierà e il loro utilizzo continuerà ad aumentare. Considerando le attuali tendenze in termini di risparmio energetico, riduzione delle emissioni e sviluppo del settore dei veicoli a nuova energia, con una comprensione più approfondita delle proprietà delle leghe di alluminio e soluzioni efficaci ai problemi applicativi, i materiali estrusi in alluminio troveranno un impiego sempre più diffuso nell'alleggerimento dei componenti automobilistici.
A cura di May Jiang di MAT Aluminum
Data di pubblicazione: 12 gennaio 2024
