بحث تطبيقي لسبائك الألومنيوم على الشاحنات الصندوقية

1. المقدمة

بدأ تخفيف وزن السيارات في الدول المتقدمة، وكان في البداية بقيادة شركات صناعة السيارات التقليدية العملاقة. ومع التطور المستمر، اكتسب زخمًا كبيرًا. منذ أن استخدم الهنود سبائك الألومنيوم لأول مرة في إنتاج أعمدة الكرنك للسيارات، وحتى أول إنتاج ضخم لشركة أودي لسيارات مصنوعة بالكامل من الألومنيوم عام ١٩٩٩، شهدت سبائك الألومنيوم نموًا قويًا في تطبيقات السيارات بفضل مزاياها، مثل انخفاض كثافتها، وقوتها وصلابتها النوعية العالية، ومرونتها العالية ومقاومتها للصدمات، وقابليتها العالية لإعادة التدوير، ومعدل تجديدها العالي. وبحلول عام ٢٠١٥، تجاوزت نسبة استخدام سبائك الألومنيوم في السيارات ٣٥٪.

بدأت الصين في تخفيف وزن السيارات قبل أقل من عشر سنوات، وما زالت التكنولوجيا ومستوى التطبيقات متأخرين عن الدول المتقدمة مثل ألمانيا والولايات المتحدة واليابان. ومع ذلك، مع تطور مركبات الطاقة الجديدة، يشهد تخفيف وزن المواد تقدمًا سريعًا. وبفضل صعود مركبات الطاقة الجديدة، تُظهر تكنولوجيا تخفيف وزن السيارات الصينية اتجاهًا نحو اللحاق بركب الدول المتقدمة.

سوق المواد خفيفة الوزن في الصين واسع. من ناحية، وبالمقارنة مع الدول المتقدمة في الخارج، بدأت تكنولوجيا تخفيف الوزن في الصين متأخرة، كما أن الوزن الإجمالي للسيارة فارغة أكبر. وبالنظر إلى معيار نسبة المواد خفيفة الوزن في الدول الأجنبية، لا يزال هناك مجال واسع للتطوير في الصين. من ناحية أخرى، وبفضل السياسات المتبعة، سيعزز التطور السريع لصناعة مركبات الطاقة الجديدة في الصين الطلب على المواد خفيفة الوزن، ويشجع شركات السيارات على التوجه نحو تخفيف الوزن.

يُجبر تحسين معايير الانبعاثات واستهلاك الوقود على تسريع عملية تخفيف وزن السيارات. وقد طبّقت الصين بالكامل معايير الانبعاثات الصينية السادسة في عام 2020. ووفقًا لـ"منهجية تقييم ومؤشرات استهلاك وقود سيارات الركاب" و"خارطة طريق توفير الطاقة وتكنولوجيا مركبات الطاقة الجديدة"، فإن معيار استهلاك الوقود هو 5.0 لتر/كم. ومع الأخذ في الاعتبار محدودية الفرص المتاحة لإحداث اختراقات جوهرية في تكنولوجيا المحركات وخفض الانبعاثات، فإن اتخاذ تدابير لتخفيف وزن مكونات السيارات يمكن أن يُقلل بشكل فعال من انبعاثات المركبات واستهلاك الوقود. وقد أصبح تخفيف وزن مركبات الطاقة الجديدة مسارًا أساسيًا لتطور هذه الصناعة.

في عام 2016، أصدرت جمعية هندسة السيارات الصينية "خارطة طريق تكنولوجيا توفير الطاقة ومركبات الطاقة الجديدة"، والتي خططت لعوامل مثل استهلاك الطاقة ومدى الانطلاق ومواد التصنيع لمركبات الطاقة الجديدة من عام 2020 إلى عام 2030. سيكون تخفيف الوزن اتجاهًا رئيسيًا للتطوير المستقبلي لمركبات الطاقة الجديدة. يمكن أن يزيد تخفيف الوزن من مدى الانطلاق ويعالج "قلق المدى" في مركبات الطاقة الجديدة. مع تزايد الطلب على مدى الانطلاق الممتد، أصبح تخفيف وزن السيارات أمرًا ملحًا، وقد نمت مبيعات مركبات الطاقة الجديدة بشكل كبير في السنوات الأخيرة. وفقًا لمتطلبات نظام النقاط و"خطة التنمية المتوسطة إلى طويلة الأجل لصناعة السيارات"، من المتوقع أنه بحلول عام 2025، ستتجاوز مبيعات الصين من مركبات الطاقة الجديدة 6 ملايين وحدة، بمعدل نمو سنوي مركب يتجاوز 38٪.

2. خصائص وتطبيقات سبائك الألومنيوم

2.1 خصائص سبائك الألومنيوم

كثافة الألومنيوم ثلث كثافة الفولاذ، مما يجعله أخف وزنًا. يتميز بقوة نوعية أعلى، وقدرة جيدة على البثق، ومقاومة عالية للتآكل، وقابلية عالية لإعادة التدوير. تتميز سبائك الألومنيوم بكونها مكونة بشكل أساسي من المغنيسيوم، وتتميز بمقاومة جيدة للحرارة، وخصائص لحام ممتازة، وقوة تحمل جيدة للتعب، وعدم قابليتها للتقوية بالمعالجة الحرارية، والقدرة على زيادة قوتها من خلال التشكيل البارد. تتميز السلسلة 6 بكونها مكونة بشكل أساسي من المغنيسيوم والسيليكون، مع كون Mg2Si مرحلة التقوية الرئيسية. أكثر السبائك استخدامًا في هذه الفئة هي 6063 و6061 و6005A. صفيحة الألومنيوم 5052 هي صفيحة ألومنيوم من سلسلة AL-Mg، مع المغنيسيوم كعنصر السبائك الرئيسي. وهي أكثر سبائك الألومنيوم استخدامًا في مقاومة الصدأ. تتميز هذه السبيكة بقوة عالية، وقوة تحمل عالية للتعب، ومرونة جيدة ومقاومة للتآكل، ولا يمكن تقويتها بالمعالجة الحرارية، وتتميز بمرونة جيدة في التصلب شبه البارد، ومرونة منخفضة في التصلب البارد، ومقاومة جيدة للتآكل، وخصائص لحام ممتازة. يُستخدم بشكل رئيسي في مكونات مثل الألواح الجانبية، وأغطية الأسقف، وألواح الأبواب. سبيكة الألومنيوم 6063 هي سبيكة تقوية قابلة للمعالجة حرارياً من سلسلة AL-Mg-Si، مع المغنيسيوم والسيليكون كعنصري سبيكة رئيسيين. وهي عبارة عن مقطع من سبيكة ألومنيوم مقوّية قابلة للمعالجة حرارياً ذات قوة متوسطة، تُستخدم بشكل رئيسي في المكونات الهيكلية مثل الأعمدة والألواح الجانبية لزيادة المتانة. يوضح الجدول 1 مقدمة عن درجات سبائك الألومنيوم.

2.2 البثق هو طريقة تشكيل مهمة لسبائك الألومنيوم

بثق سبائك الألومنيوم هو طريقة تشكيل ساخنة، وتتضمن عملية الإنتاج بأكملها تشكيل سبائك الألومنيوم تحت ضغط ضغطي ثلاثي الاتجاهات. يمكن وصف عملية الإنتاج بأكملها على النحو التالي: أ. يُصهر الألومنيوم والسبائك الأخرى ويُصب في سبائك الألومنيوم المطلوبة؛ ب. تُوضع سبائك الألومنيوم المسخنة مسبقًا في معدات البثق للبثق. تحت تأثير الأسطوانة الرئيسية، تُشكل سبائك الألومنيوم إلى المقاطع المطلوبة من خلال تجويف القالب؛ ج. لتحسين الخصائص الميكانيكية لمقاطع الألومنيوم، تُجرى معالجة بالمحلول أثناء البثق أو بعده، تليها معالجة بالشيخوخة. تختلف الخصائص الميكانيكية بعد معالجة الشيخوخة وفقًا للمواد المختلفة وأنظمة الشيخوخة. يوضح الجدول 2 حالة المعالجة الحرارية لمقاطع الشاحنات ذات الشكل الصندوقي.

تتمتع المنتجات المبثوقة من سبائك الألومنيوم بالعديد من المزايا مقارنة بطرق التشكيل الأخرى:

أ. أثناء عملية البثق، يتعرض المعدن المبثوق لضغط ثلاثي الاتجاهات أقوى وأكثر اتساقًا في منطقة التشوه مقارنةً بالدرفلة والتشكيل، مما يُمكّنه من تحقيق مرونة المعدن المُعالج بالكامل. ويمكن استخدامه لمعالجة المعادن التي يصعب تشكيلها والتي لا يمكن معالجتها بالدرفلة أو التشكيل، كما يُمكن استخدامه في تصنيع مكونات معقدة متنوعة مجوفة أو صلبة المقطع.

ب. نظرًا لإمكانية تنويع هندسة مقاطع الألومنيوم، فإن مكوناتها تتمتع بصلابة عالية، مما يُحسّن صلابة هيكل السيارة، ويُخفّض خصائص الضوضاء والاهتزاز والخشونة (NVH)، ويُحسّن خصائص التحكم الديناميكي في السيارة.

ج. المنتجات ذات كفاءة البثق، بعد الإطفاء والشيخوخة، تتمتع بقوة طولية (R، Raz) أعلى بكثير من المنتجات المعالجة بطرق أخرى.

د. يتمتع سطح المنتجات بعد البثق بلون جيد ومقاومة جيدة للتآكل، مما يلغي الحاجة إلى معالجات سطحية أخرى مضادة للتآكل.

هـ. تتميز عملية البثق بمرونة كبيرة، وتكاليف منخفضة للأدوات والقوالب، وتكاليف منخفضة لتغيير التصميم.

و. بفضل إمكانية التحكم في المقاطع العرضية لمقاطع الألومنيوم، يُمكن زيادة درجة تكامل المكونات وتقليل عددها، مما يُتيح تحديد موضع اللحام بدقة من خلال تصميمات مقاطع عرضية مختلفة.

يظهر في الجدول 3 مقارنة الأداء بين مقاطع الألومنيوم المبثوقة للشاحنات ذات الشكل الصندوقي والفولاذ الكربوني العادي.

الاتجاه التالي لتطوير مقاطع سبائك الألومنيوم للشاحنات الصندوقية: تحسين متانة المقطع وتحسين أداء البثق. يوضح الشكل 1 اتجاه البحث في مواد جديدة لمقاطع سبائك الألومنيوم للشاحنات الصندوقية.

3. هيكل شاحنة صندوقية من سبائك الألومنيوم، وتحليل القوة والتحقق

3.1 هيكل شاحنة صندوقية من سبائك الألومنيوم

تتكون حاوية شاحنة الصندوق بشكل رئيسي من لوحة أمامية، ولوحة جانبية يمنى ويسرى، ولوحة جانبية للباب الخلفي، وأرضية، وسقف، بالإضافة إلى مسامير على شكل حرف U، وواقيات جانبية، وواقيات خلفية، وواقيات طينية، وملحقات أخرى متصلة بهيكل من الدرجة الثانية. العوارض العرضية، والأعمدة، والعوارض الجانبية، وألواح الأبواب مصنوعة من مقاطع ألمنيوم مبثوقة، بينما ألواح الأرضية والسقف مصنوعة من صفائح مسطحة من سبائك الألومنيوم 5052. يظهر هيكل شاحنة الصندوق المصنوعة من سبائك الألومنيوم في الشكل 2.

باستخدام عملية البثق الساخن لسبائك الألومنيوم من السلسلة 6، يُمكن تشكيل مقاطع عرضية مجوفة معقدة. تصميم مقاطع الألومنيوم ذات المقاطع العرضية المعقدة يُوفر المواد، ويلبي متطلبات قوة وصلابة المنتج، ويلبي متطلبات الترابط المتبادل بين مختلف المكونات. لذلك، يُوضح الشكل 3 هيكل تصميم العارضة الرئيسية وعزوم القصور الذاتي I وعزوم المقاومة W في المقطع.

تُظهر مقارنة البيانات الرئيسية في الجدول 4 أن عزم القصور الذاتي وعزوم المقاومة المقطعية لقطاع الألومنيوم المُصمم أفضل من البيانات المقابلة لقطاع العارضة المصنوعة من الحديد. كما أن بيانات معامل الصلابة متطابقة تقريبًا مع بيانات قطاع العارضة المصنوعة من الحديد، وجميعها تُلبي متطلبات التشوه.

3.2 حساب أقصى إجهاد

باعتبار العارضة العرضية، وهي العنصر الحامل الرئيسي، حُسب أقصى إجهاد. الحمل المُصنَّف هو 1.5 طن، والعارضة العرضية مصنوعة من سبيكة ألومنيوم 6063-T6 ذات خصائص ميكانيكية كما هو موضح في الجدول 5. تم تبسيط العارضة كهيكل كابولي لحساب القوة، كما هو موضح في الشكل 4.

بأخذ عارضة ذات امتداد 344 مم، يتم حساب الحمل الانضغاطي على العارضة على أنه F = 3757 نيوتن بناءً على 4.5 طن، وهو ثلاثة أضعاف الحمل الساكن القياسي. q = F / L

حيث q هو الإجهاد الداخلي للعارضة تحت الحمل، N/mm؛ F هو الحمل الذي تتحمله العارضة، محسوبًا على أساس 3 أضعاف الحمل الساكن القياسي، وهو 4.5 طن؛ L هو طول العارضة، مم.

لذلك فإن الإجهاد الداخلي q هو:

صيغة حساب الإجهاد هي كما يلي:

اللحظة القصوى هي:

بأخذ القيمة المطلقة للعزم، M=274283 N·mm، فإن أقصى إجهاد σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa، وأقصى قيمة إجهاد σ<215 MPa، والتي تلبي المتطلبات.

3.3 خصائص اتصال المكونات المختلفة

تتميز سبائك الألومنيوم بخصائص لحام ضعيفة، حيث تبلغ قوة نقطة لحامها 60% فقط من قوة المادة الأساسية. وبسبب تغطية سطح سبيكة الألومنيوم بطبقة من أكسيد الألومنيوم (Al2O3)، تكون درجة انصهار أكسيد الألومنيوم (Al2O3) عالية، بينما تكون درجة انصهار الألومنيوم منخفضة. عند لحام سبيكة الألومنيوم، يجب تكسير أكسيد الألومنيوم (Al2O3) الموجود على السطح بسرعة لإجراء اللحام. في الوقت نفسه، تبقى بقايا أكسيد الألومنيوم (Al2O3) في محلول سبيكة الألومنيوم، مما يؤثر على هيكل سبيكة الألومنيوم ويقلل من قوة نقطة لحام سبيكة الألومنيوم. لذلك، عند تصميم حاوية من الألومنيوم بالكامل، تُراعى هذه الخصائص بدقة. يُعد اللحام الطريقة الرئيسية للتثبيت، ويتم ربط المكونات الحاملة الرئيسية بالمسامير. يوضح الشكلان 5 و6 وصلات مثل التثبيت بالمسامير وهيكل ذيل السنونو.

يعتمد الهيكل الرئيسي لهيكل الصندوق المصنوع بالكامل من الألومنيوم على عوارض أفقية، وأعمدة رأسية، وعوارض جانبية، وعوارض حافة متشابكة. توجد أربع نقاط اتصال بين كل عارضة أفقية وعمود رأسي. نقاط الاتصال مُجهزة بحشوات مسننة لتتداخل مع الحافة المسننة للعارضة الأفقية، مما يمنع الانزلاق بفعالية. تتصل نقاط الزوايا الثماني بشكل رئيسي بحشوات فولاذية أساسية، مثبتة بمسامير ومسامير برشام ذاتية القفل، ومعززة بألواح ألومنيوم مثلثة الشكل بسمك 5 مم ملحومة داخل الصندوق لتعزيز وضعيات الزوايا داخليًا. لا يحتوي المظهر الخارجي للصندوق على أي لحام أو نقاط اتصال مكشوفة، مما يضمن المظهر العام للصندوق.

3.4 تكنولوجيا الهندسة المتزامنة SE

تُستخدم تقنية هندسة التزامن SE لحل المشكلات الناجمة عن الانحرافات الكبيرة المتراكمة في حجم مكونات المطابقة في هيكل الصندوق، وصعوبة تحديد أسباب الفجوات واختلالات الاستواء. من خلال تحليل CAE (انظر الشكل 7-8)، يُجرى تحليل مقارن لهياكل الصناديق المصنوعة من الحديد للتحقق من المتانة والصلابة الكلية لهيكل الصندوق، وتحديد نقاط الضعف، واتخاذ التدابير اللازمة لتحسين مخطط التصميم وتحسينه بشكل أكثر فعالية.

4. تأثير تخفيف وزن شاحنة صندوق سبائك الألومنيوم

بالإضافة إلى هيكل الصندوق، يُمكن استخدام سبائك الألومنيوم بدلاً من الفولاذ في مكونات مختلفة من حاويات الشاحنات الصندوقية، مثل واقيات الطين، والواقيات الخلفية، والواقيات الجانبية، ومزاليج الأبواب، ومفصلات الأبواب، وحواف المئزر الخلفي، مما يُحقق خفضًا في وزن حجرة الشحن بنسبة تتراوح بين 30% و40%. يُوضح الجدول 6 تأثير خفض الوزن لحاوية شحن فارغة بأبعاد 4080 مم × 2300 مم × 2200 مم. يُسهم هذا في حل جذري لمشاكل الوزن الزائد، وعدم الامتثال للإعلانات، والمخاطر التنظيمية المتعلقة بحجرات الشحن التقليدية المصنوعة من الحديد.

من خلال استبدال الفولاذ التقليدي بسبائك الألومنيوم في مكونات السيارات، لا يقتصر الأمر على تحقيق تأثيرات تخفيف الوزن الممتازة فحسب، بل يُسهم أيضًا في توفير الوقود، وتقليل الانبعاثات، وتحسين أداء السيارة. في الوقت الحالي، تتباين الآراء حول مساهمة تخفيف الوزن في توفير الوقود. تُظهر نتائج أبحاث المعهد الدولي للألمنيوم في الشكل 9. يُقلل كل تخفيض بنسبة 10% في وزن السيارة من استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 6% و8%. واستنادًا إلى الإحصاءات المحلية، فإن تقليل وزن كل سيارة ركاب بمقدار 100 كجم يُقلل من استهلاك الوقود بمقدار 0.4 لتر/100 كم. وتستند مساهمة تخفيف الوزن في توفير الوقود إلى نتائج تم الحصول عليها من مناهج بحثية مختلفة، لذا هناك بعض التباين. ومع ذلك، فإن تخفيف وزن السيارات له تأثير كبير في تقليل استهلاك الوقود.

بالنسبة للمركبات الكهربائية، يكون تأثير تخفيف الوزن أكثر وضوحًا. حاليًا، تختلف كثافة الطاقة الوحدوية لبطاريات طاقة المركبات الكهربائية بشكل كبير عن كثافة مركبات الوقود السائل التقليدية. غالبًا ما يمثل وزن نظام الطاقة (بما في ذلك البطارية) للمركبات الكهربائية ما بين 20٪ و 30٪ من إجمالي وزن المركبة. في الوقت نفسه، يمثل اختراق عنق الزجاجة في أداء البطاريات تحديًا عالميًا. قبل حدوث تقدم كبير في تكنولوجيا البطاريات عالية الأداء، يعد تخفيف الوزن طريقة فعالة لتحسين مدى سير المركبات الكهربائية. لكل انخفاض في الوزن بمقدار 100 كجم، يمكن زيادة مدى سير المركبات الكهربائية بنسبة 6٪ إلى 11٪ (تظهر العلاقة بين تقليل الوزن ومدى السير في الشكل 10). في الوقت الحالي، لا يمكن لمدى سير المركبات الكهربائية البحتة تلبية احتياجات معظم الناس، ولكن تقليل الوزن بمقدار معين يمكن أن يحسن بشكل كبير من مدى السير، مما يخفف من قلق المدى ويحسن تجربة المستخدم.

5.الخاتمة

بالإضافة إلى هيكل الألمنيوم الكامل لشاحنة الصناديق المصنوعة من سبائك الألومنيوم المذكورة في هذه المقالة، تتوفر أنواع مختلفة من شاحنات الصناديق، مثل ألواح الألمنيوم العسلية، وألواح مشبك الألمنيوم، وإطارات الألمنيوم مع أغطية الألمنيوم، وحاويات الشحن الهجينة المصنوعة من الحديد والألومنيوم. تتميز هذه الشاحنات بخفة وزنها، ومتانتها النوعية العالية، ومقاومتها الجيدة للتآكل، كما أنها لا تتطلب طلاءً كهربائيًا للحماية من التآكل، مما يقلل من التأثير البيئي للطلاء الكهربائي. تُحل شاحنة الصناديق المصنوعة من سبائك الألومنيوم بشكل جذري مشاكل الوزن الزائد، وعدم الامتثال للمواصفات، والمخاطر التنظيمية المرتبطة بحجرات الشحن التقليدية المصنوعة من الحديد.

يُعدّ البثق طريقة معالجة أساسية لسبائك الألومنيوم، وتتميز مقاطع الألومنيوم بخصائص ميكانيكية ممتازة، ما يجعل صلابة مقطع المكونات عالية نسبيًا. وبفضل المقطع العرضي المتغير، يمكن لسبائك الألومنيوم الجمع بين وظائف متعددة للمكونات، مما يجعلها مادة مثالية لتخفيف وزن السيارات. ومع ذلك، يواجه الاستخدام الواسع لسبائك الألومنيوم تحديات، مثل ضعف القدرة التصميمية لحجرات الشحن المصنوعة من سبائك الألومنيوم، وصعوبات التشكيل واللحام، وارتفاع تكاليف تطوير وترويج المنتجات الجديدة. ويبقى السبب الرئيسي هو أن تكلفة سبائك الألومنيوم أعلى من تكلفة الفولاذ قبل أن تنضج بيئة إعادة تدوير سبائك الألومنيوم.

في الختام، سيتسع نطاق استخدام سبائك الألومنيوم في السيارات، وسيستمر استخدامها في التزايد. في ظل التوجهات الحالية لتوفير الطاقة، وخفض الانبعاثات، وتطور صناعة مركبات الطاقة الجديدة، ومع تعميق فهم خصائص سبائك الألومنيوم وإيجاد حلول فعّالة لمشاكل تطبيقها، سيزداد استخدام مواد بثق الألومنيوم على نطاق واسع في تخفيف وزن السيارات.

تم تحريره بواسطة ماي جيانج من MAT Aluminum