الأبحاث التطبيقية لسبائك الألومنيوم على الشاحنات ذات النوع الصندوقي

1 المقدمة

بدأت عملية تخفيف وزن السيارات في البلدان المتقدمة، وكان يقودها في البداية عمالقة السيارات التقليدية.ومع التطوير المستمر، اكتسبت زخما كبيرا.منذ أن استخدم الهنود سبائك الألومنيوم لأول مرة لإنتاج أعمدة الكرنك للسيارات إلى أول إنتاج جماعي لسيارات أودي المصنوعة بالكامل من الألومنيوم في عام 1999، شهدت سبائك الألومنيوم نموًا قويًا في تطبيقات السيارات نظرًا لمزاياها مثل الكثافة المنخفضة والقوة النوعية العالية والصلابة. مرونة جيدة ومقاومة للصدمات، وقابلية إعادة تدوير عالية، ومعدل تجديد مرتفع.بحلول عام 2015، تجاوزت نسبة استخدام سبائك الألومنيوم في السيارات بالفعل 35%.

لقد بدأ تصنيع السيارات الخفيفة الوزن في الصين قبل أقل من عشر سنوات، ويتخلف مستوى التكنولوجيا والتطبيق عن الدول المتقدمة مثل ألمانيا والولايات المتحدة واليابان.ومع ذلك، مع تطور مركبات الطاقة الجديدة، فإن عملية تخفيف وزن المواد تتقدم بسرعة.ومن خلال الاستفادة من صعود مركبات الطاقة الجديدة، تظهر تكنولوجيا تخفيف وزن السيارات في الصين اتجاها للحاق بركب الدول المتقدمة.

سوق المواد خفيفة الوزن في الصين واسع.من ناحية، مقارنة بالدول المتقدمة في الخارج، بدأت تكنولوجيا الوزن الخفيف في الصين في وقت متأخر، والوزن الإجمالي للمركبة أكبر.وبالنظر إلى معيار نسبة المواد خفيفة الوزن في البلدان الأجنبية، لا يزال هناك مجال واسع للتنمية في الصين.من ناحية أخرى، مدفوعة بالسياسات، فإن التطور السريع لصناعة مركبات الطاقة الجديدة في الصين سيعزز الطلب على المواد خفيفة الوزن ويشجع شركات السيارات على التحرك نحو الوزن الخفيف.

يؤدي تحسين معايير الانبعاثات واستهلاك الوقود إلى تسريع عملية تخفيف وزن السيارات.نفذت الصين معايير الانبعاثات الصينية السادسة بالكامل في عام 2020. وفقًا لـ "طريقة التقييم ومؤشرات استهلاك الوقود لسيارات الركاب" و"خريطة الطريق لتوفير الطاقة وتكنولوجيا مركبات الطاقة الجديدة"، معيار استهلاك الوقود بمقدار 5.0 لتر/كم.مع الأخذ في الاعتبار المساحة المحدودة لتحقيق اختراقات كبيرة في تكنولوجيا المحركات وخفض الانبعاثات، فإن اعتماد تدابير لمكونات السيارات خفيفة الوزن يمكن أن يقلل بشكل فعال من انبعاثات المركبات واستهلاك الوقود.أصبح الوزن الخفيف لمركبات الطاقة الجديدة طريقًا أساسيًا لتطوير الصناعة.

في عام 2016، أصدرت جمعية هندسة السيارات الصينية "خارطة الطريق لتوفير الطاقة وتكنولوجيا مركبات الطاقة الجديدة"، والتي خططت لعوامل مثل استهلاك الطاقة، ومدى الرحلة، ومواد التصنيع لمركبات الطاقة الجديدة من عام 2020 إلى عام 2030. وسوف يكون الوزن الخفيف اتجاها رئيسيا. للتطوير المستقبلي لمركبات الطاقة الجديدة.يمكن أن يؤدي الوزن الخفيف إلى زيادة نطاق الرحلة ومعالجة "القلق من المدى" في مركبات الطاقة الجديدة.مع تزايد الطلب على نطاق الرحلات الممتد، أصبح وزن السيارة خفيفًا أمرًا ملحًا، وقد نمت مبيعات مركبات الطاقة الجديدة بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة.وفقًا لمتطلبات نظام النقاط و"خطة التنمية متوسطة وطويلة الأجل لصناعة السيارات"، من المتوقع أنه بحلول عام 2025، ستتجاوز مبيعات الصين من مركبات الطاقة الجديدة 6 ملايين وحدة، مع نمو سنوي مركب. نسبة تتجاوز 38%

2. خصائص سبائك الألومنيوم وتطبيقاتها

2.1 خصائص سبائك الألومنيوم

تبلغ كثافة الألومنيوم ثلث كثافة الفولاذ، مما يجعله أخف وزنًا.إنها تتمتع بقوة محددة أعلى، وقدرة بثق جيدة، ومقاومة قوية للتآكل، وقابلية إعادة تدوير عالية.تتميز سبائك الألومنيوم بكونها تتكون أساسًا من المغنيسيوم، وتتميز بمقاومة جيدة للحرارة، وخصائص لحام جيدة، وقوة كلال جيدة، وعدم القدرة على التعزيز عن طريق المعالجة الحرارية، والقدرة على زيادة القوة من خلال العمل البارد.تتميز السلسلة 6 بأنها تتكون بشكل أساسي من المغنيسيوم والسيليكون، مع Mg2Si كمرحلة التقوية الرئيسية.السبائك الأكثر استخدامًا في هذه الفئة هي 6063 و6061 و6005A.صفيحة الألومنيوم 5052 عبارة عن صفيحة ألومنيوم من سلسلة AL-Mg، مع المغنيسيوم كعنصر صناعة السبائك الرئيسي.إنها سبائك الألومنيوم المقاومة للصدأ الأكثر استخدامًا.تتميز هذه السبيكة بقوة عالية، وقوة تعب عالية، ولدونة جيدة ومقاومة للتآكل، ولا يمكن تقويتها عن طريق المعالجة الحرارية، ولها ليونة جيدة في تصلب العمل شبه البارد، ولدونة منخفضة في تصلب العمل البارد، ومقاومة جيدة للتآكل، وخصائص لحام جيدة.يتم استخدامه بشكل أساسي لمكونات مثل الألواح الجانبية وأغطية السقف وألواح الأبواب.سبائك الألومنيوم 6063 عبارة عن سبيكة تقوية قابلة للمعالجة بالحرارة في سلسلة AL-Mg-Si، مع المغنيسيوم والسيليكون كعناصر صناعة السبائك الرئيسية.إنها عبارة عن تشكيل جانبي من سبائك الألومنيوم المقوى القابل للمعالجة بالحرارة ذو القوة المتوسطة، ويستخدم بشكل رئيسي في المكونات الهيكلية مثل الأعمدة والألواح الجانبية لتحمل القوة.ويرد في الجدول 1 مقدمة لدرجات سبائك الألومنيوم.

2.2 يعتبر البثق طريقة مهمة لتشكيل سبائك الألومنيوم

إن بثق سبائك الألومنيوم هو طريقة تشكيل ساخن، وعملية الإنتاج بأكملها تتضمن تشكيل سبائك الألومنيوم تحت ضغط ضغط ثلاثي الاتجاهات.يمكن وصف عملية الإنتاج بأكملها على النحو التالي: أ.يتم صهر الألومنيوم والسبائك الأخرى وصبها في سبائك الألومنيوم المطلوبة؛ب.يتم وضع الكتل المسخنة مسبقًا في معدات البثق من أجل البثق.تحت تأثير الأسطوانة الرئيسية، يتم تشكيل كتلة سبائك الألومنيوم في التشكيلات المطلوبة من خلال تجويف القالب؛ج.من أجل تحسين الخواص الميكانيكية لمقاطع الألمنيوم، تتم معالجة المحلول أثناء أو بعد البثق، تليها معالجة التقادم.تختلف الخواص الميكانيكية بعد معالجة التعتيق باختلاف المواد وأنظمة التقادم.يتم عرض حالة المعالجة الحرارية لمقاطع الشاحنة من النوع الصندوقي في الجدول 2.

تتميز المنتجات المبثوقة من سبائك الألومنيوم بالعديد من المزايا مقارنةً بطرق التشكيل الأخرى:

أ.أثناء البثق، يحصل المعدن المبثوق على إجهاد ضغط ثلاثي أقوى وأكثر اتساقًا في منطقة التشوه من الدرفلة والتزوير، لذلك يمكن أن يلعب بشكل كامل مرونة المعدن المعالج.يمكن استخدامه لمعالجة المعادن التي يصعب تشويهها والتي لا يمكن معالجتها عن طريق الدرفلة أو الحدادة، ويمكن استخدامه لصنع مكونات معقدة متعددة المقطع العرضي المجوف أو الصلب.

ب.نظرًا لأن هندسة مقاطع الألمنيوم يمكن أن تتنوع، فإن مكوناتها تتمتع بصلابة عالية، مما يمكن أن يحسن صلابة جسم السيارة، ويقلل من خصائص NVH، ويحسن خصائص التحكم الديناميكي في السيارة.

ج.تتمتع المنتجات ذات كفاءة البثق، بعد التبريد والتعمير، بقوة طولية أعلى بكثير (R، Raz) من المنتجات المعالجة بالطرق الأخرى.

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

ه.تتميز معالجة البثق بمرونة كبيرة، وتكاليف منخفضة للأدوات والعفن، وتكاليف منخفضة لتغيير التصميم.

F.بفضل إمكانية التحكم في المقاطع العرضية لملفات الألومنيوم، يمكن زيادة درجة تكامل المكونات، ويمكن تقليل عدد المكونات، ويمكن لتصميمات المقاطع العرضية المختلفة تحقيق تحديد موضع اللحام بدقة.

يوضح الجدول 3 مقارنة الأداء بين مقاطع الألمنيوم المبثوقة للشاحنات الصندوقية والفولاذ الكربوني العادي.

اتجاه التطوير التالي لمقاطع سبائك الألومنيوم للشاحنات الصندوقية: زيادة تحسين قوة التشكيل وتحسين أداء البثق.يظهر الشكل 1 اتجاه البحث للمواد الجديدة لمقاطع سبائك الألومنيوم للشاحنات الصندوقية.

3. هيكل الشاحنة الصندوقية المصنوعة من سبائك الألومنيوم، وتحليل القوة، والتحقق

3.1 هيكل شاحنة صندوق سبائك الألومنيوم

تتكون حاوية الشاحنة الصندوقية بشكل أساسي من مجموعة اللوحة الأمامية، مجموعة اللوحة الجانبية اليسرى واليمنى، مجموعة اللوحة الجانبية للباب الخلفي، مجموعة الأرضية، مجموعة السقف، بالإضافة إلى البراغي على شكل U، الواقيات الجانبية، الواقيات الخلفية، اللوحات الطينية، وغيرها من الملحقات متصلة بالهيكل من الدرجة الثانية.إن العوارض المتقاطعة والأعمدة والعوارض الجانبية وألواح الأبواب لجسم الصندوق مصنوعة من مقاطع مقذوفة من سبائك الألومنيوم، في حين أن ألواح الأرضية والسقف مصنوعة من ألواح مسطحة من سبائك الألومنيوم 5052.يظهر هيكل الشاحنة الصندوقية المصنوعة من سبائك الألومنيوم في الشكل 2.

باستخدام عملية البثق الساخن لسبائك الألومنيوم من السلسلة 6 يمكن تشكيل مقاطع عرضية مجوفة معقدة، ويمكن لتصميم مقاطع الألمنيوم ذات المقاطع العرضية المعقدة توفير المواد، وتلبية متطلبات قوة المنتج وصلابة، وتلبية متطلبات الاتصال المتبادل بين المكونات المختلفة.لذلك، فإن هيكل تصميم الحزمة الرئيسية ولحظات مقطعية من القصور الذاتي I ولحظات المقاومة W موضحة في الشكل 3.

توضح مقارنة البيانات الرئيسية في الجدول 4 أن لحظات القصور الذاتي ولحظات المقاومة لملف الألمنيوم المصمم أفضل من البيانات المقابلة لملف شعاع الحديد المصنوع.بيانات معامل الصلابة هي تقريبًا نفس البيانات الخاصة بملف العارضة المصنوعة من الحديد المقابل، وجميعها تلبي متطلبات التشوه.

3.2 حساب الحد الأقصى للإجهاد

بأخذ المكون الرئيسي الحامل، العارضة المتقاطعة، ككائن، يتم حساب الحد الأقصى للضغط.الحمولة المقدرة هي 1.5 طن، والعارضة المتقاطعة مصنوعة من سبائك الألومنيوم 6063-T6 ذات الخواص الميكانيكية كما هو موضح في الجدول 5. تم تبسيط العارضة كهيكل ناتئ لحساب القوة، كما هو موضح في الشكل 4.

بأخذ عارضة بقطر 344 مم، يتم حساب حمل الضغط على العارضة بـ F=3757 N على أساس 4.5t، وهو ما يعادل ثلاثة أضعاف الحمل الثابت القياسي.س=و/ل

حيث q هو الضغط الداخلي للشعاع تحت الحمل، N/mm؛F هو الحمولة التي تتحملها الحزمة، ويتم حسابها على أساس 3 أضعاف الحمولة الثابتة القياسية، والتي تبلغ 4.5 طن؛L هو طول الشعاع، مم.

ولذلك فإن الإجهاد الداخلي q هو:

صيغة حساب الإجهاد هي كما يلي:

الحد الأقصى للحظة هو:

بأخذ القيمة المطلقة للحظة، M=274283 N·mm، الحد الأقصى للضغط σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa، وقيمة الضغط القصوى σ<215 MPa، والتي تلبي المتطلبات.

3.3 خصائص الاتصال للمكونات المختلفة

تتميز سبائك الألومنيوم بخصائص لحام سيئة، وقوة نقطة اللحام الخاصة بها تبلغ 60% فقط من قوة المادة الأساسية.نظراً لتغطية طبقة من Al2O3 على سطح سبائك الألومنيوم، فإن نقطة انصهار Al2O3 عالية، في حين أن نقطة انصهار الألومنيوم منخفضة.عندما يتم لحام سبائك الألومنيوم، يجب كسر Al2O3 الموجود على السطح بسرعة لإجراء اللحام.في الوقت نفسه، ستبقى بقايا Al2O3 في محلول سبائك الألومنيوم، مما يؤثر على هيكل سبائك الألومنيوم ويقلل من قوة نقطة لحام سبائك الألومنيوم.لذلك، عند تصميم حاوية مصنوعة بالكامل من الألومنيوم، يتم أخذ هذه الخصائص في الاعتبار بالكامل.اللحام هو الطريقة الرئيسية لتحديد المواقع، ويتم توصيل المكونات الحاملة الرئيسية بواسطة البراغي.تظهر الاتصالات مثل هيكل التثبيت والتوافق في الشكلين 5 و6.

يعتمد الهيكل الرئيسي لجسم الصندوق المصنوع بالكامل من الألومنيوم على هيكل ذو عوارض أفقية وأعمدة رأسية وعوارض جانبية وعوارض حافة متشابكة مع بعضها البعض.هناك أربع نقاط اتصال بين كل شعاع أفقي وعمود عمودي.يتم تجهيز نقاط الاتصال بحشيات مسننة لتتوافق مع الحافة المسننة للعارضة الأفقية، مما يمنع الانزلاق بشكل فعال.يتم توصيل نقاط الزاوية الثمانية بشكل أساسي عن طريق إدخالات أساسية من الفولاذ، مثبتة بمسامير ومسامير ذاتية الغلق، ومعززة بألواح ألومنيوم مثلثة مقاس 5 مم ملحومة داخل الصندوق لتقوية مواضع الزاوية داخليًا.المظهر الخارجي للصندوق لا يحتوي على نقاط لحام أو توصيل مكشوفة، مما يضمن المظهر العام للصندوق.

3.4 SE تكنولوجيا الهندسة المتزامنة

يتم استخدام تقنية الهندسة المتزامنة SE لحل المشكلات الناجمة عن الانحرافات الكبيرة في الحجم المتراكم لمطابقة المكونات في هيكل الصندوق والصعوبات في العثور على أسباب الفجوات وفشل التسطيح.من خلال تحليل CAE (انظر الشكل 7-8)، يتم إجراء تحليل مقارنة مع أجسام الصناديق المصنوعة من الحديد للتحقق من القوة والصلابة الإجمالية لجسم الصندوق، والعثور على نقاط الضعف، واتخاذ التدابير لتحسين مخطط التصميم وتحسينه بشكل أكثر فعالية .

4. تأثير الوزن الخفيف لشاحنة صندوق سبائك الألومنيوم

بالإضافة إلى هيكل الصندوق، يمكن استخدام سبائك الألومنيوم لتحل محل الفولاذ لمختلف مكونات حاويات الشاحنات من النوع الصندوقي، مثل واقيات الطين، والواقيات الخلفية، والواقيات الجانبية، ومزالج الأبواب، ومفصلات الأبواب، وحواف المئزر الخلفي، مما يؤدي إلى تقليل الوزن. من 30% إلى 40% لحجرة الشحن.يظهر في الجدول 6 تأثير تقليل الوزن لحاوية البضائع الفارغة مقاس 4080 مم × 2300 مم × 2200 مم. وهذا يحل بشكل أساسي مشاكل الوزن الزائد وعدم الامتثال للإعلانات والمخاطر التنظيمية لمقصورات الشحن التقليدية المصنوعة من الحديد.

ومن خلال استبدال الفولاذ التقليدي بسبائك الألومنيوم لمكونات السيارات، لا يمكن تحقيق تأثيرات خفيفة الوزن ممتازة فحسب، بل يمكن أن يساهم أيضًا في توفير الوقود، وتقليل الانبعاثات، وتحسين أداء السيارة.في الوقت الحاضر، هناك آراء مختلفة حول مساهمة الوزن الخفيف في توفير الوقود.تظهر نتائج أبحاث المعهد الدولي للألمنيوم في الشكل 9. كل تخفيض بنسبة 10% في وزن السيارة يمكن أن يقلل من استهلاك الوقود بنسبة 6% إلى 8%.واستنادًا إلى الإحصائيات المحلية، فإن تقليل وزن كل سيارة ركاب بمقدار 100 كجم يمكن أن يقلل من استهلاك الوقود بمقدار 0.4 لتر/100 كم.تعتمد مساهمة الوزن الخفيف في توفير الوقود على النتائج التي تم الحصول عليها من طرق بحث مختلفة، لذلك هناك بعض الاختلاف.ومع ذلك، فإن وزن السيارة الخفيف له تأثير كبير على تقليل استهلاك الوقود.

بالنسبة للسيارات الكهربائية، يكون تأثير الوزن الخفيف أكثر وضوحًا.في الوقت الحالي، تختلف كثافة طاقة وحدة بطاريات طاقة المركبات الكهربائية اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بمركبات الوقود السائل التقليدية.غالبًا ما يمثل وزن نظام الطاقة (بما في ذلك البطارية) في السيارات الكهربائية ما بين 20% إلى 30% من إجمالي وزن السيارة.وفي الوقت نفسه، يمثل اختراق عنق الزجاجة في أداء البطاريات تحديًا عالميًا.قبل أن يكون هناك طفرة كبيرة في تكنولوجيا البطاريات عالية الأداء، يعد الوزن الخفيف وسيلة فعالة لتحسين نطاق السيارة الكهربائية.مقابل كل 100 كجم تخفيض في الوزن، يمكن زيادة مدى إبحار المركبات الكهربائية بنسبة 6% إلى 11% (العلاقة بين تخفيض الوزن ونطاق الإبحار موضحة في الشكل 10).في الوقت الحالي، لا يمكن لمجموعة الرحلات البحرية للسيارات الكهربائية النقية تلبية احتياجات معظم الأشخاص، ولكن تقليل الوزن بمقدار معين يمكن أن يحسن نطاق الرحلة بشكل كبير، مما يخفف من القلق بشأن المدى ويحسن تجربة المستخدم.

5. الخلاصة

بالإضافة إلى الهيكل المصنوع بالكامل من الألومنيوم للشاحنة الصندوقية المصنوعة من سبائك الألومنيوم والتي تم تقديمها في هذه المقالة، هناك أنواع مختلفة من الشاحنات الصندوقية، مثل ألواح الألومنيوم على شكل قرص العسل، وألواح الإبزيم المصنوعة من الألومنيوم، وإطارات الألومنيوم + جلود الألومنيوم، وحاويات البضائع الهجينة المصنوعة من الحديد والألمنيوم. .إنها تتميز بمزايا الوزن الخفيف، والقوة النوعية العالية، والمقاومة الجيدة للتآكل، ولا تتطلب طلاءًا كهربيًا للحماية من التآكل، مما يقلل من التأثير البيئي للطلاء الكهربي.تحل الشاحنة الصندوقية المصنوعة من سبائك الألومنيوم بشكل أساسي مشاكل الوزن الزائد وعدم الامتثال للإعلانات والمخاطر التنظيمية لمقصورات الشحن التقليدية المصنوعة من الحديد.

يعتبر البثق طريقة معالجة أساسية لسبائك الألومنيوم، ومقاطع الألومنيوم لها خصائص ميكانيكية ممتازة، وبالتالي فإن صلابة المقطع للمكونات عالية نسبيًا.نظرًا للمقطع العرضي المتغير، يمكن لسبائك الألومنيوم تحقيق مجموعة من وظائف المكونات المتعددة، مما يجعلها مادة جيدة لوزن السيارات.ومع ذلك، يواجه التطبيق الواسع النطاق لسبائك الألومنيوم تحديات مثل عدم كفاية القدرة على التصميم لمقصورات الشحن المصنوعة من سبائك الألومنيوم، ومشكلات التشكيل واللحام، وارتفاع تكاليف التطوير والترويج للمنتجات الجديدة.السبب الرئيسي لا يزال هو أن سبائك الألومنيوم تكلف أكثر من الفولاذ قبل أن تصبح بيئة إعادة تدوير سبائك الألومنيوم ناضجة.

وفي الختام، فإن نطاق تطبيق سبائك الألومنيوم في السيارات سوف يصبح أوسع، وسوف يستمر استخدامها في الزيادة.في الاتجاهات الحالية لتوفير الطاقة، وخفض الانبعاثات، وتطوير صناعة مركبات الطاقة الجديدة، مع الفهم العميق لخصائص سبائك الألومنيوم والحلول الفعالة لمشاكل تطبيق سبائك الألومنيوم، سيتم استخدام مواد بثق الألومنيوم على نطاق واسع في تخفيف وزن السيارات.

حرره ماي جيانغ من MAT Aluminium