Anwendungsforschung von Aluminiumlegierungen für Kastenwagen

1.Einleitung

Der Automobilleichtbau begann in entwickelten Ländern und wurde zunächst von traditionellen Automobilgiganten vorangetrieben. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung hat es erheblich an Dynamik gewonnen. Von der Zeit, als Inder erstmals Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Automobilkurbelwellen verwendeten, bis hin zur ersten Massenproduktion von Vollaluminiumautos bei Audi im Jahr 1999 verzeichnete Aluminiumlegierung aufgrund ihrer Vorteile wie geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit ein starkes Wachstum in Automobilanwendungen. gute Elastizität und Schlagfestigkeit, hohe Recyclingfähigkeit und hohe Regenerationsrate. Bis 2015 lag der Anwendungsanteil von Aluminiumlegierungen in Automobilen bereits bei über 35 %.

Chinas Leichtbau im Automobilbereich begann vor weniger als zehn Jahren, und sowohl die Technologie als auch das Anwendungsniveau hinken hinter Industrieländern wie Deutschland, den Vereinigten Staaten und Japan hinterher. Mit der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge schreitet der Materialleichtbau jedoch rasch voran. Chinas Automobil-Leichtbautechnologie nutzt den Aufstieg von Fahrzeugen mit neuer Energie und zeigt einen Trend, mit den Industrieländern gleichzuziehen.

Chinas Markt für Leichtbaumaterialien ist riesig. Einerseits hat Chinas Leichtbautechnologie im Vergleich zu entwickelten Ländern im Ausland spät begonnen und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs ist größer. Betrachtet man den Maßstab für den Anteil von Leichtbaumaterialien im Ausland, gibt es in China noch viel Raum für Entwicklung. Andererseits wird die rasante Entwicklung der neuen Energiefahrzeugindustrie Chinas, angetrieben durch politische Maßnahmen, die Nachfrage nach Leichtbaumaterialien steigern und Automobilunternehmen dazu ermutigen, auf Leichtbau umzusteigen.

Die Verbesserung der Emissions- und Kraftstoffverbrauchsstandards forciert die Beschleunigung des Automobilleichtbaus. China hat die Emissionsnormen China VI im Jahr 2020 vollständig umgesetzt. Gemäß der „Bewertungsmethode und Indikatoren für den Kraftstoffverbrauch von Personenkraftwagen“ und der „Roadmap für Energieeinsparung und neue Energiefahrzeugtechnologie“ beträgt der Kraftstoffverbrauchsstandard 5,0 l/km. Angesichts des begrenzten Raums für wesentliche Durchbrüche in der Motorentechnologie und der Emissionsreduzierung können Maßnahmen zur Leichtbauweise von Automobilkomponenten die Fahrzeugemissionen und den Kraftstoffverbrauch wirksam senken. Der Leichtbau von Fahrzeugen mit neuer Energie ist zu einem wesentlichen Weg für die Entwicklung der Branche geworden.

Im Jahr 2016 veröffentlichte die China Automotive Engineering Society die „Roadmap für Energieeinsparung und neue Energiefahrzeugtechnologie“, in der Faktoren wie Energieverbrauch, Reichweite und Herstellungsmaterialien für Fahrzeuge mit neuer Energie von 2020 bis 2030 geplant wurden. Leichtbau wird eine Schlüsselrichtung sein für die zukünftige Entwicklung neuer Energiefahrzeuge. Leichtbau kann die Reichweite erhöhen und die „Reichweitenangst“ bei Fahrzeugen mit neuer Energie verringern. Angesichts der steigenden Nachfrage nach einer größeren Reichweite wird die Gewichtsreduzierung im Automobilbereich immer wichtiger, und der Verkauf von Fahrzeugen mit neuer Energie ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Gemäß den Anforderungen des Punktesystems und des „Mittel- bis langfristigen Entwicklungsplans für die Automobilindustrie“ wird geschätzt, dass Chinas Verkäufe von Fahrzeugen mit neuer Energie bis zum Jahr 2025 6 Millionen Einheiten überschreiten werden, mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum Rate über 38 %.

2. Eigenschaften und Anwendungen von Aluminiumlegierungen

2.1 Eigenschaften der Aluminiumlegierung

Die Dichte von Aluminium beträgt ein Drittel der von Stahl und ist dadurch leichter. Es weist eine höhere spezifische Festigkeit, eine gute Extrusionsfähigkeit, eine starke Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Recyclingfähigkeit auf. Aluminiumlegierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie hauptsächlich aus Magnesium bestehen, eine gute Hitzebeständigkeit, gute Schweißeigenschaften und eine gute Ermüdungsfestigkeit aufweisen, sich nicht durch Wärmebehandlung verfestigen lassen und die Festigkeit durch Kaltumformung erhöhen können. Die 6er-Serie zeichnet sich dadurch aus, dass sie hauptsächlich aus Magnesium und Silizium besteht, wobei Mg2Si die Hauptverfestigungsphase darstellt. Die am häufigsten verwendeten Legierungen in dieser Kategorie sind 6063, 6061 und 6005A. Die Aluminiumplatte 5052 ist eine Aluminiumplatte aus einer Legierung der AL-Mg-Serie mit Magnesium als Hauptlegierungselement. Es ist die am häufigsten verwendete rostfreie Aluminiumlegierung. Diese Legierung weist eine hohe Festigkeit, eine hohe Ermüdungsfestigkeit, eine gute Plastizität und Korrosionsbeständigkeit auf, kann nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden, weist eine gute Plastizität bei der Halbkaltverfestigung, eine geringe Plastizität bei der Kaltverfestigung, eine gute Korrosionsbeständigkeit und gute Schweißeigenschaften auf. Es wird hauptsächlich für Komponenten wie Seitenwände, Dachabdeckungen und Türverkleidungen verwendet. Die Aluminiumlegierung 6063 ist eine wärmebehandelbare Verstärkungslegierung der AL-Mg-Si-Reihe mit Magnesium und Silizium als Hauptlegierungselementen. Es handelt sich um ein wärmebehandelbares, verstärkendes Aluminiumlegierungsprofil mit mittlerer Festigkeit, das hauptsächlich in Strukturbauteilen wie Säulen und Seitenwänden zur Erhöhung der Festigkeit verwendet wird. Eine Einführung in Aluminiumlegierungssorten finden Sie in Tabelle 1.

2.2 Extrusion ist ein wichtiges Umformverfahren für Aluminiumlegierungen

Beim Strangpressen von Aluminiumlegierungen handelt es sich um ein Warmumformverfahren. Der gesamte Produktionsprozess umfasst die Umformung einer Aluminiumlegierung unter dreifacher Druckspannung. Der gesamte Produktionsprozess kann wie folgt beschrieben werden: a. Aluminium und andere Legierungen werden geschmolzen und zu den benötigten Aluminiumlegierungsblöcken gegossen; B. Die vorgewärmten Knüppel werden zur Extrusion in die Extrusionsanlage gegeben. Unter der Wirkung des Hauptzylinders wird der Aluminiumlegierungsbarren durch den Hohlraum der Form in die erforderlichen Profile geformt; C. Um die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumprofilen zu verbessern, wird während oder nach dem Strangpressen eine Lösungsbehandlung mit anschließender Alterungsbehandlung durchgeführt. Die mechanischen Eigenschaften nach der Alterungsbehandlung variieren je nach Material und Alterungsregime. Der Wärmebehandlungsstatus von LKW-Kastenprofilen ist in Tabelle 2 dargestellt.

Stranggepresste Produkte aus Aluminiumlegierungen haben gegenüber anderen Umformverfahren mehrere Vorteile:

A. Beim Strangpressen erhält das extrudierte Metall in der Verformungszone eine stärkere und gleichmäßigere dreiseitige Druckspannung als beim Walzen und Schmieden, sodass es die Plastizität des verarbeiteten Metalls voll ausnutzen kann. Es kann zur Bearbeitung schwer verformbarer Metalle verwendet werden, die nicht durch Walzen oder Schmieden bearbeitet werden können, und kann zur Herstellung verschiedener komplexer Bauteile mit hohlem oder massivem Querschnitt verwendet werden.

B. Da die Geometrie von Aluminiumprofilen variiert werden kann, weisen ihre Komponenten eine hohe Steifigkeit auf, was die Steifigkeit der Fahrzeugkarosserie verbessern, ihre NVH-Eigenschaften verringern und die dynamischen Steuereigenschaften des Fahrzeugs verbessern kann.

C. Produkte mit Extrusionseffizienz weisen nach dem Abschrecken und Altern eine deutlich höhere Längsfestigkeit (R, Raz) auf als Produkte, die mit anderen Verfahren verarbeitet wurden.

D. Die Oberfläche der Produkte weist nach der Extrusion eine gute Farbe und eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, sodass keine andere Oberflächenbehandlung gegen Korrosion erforderlich ist.

e. Die Extrusionsverarbeitung bietet große Flexibilität, niedrige Werkzeug- und Formkosten sowie geringe Kosten für Konstruktionsänderungen.

F. Durch die Beherrschbarkeit von Aluminiumprofilquerschnitten kann der Grad der Bauteilintegration erhöht, die Anzahl der Bauteile reduziert und durch unterschiedliche Querschnittsgestaltungen eine präzise Schweißpositionierung erreicht werden.

Der Leistungsvergleich zwischen extrudierten Aluminiumprofilen für Kastenwagen und reinem Kohlenstoffstahl ist in Tabelle 3 dargestellt.

Nächste Entwicklungsrichtung von Aluminiumlegierungsprofilen für Kastenwagen: Weitere Verbesserung der Profilfestigkeit und Verbesserung der Extrusionsleistung. Die Forschungsrichtung neuer Materialien für Aluminiumlegierungsprofile für Kastenwagen ist in Abbildung 1 dargestellt.

3. Struktur, Festigkeitsanalyse und Überprüfung von Kastenwagen aus Aluminiumlegierung

3.1 Kastenwagenstruktur aus Aluminiumlegierung

Der Kastenwagen-Container besteht hauptsächlich aus einer Frontplattenbaugruppe, einer linken und rechten Seitenplattenbaugruppe, einer Hintertür-Seitenplattenbaugruppe, einer Bodenbaugruppe, einer Dachbaugruppe sowie U-förmigen Bolzen, Seitenschutz, Heckschutz, Schmutzfängern und anderem Zubehör mit dem Fahrgestell zweiter Klasse verbunden. Die Querträger, Säulen, Seitenträger und Türverkleidungen des Kofferaufbaus bestehen aus Strangpressprofilen aus einer Aluminiumlegierung, während die Boden- und Dachverkleidungen aus flachen Platten aus einer 5052-Aluminiumlegierung bestehen. Die Struktur des Kastenwagens aus Aluminiumlegierung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Mithilfe des Warmfließpressverfahrens der Aluminiumlegierung der Serie 6 können komplexe Hohlquerschnitte gebildet werden. Durch die Konstruktion von Aluminiumprofilen mit komplexen Querschnitten können Materialien eingespart, die Anforderungen an die Produktfestigkeit und -steifigkeit sowie die Anforderungen an die gegenseitige Verbindung zwischen den Produkten erfüllt werden verschiedene Komponenten. Daher sind die Konstruktion des Hauptträgers sowie die Schnittträgheitsmomente I und Widerstandsmomente W in Abbildung 3 dargestellt.

Ein Vergleich der Hauptdaten in Tabelle 4 zeigt, dass die Schnittträgheitsmomente und Widerstandsmomente des entworfenen Aluminiumprofils besser sind als die entsprechenden Daten des aus Eisen gefertigten Trägerprofils. Die Steifigkeitskoeffizientendaten entsprechen in etwa denen des entsprechenden Trägerprofils aus Eisen und erfüllen alle die Verformungsanforderungen.

3.2 Maximalspannungsberechnung

Ausgehend von der tragenden Komponente, dem Querträger, als Objekt wird die maximale Beanspruchung berechnet. Die Nennlast beträgt 1,5 t und der Querträger besteht aus einem 6063-T6-Aluminiumlegierungsprofil mit mechanischen Eigenschaften wie in Tabelle 5 dargestellt. Der Träger wird zur Kraftberechnung vereinfacht als freitragende Struktur dargestellt, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Bei einem Balken mit einer Spannweite von 344 mm wird die Drucklast auf den Balken mit F=3757 N basierend auf 4,5 t berechnet, was dem Dreifachen der statischen Standardlast entspricht. q=F/L

wobei q die innere Spannung des Trägers unter der Last ist, N/mm; F ist die vom Träger getragene Last, berechnet auf der Grundlage des Dreifachen der statischen Standardlast, die 4,5 t beträgt; L ist die Länge des Balkens, mm.

Daher beträgt die Eigenspannung q:

Die Formel zur Spannungsberechnung lautet wie folgt:

Das maximale Moment beträgt:

Nimmt man den absoluten Wert des Moments, M=274283 N·mm, ist die maximale Spannung σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa und der maximale Spannungswert σ<215 MPa, was den Anforderungen entspricht.

3.3 Verbindungseigenschaften verschiedener Komponenten

Aluminiumlegierungen haben schlechte Schweißeigenschaften und ihre Schweißpunktfestigkeit beträgt nur 60 % der Festigkeit des Grundmaterials. Aufgrund der Abdeckung einer Al2O3-Schicht auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung ist der Schmelzpunkt von Al2O3 hoch, während der Schmelzpunkt von Aluminium niedrig ist. Beim Schweißen einer Aluminiumlegierung muss das Al2O3 auf der Oberfläche zum Schweißen schnell aufgebrochen werden. Gleichzeitig verbleiben Al2O3-Rückstände in der Aluminiumlegierungslösung, was sich auf die Struktur der Aluminiumlegierung auswirkt und die Festigkeit des Schweißpunkts der Aluminiumlegierung verringert. Daher werden diese Eigenschaften bei der Konstruktion eines Vollaluminiumbehälters vollständig berücksichtigt. Schweißen ist die Hauptpositionierungsmethode, und die wichtigsten tragenden Komponenten werden durch Schrauben verbunden. Verbindungen wie Nieten und Schwalbenschwanzstruktur sind in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt.

Die Hauptstruktur des Vollaluminium-Kastenaufbaus besteht aus ineinandergreifenden horizontalen Trägern, vertikalen Säulen, Seitenträgern und Randträgern. Es gibt vier Verbindungspunkte zwischen jedem horizontalen Balken und jeder vertikalen Säule. Die Verbindungspunkte sind mit gezahnten Dichtungen ausgestattet, die in die gezahnte Kante des horizontalen Trägers eingreifen und so ein Verrutschen wirksam verhindern. Die acht Eckpunkte sind hauptsächlich durch Stahlkerneinsätze verbunden, mit Bolzen und selbstsichernden Nieten befestigt und durch dreieckige 5-mm-Aluminiumplatten verstärkt, die im Inneren des Kastens verschweißt sind, um die Eckpositionen im Inneren zu verstärken. Das äußere Erscheinungsbild des Kastens weist keine Schweißnähte oder freiliegenden Verbindungsstellen auf, wodurch das Gesamtbild des Kastens gewährleistet wird.

3.4 SE Synchronous Engineering Technologie

Die SE-Synchrontechnik wird eingesetzt, um die Probleme zu lösen, die durch große akkumulierte Größenabweichungen bei passenden Komponenten im Kastenkörper verursacht werden, sowie die Schwierigkeiten bei der Suche nach den Ursachen von Lücken und Ebenheitsfehlern. Mittels CAE-Analyse (siehe Abbildung 7-8) wird eine Vergleichsanalyse mit aus Eisen gefertigten Kastenaufbauten durchgeführt, um die Gesamtfestigkeit und Steifigkeit des Kastenaufbaus zu überprüfen, Schwachstellen zu finden und Maßnahmen zu ergreifen, um das Konstruktionsschema effektiver zu optimieren und zu verbessern .

4. Leichter Effekt des Kastenwagens aus Aluminiumlegierung

Zusätzlich zum Kofferaufbau können Aluminiumlegierungen verwendet werden, um Stahl für verschiedene Komponenten von LKW-Kastencontainern wie Kotflügel, Heckschutz, Seitenschutz, Türverriegelungen, Türscharniere und Heckschürzenkanten zu ersetzen und so eine Gewichtsreduzierung zu erreichen von 30 % bis 40 % für den Laderaum. Der Gewichtsreduzierungseffekt für einen leeren Frachtcontainer mit den Maßen 4080 mm × 2300 mm × 2200 mm ist in Tabelle 6 dargestellt. Dadurch werden die Probleme von Übergewicht, Nichteinhaltung von Ankündigungen und regulatorischen Risiken herkömmlicher Frachträume aus Eisen grundsätzlich gelöst.

Durch den Ersatz von herkömmlichem Stahl durch Aluminiumlegierungen für Automobilkomponenten können nicht nur hervorragende Leichtbaueffekte erzielt werden, sondern es kann auch zu Kraftstoffeinsparungen, Emissionsreduzierungen und einer verbesserten Fahrzeugleistung beitragen. Über den Beitrag des Leichtbaus zur Kraftstoffeinsparung gibt es derzeit unterschiedliche Meinungen. Die Forschungsergebnisse des International Aluminium Institute sind in Abbildung 9 dargestellt. Jede Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 10 % kann den Kraftstoffverbrauch um 6 bis 8 % senken. Basierend auf inländischen Statistiken kann eine Reduzierung des Gewichts jedes Pkw um 100 kg den Kraftstoffverbrauch um 0,4 l/100 km senken. Der Beitrag des Leichtbaus zur Kraftstoffeinsparung basiert auf Ergebnissen verschiedener Forschungsmethoden, daher gibt es einige Unterschiede. Allerdings hat der Leichtbau im Automobilbereich einen erheblichen Einfluss auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.

Bei Elektrofahrzeugen ist der Leichtbaueffekt noch ausgeprägter. Derzeit unterscheidet sich die Energiedichte von Elektrofahrzeugbatterien deutlich von der von herkömmlichen Fahrzeugen mit flüssigem Kraftstoff. Das Gewicht des Antriebssystems (einschließlich Batterie) von Elektrofahrzeugen macht oft 20 bis 30 % des Gesamtgewichts des Fahrzeugs aus. Gleichzeitig ist es eine weltweite Herausforderung, den Leistungsengpass von Batterien zu überwinden. Bevor es zu einem großen Durchbruch in der Hochleistungsbatterietechnologie kommt, ist Leichtbau eine wirksame Möglichkeit, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Pro 100 kg Gewichtsreduzierung kann die Reichweite von Elektrofahrzeugen um 6 bis 11 % erhöht werden (der Zusammenhang zwischen Gewichtsreduzierung und Reichweite ist in Abbildung 10 dargestellt). Derzeit kann die Reichweite reiner Elektrofahrzeuge den Bedürfnissen der meisten Menschen nicht gerecht werden, aber eine Gewichtsreduzierung um einen bestimmten Betrag kann die Reichweite erheblich verbessern, die Angst vor der Reichweite lindern und das Benutzererlebnis verbessern.

5. Fazit

Zusätzlich zur Vollaluminiumstruktur des in diesem Artikel vorgestellten Kastenwagens aus Aluminiumlegierung gibt es verschiedene Arten von Kastenwagen, wie z. B. Aluminiumwabenplatten, Aluminiumschnallenplatten, Aluminiumrahmen + Aluminiumhäute und Eisen-Aluminium-Hybridfrachtcontainer . Sie bieten die Vorteile eines geringen Gewichts, einer hohen spezifischen Festigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit und erfordern keine Elektrotauchlackierung zum Korrosionsschutz, wodurch die Umweltbelastung durch Elektrotauchlackierung verringert wird. Der Kastenwagen aus Aluminiumlegierung löst grundsätzlich die Probleme von übermäßigem Gewicht, Nichteinhaltung von Ankündigungen und regulatorischen Risiken traditioneller, aus Eisen gefertigter Laderäume.

Das Strangpressen ist ein wesentliches Verarbeitungsverfahren für Aluminiumlegierungen. Aluminiumprofile weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf, sodass die Querschnittssteifigkeit der Bauteile relativ hoch ist. Aufgrund des variablen Querschnitts können Aluminiumlegierungen die Kombination mehrerer Komponentenfunktionen erreichen, was sie zu einem guten Material für den Automobilleichtbau macht. Die weit verbreitete Anwendung von Aluminiumlegierungen steht jedoch vor Herausforderungen wie unzureichenden Designmöglichkeiten für Laderäume aus Aluminiumlegierungen, Problemen beim Formen und Schweißen sowie hohen Entwicklungs- und Werbekosten für neue Produkte. Der Hauptgrund ist immer noch, dass Aluminiumlegierungen mehr kosten als Stahl, bevor die Recyclingökologie von Aluminiumlegierungen ausgereift ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Anwendungsbereich von Aluminiumlegierungen in Automobilen breiter wird und ihre Verwendung weiter zunimmt. Angesichts der aktuellen Trends der Energieeinsparung, der Emissionsreduzierung und der Entwicklung der neuen Energiefahrzeugindustrie werden Aluminium-Strangpressmaterialien mit zunehmendem Verständnis der Eigenschaften von Aluminiumlegierungen und effektiven Lösungen für Anwendungsprobleme von Aluminiumlegierungen in zunehmendem Maße für den Leichtbau in der Automobilindustrie eingesetzt.

Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminium