1.Pendahuluan
Peringanan otomotif dimulai di negara-negara maju dan awalnya dipimpin oleh raksasa otomotif tradisional. Dengan pengembangan yang berkelanjutan, hal ini telah memperoleh momentum yang signifikan. Sejak saat orang India pertama kali menggunakan paduan aluminium untuk memproduksi poros engkol otomotif hingga produksi massal pertama mobil berbahan aluminium oleh Audi pada tahun 1999, paduan aluminium telah mengalami pertumbuhan yang kuat dalam aplikasi otomotif karena keunggulannya seperti kepadatan rendah, kekuatan dan kekakuan spesifik yang tinggi, elastisitas dan ketahanan benturan yang baik, kemampuan daur ulang yang tinggi, dan tingkat regenerasi yang tinggi. Pada tahun 2015, proporsi aplikasi paduan aluminium pada mobil telah melampaui 35%.
Perampingan otomotif di Tiongkok dimulai kurang dari 10 tahun lalu, dan baik teknologi maupun tingkat aplikasinya masih tertinggal dari negara-negara maju seperti Jerman, Amerika Serikat, dan Jepang. Namun, dengan pengembangan kendaraan energi baru, perampingan material mengalami kemajuan pesat. Dengan memanfaatkan kebangkitan kendaraan energi baru, teknologi perampingan otomotif Tiongkok menunjukkan tren mengejar ketertinggalan dari negara-negara maju.
Pasar material ringan di Tiongkok sangat luas. Di satu sisi, dibandingkan dengan negara-negara maju di luar negeri, teknologi perampingan di Tiongkok mulai terlambat, dan bobot trotoar kendaraan secara keseluruhan lebih besar. Mempertimbangkan tolok ukur proporsi material ringan di negara-negara asing, masih ada banyak ruang untuk pengembangan di Tiongkok. Di sisi lain, didorong oleh kebijakan, perkembangan pesat industri kendaraan energi baru di Tiongkok akan meningkatkan permintaan material ringan dan mendorong perusahaan otomotif untuk beralih ke perampingan.
Peningkatan standar emisi dan konsumsi bahan bakar mendorong percepatan pengurangan bobot kendaraan bermotor. Tiongkok sepenuhnya menerapkan standar emisi Tiongkok VI pada tahun 2020. Menurut “Metode Evaluasi dan Indikator Konsumsi Bahan Bakar Mobil Penumpang” dan “Peta Jalan Teknologi Kendaraan Hemat Energi dan Energi Baru,” standar konsumsi bahan bakar 5,0 L/km. Dengan mempertimbangkan keterbatasan ruang untuk terobosan substansial dalam teknologi mesin dan pengurangan emisi, penerapan langkah-langkah untuk mengurangi bobot komponen otomotif secara efektif dapat mengurangi emisi kendaraan dan konsumsi bahan bakar. Pengurangan bobot kendaraan energi baru telah menjadi jalur penting bagi pengembangan industri.
Pada tahun 2016, Masyarakat Teknik Otomotif Tiongkok menerbitkan “Peta Jalan Teknologi Kendaraan Hemat Energi dan Energi Baru,” yang merencanakan faktor-faktor seperti konsumsi energi, jarak tempuh, dan bahan pembuatan untuk kendaraan energi baru dari tahun 2020 hingga 2030. Perampingan akan menjadi arah utama untuk pengembangan kendaraan energi baru di masa depan. Perampingan dapat meningkatkan jarak tempuh dan mengatasi “kecemasan jarak tempuh” pada kendaraan energi baru. Dengan meningkatnya permintaan untuk jarak tempuh yang lebih jauh, perampingan otomotif menjadi mendesak, dan penjualan kendaraan energi baru telah tumbuh secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Menurut persyaratan sistem skor dan “Rencana Pengembangan Jangka Menengah hingga Jangka Panjang untuk Industri Otomotif,” diperkirakan bahwa pada tahun 2025, penjualan kendaraan energi baru Tiongkok akan melebihi 6 juta unit, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan melebihi 38%.
2.Karakteristik dan Aplikasi Paduan Aluminium
2.1 Karakteristik Paduan Aluminium
Kepadatan aluminium sepertiga dari baja, sehingga lebih ringan. Aluminium memiliki kekuatan spesifik yang lebih tinggi, kemampuan ekstrusi yang baik, ketahanan korosi yang kuat, dan daur ulang yang tinggi. Paduan aluminium dicirikan dengan komposisi utamanya dari magnesium, menunjukkan ketahanan panas yang baik, sifat pengelasan yang baik, kekuatan lelah yang baik, tidak dapat diperkuat dengan perlakuan panas, dan kemampuan untuk meningkatkan kekuatan melalui pengerjaan dingin. Seri 6 dicirikan dengan komposisi utamanya dari magnesium dan silikon, dengan Mg2Si sebagai fase penguatan utama. Paduan yang paling banyak digunakan dalam kategori ini adalah 6063, 6061, dan 6005A. Pelat aluminium 5052 adalah pelat aluminium paduan seri AL-Mg, dengan magnesium sebagai elemen paduan utama. Ini adalah paduan aluminium anti karat yang paling banyak digunakan. Paduan ini memiliki kekuatan tinggi, kekuatan lelah tinggi, plastisitas dan ketahanan korosi yang baik, tidak dapat diperkuat dengan perlakuan panas, memiliki plastisitas yang baik dalam pengerasan kerja semi-dingin, plastisitas rendah dalam pengerasan kerja dingin, ketahanan korosi yang baik, dan sifat pengelasan yang baik. Paduan aluminium 6063 terutama digunakan untuk komponen seperti panel samping, penutup atap, dan panel pintu. Paduan aluminium 6063 adalah paduan penguat yang dapat diolah dengan panas dalam seri AL-Mg-Si, dengan magnesium dan silikon sebagai elemen paduan utama. Paduan ini adalah profil paduan aluminium penguat yang dapat diolah dengan panas dengan kekuatan sedang, terutama digunakan dalam komponen struktural seperti kolom dan panel samping untuk menahan kekuatan. Pengantar tentang mutu paduan aluminium ditunjukkan pada Tabel 1.
2.2 Ekstrusi adalah Metode Pembentukan Paduan Aluminium yang Penting
Ekstrusi paduan aluminium adalah metode pembentukan panas, dan seluruh proses produksi melibatkan pembentukan paduan aluminium di bawah tekanan tekan tiga arah. Seluruh proses produksi dapat dijelaskan sebagai berikut: a. Aluminium dan paduan lainnya dilelehkan dan dicetak menjadi billet paduan aluminium yang dibutuhkan; b. Billet yang dipanaskan terlebih dahulu dimasukkan ke dalam peralatan ekstrusi untuk ekstrusi. Di bawah aksi silinder utama, billet paduan aluminium dibentuk menjadi profil yang dibutuhkan melalui rongga cetakan; c. Untuk meningkatkan sifat mekanis profil aluminium, perlakuan larutan dilakukan selama atau setelah ekstrusi, diikuti dengan perlakuan penuaan. Sifat mekanis setelah perlakuan penuaan bervariasi menurut bahan dan rezim penuaan yang berbeda. Status perlakuan panas profil truk tipe kotak ditunjukkan pada Tabel 2.
Produk ekstrusi paduan aluminium memiliki beberapa keunggulan dibandingkan metode pembentukan lainnya:
a. Selama ekstrusi, logam yang diekstrusi memperoleh tegangan tekan tiga arah yang lebih kuat dan lebih seragam di zona deformasi daripada penggulungan dan penempaan, sehingga dapat sepenuhnya memainkan plastisitas logam yang diproses. Dapat digunakan untuk memproses logam yang sulit dideformasi yang tidak dapat diproses dengan penggulungan atau penempaan dan dapat digunakan untuk membuat berbagai komponen penampang berongga atau padat yang kompleks.
b. Karena geometri profil aluminium dapat divariasikan, komponennya memiliki kekakuan tinggi, yang dapat meningkatkan kekakuan bodi kendaraan, mengurangi karakteristik NVH, dan meningkatkan karakteristik kontrol dinamis kendaraan.
c. Produk dengan efisiensi ekstrusi, setelah pendinginan dan penuaan, memiliki kekuatan longitudinal (R, Raz) yang jauh lebih tinggi daripada produk yang diproses dengan metode lain.
d. Permukaan produk setelah ekstrusi memiliki warna yang bagus dan ketahanan korosi yang baik, sehingga tidak perlu lagi melakukan perawatan permukaan anti-korosi lainnya.
e. Pemrosesan ekstrusi memiliki fleksibilitas tinggi, biaya perkakas dan cetakan rendah, serta biaya perubahan desain rendah.
f. Berkat pengendalian penampang profil aluminium, derajat integrasi komponen dapat ditingkatkan, jumlah komponen dapat dikurangi, dan desain penampang yang berbeda dapat mencapai posisi pengelasan yang presisi.
Perbandingan kinerja antara profil aluminium ekstrusi untuk truk tipe kotak dan baja karbon biasa ditunjukkan pada Tabel 3.
Arah Pengembangan Berikutnya dari Profil Paduan Aluminium untuk Truk Tipe Kotak: Lebih meningkatkan kekuatan profil dan meningkatkan kinerja ekstrusi. Arah penelitian material baru untuk profil paduan aluminium untuk truk tipe kotak ditunjukkan pada Gambar 1.
3.Struktur Truk Kotak Paduan Aluminium, Analisis Kekuatan, dan Verifikasi
3.1 Struktur Truk Kotak Paduan Aluminium
Truk kontainer boks terutama terdiri dari rakitan panel depan, rakitan panel sisi kiri dan kanan, rakitan panel sisi pintu belakang, rakitan lantai, rakitan atap, serta baut berbentuk U, pelindung samping, pelindung belakang, penutup lumpur, dan aksesori lain yang terhubung ke sasis kelas dua. Balok silang bodi boks, pilar, balok samping, dan panel pintu terbuat dari profil ekstrusi paduan aluminium, sedangkan panel lantai dan atap terbuat dari pelat datar paduan aluminium 5052. Struktur truk boks paduan aluminium ditunjukkan pada Gambar 2.
Dengan menggunakan proses ekstrusi panas paduan aluminium seri 6 dapat membentuk penampang berongga yang kompleks, desain profil aluminium dengan penampang yang kompleks dapat menghemat bahan, memenuhi persyaratan kekuatan dan kekakuan produk, dan memenuhi persyaratan hubungan timbal balik antara berbagai komponen. Oleh karena itu, struktur desain balok utama dan momen penampang inersia I dan momen penahan W ditunjukkan pada Gambar 3.
Perbandingan data utama pada Tabel 4 menunjukkan bahwa momen penampang inersia dan momen tahanan profil aluminium yang dirancang lebih baik daripada data yang sesuai dari profil balok besi. Data koefisien kekakuan kira-kira sama dengan data profil balok besi yang sesuai, dan semuanya memenuhi persyaratan deformasi.
3.2 Perhitungan Tegangan Maksimum
Dengan mengambil komponen penahan beban utama, balok silang, sebagai objek, tegangan maksimum dihitung. Beban terukur adalah 1,5 t, dan balok silang terbuat dari profil paduan aluminium 6063-T6 dengan sifat mekanis seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5. Balok disederhanakan sebagai struktur kantilever untuk perhitungan gaya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Dengan bentang balok 344 mm, beban tekan pada balok dihitung sebagai F=3757 N berdasarkan 4,5t, yang merupakan tiga kali beban statis standar. q=F/L
di mana q adalah tegangan internal balok di bawah beban, N/mm; F adalah beban yang ditanggung oleh balok, dihitung berdasarkan 3 kali beban statis standar, yaitu 4,5 t; L adalah panjang balok, mm.
Oleh karena itu, tegangan internal q adalah:
Rumus perhitungan tegangannya adalah sebagai berikut:
Momen maksimumnya adalah:
Mengambil nilai absolut momen, M=274283 N·mm, tegangan maksimum σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa, dan nilai tegangan maksimum σ<215 MPa, yang memenuhi persyaratan.
3.3 Karakteristik Koneksi Berbagai Komponen
Paduan aluminium memiliki sifat pengelasan yang buruk, dan kekuatan titik pengelasannya hanya 60% dari kekuatan bahan dasar. Karena lapisan Al2O3 menutupi permukaan paduan aluminium, titik leleh Al2O3 tinggi, sedangkan titik leleh aluminium rendah. Ketika paduan aluminium dilas, Al2O3 pada permukaan harus segera dipecah untuk melakukan pengelasan. Pada saat yang sama, residu Al2O3 akan tetap berada dalam larutan paduan aluminium, yang memengaruhi struktur paduan aluminium dan mengurangi kekuatan titik pengelasan paduan aluminium. Oleh karena itu, ketika merancang wadah yang seluruhnya terbuat dari aluminium, karakteristik ini sepenuhnya dipertimbangkan. Pengelasan adalah metode pemosisian utama, dan komponen penahan beban utama dihubungkan dengan baut. Sambungan seperti paku keling dan struktur ekor burung ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6.
Struktur utama dari bodi kotak yang seluruhnya terbuat dari aluminium mengadopsi struktur dengan balok horizontal, pilar vertikal, balok samping, dan balok tepi yang saling terkait satu sama lain. Terdapat empat titik sambungan antara setiap balok horizontal dan pilar vertikal. Titik sambungan dilengkapi dengan gasket bergerigi untuk menyatu dengan tepi bergerigi balok horizontal, yang secara efektif mencegah terjadinya geser. Delapan titik sudut utamanya dihubungkan dengan sisipan inti baja, dipasang dengan baut dan paku keling yang mengunci sendiri, dan diperkuat dengan pelat aluminium segitiga 5 mm yang dilas di dalam kotak untuk memperkuat posisi sudut secara internal. Tampilan luar kotak tidak memiliki titik sambungan yang dilas atau terbuka, yang memastikan tampilan kotak secara keseluruhan.
3.4 Teknologi Rekayasa Sinkron SE
Teknologi rekayasa sinkron SE digunakan untuk mengatasi masalah yang disebabkan oleh penyimpangan ukuran terakumulasi yang besar untuk mencocokkan komponen dalam badan kotak dan kesulitan dalam menemukan penyebab celah dan kegagalan kerataan. Melalui analisis CAE (lihat Gambar 7-8), analisis perbandingan dilakukan dengan badan kotak yang terbuat dari besi untuk memeriksa kekuatan dan kekakuan keseluruhan badan kotak, menemukan titik lemah, dan mengambil tindakan untuk mengoptimalkan dan meningkatkan skema desain secara lebih efektif.
4. Efek Ringan Truk Kotak Paduan Aluminium
Selain bodi kotak, paduan aluminium dapat digunakan untuk menggantikan baja untuk berbagai komponen kontainer truk tipe kotak, seperti spatbor, pelindung belakang, pelindung samping, kait pintu, engsel pintu, dan tepi apron belakang, sehingga menghasilkan pengurangan berat sebesar 30% hingga 40% untuk kompartemen kargo. Efek pengurangan berat untuk kontainer kargo kosong berukuran 4080mm×2300mm×2200mm ditunjukkan pada Tabel 6. Hal ini pada dasarnya memecahkan masalah berat berlebih, ketidakpatuhan terhadap pengumuman, dan risiko regulasi kompartemen kargo tradisional yang terbuat dari besi.
Dengan mengganti baja tradisional dengan paduan aluminium untuk komponen otomotif, tidak hanya efek peringanan yang sangat baik dapat dicapai, tetapi juga dapat berkontribusi pada penghematan bahan bakar, pengurangan emisi, dan peningkatan kinerja kendaraan. Saat ini, ada berbagai pendapat tentang kontribusi peringanan terhadap penghematan bahan bakar. Hasil penelitian Institut Aluminium Internasional ditunjukkan pada Gambar 9. Setiap pengurangan 10% pada berat kendaraan dapat mengurangi konsumsi bahan bakar hingga 6% hingga 8%. Berdasarkan statistik domestik, pengurangan berat setiap mobil penumpang hingga 100 kg dapat mengurangi konsumsi bahan bakar hingga 0,4 L/100 km. Kontribusi peringanan terhadap penghematan bahan bakar didasarkan pada hasil yang diperoleh dari berbagai metode penelitian, sehingga ada beberapa variasi. Namun, peringanan otomotif memiliki dampak yang signifikan terhadap pengurangan konsumsi bahan bakar.
Untuk kendaraan listrik, efek pengurangan bobot bahkan lebih terasa. Saat ini, kerapatan energi unit baterai tenaga kendaraan listrik berbeda secara signifikan dari kendaraan bahan bakar cair tradisional. Berat sistem tenaga (termasuk baterai) kendaraan listrik sering kali mencapai 20% hingga 30% dari total berat kendaraan. Pada saat yang sama, menerobos hambatan kinerja baterai merupakan tantangan di seluruh dunia. Sebelum ada terobosan besar dalam teknologi baterai berkinerja tinggi, pengurangan bobot merupakan cara yang efektif untuk meningkatkan daya jelajah kendaraan listrik. Untuk setiap pengurangan bobot sebesar 100 kg, daya jelajah kendaraan listrik dapat ditingkatkan sebesar 6% hingga 11% (hubungan antara pengurangan bobot dan daya jelajah ditunjukkan pada Gambar 10). Saat ini, daya jelajah kendaraan listrik murni tidak dapat memenuhi kebutuhan kebanyakan orang, tetapi mengurangi bobot dalam jumlah tertentu dapat meningkatkan daya jelajah secara signifikan, meredakan kecemasan akan daya jelajah, dan meningkatkan pengalaman pengguna.
5.Kesimpulan
Selain struktur aluminium penuh dari truk boks paduan aluminium yang diperkenalkan dalam artikel ini, ada berbagai jenis truk boks, seperti panel sarang lebah aluminium, pelat gesper aluminium, rangka aluminium + kulit aluminium, dan kontainer kargo hibrida besi-aluminium. Truk-truk ini memiliki keunggulan bobot yang ringan, kekuatan spesifik yang tinggi, dan ketahanan korosi yang baik, serta tidak memerlukan cat elektroforesis untuk perlindungan korosi, sehingga mengurangi dampak lingkungan dari cat elektroforesis. Truk boks paduan aluminium pada dasarnya memecahkan masalah bobot yang berlebihan, ketidakpatuhan terhadap pengumuman, dan risiko peraturan dari kompartemen kargo tradisional yang terbuat dari besi.
Ekstrusi merupakan metode pemrosesan penting untuk paduan aluminium, dan profil aluminium memiliki sifat mekanis yang sangat baik, sehingga kekakuan penampang komponen relatif tinggi. Karena penampang variabel, paduan aluminium dapat mencapai kombinasi beberapa fungsi komponen, menjadikannya material yang baik untuk peringanan otomotif. Namun, penerapan paduan aluminium secara luas menghadapi tantangan seperti kemampuan desain yang tidak memadai untuk kompartemen kargo paduan aluminium, masalah pembentukan dan pengelasan, serta biaya pengembangan dan promosi yang tinggi untuk produk baru. Alasan utamanya adalah bahwa paduan aluminium lebih mahal daripada baja sebelum ekologi daur ulang paduan aluminium menjadi matang.
Kesimpulannya, cakupan aplikasi paduan aluminium pada mobil akan menjadi lebih luas, dan penggunaannya akan terus meningkat. Dalam tren penghematan energi, pengurangan emisi, dan pengembangan industri kendaraan energi baru saat ini, dengan pemahaman yang mendalam tentang sifat paduan aluminium dan solusi efektif untuk masalah aplikasi paduan aluminium, bahan ekstrusi aluminium akan lebih banyak digunakan dalam perampingan otomotif.
Diedit oleh May Jiang dari MAT Aluminium
Waktu posting: 12-Jan-2024
