1.Pendahuluan
Pengembangan ringan otomotif bermula di negara-negara maju dan awalnya dipimpin oleh raksasa otomotif tradisional. Dengan perkembangan yang berkelanjutan, pengembangan ini telah meraih momentum yang signifikan. Sejak pertama kali orang India menggunakan paduan aluminium untuk memproduksi poros engkol otomotif hingga produksi massal pertama mobil berbahan aluminium Audi pada tahun 1999, paduan aluminium telah mengalami pertumbuhan pesat 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 penggunaan paduan aluminium pada mobil telah melampaui 35%.
Pengembangan bobot ringan otomotif di Tiongkok baru dimulai kurang dari 10 tahun yang lalu, dan baik dari segi teknologi maupun penerapannya masih tertinggal dibandingkan negara-negara maju seperti Jerman, Amerika Serikat, dan Jepang. Namun, seiring perkembangan kendaraan energi baru, pengembangan bobot ringan material mengalami kemajuan pesat. Dengan memanfaatkan perkembangan kendaraan energi baru, teknologi bobot ringan otomotif Tiongkok menunjukkan tren peningkatan dibandingkan negara-negara maju.
Pasar material ringan Tiongkok sangat luas. Di satu sisi, dibandingkan dengan negara-negara maju di luar negeri, teknologi perampingan Tiongkok terlambat dimulai, dan bobot kendaraan secara keseluruhan lebih besar. Mengingat proporsi material ringan di luar negeri, masih terdapat banyak ruang untuk pengembangan di Tiongkok. Di sisi lain, didorong oleh kebijakan, perkembangan pesat industri kendaraan energi baru Tiongkok akan mendorong permintaan material ringan dan mendorong perusahaan otomotif untuk beralih ke perampingan.
Peningkatan standar emisi dan konsumsi bahan bakar mendorong percepatan pengurangan emisi kendaraan bermotor. Tiongkok telah sepenuhnya menerapkan standar emisi Tiongkok VI pada tahun 2020. Standar konsumsi bahan bakar 5,0 L/km ditetapkan berdasarkan "Metode Evaluasi dan Indikator Konsumsi Bahan Bakar Mobil Penumpang" dan "Peta Jalan Teknologi Kendaraan Hemat Energi dan Energi Baru". Mengingat terbatasnya ruang untuk terobosan substansial dalam teknologi mesin dan pengurangan emisi, penerapan langkah-langkah untuk mengurangi komponen otomotif dapat secara efektif mengurangi emisi dan konsumsi bahan bakar kendaraan. Pengurangan emisi kendaraan energi baru telah menjadi jalur penting bagi perkembangan industri ini.
Pada tahun 2016, Masyarakat Teknik Otomotif Tiongkok menerbitkan "Peta Jalan Teknologi Kendaraan Hemat Energi dan Energi Baru", yang merencanakan faktor-faktor seperti konsumsi energi, daya jelajah, dan material manufaktur untuk kendaraan energi baru dari tahun 2020 hingga 2030. Ringan akan menjadi arah utama pengembangan kendaraan energi baru di masa depan. Ringan dapat meningkatkan daya jelajah dan mengatasi "kecemasan daya jelajah" pada kendaraan energi baru. Dengan meningkatnya permintaan daya jelajah yang lebih luas, ringannya otomotif menjadi mendesak, dan penjualan kendaraan energi baru telah tumbuh secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Berdasarkan persyaratan sistem penilaian dan "Rencana Pengembangan Jangka Menengah hingga Panjang untuk Industri Otomotif", diperkirakan pada tahun 2025, penjualan kendaraan energi baru di 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 oleh komposisi utamanya dari magnesium, yang menunjukkan ketahanan panas yang baik, sifat pengelasan yang baik, kekuatan fatik yang baik, tidak dapat diperkuat dengan perlakuan panas, dan kemampuan untuk meningkatkan kekuatan melalui pengerjaan dingin. Seri 6 dicirikan oleh komposisi utamanya dari magnesium dan silikon, dengan Mg2Si sebagai fase penguat 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 antikarat yang paling banyak digunakan. Paduan ini memiliki kekuatan tinggi, kekuatan fatik yang tinggi, plastisitas dan ketahanan korosi yang baik, tidak dapat diperkuat dengan perlakuan panas, memiliki plastisitas yang baik dalam pengerasan semi-dingin, plastisitas rendah dalam pengerasan 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 merupakan profil paduan aluminium penguat yang dapat diolah dengan panas dengan kekuatan sedang, terutama digunakan pada komponen struktural seperti kolom dan panel samping untuk mempertahankan kekuatan. Pengenalan berbagai jenis 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 dilebur dan dicetak menjadi billet paduan aluminium yang dibutuhkan; b. Billet yang telah dipanaskan sebelumnya dimasukkan ke dalam peralatan ekstrusi untuk diekstrusi. Di bawah aksi silinder utama, billet paduan aluminium dibentuk menjadi profil yang dibutuhkan melalui rongga cetakan; c. Untuk meningkatkan sifat mekanik profil aluminium, perlakuan larutan dilakukan selama atau setelah ekstrusi, diikuti dengan perlakuan penuaan. Sifat mekanik setelah perlakuan penuaan bervariasi sesuai dengan 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 proses ekstrusi, logam yang diekstrusi memperoleh tegangan tekan tiga arah yang lebih kuat dan lebih seragam di zona deformasi dibandingkan dengan proses penggulungan dan penempaan, sehingga dapat sepenuhnya memaksimalkan plastisitas logam yang diproses. Proses ini 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, komponen-komponennya memiliki kekakuan tinggi, yang dapat meningkatkan kekakuan bodi kendaraan, mengurangi karakteristik NVH-nya, 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 baik dan ketahanan korosi yang baik, menghilangkan kebutuhan untuk 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, tingkat integrasi komponen dapat ditingkatkan, jumlah komponen dapat dikurangi, dan posisi pengelasan yang presisi dapat dicapai dengan berbagai desain penampang.
Perbandingan kinerja antara profil aluminium ekstrusi untuk truk tipe kotak dan baja karbon biasa ditunjukkan pada Tabel 3.
Arah Pengembangan Profil Paduan Aluminium untuk Truk Kotak: Peningkatan kekuatan profil dan peningkatan kinerja ekstrusi. Arah penelitian material baru untuk profil paduan aluminium untuk truk kotak ditunjukkan pada Gambar 1.
3.Struktur Truk Kotak Paduan Aluminium, Analisis Kekuatan, dan Verifikasi
3.1 Struktur Truk Kotak Paduan Aluminium
Truk boks kontainer terutama terdiri dari rakitan panel depan, rakitan panel samping kiri dan kanan, rakitan panel samping pintu belakang, rakitan lantai, rakitan atap, serta baut berbentuk U, pelindung samping, pelindung belakang, flap lumpur, dan aksesori lainnya yang terhubung ke sasis kelas dua. Balok silang, pilar, balok samping, dan panel pintu bodi boks terbuat dari profil ekstrusi paduan aluminium, sementara panel lantai dan atap terbuat dari pelat datar paduan aluminium 5052. Struktur truk boks paduan aluminium ditunjukkan pada Gambar 2.
Paduan aluminium seri 6 dapat membentuk penampang berongga yang kompleks melalui proses ekstrusi panas. Desain profil aluminium dengan penampang kompleks dapat menghemat material, memenuhi persyaratan kekuatan dan kekakuan produk, serta memenuhi persyaratan sambungan timbal balik antar berbagai komponen. Oleh karena itu, struktur desain balok utama dan momen inersia penampang I serta momen tahanan W ditunjukkan pada Gambar 3.
Perbandingan data utama pada Tabel 4 menunjukkan bahwa momen inersia penampang dan momen tahanan profil aluminium rancangan lebih baik daripada data profil balok besi. Data koefisien kekakuannya kurang lebih sama dengan data profil balok besi, dan semuanya memenuhi persyaratan deformasi.
3.2 Perhitungan Tegangan Maksimum
Dengan mengambil komponen utama penahan beban, yaitu balok silang, sebagai objek, tegangan maksimum dihitung. Beban terukur adalah 1,5 ton, dan balok silang terbuat dari profil paduan aluminium 6063-T6 dengan sifat mekanis seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5. Balok disederhanakan menjadi struktur kantilever untuk perhitungan gaya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Mengambil bentang balok 344mm, 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 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 tegangan 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 lasnya hanya 60% dari kekuatan material 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 las paduan aluminium. Oleh karena itu, ketika merancang wadah aluminium sepenuhnya, 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 bodi kotak aluminium sepenuhnya mengadopsi struktur balok horizontal, pilar vertikal, balok samping, dan balok tepi yang saling mengunci. Terdapat empat titik sambungan antara balok horizontal dan pilar vertikal. Titik-titik sambungan tersebut dilengkapi gasket bergerigi agar menyatu dengan tepi bergerigi balok horizontal, sehingga efektif mencegah terjadinya geser. Delapan titik sudut utamanya dihubungkan dengan sisipan inti baja, difiksasi dengan baut dan paku keling pengunci otomatis, serta diperkuat dengan pelat aluminium segitiga 5 mm yang dilas di dalam kotak untuk memperkuat posisi sudut di dalamnya. Tampilan luar kotak tidak memiliki pengelasan atau titik sambungan yang terbuka, sehingga tampilan keseluruhan kotak tetap terjaga.
3.4 Teknologi Rekayasa Sinkron SE
Teknologi rekayasa sinkron SE digunakan untuk mengatasi masalah yang disebabkan oleh deviasi ukuran terakumulasi yang besar untuk mencocokkan komponen pada badan kotak dan kesulitan dalam menemukan penyebab celah dan kegagalan kerataan. Melalui analisis CAE (lihat Gambar 7-8), analisis perbandingan dilakukan dengan badan kotak berbahan besi untuk memeriksa kekuatan dan kekakuan keseluruhan badan kotak, menemukan titik lemah, dan mengambil langkah-langkah 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 pada berbagai komponen kontainer truk tipe kotak, seperti spatbor, pelindung belakang, pelindung samping, kait pintu, engsel pintu, dan tepi apron belakang, sehingga menghasilkan pengurangan berat kompartemen kargo sebesar 30% hingga 40%. Efek pengurangan berat untuk kontainer kargo kosong berukuran 4080mm×2300mm×2200mm ditunjukkan pada Tabel 6. Hal ini pada dasarnya memecahkan masalah kelebihan berat, ketidakpatuhan terhadap pengumuman, dan risiko regulasi yang terjadi pada kompartemen kargo konvensional berbahan besi.
Dengan mengganti baja tradisional dengan paduan aluminium untuk komponen otomotif, tidak hanya dapat dicapai efek ringan yang sangat baik, tetapi juga dapat berkontribusi pada penghematan bahan bakar, pengurangan emisi, dan peningkatan performa kendaraan. Saat ini, terdapat berbagai pendapat tentang kontribusi ringan terhadap penghematan bahan bakar. Hasil penelitian International Aluminium Institute ditunjukkan pada Gambar 9. Setiap pengurangan 10% berat kendaraan dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sebesar 6% hingga 8%. Berdasarkan statistik domestik, pengurangan berat setiap mobil penumpang sebesar 100 kg dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sebesar 0,4 L/100 km. Kontribusi ringan terhadap penghematan bahan bakar didasarkan pada hasil yang diperoleh dari berbagai metode penelitian, sehingga terdapat beberapa variasi. Namun, ringannya otomotif memiliki dampak yang signifikan dalam mengurangi konsumsi bahan bakar.
Untuk kendaraan listrik, efek ringannya 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, ringan adalah cara yang efektif untuk meningkatkan jangkauan jelajah kendaraan listrik. Untuk setiap pengurangan berat 100 kg, jangkauan jelajah kendaraan listrik dapat ditingkatkan sebesar 6% hingga 11% (hubungan antara pengurangan berat dan jangkauan jelajah ditunjukkan pada Gambar 10). Saat ini, jangkauan jelajah kendaraan listrik murni tidak dapat memenuhi kebutuhan kebanyakan orang, tetapi mengurangi berat dengan jumlah tertentu dapat secara signifikan meningkatkan jangkauan jelajah, mengurangi kecemasan jangkauan dan meningkatkan pengalaman pengguna.
5.Kesimpulan
Selain struktur aluminium murni pada truk boks paduan aluminium yang diperkenalkan dalam artikel ini, terdapat berbagai jenis truk boks, seperti panel sarang lebah aluminium, pelat gesper aluminium, rangka aluminium + rangka aluminium, dan kontainer kargo hibrida besi-aluminium. Keunggulan truk boks ini antara lain 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 berlebih, ketidakpatuhan terhadap pengumuman, dan risiko regulasi yang biasanya terjadi pada kompartemen kargo berbahan besi konvensional.
Ekstrusi merupakan metode pemrosesan penting untuk paduan aluminium, dan profil aluminium memiliki sifat mekanik yang sangat baik, sehingga kekakuan penampang komponennya relatif tinggi. Berkat penampang yang bervariasi, paduan aluminium dapat menggabungkan berbagai fungsi komponen, menjadikannya material yang baik untuk peringanan otomotif. Namun, penerapan paduan aluminium secara luas menghadapi tantangan seperti kemampuan desain yang kurang memadai untuk kompartemen kargo paduan aluminium, masalah pembentukan dan pengelasan, serta tingginya biaya pengembangan dan promosi untuk produk baru. Alasan utamanya tetaplah karena paduan aluminium lebih mahal daripada baja sebelum ekologi daur ulang paduan aluminium matang.
Kesimpulannya, cakupan aplikasi paduan aluminium pada otomotif akan semakin luas, dan penggunaannya akan terus meningkat. Dengan tren penghematan energi, pengurangan emisi, dan perkembangan industri kendaraan energi baru saat ini, dengan semakin mendalamnya pemahaman tentang sifat paduan aluminium dan solusi efektif untuk permasalahan aplikasi paduan aluminium, material ekstrusi aluminium akan semakin banyak digunakan dalam industri peringanan otomotif.
Diedit oleh May Jiang dari MAT Aluminum
Waktu posting: 12-Jan-2024
