1.Pendahuluan
Pembobotan otomotif dimulai di negara-negara maju dan pada awalnya dipimpin oleh raksasa otomotif tradisional. Dengan perkembangan yang berkelanjutan, hal ini telah memperoleh momentum yang signifikan. Sejak orang India pertama kali menggunakan paduan aluminium untuk memproduksi poros engkol otomotif hingga produksi massal pertama mobil berbahan aluminium Audi pada tahun 1999, paduan aluminium telah mengalami pertumbuhan yang pesat dalam aplikasi otomotif karena keunggulannya seperti kepadatan rendah, kekuatan spesifik dan kekakuan yang tinggi, elastisitas yang baik dan ketahanan benturan, kemampuan daur ulang yang tinggi, dan tingkat regenerasi yang tinggi. Pada tahun 2015, proporsi penggunaan paduan aluminium pada mobil telah melebihi 35%.
Perlambatan otomotif di Tiongkok dimulai kurang dari 10 tahun yang lalu, dan tingkat teknologi dan penerapannya masih tertinggal dibandingkan negara-negara maju seperti Jerman, Amerika Serikat, dan Jepang. Namun, dengan berkembangnya kendaraan energi baru, pengurangan material mengalami kemajuan pesat. Memanfaatkan kebangkitan kendaraan energi baru, teknologi ringan otomotif Tiongkok menunjukkan tren untuk mengejar ketertinggalan dari negara-negara maju.
Pasar material ringan Tiongkok sangat luas. Di satu sisi, dibandingkan dengan negara-negara maju di luar negeri, teknologi bobot ringan Tiongkok dimulai terlambat, dan bobot kendaraan secara keseluruhan lebih besar. Mengingat standar proporsi material ringan di luar negeri, masih terdapat banyak ruang untuk pengembangan di Tiongkok. Di sisi lain, didorong oleh kebijakan, pesatnya perkembangan industri kendaraan energi baru di Tiongkok akan meningkatkan permintaan bahan ringan dan mendorong perusahaan otomotif untuk beralih ke bahan yang lebih ringan.
Peningkatan standar emisi dan konsumsi bahan bakar memaksa percepatan bobot ringan otomotif. 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 adalah 5,0 L/km. Mempertimbangkan terbatasnya ruang untuk terobosan besar dalam teknologi mesin dan pengurangan emisi, penerapan langkah-langkah terhadap komponen otomotif yang ringan dapat secara efektif mengurangi emisi kendaraan dan konsumsi bahan bakar. Meringankan kendaraan energi baru telah menjadi jalur penting bagi pengembangan industri.
Pada tahun 2016, China Automotive Engineering Society mengeluarkan “Peta Jalan Teknologi Kendaraan Hemat Energi dan Energi Baru,” yang merencanakan faktor-faktor seperti konsumsi energi, daya jelajah, dan bahan pembuatan kendaraan energi baru dari tahun 2020 hingga 2030. Pembobotan ringan akan menjadi arah utama untuk pengembangan kendaraan energi baru di masa depan. Ringan dapat meningkatkan jangkauan jelajah dan mengatasi “kecemasan jangkauan” pada kendaraan energi baru. Dengan meningkatnya permintaan akan daya jelajah yang lebih jauh, bobot otomotif yang lebih ringan menjadi penting, dan penjualan kendaraan energi baru telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Menurut persyaratan sistem penilaian dan “Rencana Pembangunan Jangka Menengah dan Jangka Panjang untuk Industri Otomotif,” diperkirakan pada tahun 2025, penjualan kendaraan energi baru di Tiongkok akan melebihi 6 juta unit, dengan pertumbuhan tahunan gabungan. tingkat melebihi 38%.
2. Karakteristik dan Aplikasi Paduan Aluminium
2.1 Karakteristik Paduan Aluminium
Kepadatan aluminium sepertiga dari baja, sehingga lebih ringan. Ini memiliki kekuatan spesifik yang lebih tinggi, kemampuan ekstrusi yang baik, ketahanan korosi yang kuat, dan kemampuan daur ulang yang tinggi. Paduan aluminium ditandai dengan komposisi utama magnesium, menunjukkan ketahanan panas yang baik, sifat pengelasan yang baik, kekuatan lelah yang baik, ketidakmampuan untuk diperkuat dengan perlakuan panas, dan kemampuan untuk meningkatkan kekuatan melalui pengerjaan dingin. Seri 6 dicirikan karena komposisi utamanya terdiri 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 merupakan pelat aluminium paduan seri AL-Mg, dengan magnesium sebagai elemen paduan utamanya. 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 pada pengerasan kerja semi dingin, plastisitas rendah pada pengerasan kerja dingin, ketahanan korosi yang baik, dan sifat pengelasan yang baik. Hal ini terutama digunakan untuk komponen seperti panel samping, penutup atap, dan panel pintu. Paduan aluminium 6063 adalah paduan penguat yang dapat diberi perlakuan panas dalam seri AL-Mg-Si, dengan magnesium dan silikon sebagai elemen paduan utama. Ini adalah profil paduan aluminium penguat yang dapat diberi perlakuan panas dengan kekuatan sedang, terutama digunakan pada komponen struktural seperti kolom dan panel samping untuk memberikan kekuatan. Pengenalan nilai 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. Keseluruhan proses produksi dapat digambarkan sebagai berikut: a. Aluminium dan paduan lainnya dilebur dan dituangkan ke dalam billet paduan aluminium yang dibutuhkan; B. Billet yang sudah dipanaskan dimasukkan ke dalam peralatan ekstrusi untuk ekstrusi. Di bawah aksi silinder utama, billet paduan aluminium dibentuk menjadi profil yang diperlukan 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 menurut bahan dan kondisi 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 dibandingkan dengan penggulungan dan penempaan, sehingga dapat sepenuhnya memainkan plastisitas logam yang diproses. Ini dapat digunakan untuk memproses logam yang sulit berubah bentuk yang tidak dapat diproses dengan cara digulung atau ditempa dan dapat digunakan untuk membuat berbagai komponen penampang berongga atau padat yang kompleks.
B. Karena geometri profil aluminium dapat divariasikan, komponen-komponennya mempunyai kekakuan yang tinggi, yang dapat meningkatkan kekakuan bodi kendaraan, mengurangi karakteristik NVH, dan meningkatkan karakteristik pengendalian dinamis kendaraan.
C. Produk dengan efisiensi ekstrusi, setelah pendinginan dan penuaan, memiliki kekuatan longitudinal (R, Raz) yang jauh lebih tinggi dibandingkan produk yang diproses dengan metode lain.
D. Permukaan produk setelah ekstrusi memiliki warna yang bagus dan ketahanan korosi yang baik, sehingga menghilangkan kebutuhan akan perawatan permukaan anti korosi lainnya.
e. Pemrosesan ekstrusi memiliki fleksibilitas yang tinggi, biaya perkakas dan cetakan yang rendah, serta biaya perubahan desain yang rendah.
F. Karena pengendalian penampang profil aluminium, tingkat integrasi komponen dapat ditingkatkan, jumlah komponen dapat dikurangi, dan desain penampang yang berbeda dapat mencapai posisi pengelasan yang tepat.
Perbandingan kinerja antara profil aluminium ekstrusi untuk truk tipe kotak dan baja karbon polos ditunjukkan pada Tabel 3.
Arah Pengembangan Berikutnya Profil Paduan Aluminium untuk Truk Tipe Kotak: Lebih meningkatkan kekuatan profil dan meningkatkan kinerja ekstrusi. Arah penelitian material baru 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
Kontainer truk boks 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, penutup lumpur, dan aksesoris lainnya. terhubung ke sasis kelas dua. Balok silang bodi kotak, 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.
Menggunakan proses ekstrusi panas dari 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, desain struktur balok utama dan momen inersia penampang I dan momen penahan W ditunjukkan pada Gambar 3.
Perbandingan data utama pada Tabel 4 menunjukkan bahwa momen inersia dan momen tahanan penampang profil aluminium yang dirancang lebih baik dibandingkan dengan data profil balok besi. Data koefisien kekakuan kira-kira sama dengan data profil balok besi yang bersangkutan, dan semuanya memenuhi persyaratan deformasi.
3.2 Perhitungan Stres Maksimum
Dengan mengambil komponen penahan beban utama, yaitu balok melintang, sebagai objek, maka tegangan maksimum dihitung. Beban pengenal adalah 1,5 t, dan balok melintang terbuat dari profil paduan aluminium 6063-T6 dengan sifat mekanik seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5. Balok disederhanakan sebagai struktur kantilever untuk perhitungan gaya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Dengan mengambil balok bentang 344mm, beban tekan pada balok dihitung sebagai F=3757 N berdasarkan 4,5t, yaitu tiga kali beban statis standar. q=F/L
dimana q adalah tegangan dalam balok yang terkena 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:
Dengan mengambil nilai mutlak momen M=274283 N·mm, tegangan maksimum σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, dan nilai tegangan maksimum σ<215 MPa yang memenuhi syarat.
3.3 Karakteristik Sambungan Berbagai Komponen
Paduan aluminium memiliki sifat pengelasan yang buruk, dan kekuatan titik pengelasannya hanya 60% dari kekuatan bahan dasar. Karena tertutupnya lapisan Al2O3 pada permukaan paduan aluminium, maka titik leleh Al2O3 tinggi, sedangkan titik leleh aluminium rendah. Saat paduan aluminium dilas, Al2O3 di permukaan harus segera dipecah untuk melakukan pengelasan. Pada saat yang sama, residu Al2O3 akan tetap berada dalam larutan paduan aluminium, mempengaruhi struktur paduan aluminium dan mengurangi kekuatan titik pengelasan paduan aluminium. Oleh karena itu, ketika merancang wadah yang seluruhnya terbuat dari aluminium, karakteristik ini dipertimbangkan sepenuhnya. Pengelasan adalah metode penentuan posisi utama, dan komponen penahan beban utama dihubungkan dengan baut. Sambungan seperti struktur paku keling dan pas ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6.
Struktur utama bodi kotak yang seluruhnya terbuat dari aluminium mengadopsi struktur dengan balok horizontal, pilar vertikal, balok samping, dan balok tepi yang saling bertautan. Ada empat titik penghubung antara setiap balok horizontal dan pilar vertikal. Titik sambungan dilengkapi dengan gasket bergerigi agar menyatu dengan tepi bergerigi balok horizontal, sehingga secara efektif mencegah tergelincir. Delapan titik sudut sebagian besar dihubungkan dengan sisipan inti baja, dipasang dengan baut dan paku keling yang dapat 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, sehingga memastikan tampilan kotak secara keseluruhan.
3.4 SE Teknologi Rekayasa Sinkron
Teknologi rekayasa sinkron SE digunakan untuk mengatasi masalah yang disebabkan oleh akumulasi deviasi ukuran yang besar untuk mencocokkan komponen di badan kotak dan kesulitan dalam menemukan penyebab kesenjangan dan kegagalan kerataan. Melalui analisis CAE (lihat Gambar 7-8), analisis perbandingan dilakukan dengan badan kotak berbahan besi untuk memeriksa kekuatan dan kekakuan badan kotak secara keseluruhan, menemukan titik lemah, dan mengambil tindakan untuk mengoptimalkan dan meningkatkan skema desain secara lebih efektif. .
4. Efek Ringan dari 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. sebesar 30% hingga 40% untuk kompartemen kargo. Efek pengurangan berat untuk kontainer kargo kosong berukuran 4080mm×2300mm×2200mm ditunjukkan pada Tabel 6. Hal ini secara mendasar memecahkan masalah kelebihan berat, ketidakpatuhan terhadap pengumuman, dan risiko peraturan pada kompartemen kargo tradisional yang terbuat dari besi.
Dengan mengganti baja tradisional dengan paduan aluminium untuk komponen otomotif, tidak hanya efek ringan yang sangat baik dapat dicapai, namun juga dapat berkontribusi pada penghematan bahan bakar, pengurangan emisi, dan peningkatan kinerja kendaraan. Saat ini terdapat beragam pendapat mengenai kontribusi bobot ringan terhadap penghematan bahan bakar. Hasil penelitian International Aluminium Institute ditunjukkan pada Gambar 9. Setiap pengurangan bobot kendaraan sebesar 10% dapat menurunkan konsumsi bahan bakar sebesar 6% hingga 8%. Berdasarkan statistik dalam negeri, pengurangan bobot setiap mobil penumpang sebanyak 100 kg dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sebesar 0,4 L/100 km. Kontribusi bobot ringan terhadap penghematan bahan bakar didasarkan pada hasil yang diperoleh dari metode penelitian yang berbeda, sehingga terdapat beberapa variasi. Namun bobot ringan otomotif berdampak signifikan terhadap pengurangan konsumsi bahan bakar.
Untuk kendaraan listrik, efek bobotnya lebih terasa. Saat ini, kepadatan energi satuan baterai tenaga kendaraan listrik sangat berbeda dengan kendaraan berbahan bakar cair tradisional. Berat sistem tenaga (termasuk baterai) kendaraan listrik seringkali mencapai 20% hingga 30% dari total berat kendaraan. Pada saat yang sama, mengatasi hambatan kinerja baterai merupakan tantangan dunia. Sebelum ada terobosan besar dalam teknologi baterai performa tinggi, bobot yang lebih ringan merupakan cara yang efektif untuk meningkatkan daya jelajah kendaraan listrik. Untuk setiap pengurangan bobot 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, namun mengurangi bobot hingga jumlah tertentu dapat meningkatkan daya jelajah secara signifikan, mengurangi kecemasan akan jangkauan, dan meningkatkan pengalaman pengguna.
5.Kesimpulan
Selain struktur truk boks paduan aluminium yang diperkenalkan dalam artikel ini, terdapat berbagai jenis truk boks, seperti panel sarang lebah aluminium, pelat gesper aluminium, rangka aluminium + kulit aluminium, dan kontainer kargo hibrida besi-aluminium. . Mereka memiliki keunggulan ringan, kekuatan spesifik tinggi, dan ketahanan korosi yang baik, dan tidak memerlukan cat elektroforesis untuk perlindungan korosi, sehingga mengurangi dampak lingkungan dari cat elektroforesis. Truk boks paduan aluminium secara mendasar memecahkan masalah bobot yang berlebihan, ketidakpatuhan terhadap pengumuman, dan risiko peraturan pada kompartemen kargo tradisional yang terbuat dari besi.
Ekstrusi merupakan metode pengolahan penting untuk paduan aluminium, dan profil aluminium memiliki sifat mekanik yang sangat baik, sehingga kekakuan bagian komponen relatif tinggi. Karena penampangnya yang bervariasi, paduan aluminium dapat mencapai kombinasi beberapa fungsi komponen, menjadikannya bahan yang baik untuk bobot ringan 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 karena paduan aluminium harganya lebih mahal daripada baja sebelum ekologi daur ulang paduan aluminium menjadi matang.
Kesimpulannya, cakupan penerapan paduan aluminium pada mobil akan semakin luas, dan penggunaannya akan terus meningkat. Dalam tren penghematan energi, pengurangan emisi, dan perkembangan industri kendaraan energi baru saat ini, dengan pemahaman yang lebih mendalam tentang sifat paduan aluminium dan solusi efektif untuk masalah penerapan paduan aluminium, bahan ekstrusi aluminium akan lebih banyak digunakan dalam bobot ringan otomotif.
Diedit oleh May Jiang dari MAT Aluminium
Waktu posting: 12 Januari 2024
