Сочинение на тему Легкие материалы в автомобильной промышленности

Растущая обеспокоенность ценами на нефть и защитой окружающей среды от выбросов заставила автопроизводителей перейти на альтернативные легкие материалы, такие как Al и Mg, в качестве замены обычной стали и чугунам. В связи со строгими законами, наложенными на регулирование выбросов CO2, существует необходимость в разработке новых концепций или методологий для уменьшения общего веса транспортного средства и, следовательно, уменьшения загрязнения. В ходе исследований, проведенных в Европе, было обнаружено, что количество СО2 на километр может быть значительно уменьшено за счет уменьшения веса автомобиля. Следовательно, снижение веса транспортного средства играет важную роль в снижении расхода топлива и выбросов. Снижение веса может быть достигнуто в основном двумя способами; во-первых, путем изменения материалов, используемых в автомобиле; Второе – структурная оптимизация тела в белом (BIW). При выборе нового легкого материала необходимо учитывать несколько аспектов, таких как стоимость, свойства материала, влияние на дизайн продукта, производственный процесс и т. Д. Наиболее важно то, что некоторые параметры производительности, такие как динамика автомобиля, эксплуатационная прочность, ударопрочность и т. Д., Должны быть удовлетворительными. Оценка таких параметров может быть сделана с помощью тестирования физического прототипа окончательного проекта транспортного средства. Если производительность не соответствует ожидаемой, то необходимо улучшить структуру или изменить используемый материал и повторить процесс тестирования через обновленный физический прототип. Это продолжается, пока мы не получим модель с желаемой производительностью и значительным снижением веса. Это явно трудоемкий и дорогостоящий процесс, и поэтому числовые методы, такие как методы конечных элементов (FEM), используются для создания виртуальных прототипов и тестирования на компьютере без необходимости физического прототипа. Используя FEM в сочетании с методами оптимизации, такими как междисциплинарная оптимизация, конструкции могут быть оптимизированы для весовых и функциональных целей, таких как статические и динамические характеристики, на начальных этапах проектирования (Gaetano). Таким образом, время на разработку нового продукта с оптимизированным использованием материала может быть сокращено, одновременно с одновременным учетом множества дисциплин, таких как динамика вождения, структурная статика и ударопрочность и т. Д.

Алюминий:

Алюминий широко используется для производства различных подсистем автомобиля, таких как шасси, кузов в белом (BIW), трансмиссия и т. д.

Powertrain:

Трансмиссия в основном состоит из блоков двигателя, впускных коллекторов, головок цилиндров, корпусов трансмиссии и т. д. Алюминий обычно используется во всех этих компонентах трансмиссии в течение длительного времени, но его использование в блоке двигателя для уменьшения массы двигателя недавно началось , Поскольку двигатель будет работать при высоких температурах, требуется, чтобы материал обладал такими свойствами, как хорошая теплопроводность, усталостная прочность, виброустойчивость и т. Д., При повышенных температурах. Также для эффективного сгорания топлива с воздухом компоненты двигателя должны иметь очень хорошую устойчивость к утечкам. Поскольку Al обладает способностью удовлетворять всем вышеупомянутым требованиям, он эффективно используется при изготовлении компонентов силовой передачи.

Шасси:

Раньше шасси автомобиля было изготовлено из стали, что приводит к увеличению неподрессоренной массы автомобиля. Вибрационные характеристики автомобиля напрямую зависят от его неподрессоренной массы, чем меньше неподрессоренная масса, тем лучше будет комфорт при езде и безопасность благодаря лучшему контакту шины с дорогой. Поэтому автопроизводители начали использовать Al для компонентов шасси для снижения веса. Типичные компоненты шасси, такие как колеса, подвеска, тормозная система, топливная система и т. Д., Изготовлены из литого алюминия. В процессе литья очень важна скорость, с которой происходит затвердевание микроструктуры, и ее необходимо эффективно контролировать для получения отливок без дефектов. Кроме того, пористость и образование оксидных пленок можно устранить, избегая турбулентности во время заливки металла. Это достигается с помощью компьютерных потоков тепла и жидкости и надлежащего проектирования местоположения и геометрии литейных компонентов, таких как штифт литника, стояки и литники. Таким образом, могут быть получены алюминиевые отливки с очень хорошей усталостной и ударопрочностью. В шасси сплавы серии Al 5000 в основном используются из-за их хорошей способности к формованию, свариваемости и хорошей прочности после формования, а также высокой коррозионной стойкости даже без использования каких-либо покрытий. Однако, когда компоненты расположены рядом с источниками тепла, такими как двигатель или выхлопные системы, чтобы выдержать тепловые нагрузки, содержание магния в сплаве должно быть менее 3%, что в противном случае привело бы к межкристаллитной коррозии (IGC). На рисунке ниже показаны компоненты в шасси, изготовленные из серии Al 5000. Помимо этого, колеса также изготавливаются из литого алюминия, особенно в роскошных автомобилях, чтобы уменьшить вес и иметь превосходный внешний вид по индивидуальному дизайну. В случае тяжелой техники, такой как грузовые автомобили и строительная техника, где величина нагрузки высока, колеса изготавливаются из кованого алюминия для удовлетворения требований более высокой механической прочности. В целом применение Al в компонентах шасси не только снижает расход топлива, но и, что самое важное, повышает комфорт вождения и безопасность автомобиля.

Передняя часть:

Эффективная конструкция передней части помогает улучшить динамику вождения, а также способность автомобиля выдерживать ударные нагрузки. BMW удалось успешно использовать Al при изготовлении конструкции передней части и добиться снижения веса на 30% по сравнению со стальной конструкцией. Из рисунка ниже видно, что модули переднего конца изготавливаются с использованием различных технологий, таких как экструзия, литье и листовая штамповка, причем каждый из них имеет свой собственный вклад в удовлетворение требований прочности, жесткости и устойчивости к коррозии. Формируемость структуры может быть дополнительно улучшена путем увеличения содержания Mg в сплаве Al.

Body In White (BIW):

BIW, который ранее был изготовлен из стали, является самой тяжелой частью транспортного средства и составляет около трети всей массы автомобиля. Таким образом, автопроизводители обнаружили большой потенциал снижения веса всего автомобиля благодаря созданию BIW из алюминиевых сплавов. BIW в основном состоит из конструкции подошвы и подвесных частей, таких как дверь, капот, крыло и т. Д., Прикрепленных к конструкции с помощью болтов. Для изготовления BIW используются как алюминиевые сплавы серии 5000, так и 6000 в виде тонких листов, и выбор материала осуществляется на основе того, подвергается ли компонент тепловым нагрузкам или нет, а также того, является ли он частью внутренней или внешней структуры. Термообработанные сплавы Al 6000 с низким содержанием Mg используются для наружных панелей и подвесных деталей BIW, чтобы использовать тепло в процессе выпекания краски для упрочнения материала. Кроме того, можно придать очень хорошее качество поверхности и коррозионную стойкость, что очень важно для наружных панелей, поскольку они непосредственно подвергаются воздействию внешнего мира. В то время как для структуры BIW и внутренних панелей прочность и формуемость являются основными параметрами, и, поскольку они не подвергаются тепловым или тепловым нагрузкам, использование сплавов Al с высоким содержанием Mg является предпочтительным. Поэтому сплавы серии Al 5000 с содержанием Mg более 5% по массе были разработаны и успешно применяются в структурах BIW.

BIW автомобиля может быть спроектирован и изготовлен в основном двумя способами: во-первых, это конструкция, которая в основном изготавливается из процесса штамповки различных панелей кузова, которые свариваются друг с другом посредством точечной сварки. Другой метод представляет собой структуру BIW, в которой различные компоненты изготавливаются из разных производственных процессов, таких как литье металла, экструзия и, конечно, обычная штамповка. Для использования автономного процесса штамповки используемые алюминиевые листы должны быть достаточно выполнимыми, чтобы иметь возможность формировать необходимые сложные формы при разумных затратах. В следующем разделе представлены различные модели в отрасли, использующие различные методологии для производства BIW.

Применение Al в BIW нескольких моделей автомобилей:

Audi, являющаяся одним из ведущих производителей автомобилей в мире, использовала концепцию Space Frame для создания модели BIW A8, которая весит около 277 кг. Он имеет детали, изготовленные в основном методом экструзии, а также несколько компонентов изготавливаются из процессов литья и штамповки листового металла. Различные части соединяются друг с другом с использованием таких методов, как клепка, сварка инертным газом металла, лазерная сварка и адгезивы. Благодаря применению алюминиевых сплавов Audi смогла успешно снизить вес BIW на 40% и нашла концепцию Space Frame действительно эффективной. В конце концов они производят очень большие объемы автомобилей каждый год, используя ту же концепцию и с еще более легкими автомобилями.