1. 서론
자동차 경량화는 선진국에서 시작되어 초기에는 기존 자동차 대기업들이 주도했습니다. 하지만 지속적인 발전으로 상당한 추진력을 얻었습니다. 인도에서 최초로 알루미늄 합금을 사용하여 자동차 크랭크샤프트를 생산한 이후, 1999년 아우디가 최초로 100% 알루미늄 자동차를 양산하기까지, 알루미늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도 및 강성, 우수한 탄성 및 내충격성, 높은 재활용성, 높은 재생률 등의 장점으로 인해 자동차 분야에서 꾸준히 성장해 왔습니다. 2015년에는 자동차에서 알루미늄 합금의 적용 비중이 이미 35%를 넘어섰습니다.
중국의 자동차 경량화는 10년도 채 되지 않아 기술 및 적용 수준 모두 독일, 미국, 일본 등 선진국에 비해 뒤처져 있습니다. 그러나 신에너지 자동차의 발전과 함께 소재 경량화도 빠르게 진행되고 있습니다. 신에너지 자동차의 부상에 힘입어 중국의 자동차 경량화 기술은 선진국을 따라잡는 추세를 보이고 있습니다.
중국의 경량 소재 시장은 광활합니다. 한편으로는 해외 선진국에 비해 중국의 경량화 기술은 뒤늦게 시작되었고, 차량 전체의 공차 중량도 더 큽니다. 해외의 경량 소재 비중을 기준으로 볼 때, 중국은 여전히 발전 여지가 충분합니다. 다른 한편으로는, 정책적 지원에 힘입어 중국 신에너지 자동차 산업의 급속한 발전은 경량 소재 수요를 촉진하고 자동차 기업들의 경량화 추진을 촉진할 것입니다.
배출가스 및 연비 기준의 개선은 자동차 경량화 가속화를 촉진하고 있습니다. 중국은 2020년에 중국 6차 배출가스 기준을 전면 시행했습니다. "승용차 연비 평가 방법 및 지표"와 "에너지 절약 및 신에너지 자동차 기술 로드맵"에 따르면, 연비 기준은 5.0L/km입니다. 엔진 기술 및 배출가스 감축 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있는 여력이 제한적이라는 점을 고려할 때, 자동차 부품 경량화 조치를 도입하면 차량 배출가스와 연비를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 신에너지 자동차 경량화는 업계 발전의 필수 요소가 되었습니다.
2016년 중국 자동차 공정학회는 "에너지 절약 및 신에너지 자동차 기술 로드맵"을 발표하여 2020년부터 2030년까지 신에너지 자동차의 에너지 소비, 항속 거리, 제조 재료 등의 요소를 계획했습니다. 경량화는 신에너지 자동차의 미래 개발에 중요한 방향이 될 것입니다. 경량화는 항속 거리를 늘리고 신에너지 자동차의 "항속 거리 불안"을 해소할 수 있습니다. 연장된 항속 거리에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 경량화가 시급해졌고 최근 몇 년 동안 신에너지 자동차의 판매가 크게 증가했습니다. 점수 시스템의 요구 사항과 "자동차 산업 중장기 발전 계획"에 따르면 2025년까지 중국의 신에너지 자동차 판매가 600만 대를 넘어 연평균 성장률이 38%를 초과할 것으로 추산됩니다.
2. 알루미늄 합금의 특성 및 응용 분야
2.1 알루미늄 합금의 특성
알루미늄의 밀도는 강철의 3분의 1로 가볍습니다.비강도가 더 높고, 압출성이 우수하며, 내식성이 강하고, 재활용성이 높습니다.알루미늄 합금은 주로 마그네슘으로 구성되어 내열성, 용접성, 피로 강도가 우수하고, 열처리로 강화할 수 없으며, 냉간 가공을 통해 강도를 높일 수 있다는 특징이 있습니다.6 시리즈는 주로 마그네슘과 실리콘으로 구성되며, 주요 강화상으로 Mg2Si가 있습니다.이 범주에서 가장 널리 사용되는 합금은 6063, 6061 및 6005A입니다.5052 알루미늄 판은 마그네슘을 주요 합금 원소로 하는 AL-Mg 계열 합금 알루미늄 판입니다.가장 널리 사용되는 방청 알루미늄 합금입니다.이 합금은 고강도, 피로 강도, 우수한 가소성 및 내식성을 가지며, 열처리로 강화할 수 없으며, 반냉간 가공 경화에서 우수한 가소성을 가지며, 냉간 가공 경화에서 낮은 가소성을 가지며, 우수한 내식성 및 우수한 용접성을 갖습니다. 주로 측면 패널, 루프 커버, 도어 패널과 같은 부품에 사용됩니다. 6063 알루미늄 합금은 AL-Mg-Si 계열의 열처리 강화 합금으로, 마그네슘과 실리콘을 주요 합금 원소로 사용합니다. 중간 강도의 열처리 강화 알루미늄 합금 프로파일로, 기둥이나 측면 패널과 같은 구조 부품에 주로 사용되어 강도를 유지합니다. 알루미늄 합금 등급에 대한 소개는 표 1에 나와 있습니다.
2.2 압출은 알루미늄 합금의 중요한 성형 방법입니다.
알루미늄 합금 압출은 열간 성형 방법으로, 전체 생산 공정은 3방향 압축 응력 하에서 알루미늄 합금을 성형하는 것을 포함합니다.전체 생산 공정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.a. 알루미늄 및 기타 합금을 용융하여 필요한 알루미늄 합금 빌렛으로 주조합니다.b. 예열된 빌렛을 압출 장비에 넣어 압출합니다.메인 실린더의 작용 하에 알루미늄 합금 빌렛은 금형의 캐비티를 통해 필요한 프로파일로 성형됩니다.c. 알루미늄 프로파일의 기계적 성질을 향상시키기 위해 압출 중 또는 압출 후에 용체화 처리를 한 후 시효 처리를 합니다.시효 처리 후의 기계적 성질은 재료 및 시효 처리 방식에 따라 다릅니다.박스형 트럭 프로파일의 열처리 상태는 표 2에 나와 있습니다.
알루미늄 합금 압출 제품은 다른 성형 방법에 비해 여러 가지 장점이 있습니다.
a. 압출 과정에서 압출된 금속은 압연이나 단조보다 변형 영역에서 더 강하고 균일한 삼방 압축 응력을 얻게 되므로, 가공된 금속의 소성을 충분히 발휘할 수 있습니다. 압연이나 단조로는 가공할 수 없는 변형이 어려운 금속을 가공하는 데 사용할 수 있으며, 다양하고 복잡한 중공 또는 중실 단면 부품을 제작하는 데에도 사용할 수 있습니다.
b. 알루미늄 프로파일은 기하학적 구조가 다양할 수 있기 때문에 부품의 강성이 높아 차체의 강성을 향상시키고, NVH 특성을 낮추며, 차량 동적 제어 특성을 개선할 수 있습니다.
c. 압출 효율이 높은 제품은 담금질 및 시효 처리 후 다른 방법으로 가공한 제품보다 종방향 강도(R, Raz)가 상당히 높습니다.
d. 압출 후 제품 표면은 색상이 좋고 내식성이 우수하여 별도의 부식 방지 표면 처리가 필요 없습니다.
e. 압출 가공은 유연성이 뛰어나고, 툴링 및 금형 비용이 낮으며, 설계 변경 비용도 낮습니다.
f. 알루미늄 프로파일 단면의 제어가 가능하므로 부품 집적도를 높이고, 부품 수를 줄일 수 있으며, 다양한 단면 설계를 통해 정밀한 용접 위치를 확보할 수 있습니다.
상자형 트럭용 압출 알루미늄 프로파일과 일반 탄소강의 성능 비교는 표 3에 나와 있습니다.
박스형 트럭용 알루미늄 합금 프로파일의 다음 개발 방향: 프로파일 강도 향상 및 압출 성능 향상. 박스형 트럭용 알루미늄 합금 프로파일 신소재 연구 방향은 그림 1에 제시되어 있습니다.
3. 알루미늄 합금 박스 트럭 구조, 강도 해석 및 검증
3.1 알루미늄 합금 박스 트럭 구조
박스 트럭 컨테이너는 주로 전면 패널 조립, 좌우측 측면 패널 조립, 후면 도어 측면 패널 조립, 바닥 조립, 루프 조립, 그리고 U자형 볼트, 사이드 가드, 리어 가드, 머드플랩 및 2등 섀시에 연결된 기타 부속품으로 구성됩니다. 박스 차체의 크로스 빔, 필러, 사이드 빔, 도어 패널은 알루미늄 합금 압출 프로파일로 제작되고, 바닥 및 루프 패널은 5052 알루미늄 합금 평판으로 제작됩니다. 알루미늄 합금 박스 트럭의 구조는 그림 2에 나와 있습니다.
6 시리즈 알루미늄 합금의 열간 압출 공정을 사용하면 복잡한 중공 단면을 형성할 수 있으며, 복잡한 단면을 가진 알루미늄 프로파일을 설계하면 재료비를 절감하고 제품 강도 및 강성 요건을 충족하며 다양한 부품 간의 상호 연결 요건을 충족할 수 있습니다. 따라서 주보 설계 구조와 단면 관성 모멘트 I, 저항 모멘트 W는 그림 3에 나와 있습니다.
표 4의 주요 데이터를 비교해보면, 설계된 알루미늄 프로파일의 단면 관성 모멘트와 저항 모멘트가 철제 보 프로파일의 해당 데이터보다 우수함을 알 수 있습니다. 강성 계수 데이터는 해당 철제 보 프로파일의 데이터와 거의 동일하며, 모두 변형 요건을 충족합니다.
3.2 최대 응력 계산
주요 하중 지지 부재인 가로보를 기준으로 최대 응력을 계산합니다. 정격 하중은 1.5t이며, 가로보는 표 5와 같은 기계적 특성을 가진 6063-T6 알루미늄 합금 프로파일로 제작되었습니다. 가로보는 그림 4와 같이 하중 계산을 위해 캔틸레버 구조로 단순화되었습니다.
344mm 스팬 보를 사용할 경우 보의 압축 하중은 4.5t를 기준으로 F=3757N으로 계산되며, 이는 표준 정적 하중의 3배입니다. q=F/L
여기서 q는 하중 하의 보의 내부 응력, N/mm입니다. F는 보가 지지하는 하중으로, 표준 정적 하중인 4.5t의 3배를 기준으로 계산됩니다. L은 보의 길이, mm입니다.
따라서 내부 응력 q는 다음과 같습니다.
응력 계산 공식은 다음과 같습니다.
최대 모멘트는 다음과 같습니다.
모멘트의 절대값을 취하면 M=274283 N·mm, 최대응력 σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, 최대응력값 σ<215 MPa로 요구사항을 만족한다.
3.3 다양한 구성 요소의 연결 특성
알루미늄 합금은 용접 특성이 좋지 않아 용접점 강도가 모재 강도의 60%에 불과합니다. 알루미늄 합금 표면에 Al₂O₃ 층이 덮여 있어 Al₂O₃의 융점은 높은 반면 알루미늄의 융점은 낮습니다. 알루미늄 합금을 용접할 때, 표면의 Al₂O₃를 빠르게 분해하여 용접해야 합니다. 동시에 Al₂O₃ 잔류물이 알루미늄 합금 용액에 남아 알루미늄 합금 구조에 영향을 미치고 알루미늄 합금 용접점의 강도를 저하시킵니다. 따라서 알루미늄으로만 제작된 용기를 설계할 때는 이러한 특성을 충분히 고려해야 합니다. 용접은 주요 위치 결정 방법이며, 주요 하중 지지 부품은 볼트로 연결됩니다. 리벳팅 및 더브테일 구조와 같은 연결은 그림 5와 6에 나와 있습니다.
전체 알루미늄 박스 본체의 주요 구조는 수평 보, 수직 기둥, 측면 보, 그리고 모서리 보가 서로 맞물리는 구조를 채택했습니다. 각 수평 보와 수직 기둥 사이에는 4개의 연결 지점이 있습니다. 연결 지점에는 톱니 모양의 개스킷이 장착되어 수평 보의 톱니 모양 가장자리와 맞물려 미끄러짐을 효과적으로 방지합니다. 8개의 모서리 지점은 주로 강철 코어 인서트로 연결되며, 볼트와 셀프락 리벳으로 고정됩니다. 또한, 박스 내부에 용접된 5mm 삼각형 알루미늄 판으로 보강되어 내부 모서리 위치를 강화합니다. 박스의 외관에는 용접이나 노출된 연결 지점이 없어 박스의 전체적인 외관을 보장합니다.
3.4 SE 동기 엔지니어링 기술
SE 동기 엔지니어링 기술은 박스 차체 내 매칭 부품의 누적된 치수 편차가 크고, 틈새 및 평탄도 불량의 원인을 찾는 데 어려움을 겪는 문제를 해결하는 데 사용됩니다. CAE 해석(그림 7-8 참조)을 통해 철제 박스 차체와 비교 해석을 수행하여 박스 차체의 전반적인 강도와 강성을 확인하고, 취약점을 파악하며, 설계 계획을 더욱 효과적으로 최적화하고 개선하기 위한 조치를 취합니다.
4. 알루미늄 합금 박스 트럭의 경량화 효과
알루미늄 합금은 박스형 트럭 컨테이너의 머드가드, 리어 가드, 사이드 가드, 도어 래치, 도어 힌지, 리어 에이프런 엣지 등 다양한 부품에 강철을 대체하여 화물칸 무게를 30~40%까지 줄일 수 있습니다. 4080mm×2300mm×2200mm 크기의 빈 화물 컨테이너에 대한 무게 감소 효과는 표 6에 제시되어 있습니다. 이는 기존 철제 화물칸의 과도한 무게, 안내 방송 미준수, 규제 위험 등의 문제를 근본적으로 해결합니다.
자동차 부품에 기존 강철을 알루미늄 합금으로 대체하면 탁월한 경량화 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 연료 절감, 배출가스 저감, 차량 성능 향상에도 기여할 수 있습니다. 현재 경량화가 연료 절감에 미치는 영향에 대해서는 다양한 의견이 제시되고 있습니다. 국제알루미늄연구소(IAIL)의 연구 결과는 그림 9에 나와 있습니다. 차량 무게가 10% 감소할 때마다 연료 소비량은 6~8% 감소합니다. 국내 통계에 따르면 승용차 한 대의 무게를 100kg 줄이면 연료 소비량을 100km당 0.4L 줄일 수 있습니다. 경량화가 연료 절감에 미치는 영향은 다양한 연구 방법을 통해 얻은 결과에 기반하므로 다소 차이가 있습니다. 그러나 자동차 경량화는 연료 소비량 감소에 상당한 영향을 미칩니다.
전기 자동차의 경우 경량화 효과는 더욱 두드러집니다. 현재 전기 자동차용 배터리의 단위 에너지 밀도는 기존 액체 연료 자동차와 크게 다릅니다. 전기 자동차의 전력 시스템(배터리 포함) 무게는 전체 차량 무게의 20%에서 30%를 차지하는 경우가 많습니다. 동시에 배터리의 성능 병목 현상을 극복하는 것은 전 세계적인 과제입니다. 고성능 배터리 기술의 획기적인 발전이 있기 전에 경량화는 전기 자동차의 주행 거리를 개선하는 효과적인 방법입니다. 무게가 100kg 감소할 때마다 전기 자동차의 주행 거리는 6%에서 11%까지 증가할 수 있습니다(무게 감소와 주행 거리의 관계는 그림 10에 나와 있습니다). 현재 순수 전기 자동차의 주행 거리는 대부분의 사람들의 요구를 충족시키지 못하지만, 무게를 일정량 줄이면 주행 거리를 크게 개선하여 주행 거리 불안을 완화하고 사용자 경험을 향상시킬 수 있습니다.
5. 결론
본 기사에서 소개하는 알루미늄 합금 박스 트럭의 100% 알루미늄 구조 외에도 알루미늄 허니콤 패널, 알루미늄 버클 플레이트, 알루미늄 프레임 + 알루미늄 스킨, 철-알루미늄 하이브리드 화물 컨테이너 등 다양한 유형의 박스 트럭이 있습니다. 이러한 박스 트럭은 가볍고 비강도가 높으며 내식성이 우수하다는 장점이 있으며, 부식 방지를 위한 전기영동 도료가 필요 없어 전기영동 도료의 환경 영향을 줄입니다. 알루미늄 합금 박스 트럭은 기존 철제 화물칸의 과중량, 공고 미준수, 규제 위험 등의 문제를 근본적으로 해결합니다.
압출은 알루미늄 합금의 필수적인 가공 방식이며, 알루미늄 프로파일은 우수한 기계적 성질을 가지고 있어 부품의 단면 강성이 비교적 높습니다. 다양한 단면적 덕분에 알루미늄 합금은 여러 부품의 기능을 결합할 수 있어 자동차 경량화에 적합한 소재입니다. 그러나 알루미늄 합금의 광범위한 적용은 알루미늄 합금 화물칸 설계 능력 부족, 성형 및 용접 문제, 신제품 개발 및 홍보 비용 증가 등의 어려움에 직면하고 있습니다. 주된 이유는 알루미늄 합금의 재활용 생태계가 성숙되기 전까지는 알루미늄 합금의 가격이 강철보다 여전히 높기 때문입니다.
결론적으로, 자동차에서 알루미늄 합금의 적용 범위는 더욱 확대될 것이며, 그 사용량도 지속적으로 증가할 것입니다. 에너지 절약, 배기가스 저감, 그리고 신에너지 자동차 산업의 발전이라는 최근 추세 속에서, 알루미늄 합금의 특성에 대한 이해가 깊어지고 알루미늄 합금 적용 문제에 대한 효과적인 해결책이 제시됨에 따라, 알루미늄 압출 소재는 자동차 경량화에 더욱 폭넓게 활용될 것입니다.
MAT Aluminum의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2024년 1월 12일
