1.소개
자동차 경량화는 선진국에서 시작되었으며 처음에는 전통적인 자동차 대기업이 주도했습니다. 지속적인 개발을 통해 상당한 추진력을 얻었습니다. 인도인들이 자동차 크랭크샤프트를 생산하기 위해 처음으로 알루미늄 합금을 사용한 때부터 1999년 아우디의 첫 번째 전체 알루미늄 자동차 대량 생산에 이르기까지 알루미늄 합금은 저밀도, 높은 비강도 및 강성과 같은 장점으로 인해 자동차 응용 분야에서 견고한 성장을 보였습니다. 탄성 및 충격 저항성이 우수하고 재활용성이 높으며 재생률이 높습니다. 2015년에는 이미 자동차에 알루미늄 합금이 적용되는 비율이 35%를 넘어섰습니다.
중국의 자동차 경량화가 시작된 지 10년도 채 되지 않아 기술과 적용 수준 모두 독일, 미국, 일본 등 선진국에 비해 뒤떨어져 있습니다. 그러나 신에너지 자동차의 개발로 인해 소재의 경량화가 빠르게 진행되고 있다. 신에너지 자동차의 부상을 활용하여 중국의 자동차 경량화 기술은 선진국을 따라잡는 추세를 보이고 있습니다.
중국의 경량소재 시장은 거대하다. 한편, 해외 선진국에 비해 중국의 경량화 기술은 늦게 시작되어 전체 차량의 연석 중량이 더 큽니다. 해외의 경량소재 비중을 기준으로 볼 때 중국에서는 아직 발전 여지가 충분하다. 한편, 정책에 따라 중국 신에너지 자동차 산업의 급속한 발전은 경량 소재에 대한 수요를 증가시키고 자동차 회사들이 경량화를 향해 나아가도록 장려할 것입니다.
배출가스 및 연비 기준의 개선으로 인해 자동차 경량화가 가속화되고 있습니다. 중국은 2020년에 China VI 배출가스 기준을 전면 시행했습니다. '승용차 연료 소비량 평가 방법 및 지표'와 '에너지 절약 및 신에너지 자동차 기술 로드맵'에 따라 연료 소비량 기준은 5.0L/km입니다. 엔진 기술과 배기가스 감소의 실질적인 혁신을 위한 제한된 공간을 고려하여 자동차 부품 경량화 조치를 채택하면 차량 배기가스 및 연료 소비를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 신에너지 차량의 경량화는 산업 발전을 위한 필수 경로가 되었습니다.
2016년 중국자동차공정학회는 2020년부터 2030년까지 신에너지 자동차의 에너지 소비, 항속거리, 제조재료 등의 요소를 계획한 '에너지 절약 및 신에너지 자동차 기술 로드맵'을 발표했다. 경량화가 핵심 방향이 될 것 미래의 신에너지 자동차 개발을 위해 경량화는 순항 범위를 늘리고 신에너지 차량의 "범위 불안"을 해결할 수 있습니다. 항해 범위 확장에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 경량화가 시급해지고 있으며 최근 몇 년간 신에너지 자동차 판매가 크게 증가했습니다. 점수 시스템의 요구 사항과 '자동차 산업 중장기 발전 계획'에 따르면 2025년까지 중국의 신에너지 자동차 판매량은 600만 대를 넘어 연평균 성장률을 달성할 것으로 예상됩니다. 38%를 넘는 비율이다.
2.알루미늄합금의 특성과 응용
2.1 알루미늄합금의 특성
알루미늄의 밀도는 강철의 3분의 1로 가볍습니다. 비강도가 높고 압출성이 우수하며 내식성이 강하고 재활용성이 높습니다. 알루미늄 합금은 마그네슘을 주성분으로 하여 내열성, 용접성, 피로강도가 우수하고 열처리로 강화되지 않으며 냉간가공을 통해 강도를 높이는 특성을 가지고 있습니다. 6시리즈는 마그네슘과 실리콘을 주성분으로 하고, Mg2Si를 강화상으로 하는 것이 특징입니다. 이 범주에서 가장 널리 사용되는 합금은 6063, 6061 및 6005A입니다. 5052 알루미늄 판은 AL-Mg 시리즈 합금 알루미늄 판으로 마그네슘을 주요 합금 원소로 사용합니다. 가장 널리 사용되는 녹슬지 않는 알루미늄 합금입니다. 이 합금은 강도가 높고 피로 강도가 높으며 가소성 및 내식성이 우수하고 열처리로 강화할 수 없으며 반냉간 가공 경화에서 가소성이 좋고 냉간 가공 경화에서 가소성이 낮으며 내식성이 좋고 용접 특성이 좋습니다. 주로 사이드 패널, 루프 커버, 도어 패널 등의 부품에 사용됩니다. 6063 알루미늄 합금은 AL-Mg-Si 시리즈의 열처리 가능한 강화 합금으로, 마그네슘과 실리콘을 주요 합금 원소로 사용합니다. 중간 강도의 열처리 가능한 강화 알루미늄 합금 프로파일로 주로 기둥 및 측면 패널과 같은 구조 부품에 사용되어 강도를 유지합니다. 알루미늄 합금 등급에 대한 소개는 표 1에 나와 있습니다.
2.2 압출은 알루미늄 합금의 중요한 성형 방법이다
알루미늄 합금 압출은 열간 성형 방법이며 전체 생산 공정에는 3방향 압축 응력 하에서 알루미늄 합금을 성형하는 과정이 포함됩니다. 전체 생산 공정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 알루미늄 및 기타 합금을 녹여 필요한 알루미늄 합금 빌렛으로 주조합니다. 비. 예열된 빌렛은 압출용 압출 장비에 투입됩니다. 메인 실린더의 작용에 따라 알루미늄 합금 빌렛이 금형의 공동을 통해 필요한 프로파일로 형성됩니다. 기음. 알루미늄 프로파일의 기계적 특성을 향상시키기 위해 압출 중 또는 압출 후에 용체화 처리를 수행한 후 시효 처리합니다. 노화 처리 후의 기계적 특성은 다양한 재료와 노화 방식에 따라 다릅니다. 박스형 트럭 프로파일의 열처리 상태는 Table 2와 같다.
알루미늄 합금 압출 제품은 다른 성형 방법에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.
에이. 압출하는 동안 압출된 금속은 압연 및 단조보다 변형 영역에서 더 강하고 균일한 3방향 압축 응력을 얻으므로 가공된 금속의 가소성을 충분히 발휘할 수 있습니다. 압연이나 단조로 가공할 수 없는 변형이 어려운 금속을 가공하는 데 사용할 수 있으며, 다양하고 복잡한 중공 또는 고체 단면 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
비. 알루미늄 프로파일의 형상은 다양할 수 있기 때문에 해당 구성 요소의 강성이 높아 차체의 강성을 향상시키고 NVH 특성을 감소시키며 차량 동적 제어 특성을 향상시킬 수 있습니다.
기음. 담금질 및 숙성 후 압출 효율성을 갖춘 제품은 다른 방법으로 가공된 제품보다 종방향 강도(R, Raz)가 상당히 높습니다.
디. 압출 후 제품 표면은 색상이 좋고 내식성이 우수하여 다른 부식 방지 표면 처리가 필요하지 않습니다.
이자형. 압출 가공은 뛰어난 유연성, 낮은 툴링 및 금형 비용, 낮은 설계 변경 비용을 제공합니다.
에프. 알루미늄 프로파일 단면의 제어 가능성으로 인해 부품 통합 정도가 증가하고 부품 수는 줄어들 수 있으며 다양한 단면 설계로 정확한 용접 위치 지정이 가능합니다.
박스형 트럭용 압출 알루미늄 프로파일과 일반 탄소강 간의 성능 비교는 표 3에 나와 있습니다.
박스형 트럭용 알루미늄 합금 프로파일의 다음 개발 방향: 프로파일 강도를 더욱 향상시키고 압출 성능을 향상시킵니다. 박스형 트럭용 알루미늄 합금 프로파일의 신소재 연구 방향은 그림 1에 나와 있습니다.
3.알루미늄 합금 박스트럭 구조, 강도 분석 및 검증
3.1 알루미늄 합금 박스 트럭 구조
박스 트럭 컨테이너는 주로 전면 패널 조립, 좌우 측면 패널 조립, 후면 도어 측면 패널 조립, 바닥 조립, 지붕 조립 및 U 자형 볼트, 측면 가드, 후면 가드, 머드 플랩 및 기타 액세서리로 구성됩니다. 2등급 섀시에 연결됩니다. 박스 본체 크로스빔, 기둥, 측면 빔 및 도어 패널은 알루미늄 합금 압출 프로파일로 만들어졌으며 바닥 및 지붕 패널은 5052 알루미늄 합금 평판으로 만들어졌습니다. 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 프로파일 설계로 재료를 절약하고 제품 강도 및 강성 요구 사항을 충족하며 상호 연결 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 다양한 구성 요소. 따라서 메인빔의 설계 구조와 단면 관성 모멘트 I 및 저항 모멘트 W를 그림 3에 나타내었다.
표 4의 주요 데이터를 비교하면 설계된 알루미늄 프로파일의 단면 관성 모멘트와 저항 모멘트가 철제 빔 프로파일의 해당 데이터보다 우수함을 알 수 있습니다. 강성 계수 데이터는 해당 철제 빔 프로파일의 데이터와 거의 동일하며 모두 변형 요구 사항을 충족합니다.
3.2 최대 응력 계산
주요 하중 지지 구성 요소인 가로보를 객체로 사용하여 최대 응력이 계산됩니다. 정격하중은 1.5 t이고 가로보는 Table 5와 같은 기계적 성질을 갖는 6063-T6 알루미늄 합금 프로파일로 제작하였다. 힘 계산을 위해 보를 캔틸레버 구조로 단순화한 것은 Figure 4와 같다.
344mm 스팬 빔을 사용하여 빔에 가해지는 압축 하중은 4.5t 기준 F=3757N으로 계산되며 이는 표준 정적 하중의 3배입니다. q=F/L
여기서 q는 하중을 받는 빔의 내부 응력, N/mm입니다. F는 표준 정적 하중인 4.5t의 3배를 기준으로 계산된 빔이 부담하는 하중입니다. L은 빔의 길이, mm입니다.
따라서 내부 응력 q는 다음과 같습니다.
응력 계산 공식은 다음과 같습니다.
최대 순간은 다음과 같습니다
모멘트의 절대값을 취하면 M=274283 N·mm, 최대 응력 σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, 최대 응력 값 σ<215 MPa로 요구 사항을 충족합니다.
3.3 각종 구성요소의 연결 특성
알루미늄 합금은 용접성이 좋지 않아 용접점 강도가 모재 강도의 60%에 불과합니다. 알루미늄 합금 표면에 Al2O3 층이 덮여 있기 때문에 Al2O3의 녹는점은 높고 알루미늄의 녹는점은 낮습니다. 알루미늄 합금을 용접할 때 표면의 Al2O3를 빨리 깨뜨려야 용접이 가능합니다. 동시에, Al2O3의 잔류물은 알루미늄 합금 용액에 남아 알루미늄 합금 구조에 영향을 미치고 알루미늄 합금 용접 지점의 강도를 감소시킵니다. 따라서 100% 알루미늄 용기를 설계할 때 이러한 특성을 충분히 고려합니다. 용접은 주요 위치 결정 방법이며 주요 하중 지지 구성 요소는 볼트로 연결됩니다. 리벳팅 및 더브테일 구조와 같은 연결은 그림 5와 6에 나와 있습니다.
전체가 알루미늄으로 된 박스체의 주요 구조는 수평빔, 수직기둥, 측면빔, 엣지빔이 서로 연동되는 구조를 채택하고 있다. 각 수평빔과 수직기둥 사이에는 4개의 연결점이 있습니다. 연결 지점에는 톱니 모양 개스킷이 장착되어 수평 빔의 톱니 모양 가장자리와 맞물려 미끄러짐을 효과적으로 방지합니다. 8개의 모서리 지점은 주로 강철 코어 인서트로 연결되고 볼트와 자동 잠금 리벳으로 고정되며 상자 내부에 용접된 5mm 삼각형 알루미늄 플레이트로 강화되어 내부적으로 모서리 위치를 강화합니다. 박스의 외관은 용접이나 연결점이 노출되지 않아 박스의 전체적인 외관을 보장합니다.
3.4 SE 동기공학 기술
SE 동기식 엔지니어링 기술은 박스 본체의 매칭 부품에 대한 큰 누적 크기 편차로 인한 문제와 틈 및 평탄도 불량의 원인을 찾기 어려운 문제를 해결하는 데 사용됩니다. CAE 분석(그림 7-8 참조)을 통해 철제 상자체와의 비교 분석을 실시하여 상자체의 전체적인 강성과 강성을 확인하고, 약점을 찾아내며, 설계 방식을 보다 효과적으로 최적화 및 개선할 수 있는 방안을 강구합니다. .
4.알루미늄 합금 박스트럭의 경량화 효과
박스 본체 외에도 머드가드, 리어 가드, 사이드 가드, 도어 래치, 도어 힌지, 리어 에이프런 엣지 등 박스형 트럭 컨테이너의 다양한 구성 요소에 알루미늄 합금을 사용하여 경량화를 달성할 수 있습니다. 화물칸의 경우 30~40%입니다. 빈 4080mm×2300mm×2200mm 화물 컨테이너에 대한 중량 감소 효과는 표 6에 나와 있습니다. 이는 기존 철제 화물칸의 과도한 중량, 공지 사항 미준수 및 규제 위험 문제를 근본적으로 해결합니다.
자동차 부품용 기존 철강을 알루미늄 합금으로 대체함으로써 탁월한 경량화 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 연료 절감, 배기가스 저감, 차량 성능 향상에도 기여할 수 있습니다. 현재 경량화가 연료 절감에 기여하는지에 대해서는 다양한 의견이 있습니다. 국제 알루미늄 연구소의 연구 결과는 그림 9에 나와 있습니다. 차량 중량이 10% 감소할 때마다 연료 소비가 6~8% 감소합니다. 국내 통계에 따르면 승용차 1대당 중량을 100kg 줄이면 연비를 0.4L/100km 줄일 수 있다. 연료 절감에 대한 경량화의 기여도는 다양한 연구 방법을 통해 얻은 결과를 기반으로 하므로 약간의 차이가 있습니다. 그러나 자동차 경량화는 연료 소비 감소에 큰 영향을 미칩니다.
전기차의 경우 경량화 효과가 더욱 두드러진다. 현재 전기 자동차 동력 배터리의 단위 에너지 밀도는 기존 액체 연료 자동차의 단위 에너지 밀도와 크게 다릅니다. 전기차의 동력시스템(배터리 포함)의 무게는 전체 차량 무게의 20~30%를 차지하는 경우가 많다. 동시에 배터리의 성능 병목 현상을 극복하는 것은 전 세계적인 과제입니다. 고성능 배터리 기술의 획기적인 발전이 있기 전에 경량화는 전기 자동차의 주행 거리를 향상시키는 효과적인 방법입니다. 무게가 100kg 감소할 때마다 전기자동차의 주행 가능 거리는 6~11% 증가할 수 있습니다(중량 감소와 주행 가능 거리의 관계는 그림 10에 나와 있습니다). 현재 순수 전기차의 항속거리는 대부분의 사람들의 요구를 충족시킬 수 없지만, 무게를 일정량 줄이면 항속거리가 크게 향상되어 주행거리 불안이 완화되고 사용자 경험이 향상될 수 있습니다.
5.결론
이번 글에서 소개한 알루미늄 합금 박스 트럭의 전체 알루미늄 구조 외에도 알루미늄 허니컴 패널, 알루미늄 버클 플레이트, 알루미늄 프레임+알루미늄 스킨, 철-알루미늄 하이브리드 화물 컨테이너 등 다양한 종류의 박스 트럭이 있습니다. . 경량, 높은 비강도, 우수한 내식성이라는 장점이 있으며 부식 방지를 위해 전기영동 페인트가 필요하지 않아 전기영동 페인트가 환경에 미치는 영향을 줄입니다. 알루미늄 합금 박스 트럭은 기존 철제 화물칸의 과도한 중량, 공지사항 미준수, 규제 위험 등의 문제를 근본적으로 해결합니다.
압출은 알루미늄 합금의 필수 가공 방법이며, 알루미늄 프로파일은 우수한 기계적 특성을 가지므로 부품의 단면 강성이 상대적으로 높습니다. 다양한 단면으로 인해 알루미늄 합금은 여러 구성 요소 기능의 조합을 달성할 수 있어 자동차 경량화에 적합한 소재입니다. 그러나 알루미늄 합금의 광범위한 적용은 알루미늄 합금 화물칸에 대한 설계 능력 부족, 성형 및 용접 문제, 신제품에 대한 높은 개발 및 판촉 비용 등의 문제에 직면해 있습니다. 주된 이유는 여전히 알루미늄 합금의 재활용 생태가 성숙되기 전에 알루미늄 합금의 가격이 강철보다 비싸기 때문입니다.
결론적으로, 자동차에 알루미늄 합금의 적용 범위는 더욱 넓어지고 그 활용도는 계속해서 증가할 것입니다. 에너지 절약, 배기가스 감소 및 신에너지 자동차 산업 발전의 현재 추세에서 알루미늄 합금 특성에 대한 깊은 이해와 알루미늄 합금 응용 문제에 대한 효과적인 솔루션을 통해 알루미늄 압출 재료는 자동차 경량화에 더욱 널리 사용될 것입니다.
MAT Aluminium의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2024년 1월 12일
