1. Introduction
L’allégement automobile a commencé dans les pays développés et a été initialement dirigé par les géants automobiles traditionnels.Avec un développement continu, il a pris un élan considérable.Depuis l'époque où les Indiens ont utilisé pour la première fois l'alliage d'aluminium pour produire des vilebrequins automobiles jusqu'à la première production en série de voitures entièrement en aluminium par Audi en 1999, l'alliage d'aluminium a connu une forte croissance dans les applications automobiles en raison de ses avantages tels que sa faible densité, sa résistance spécifique et sa rigidité élevées. bonne élasticité et résistance aux chocs, haute recyclabilité et taux de régénération élevé.En 2015, la proportion d’alliages d’aluminium utilisés dans les automobiles dépassait déjà 35 %.
L'allègement de l'automobile en Chine a commencé il y a moins de 10 ans, et tant en termes de technologie que de niveau d'application, ils sont à la traîne par rapport aux pays développés comme l'Allemagne, les États-Unis et le Japon.Cependant, avec le développement de véhicules à énergie nouvelle, l’allègement des matériaux progresse rapidement.Tirant parti de l'essor des véhicules à énergie nouvelle, la technologie chinoise d'allégement automobile montre une tendance à rattraper les pays développés.
Le marché chinois des matériaux légers est vaste.D'une part, par rapport aux pays développés à l'étranger, la technologie chinoise d'allègement a démarré tardivement et le poids global du véhicule est plus important.Compte tenu de la proportion de matériaux légers utilisée dans les pays étrangers, il existe encore une grande marge de développement en Chine.D'un autre côté, stimulé par les politiques, le développement rapide de l'industrie chinoise des véhicules à énergies nouvelles stimulera la demande de matériaux légers et encouragera les constructeurs automobiles à s'orienter vers l'allègement.
L’amélioration des normes d’émissions et de consommation de carburant oblige à accélérer l’allègement des automobiles.La Chine a pleinement mis en œuvre les normes d'émission China VI en 2020. Selon la « Méthode d'évaluation et indicateurs de consommation de carburant des voitures particulières » et la « Feuille de route des technologies d'économie d'énergie et de nouvelles énergies pour les véhicules », la norme de consommation de carburant de 5,0 L/km.Compte tenu de la marge limitée pour des percées substantielles dans la technologie des moteurs et la réduction des émissions, l'adoption de mesures visant à alléger les composants automobiles peut réduire efficacement les émissions et la consommation de carburant des véhicules.L'allègement des véhicules à énergies nouvelles est devenu une voie essentielle pour le développement de l'industrie.
En 2016, la China Automotive Engineering Society a publié la « Feuille de route technologique sur les économies d'énergie et les véhicules à énergies nouvelles », qui planifiait des facteurs tels que la consommation d'énergie, l'autonomie de croisière et la fabrication de matériaux pour les véhicules à énergies nouvelles de 2020 à 2030. L'allègement sera une direction clé. pour le développement futur de véhicules à énergies nouvelles.L’allègement peut augmenter l’autonomie de croisière et répondre à « l’anxiété liée à l’autonomie » dans les véhicules à énergie nouvelle.Avec la demande croissante d’une autonomie étendue, l’allègement des véhicules automobiles devient urgent et les ventes de véhicules à énergies nouvelles ont considérablement augmenté ces dernières années.Selon les exigences du système de notation et du « Plan de développement à moyen et long terme de l'industrie automobile », on estime que d'ici 2025, les ventes de véhicules à énergies nouvelles en Chine dépasseront 6 millions d'unités, avec une croissance annuelle composée. taux supérieur à 38%.
2. Caractéristiques et applications de l'alliage d'aluminium
2.1 Caractéristiques de l'alliage d'aluminium
La densité de l’aluminium est un tiers de celle de l’acier, ce qui le rend plus léger.Il a une résistance spécifique plus élevée, une bonne capacité d’extrusion, une forte résistance à la corrosion et une recyclabilité élevée.Les alliages d'aluminium se caractérisent par leur composition principale en magnésium, leur bonne résistance à la chaleur, leurs bonnes propriétés de soudage, leur bonne résistance à la fatigue, leur incapacité à être renforcés par traitement thermique et leur capacité à augmenter leur résistance par écrouissage.La série 6 se caractérise par être principalement composée de magnésium et de silicium, avec Mg2Si comme principale phase de renforcement.Les alliages les plus utilisés dans cette catégorie sont les 6063, 6061 et 6005A.La plaque d'aluminium 5052 est une plaque d'aluminium en alliage de la série AL-Mg, avec le magnésium comme principal élément d'alliage.C’est l’alliage d’aluminium antirouille le plus utilisé.Cet alliage a une résistance élevée, une résistance élevée à la fatigue, une bonne plasticité et une bonne résistance à la corrosion, ne peut pas être renforcé par un traitement thermique, a une bonne plasticité lors de l'écrouissage semi-à froid, une faible plasticité lors de l'écrouissage à froid, une bonne résistance à la corrosion et de bonnes propriétés de soudage.Il est principalement utilisé pour des composants tels que des panneaux latéraux, des couvertures de toit et des panneaux de porte.L'alliage d'aluminium 6063 est un alliage de renforcement traitable thermiquement de la série AL-Mg-Si, avec du magnésium et du silicium comme principaux éléments d'alliage.Il s'agit d'un profilé en alliage d'aluminium de renforcement traité thermiquement et de résistance moyenne, principalement utilisé dans les composants structurels tels que les colonnes et les panneaux latéraux pour renforcer la résistance.Une introduction aux nuances d’alliages d’aluminium est présentée dans le tableau 1.
2.2 L'extrusion est une méthode de formage importante de l'alliage d'aluminium
L'extrusion d'alliage d'aluminium est une méthode de formage à chaud et l'ensemble du processus de production implique la formation d'un alliage d'aluminium sous une contrainte de compression à trois voies.L'ensemble du processus de production peut être décrit comme suit : a.L'aluminium et d'autres alliages sont fondus et coulés dans les billettes d'alliage d'aluminium requises ;b.Les billettes préchauffées sont placées dans l'équipement d'extrusion pour l'extrusion.Sous l'action du cylindre principal, la billette en alliage d'aluminium est transformée en profils requis à travers la cavité du moule ;c.Afin d'améliorer les propriétés mécaniques des profilés en aluminium, un traitement de mise en solution est effectué pendant ou après l'extrusion, suivi d'un traitement de vieillissement.Les propriétés mécaniques après traitement de vieillissement varient selon les différents matériaux et régimes de vieillissement.L'état du traitement thermique des profilés de camions de type caisson est indiqué dans le tableau 2.
Les produits extrudés en alliage d'aluminium présentent plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes de formage :
un.Lors de l'extrusion, le métal extrudé obtient une contrainte de compression tridirectionnelle plus forte et plus uniforme dans la zone de déformation que le laminage et le forgeage, de sorte qu'il peut pleinement exploiter la plasticité du métal traité.Il peut être utilisé pour traiter des métaux difficiles à déformer qui ne peuvent pas être traités par laminage ou forgeage et peut être utilisé pour fabriquer divers composants complexes à section creuse ou pleine.
b.Étant donné que la géométrie des profilés en aluminium peut varier, leurs composants ont une rigidité élevée, ce qui peut améliorer la rigidité de la carrosserie du véhicule, réduire ses caractéristiques NVH et améliorer les caractéristiques de contrôle dynamique du véhicule.
c.Les produits ayant une efficacité d'extrusion, après trempe et vieillissement, ont une résistance longitudinale (R, Raz) nettement supérieure à celle des produits traités par d'autres méthodes.
d.La surface des produits après extrusion a une bonne couleur et une bonne résistance à la corrosion, éliminant ainsi le besoin d'un autre traitement de surface anti-corrosion.
e.Le traitement par extrusion présente une grande flexibilité, de faibles coûts d'outillage et de moule et de faibles coûts de modification de conception.
F.Grâce à la contrôlabilité des sections transversales des profilés en aluminium, le degré d'intégration des composants peut être augmenté, le nombre de composants peut être réduit et différentes conceptions de sections transversales peuvent obtenir un positionnement de soudage précis.
La comparaison des performances entre les profilés en aluminium extrudé pour camions de type caisson et l'acier au carbone ordinaire est présentée dans le tableau 3.
Prochaine direction de développement de profilés en alliage d'aluminium pour camions de type caisson : amélioration continue de la résistance du profil et amélioration des performances d'extrusion.L'orientation de la recherche de nouveaux matériaux pour les profilés en alliage d'aluminium destinés aux camions de type caisson est illustrée à la figure 1.
3. Structure du camion-caisse en alliage d'aluminium, analyse de la résistance et vérification
3.1 Structure du camion-caisse en alliage d'aluminium
Le conteneur de camion fourgon se compose principalement d'un ensemble de panneau avant, d'un ensemble de panneaux latéraux gauche et droit, d'un ensemble de panneaux latéraux de porte arrière, d'un ensemble de plancher, d'un ensemble de toit, ainsi que de boulons en forme de U, de protections latérales, de protections arrière, de garde-boue et d'autres accessoires. connecté au châssis de deuxième classe.Les traverses, les piliers, les poutres latérales et les panneaux de porte de la caisse sont constitués de profilés extrudés en alliage d'aluminium, tandis que les panneaux de plancher et de toit sont constitués de plaques plates en alliage d'aluminium 5052.La structure du camion fourgon en alliage d'aluminium est illustrée à la figure 2.
L'utilisation du processus d'extrusion à chaud de l'alliage d'aluminium de la série 6 peut former des sections creuses complexes, une conception de profilés en aluminium avec des sections complexes peut économiser des matériaux, répondre aux exigences de résistance et de rigidité du produit et répondre aux exigences de connexion mutuelle entre divers composants.Par conséquent, la structure de conception de la poutre principale et les moments d'inertie de section I et les moments résistants W sont illustrés à la Figure 3.
Une comparaison des données principales du tableau 4 montre que les moments d'inertie de section et les moments résistants du profilé en aluminium conçu sont meilleurs que les données correspondantes du profilé de poutre en fer.Les données de coefficient de rigidité sont à peu près les mêmes que celles du profil de poutre en fer correspondant et répondent toutes aux exigences de déformation.
3.2 Calcul de la contrainte maximale
En prenant comme objet le composant porteur clé, la traverse, la contrainte maximale est calculée.La charge nominale est de 1,5 t et la traverse est constituée d'un profilé en alliage d'aluminium 6063-T6 présentant les propriétés mécaniques indiquées dans le tableau 5. La poutre est simplifiée en tant que structure en porte-à-faux pour le calcul de la force, comme le montre la figure 4.
En prenant une poutre de portée de 344 mm, la charge de compression sur la poutre est calculée comme F=3 757 N sur la base de 4,5 t, soit trois fois la charge statique standard.q=F/L
où q est la contrainte interne de la poutre sous la charge, N/mm ;F est la charge supportée par la poutre, calculée sur la base de 3 fois la charge statique standard, soit 4,5 t ;L est la longueur de la poutre, mm.
La contrainte interne q est donc :
La formule de calcul des contraintes est la suivante :
Le moment maximum est :
En prenant la valeur absolue du moment, M=274283 N·mm, la contrainte maximale σ=M/(1,05×w)=18,78 MPa et la valeur de contrainte maximale σ<215 MPa, qui répond aux exigences.
3.3 Caractéristiques de connexion de divers composants
L'alliage d'aluminium a de mauvaises propriétés de soudage et sa résistance au point de soudure ne représente que 60 % de la résistance du matériau de base.En raison du revêtement d'une couche d'Al2O3 sur la surface de l'alliage d'aluminium, le point de fusion d'Al2O3 est élevé, tandis que le point de fusion de l'aluminium est bas.Lorsque l'alliage d'aluminium est soudé, l'Al2O3 présent sur la surface doit être rapidement brisé pour effectuer le soudage.Dans le même temps, les résidus d'Al2O3 resteront dans la solution d'alliage d'aluminium, affectant la structure de l'alliage d'aluminium et réduisant la résistance du point de soudure de l'alliage d'aluminium.Par conséquent, lors de la conception d’un conteneur entièrement en aluminium, ces caractéristiques sont pleinement prises en compte.Le soudage est la principale méthode de positionnement et les principaux composants porteurs sont reliés par des boulons.Les connexions telles que le rivetage et la structure en queue d'aronde sont illustrées dans les figures 5 et 6.
La structure principale du corps de boîte entièrement en aluminium adopte une structure avec des poutres horizontales, des piliers verticaux, des poutres latérales et des poutres de bord s'emboîtant les unes dans les autres.Il existe quatre points de connexion entre chaque poutre horizontale et pilier vertical.Les points de connexion sont équipés de joints dentelés qui s'engrènent avec le bord dentelé de la poutre horizontale, empêchant ainsi efficacement le glissement.Les huit points d'angle sont principalement reliés par des inserts à âme en acier, fixés avec des boulons et des rivets autobloquants, et renforcés par des plaques triangulaires en aluminium de 5 mm soudées à l'intérieur du boîtier pour renforcer les positions des coins à l'intérieur.L’aspect extérieur du coffret ne présente aucune soudure ni point de connexion apparent, garantissant l’aspect général du coffret.
3.4 Technologie d'ingénierie synchrone SE
La technologie d'ingénierie synchrone SE est utilisée pour résoudre les problèmes causés par les grands écarts de taille accumulés pour l'appariement des composants dans le corps de la boîte et les difficultés rencontrées pour trouver les causes des écarts et des défauts de planéité.Grâce à l'analyse CAE (voir Figure 7-8), une analyse comparative est effectuée avec des caisses en fer pour vérifier la résistance et la rigidité globales de la caisse, trouver les points faibles et prendre des mesures pour optimiser et améliorer plus efficacement le schéma de conception. .
4. Effet léger du camion-caisse en alliage d'aluminium
En plus de la caisse, les alliages d'aluminium peuvent être utilisés pour remplacer l'acier pour divers composants des camions-conteneurs de type caisse, tels que les garde-boue, les protections arrière, les protections latérales, les loquets de porte, les charnières de porte et les bords du tablier arrière, permettant ainsi une réduction de poids. de 30 à 40 % pour le compartiment à bagages.L'effet de réduction de poids pour un conteneur de fret vide de 4 080 mm × 2 300 mm × 2 200 mm est présenté dans le tableau 6. Cela résout fondamentalement les problèmes de poids excessif, de non-respect des annonces et de risques réglementaires des compartiments de fret traditionnels en fer.
En remplaçant l'acier traditionnel par des alliages d'aluminium pour les composants automobiles, on peut non seulement obtenir d'excellents effets d'allègement, mais cela peut également contribuer à des économies de carburant, à une réduction des émissions et à une amélioration des performances du véhicule.À l'heure actuelle, les opinions divergent sur la contribution de l'allègement aux économies de carburant.Les résultats des recherches de l'Institut international de l'aluminium sont présentés dans la figure 9. Chaque réduction de 10 % du poids du véhicule peut réduire la consommation de carburant de 6 à 8 %.Selon les statistiques nationales, une réduction du poids de chaque voiture particulière de 100 kg peut réduire la consommation de carburant de 0,4 L/100 km.La contribution de l’allègement aux économies de carburant est basée sur les résultats obtenus à partir de différentes méthodes de recherche, il existe donc certaines variations.Cependant, l’allègement automobile a un impact significatif sur la réduction de la consommation de carburant.
Pour les véhicules électriques, l’effet d’allégement est encore plus prononcé.Actuellement, la densité énergétique unitaire des batteries des véhicules électriques est très différente de celle des véhicules à carburant liquide traditionnels.Le poids du système électrique (y compris la batterie) des véhicules électriques représente souvent 20 à 30 % du poids total du véhicule.Parallèlement, éliminer les goulets d’étranglement en matière de performances des batteries constitue un défi mondial.Avant une avancée majeure dans la technologie des batteries haute performance, l’allègement est un moyen efficace d’améliorer l’autonomie des véhicules électriques.Pour chaque réduction de poids de 100 kg, l'autonomie de croisière des véhicules électriques peut être augmentée de 6 à 11 % (la relation entre la réduction de poids et l'autonomie de croisière est illustrée dans la figure 10).Actuellement, l'autonomie des véhicules purement électriques ne peut pas répondre aux besoins de la plupart des gens, mais une réduction du poids d'un certain montant peut améliorer considérablement l'autonomie de croisière, atténuant l'anxiété liée à l'autonomie et améliorant l'expérience utilisateur.
5. Conclusion
En plus de la structure entièrement en aluminium du camion fourgon en alliage d'aluminium présentée dans cet article, il existe différents types de camions fourgons, tels que des panneaux en nid d'abeille en aluminium, des plaques de boucle en aluminium, des cadres en aluminium + des peaux en aluminium et des conteneurs de fret hybrides fer-aluminium. .Ils présentent les avantages d'un poids léger, d'une résistance spécifique élevée et d'une bonne résistance à la corrosion, et ne nécessitent pas de peinture électrophorétique pour la protection contre la corrosion, réduisant ainsi l'impact environnemental de la peinture électrophorétique.Le camion fourgon en alliage d'aluminium résout fondamentalement les problèmes de poids excessif, de non-respect des annonces et de risques réglementaires des compartiments de chargement traditionnels en fer.
L'extrusion est une méthode de traitement essentielle pour les alliages d'aluminium, et les profilés en aluminium ont d'excellentes propriétés mécaniques, de sorte que la rigidité de section des composants est relativement élevée.En raison de leur section transversale variable, les alliages d’aluminium peuvent combiner plusieurs fonctions de composants, ce qui en fait un bon matériau pour l’allègement automobile.Cependant, l’application généralisée des alliages d’aluminium se heurte à des défis tels qu’une capacité de conception insuffisante pour les compartiments de chargement en alliage d’aluminium, des problèmes de formage et de soudage, ainsi que des coûts élevés de développement et de promotion des nouveaux produits.La raison principale reste que l’alliage d’aluminium coûte plus cher que l’acier avant que l’écologie du recyclage des alliages d’aluminium ne devienne mature.
En conclusion, le champ d’application des alliages d’aluminium dans les automobiles va s’élargir et leur utilisation va continuer à augmenter.Dans les tendances actuelles d'économie d'énergie, de réduction des émissions et de développement de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle, avec une compréhension approfondie des propriétés des alliages d'aluminium et des solutions efficaces aux problèmes d'application des alliages d'aluminium, les matériaux d'extrusion d'aluminium seront plus largement utilisés dans l'allégement automobile.
Edité par May Jiang de MAT Aluminium
Heure de publication : 12 janvier 2024
