1.はじめに
自動車の軽量化は先進国で始まり、当初は伝統的な自動車大手が主導していました。継続的な開発により、それは大きな勢いを増しました。インド人が初めてアルミニウム合金を自動車のクランクシャフトの製造に使用してから、1999 年のアウディによる全アルミニウム車の初の量産に至るまで、アルミニウム合金は、低密度、高い比強度、剛性などの利点により、自動車用途で堅調な成長を遂げてきました。優れた弾性と耐衝撃性、高いリサイクル性、高い再生率を備えています。 2015年までに、自動車におけるアルミニウム合金の適用割合はすでに35％を超えていました。
中国の自動車軽量化は10年も前に始まっておらず、技術も応用レベルもドイツ、米国、日本などの先進国に比べて遅れている。しかし、新エネルギー自動車の開発に伴い、材料の軽量化が急速に進んでいます。新エネルギー車の台頭により、中国の自動車軽量化技術は先進国に追いつく傾向にある。
中国の軽量材料市場は広大です。一方で、海外の先進国に比べて中国の軽量化技術のスタートが遅れ、車両全体の車両重量が大きくなっている。海外における軽量素材の割合のベンチマークを考慮すると、中国にはまだ開発の余地が十分にあります。一方で、政策により、中国の新エネルギー車産業の急速な発展により、軽量素材の需要が高まり、自動車会社の軽量化への移行が促進されるだろう。
排ガス・燃費基準の向上により、自動車の軽量化が加速しています。中国は2020年に中国VI排出ガス基準を全面施行した。「乗用車燃費の評価方法と指標」および「省エネ・新エネルギー自動車技術ロードマップ」によると、燃費基準は5.0L/kmとなっている。エンジン技術の大幅な進歩と排出ガス削減のためのスペースが限られていることを考慮すると、自動車部品の軽量化対策を採用することで、車両の排出ガスと燃料消費量を効果的に削減できます。新エネルギー車の軽量化は、業界の発展にとって不可欠な道となっています。
2016年、中国自動車工程協会は、2020年から2030年までの新エネルギー車のエネルギー消費量、航続距離、製造材料などを計画した「省エネ・新エネルギー車技術ロードマップ」を発表した。軽量化が重要な方向性となる。将来の新エネルギー車の開発に向けて。軽量化により航続距離が伸び、新エネルギー車の「航続距離不安」に対処できます。航続距離の延長に対する需要の高まりから自動車の軽量化が急務となっており、近年新エネルギー車の販売が大きく伸びています。スコアシステムと「自動車産業の中長期発展計画」の要件によると、中国の新エネルギー車の販売台数は2025年までに600万台を超え、年平均成長率が高まると推定されている。率は38％を超えています。
2.アルミニウム合金の特性と用途
2.1 アルミニウム合金の特性
アルミニウムは鉄に比べて密度が3分の1なので軽量です。より高い比強度、優れた押出能力、強力な耐食性、高いリサイクル性を備えています。アルミニウム合金はマグネシウムを主成分とし、耐熱性、溶接性、疲労強度に優れ、熱処理では強くならず、冷間加工で強度が増すという特徴を持っています。 6 シリーズは、主にマグネシウムとシリコンで構成され、Mg2Si が主な強化相であることが特徴です。このカテゴリで最も広く使用されている合金は、6063、6061、および 6005A です。 5052アルミニウム板は、マグネシウムを主合金元素とするAL-Mg系合金アルミニウム板です。最も広く使用されている防錆アルミニウム合金です。この合金は、高強度、高疲労強度、良好な可塑性および耐食性を有し、熱処理によって強化することができず、半冷間加工硬化において良好な可塑性を有し、冷間加工硬化において低可塑性を有し、良好な耐食性および良好な溶接特性を有する。主にサイドパネル、ルーフカバー、ドアパネルなどの部品に使用されます。 6063 アルミニウム合金は、マグネシウムとシリコンを主な合金元素として含む、AL-Mg-Si シリーズの熱処理可能な強化合金です。中強度の熱処理強化アルミニウム合金形材で、主に柱や側板などの構造部材に強度を持たせるために使用されます。アルミニウム合金グレードの概要を表 1 に示します。
2.2 押出成形はアルミニウム合金の重要な成形方法です
アルミニウム合金押出は熱間成形法であり、製造プロセス全体に 3 方向の圧縮応力下でアルミニウム合金を成形することが含まれます。製造プロセス全体は次のように説明できます。アルミニウムとその他の合金は溶解され、必要なアルミニウム合金ビレットに鋳造されます。 b.予熱されたビレットは押出成形装置に投入され、押出成形されます。メインシリンダーの作用により、アルミニウム合金ビレットが金型のキャビティを通して必要なプロファイルに成形されます。 c.アルミニウム形材の機械的性質を向上させるために、押出中または押出後に溶体化処理を行い、その後時効処理を行います。時効処理後の機械的特性は、材料や時効処理の種類によって異なります。ボックス型トラックのプロファイルの熱処理状況を表2に示します。
アルミニウム合金押出製品には、他の成形方法に比べていくつかの利点があります。
ａ．押出加工の際、押出された金属は、圧延鍛造よりも変形領域でより強く均一な三方向圧縮応力が得られるため、加工された金属の塑性を十分に発揮することができます。圧延や鍛造では加工できない難変形金属の加工が可能で、さまざまな複雑な中空断面や中実断面の部品の作製に使用できます。
b.アルミニウムプロファイルの形状は変更できるため、コンポーネントの剛性が高く、車体の剛性が向上し、NVH 特性が低減され、車両の動的制御特性が向上します。
c.押出効率を備えた製品は、焼入れおよび時効後、他の方法で加工された製品よりも大幅に高い縦方向強度 (R、Raz) を持ちます。
d.押出後の製品表面は色が良く、耐食性に優れているため、他の防食表面処理が不要です。
e.押出加工は柔軟性が高く、工具や金型のコストが低く、設計変更のコストも低く抑えられます。
f.アルミニウムプロファイルの断面の制御性により、部品の統合度が向上し、部品数が削減され、異なる断面設計で正確な溶接位置を実現できます。
ボックス型トラック用アルミ押出形材と普通炭素鋼の性能比較を表3に示します。
有箱トラック用アルミ合金形材の次なる開発方向：更なる形材強度の向上と押出性能の向上。有箱トラック用アルミニウム合金形材の新材料の研究方向を図1に示します。
3.アルミニウム合金有蓋車の構造・強度解析・検証
3.1 アルミニウム合金ボックストラックの構造
ボックストラックコンテナは、主にフロントパネルアセンブリ、左右のサイドパネルアセンブリ、リアドアサイドパネルアセンブリ、フロアアセンブリ、ルーフアセンブリ、およびU字ボルト、サイドガード、リアガード、マッドフラップ、およびその他の付属品で構成されています。セカンドクラスシャーシに接続されています。ボックス本体のクロスビーム、ピラー、サイドビーム、ドアパネルはアルミニウム合金押出形材で作られ、床パネルと屋根パネルは5052アルミニウム合金平板で作られています。アルミ合金製ボックストラックの構造を図2に示します。
6 シリーズアルミニウム合金の熱間押出プロセスを使用すると、複雑な中空断面を形成でき、複雑な断面を持つアルミニウムプロファイルの設計により、材料を節約し、製品の強度と剛性の要件を満たし、製品間の相互接続の要件を満たすことができます。さまざまなコンポーネント。したがって、主梁の設計構造と断面二次モーメント I および抵抗モーメント W を図 3 に示します。
表 4 の主なデータを比較すると、設計されたアルミニウム プロファイルの断面慣性モーメントと抵抗モーメントが、鉄製のビーム プロファイルの対応するデータよりも優れていることがわかります。剛性係数データは対応する鉄製梁プロファイルのデータとほぼ同じであり、すべて変形要件を満たしています。
3.2 最大応力の計算
主要な耐荷重コンポーネントであるクロスビームを対象として、最大応力が計算されます。定格荷重は 1.5 t で、クロスビームは表 5 に示す機械的特性を備えた 6063-T6 アルミニウム合金プロファイルで作られています。ビームは、図 4 に示すように、力の計算のために片持ち梁構造として簡略化されています。
スパン 344mm の梁を例にとると、梁にかかる圧縮荷重は標準静荷重の 3 倍である 4.5t に基づいて F=3757 N と計算されます。 q=F/L
ここで、q は荷重がかかったビームの内部応力 N/mm です。 F はビームが負担する荷重で、標準静荷重 4.5 t の 3 倍に基づいて計算されます。 L はビームの長さ (mm) です。
したがって、内部応力 q は次のようになります。
応力計算式は次のとおりです。
最大瞬間は次のとおりです。
このモーメントの絶対値を考えると、M=274283N・mm、最大応力σ=M/(1.05×w)=18.78MPa、最大応力値σ<215MPaとなり、要件を満たします。
3.3 各種コンポーネントの接続特性
アルミニウム合金は溶接性が悪く、溶接点強度は母材強度の60％しかありません。アルミニウム合金の表面が Al2O3 の層で覆われているため、Al2O3 の融点は高くなりますが、アルミニウムの融点は低くなります。アルミニウム合金を溶接する場合、表面のAl2O3を素早く破壊して溶接する必要があります。同時に、Al2O3 の残留物がアルミニウム合金溶液中に残り、アルミニウム合金の組織に影響を与え、アルミニウム合金溶接点の強度を低下させます。したがって、オールアルミニウム容器を設計する際には、これらの特性が十分に考慮されます。主な位置決め方法は溶接であり、主要な耐荷重コンポーネントはボルトで接続されています。リベット留めやダブテール構造などの接続を図 5 および 6 に示します。
オールアルミ箱体の主要構造は、横梁、縦柱、側梁、端梁が連動した構造を採用しています。各水平梁と垂直柱の間には 4 つの接続点があります。接続ポイントには、水平ビームの鋸歯状の端と噛み合う鋸歯状のガスケットが取り付けられており、滑りを効果的に防止します。 8つのコーナーポイントは主にスチールコアインサートによって接続され、ボルトとセルフロックリベットで固定され、コーナー位置を内部的に強化するためにボックスの内側に溶接された5mmの三角形アルミニウムプレートによって補強されています。ボックスの外観には溶接や露出した接続部分がなく、ボックス全体の外観が保証されています。
3.4 SE同期エンジニアリング技術
ボックス本体内の部品の寸法誤差の累積が大きく、隙間や平面度不良の原因究明が困難な問題を、SE同期エンジニアリング技術で解決します。 CAE解析（図7-8参照）により、鉄製箱体との比較解析を行い、箱体全体の強度や剛性を確認し、弱点を発見し、より効果的な設計スキームの最適化・改善策を講じます。 。
4.アルミ合金製有蓋車の軽量化効果
ボックス型トラックコンテナでは、ボックス本体のほか、マッドガード、リアガード、サイドガード、ドアラッチ、ドアヒンジ、リアエプロンエッジなどの各種部品をアルミニウム合金で代替し、軽量化を実現します。貨物室の場合は 30% ～ 40%。空の4080mm×2300mm×2200mmの貨物コンテナの重量軽減効果を表6に示します。これにより、従来の鉄製貨物室の過剰重量、アナウンス不遵守、規制リスクの問題が根本的に解決されます。
自動車部品を従来の鋼材からアルミニウム合金に置き換えることで、優れた軽量化効果が得られるだけでなく、燃料の節約、排出ガスの削減、車両の性能向上にも貢献します。軽量化による燃費向上への貢献については、現時点ではさまざまな意見がある。国際アルミニウム協会の研究結果を図 9 に示します。車両重量を 10% 軽量化するごとに、燃料消費量を 6% ～ 8% 削減できます。国内の統計によれば、乗用車一台あたりの重量を100kg軽量化すると、100kmあたり0.4Lの燃料消費量を削減できます。軽量化による燃料節約への貢献は、さまざまな研究方法から得られた結果に基づいているため、多少のばらつきがあります。しかし、自動車の軽量化は燃料消費量の削減に大きな影響を与えます。
電気自動車の場合、軽量化の効果はさらに顕著になります。現在、電気自動車用バッテリーの単位エネルギー密度は、従来の液体燃料自動車の単位エネルギー密度とは大きく異なります。電気自動車の電源システム（バッテリーを含む）の重量は、車両総重量の 20% ～ 30% を占めることがよくあります。同時に、バッテリーの性能ボトルネックを突破することは世界的な課題です。高性能バッテリー技術に大きな進歩が起こる前に、電気自動車の航続距離を向上させるには軽量化が効果的な方法です。重量が 100 kg 削減されるごとに、電気自動車の航続距離は 6% ～ 11% 増加します (重量削減と航続距離の関係を図 10 に示します)。現在、純粋な電気自動車の航続距離はほとんどの人のニーズを満たすことができませんが、重量を一定量減らすことで航続距離を大幅に向上させ、航続距離の不安を和らげ、ユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。
5.結論
今回紹介したオールアルミ構造のアルミ合金製ボックストラック以外にも、アルミハニカムパネル、アルミバックルプレート、アルミフレーム＋アルミスキン、鉄アルミハイブリッド貨物コンテナなど、さまざまなタイプのボックストラックがあります。 。軽量、高比強度、良好な耐食性という利点があり、腐食防止のために電気泳動塗料を必要としないため、電気泳動塗料による環境への影響が軽減されます。アルミニウム合金製のボックストラックは、従来の鉄製の貨物室の過剰な重量、告示への非準拠、規制リスクなどの問題を根本的に解決します。
押出成形はアルミニウム合金の重要な加工方法であり、アルミニウム形材は優れた機械的特性を備えているため、部品の断面剛性は比較的高くなります。アルミニウム合金は断面が変化するため、複数の部品機能の組み合わせを実現でき、自動車の軽量化に適した材料となります。しかし、アルミニウム合金の普及には、アルミニウム合金の貨物室の設計能力の不足、成形や溶接の問題、新製品の開発・販売促進コストの高さなどの課題があります。その主な理由は、アルミニウム合金のリサイクルエコロジーが成熟する前に、アルミニウム合金の価格が鉄鋼よりも高いことです。
結論として、自動車におけるアルミニウム合金の適用範囲はさらに広がり、その使用量は今後も増加し続けるでしょう。省エネ、排出ガス削減、新エネルギー自動車産業の発展という現在の傾向の中で、アルミニウム合金の特性とアルミニウム合金の適用問題に対する効果的な解決策の理解が深まるにつれて、アルミニウム押出材は自動車の軽量化にさらに広く使用されるでしょう。
MAT Aluminium の May Jiang が編集
投稿日時: 2024 年 1 月 12 日
