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。その後、継続的な発展により、大きな勢いを増しています。インドで初めて自動車のクランクシャフトにアルミニウム合金が採用されて以来、1999年にアウディが初めてオールアルミ製の車を量産するまで、アルミニウム合金は、低密度、高い比強度と剛性、優れた弾性と耐衝撃性、高いリサイクル性、高い再生率などの利点により、自動車用途で堅調な成長を遂げてきました。2015年には、自動車におけるアルミニウム合金の採用率は既に35%を超えています。
中国の自動車軽量化は10年足らずで始まり、技術レベルと応用レベルはドイツ、米国、日本といった先進国に遅れをとっています。しかし、新エネルギー車の発展に伴い、材料の軽量化は急速に進んでおり、新エネルギー車の台頭を背景に、中国の自動車軽量化技術は先進国に追いつく傾向を見せています。
中国の軽量化材料市場は巨大です。一方で、海外の先進国と比較すると、中国の軽量化技術は遅れており、車両全体の車両重量は重くなっています。しかし、海外における軽量化材料の普及率のベンチマークと比較すると、中国には依然として大きな発展の余地があります。一方、政策の推進力による中国の新エネルギー車産業の急速な発展は、軽量化材料の需要を押し上げ、自動車メーカーの軽量化への取り組みを後押しするでしょう。
排出ガス基準と燃費基準の強化は、自動車の軽量化を加速させています。中国は2020年に中国VI排出ガス基準を全面施行しました。「乗用車燃費評価方法及び指標」と「省エネ・新エネルギー車技術ロードマップ」によると、燃費基準は5.0L/kmです。エンジン技術と排出ガス削減における飛躍的な進歩の余地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講じることで、車両の排出量と燃費を効果的に削減できます。新エネルギー車の軽量化は、業界の発展に不可欠な道となっています。
2016年、中国自動車工程学会は「省エネと新エネルギー車技術ロードマップ」を発表し、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、製造材料などの要素を計画しました。軽量化は、今後の新エネルギー車開発の重要な方向となります。軽量化により航続距離が延び、新エネルギー車の「航続距離不安」に対処できます。航続距離延長の需要が高まるにつれ、自動車の軽量化は喫緊の課題となっており、近年、新エネルギー車の販売台数が大幅に増加しています。スコアシステムと「自動車産業中長期発展計画」の要件によると、2025年までに中国の新エネルギー車の販売台数は600万台を超え、年平均成長率は38％を超えると予測されています。
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
アルミニウムの密度は鋼鉄の3分の1であるため、軽量です。比強度が高く、押し出し加工性に優れ、耐食性が強く、リサイクル性に優れています。アルミニウム合金の特徴は、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、熱処理による強化が難しく、冷間加工による強度向上が期待できます。6シリーズは、マグネシウムとシリコンを主成分とし、Mg2Siを主な強化相としています。このカテゴリーで最も広く使用されている合金は、6063、6061、6005Aです。5052アルミニウム板は、マグネシウムを主な合金元素とする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、優れた可塑性、耐食性を備え、熱処理による強化が難しく、半冷間加工硬化時の可塑性が良好で、冷間加工硬化時の可塑性が低く、耐食性が良好で、溶接性に優れています。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成分とするAL-Mg-Si系の熱処理強化合金です。中強度の熱処理強化アルミニウム合金プロファイルで、主に柱やサイドパネルなどの構造部材の強度保持に使用されます。アルミニウム合金のグレードの概要は表1に示されています。
2.2 押出成形はアルミニウム合金の重要な成形方法である
アルミニウム合金の押出成形は熱間成形法であり、製造プロセス全体は、三方向の圧縮応力下でアルミニウム合金を成形することを含む。製造プロセス全体は、次のように説明できる。a. アルミニウムおよびその他の合金を溶解し、必要なアルミニウム合金ビレットに鋳造する。b. 予熱されたビレットを押し出し装置に投入して押し出す。メインシリンダーの作用下で、アルミニウム合金ビレットは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る。c. アルミニウムプロファイルの機械的特性を向上させるために、押し出し中または押し出し後に溶体化処理を行い、その後に時効処理を施す。時効処理後の機械的特性は、材料と時効方法によって異なります。箱型トラック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. 押し出し加工では、押し出された金属は、圧延や鍛造よりも変形領域においてより強く均一な三方向圧縮応力を得るため、加工金属の塑性特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に使用でき、様々な複雑な中空断面または中実断面部品の製造に使用できます。
b. アルミプロファイルの形状は変化しやすいため、構成部品の剛性が高く、車体の剛性が向上し、NVH特性が低減し、車両の動的制御特性が向上します。
c. 押し出し効率の高い製品は、焼入れおよび時効処理後、他の方法で加工された製品よりも縦方向の強度 (R、Raz) が大幅に高くなります。
d. 押出成形後の製品表面は色調が良好で耐腐食性も優れているため、その他の防錆表面処理は不要です。
e. 押し出し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なります。
f. アルミニウムプロファイルの断面は制御性に優れているため、部品の統合度を高め、部品数を削減でき、さまざまな断面設計により正確な溶接位置決めを実現できます。
箱型トラック用押し出しアルミニウムプロファイルと普通炭素鋼の性能比較を表 3 に示します。
箱型トラック用アルミニウム合金プロファイルの次なる開発方向：プロファイル強度の更なる向上と押出性能の向上。箱型トラック用アルミニウム合金プロファイルの新材料の研究方向を図1に示す。
3.アルミ合金ボックストラックの構造、強度解析、検証
3.1 アルミ合金ボックストラック構造
箱型トラックコンテナは、主に前部パネルアセンブリ、左右側部パネルアセンブリ、後部ドア側部パネルアセンブリ、床アセンブリ、屋根アセンブリ、およびU字ボルト、サイドガード、リアガード、泥除けなどの付属品で構成され、これらは2級シャーシに接続されています。箱体横梁、柱、側梁、ドアパネルはアルミニウム合金押出形材で作られており、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。図2にアルミニウム合金箱型トラックの構造を示します。
6シリーズアルミニウム合金の熱間押出成形プロセスを用いることで、複雑な中空断面を成形することが可能となり、複雑な断面形状を有するアルミニウムプロファイルの設計は、材料を節約し、製品の強度と剛性の要件を満たし、また、各種部品間の相互接続の要件も満たすことができます。そのため、図3に、メインビームの設計構造と断面モーメントIおよび抵抗モーメントWを示します。
表4の主なデータを比較すると、設計されたアルミ形材の断面モーメントと抵抗モーメントは、対応する鉄製梁形材のデータよりも優れていることがわかります。剛性係数のデータは対応する鉄製梁形材とほぼ同じであり、いずれも変形要件を満たしています。
3.2 最大応力計算
主要な荷重支持部材である横梁を対象として、最大応力を計算します。定格荷重は1.5tで、横梁は表5に示す機械的特性を有する6063-T6アルミニウム合金プロファイルで作られています。図4に示すように、梁は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。
344mmスパンの梁の場合、梁にかかる圧縮荷重は4.5tに基づいてF=3757 Nと計算され、これは標準静荷重の3倍です。q=F/L
ここで、q は荷重を受けた梁の内部応力 (N/mm)、F は梁にかかる荷重 (標準静荷重の 3 倍、つまり 4.5 t)、L は梁の長さ (mm) です。
したがって、内部応力 q は次のようになります。
応力の計算式は次のとおりです。
最大モーメントは次のとおりです。
モーメントの絶対値M=274283 N·mm、最大応力σ=M/(1.05×w)=18.78 MPaとなり、最大応力値σ<215 MPa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、溶接点の強度は母材強度の60%に過ぎません。アルミニウム合金の表面はAl2O3層で覆われているため、Al2O3の融点が高く、アルミニウムの融点が低いです。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を行う必要があります。同時に、Al2O3の残留物がアルミニウム合金溶液中に残り、アルミニウム合金構造に影響を与え、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場合は、これらの特性を十分に考慮する必要があります。溶接が主な位置決め方法であり、主要な荷重支持部品はボルトで接続されています。リベットやダブテール構造などの接続を図5と図6に示します。
全アルミボックス本体の主要構造は、横梁、縦柱、側梁、端梁が互いに連結する構造を採用しています。各横梁と縦柱の間には4つの接合点があり、接合点には鋸歯状のガスケットが取り付けられており、横梁の鋸歯状の縁と噛み合うことで、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で接続され、ボルトとセルフロックリベットで固定されています。さらに、ボックス内部に5mmの三角形のアルミ板を溶接して補強することで、コーナー位置を内部的に強化しています。ボックスの外観には溶接や露出した接合点がなく、ボックス全体の美観を確保しています。
3.4 SE同期エンジニアリング技術
SE同期エンジニアリング技術は、箱体部品の寸法誤差の累積によるトラブルや、隙間や平坦度不良の原因究明の難しさを解決するために活用されています。CAE解析（図7-8参照）を通じて、鉄製の箱体との比較解析を行い、箱体全体の強度と剛性を確認し、弱点を特定することで、設計スキームの最適化と改善のための対策をより効果的に講じることができます。
4.アルミ合金ボックストラックの軽量化効果
箱型トラックコンテナは、箱本体に加え、泥除け、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、様々な部品を鋼材からアルミ合金に置き換えることで、貨物室の30～40％の軽量化を実現しています。4080mm×2300mm×2200mmの空コンテナの軽量化効果は表6に示されています。これにより、従来の鉄製貨物室の重量超過、告示不適合、規制リスクといった問題を根本的に解決します。
自動車部品を従来の鋼鉄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、燃費向上、排出量削減、車両性能向上にも貢献します。 現在、軽量化が燃費向上にどの程度寄与するかについては様々な意見があります。国際アルミニウム協会の研究結果を図9に示します。車両重量が10％軽減されるごとに、燃費は6～8％削減できます。国内統計によると、乗用車1台あたりの重量を100kg軽減すると、燃費は0.4L/100km削減できます。 軽量化による燃費向上への寄与は、異なる研究方法による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費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です。現在、電気自動車の動力電池の単位エネルギー密度は、従来の液体燃料自動車のそれとは大きく異なります。電気自動車の動力システム（電池を含む）の重量は、車両総重量の20％から30％を占めることがよくあります。同時に、電池の性能ボトルネックを打破することは世界的な課題です。高性能電池技術に大きな進歩があるまでは、軽量化は電気自動車の航続距離を向上させる効果的な方法です。重量が100kg軽減されるごとに、電気自動車の航続距離は6％から11％増加します（軽量化と航続距離の関係は図10に示されています）。現在、純粋な電気自動車の航続距離は大多数の人々のニーズを満たすことはできませんが、ある程度の重量を軽減することで航続距離が大幅に向上し、航続距離の不安が軽減され、ユーザーエクスペリエンスが向上します。
5.結論
今回紹介したアルミ合金製ボックストラックは、オールアルミ構造に加え、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、様々なタイプのボックストラックがあります。これらは軽量、高比強度、優れた耐腐食性などの利点があり、防食のための電着塗装を必要とせず、電着塗装による環境への影響を軽減します。アルミ合金製ボックストラックは、従来の鉄製貨物室の重量超過、公告不適合、規制リスクといった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にとって不可欠な加工方法であり、アルミニウムプロファイルは優れた機械的特性を有するため、部品の断面剛性が比較的高い。また、断面形状が可変であるため、アルミニウム合金は複数の部品機能を統合することができ、自動車の軽量化に適した材料となっている。しかし、アルミニウム合金の広範な応用は、アルミニウム合金製貨物室の設計能力の不足、成形・溶接の問題、新製品の開発・普及コストの高騰などの課題に直面している。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までは、アルミニウム合金のコストが鉄鋼よりも高いことである。
結論として、自動車におけるアルミニウム合金の応用範囲は拡大し、その使用量は増加し続けるでしょう。省エネ、排出ガス削減、新エネルギー車産業の発展といった現在の潮流の中で、アルミニウム合金の特性に対する理解が深まり、アルミニウム合金の応用問題に対する効果的な解決策が見つかるにつれて、アルミニウム押出材は自動車の軽量化においてより広く利用されるようになるでしょう。
MAT AluminumのMay Jiangによる編集
投稿日時: 2024年1月12日
