کاربرد آلومینیوم در صنایع خودروسازی

کاربرد آلومینیوم در صنایع خودروسازی

کاربرد آلومینیوم در صنایع خودروسازی؛ رشد روز افزون صنایع نیاز به مواد جدید با خواص ویژه ای را سبب شده است. صنایع خودرو سازی و حمل و نقل نیز به دلیل رقابت بسیار تنگاتنگ، هر روز به تکنولوژی-های جدیدتری مجهز شده و از مواد پیشرفته تری برای رسیدن به مقاصد اقتصادی و تکنولوژیکی خود استفاده می کنند. امروزه سه هدف اصلی در صنایع حمل و نقل دنبال می شود که عبارتند از:

  1. کاهش وزن وسایل حمل و نقل جهت صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیط زیست
  2. تضمین کلیه استاندارد های ایمنی با استفاده از موادی با استحکام بالا
  3. تسهیل فرآیندهای ساخت و کاهش هزینه های تولید

از آنجایی که آلیاژهای آلومینیوم تقریباً هر سه هدف بالا را برآورده می کنند، تحقیقات زیادی در زمینه جایگزینی آلیاژهای آلومینیوم به جای فولاد در صنایع حمل و نقل صورت گرفته است. نتایج این تحقیقات منجر به چنان انقلابی در این صنایع شده است که امروزه در اکثر کشورهای پیشرفته، گذشته از صنایع هوا-فضا (ماهواره¬ها، هواپیماها، سفینه ها) و سازه های دریایی (کشتی ها، زیردریایی ها)، درصد بالایی از واگنها، اتوبوسها و خودروها ازآلیاژهای آلومینیومی ساخته می شوند.

آلومینیوم به واسطه خواص منحصر به فرد خود باعث دگرگونی عظیمی در صنعت حمل و نقل شده است. چنانکه صرفه جویی در انرژی، سرعت بالا و راندمان چندین برابر فقط چند مورد از مزایای عالی آن می باشد. استحکام و سبکی فلز آلومینیوم همراه با مقاومت به خوردگی بالا و قابلیت جذب ضربه بالای آن باعث شده تا این فلز به صورت قطعات مختلف ریختگی، اکسترودی، نوردی و … در بخشهای مختلف خودروهای خاص به ۳۵۰ کیلوگرم نیز رسیده است و همچنان در حال افزایش است و حتی در خودرو های پیشرفته جایگزین بدنه فولادی نیز گشته است.

کمبود سوخت و نیز آلودگی ناشی از خودروها به عنوان دغدغه های اصلی صنایع خودروسازی محسوب می شوند. استفاده از آلیاژهای آلومینیوم به جای فولاد، منجر به کاهش وزن حدود ۶۰ درصد (در ضخامت مساوی) می گردد که این امر اهمیت صرفه جویی در انرژی و کاهش آلودگی محیط را به خوبی نشان می دهد. وزن کم آلومینیوم ضمن کاهش وزن خودرو باعث کاهش در میزان مصرف سوخت و همچنین کاهش در میزان آلودگی ناشی از آن می شود.

تحقیقات نشان داده که ۱۰ درصد کاهش وزن در خودرو منجر به ۵/۵ درصد کاهش مصرف سوخت می شود. کاهش مصرف سوخت به معنای کاهش آلودگی های زیست محیطی می باشد. به عنوان مثال کاهش وزن خودرو به اندازه یک کیلوگرم در خودرویی که ۱۷۰٫۰۰۰ کیلومتر را طی کند، میزان CO2 خروجی آنرا ۲۰ کیلوگرم کاهش می دهد که این موارد از لحاظ کاهش در مصرف سوخت و آلودگی بسیار حائز اهمیت هستند.

علاوه بر موارد فوق امکان بازیافت و ذوب مجدد قطعات آلومینیومی می تواند ۹۵% از گازهای آلاینده ناشی از تولید شمش آلومینیوم اولیه را بکاهد و این درحالی است که انرژی لازم جهت تولید آلومینیوم اولیه را بکاهد و این در حالی است که انرژی لازم جهت تولید آلومینیوم از مواد بازیافتی نیز تنها ۵ درصد انرژی لازم جهت تولید آلومینیوم اولیه می باشد.

مجموعه خواص فوق باعث گشته تا مصرف آلومینیوم در یک خودرو از ۳ کیلوگرم در سال ۱۹۴۷ به ۱۰۰ کیلوگرم در سال ۲۰۰۰ (شکل۱) برسد و همچنان نیز در حال افزایش است.
کاربرد آلومینیوم

شکل ۱ – میزان مصرف آلومینیوم در یک خودروی سواری در اروپا بین سالهای ۱۹۹۰ تا ۲۰۱۵

استفاده از آلومینیوم در صنایع خودروسازی از سال ۱۹۹۰ الی ۲۰۰۶ بیش از ۶۰ درصد رشد داشته است و به طور متوسط در هر خودروی سواری به ۱۴۰ تا ۱۹۰ کیلوگرم رسیده است. آلومینیوم در خودرو به دو شکل مصرف می شود:

  • به صورت قطعات ریختگی
  • به صورت قطعات اکسترود شده یا کار شده

قطعات ریخته شده آلومینیوم در قسمت های مختلف اتومبیل مورد استفاده قرار می-گیرند. قطعات اصلی موتور که یکی از سنگین ترین قسمت های خودرو است (شکل ۲ و ۳)، در جهت کاهش وزن از چدنی به آلومینیومی تبدیل شده اند. در۵۰% کل اتومبیل های تولید شده در سال ۲۰۰۰ موتورهای آلومینیومی مورد استفاده قرار گرفتند.

آلیاژهای A380، A413، A356 درمیان قطعات ریختگی آلومینیوم گسترده ترین محدوده مصرفی را به خود اختصاص داده اند.
موتور آلومینیومی پورشه

شکل ۲ – موتور آلومینیومی پورشه

موتور آلومینیومی آئودی 2

شکل ۳ – موتور آلومینیومی آئودی ۲

دربخش قدرتی خودرو ۱۰۰% پیستونها و ۷۵% از سرسیلندرها آلومینیومی هستند. برای تولید شاسی خودرو، قطعات ریختگی آلومینیوم تقریباً برای ۴۰% ازچرخ ها، سیستم ترمز، کاسه چراغ، سیستم تعلیق (بازوهای کنترل و نگهدارنده ها)، قطعات سیستم فرمان (نگهدارنده های کیسه هوا، میل فرمان، سگدست، جعبه فرمان و غربالک فرمان) و دیگر تجهیزات استفاده می شوند. شکل ۴ اجزای مختلف آلومینیومی مصرفی در یک خودروی سواری را نشان می دهد.
اجزای مختلف آلومینیومی مصرفی در یک خودروی سواری

شکل ۴ – اجزای مختلف آلومینیومی مصرفی در یک خودروی سواری

اخیراً استفاده از آلیاژهای کارپذیرآلومینیوم درمقایسه با آلیاژهای ریختگی با نرخ افزایش بیشتری در حال گسترش است. رینگ های فورج شده در مواردی که بار اعمالی بسیار زیاد است و خصوصیات مکانیکی بالاتری مورد نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین آلومینیوم کارپذیر در سپر حرارتی، سپرهای ضربه گیر خودرو، سیستم پنیوماتیک، کارتل روغن، قاب صندلی و ضربه گیرهای کناری موارد مصرف پیدا کرده است.

آلیاژهای آلومینیوم کاربرد گسترده ای در مبدل های حرارتی دارند. تا دهه ۱۹۷۰ رادیاتورهای اتومبیل و گرم کننده ها از جنس مس و برنج بودند. ولی در سال ۱۹۷۴، آلومینیوم جایگزین آنها شد و تاکنون نرخ استفاده از آلومینیوم در این قطعات به طور پایدار، افزاینده بوده است.

آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در بدنه داخلی خودرو

مطالعات نشان می¬دهد با استفاده از آلومینیوم به جای فولاد در اسکلت فلزی خودرو تا ۵۰% کاهش وزن ایجاد خواهد شد که با در نظر گرفتن کل قطعات، این کاهش وزن به ۲۰ تا ۳۰ درصد کل وزن خودرو می رسد. دیدگاه های مختلف نسبت به استفاده از آلومینیوم موجب دو نوع طراحی مختلف برای قطعات خودرو شده است.

یکی از این روش ها استفاده از مقاطع اکسترودی آلومینیومی و دیگری استفاده از ورق های شکل پذیر آلومینیومی است که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. اولی قیمت تجهیزات و هزینه تولید را کاهش می دهد و دومی با کاهش تعداد قطعات باعث کاهش هزینه ساخت می شود. ولی در هر حالت ۴۰ تا ۵۰ درصد کاهش وزن اسکلت فلزی مشاهده می شود.

پیدا کردن آلیاژ صحیح برای ساختار بدنه و پانلهای نگهدارنده بسیارمهم است. برای ورقه های پوسته خارجی خودرو خصوصیات متعددی از قبیل شکل پذیری خوب، استحکام رنگ و کیفیت سطح بعد از پرس اهمیت زیادی دارند. به طور قطع، استحکام پس از سخت کاری نهایی درآلیاژهای ۶۰۰۰ مهمترین فاکتور در استفاده از این آلیاژهاست.

برای ورقه های مورد استفاده در اسکلت خودرو، استحکام فاکتور مهمی در انتخاب است. همچنین میزان جذب انرژی ضربه و قابلیت کشش عمیق نیز اهمیت زیادی دارند. برای رسیدن به این اهداف آلیاژهای گروه ۵۰۰۰ و ۶۰۰۰ به طور گسترده ای مورد استفاده قرار میگیرند که نسبت به فولاد مقاومت به خوردگی بالایی از خود نشان می دهند.

جدول ۱ نمونه مقادیر تنش تسلیم و کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در بدنه و ساختمان اتومبیل را نشان می دهد.
نمونه مقادیر تنش تسلیم و کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم

جدول ۱ – نمونه مقایر تنش تسلیم و کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در بدنه و ساختمان اتومبیل

در مورد ورق های فولادی به طور گسترده ای از پوشش¬های گالوانیزه برای افزایش قابلیت رنگ پذیری و جلوگیری از ریزش رنگ استفاده می شود ولی ورق ها و مقاطع آلومینیومی با شکل پذیری بالا و کیفیت سطحی مناسب خود، نیازی به پوشش ندارند. شرکت آلومینیوم سازی آمریکا Alcoa تصمیم گرفته است تا روش اساسی تری را در طراحی اسکلت اتومبیل دنبال کند.

دراین روش اسکلت خودرو، عمدتاً از مقاطع تو خالی آلیاژهای اکسترود شده آلومینیوم که از طریق بسته های ویژهای که به روش ریخته گری تحت فشار (دایکاست) تولید شده اند و یا به وسیله تکنیک های جوشکاری روباتیک به یکدیگر متصل می شود. مقاطع اکسترودی ازآلیاژهای سری ۶۰۰۰ و بسته های ویژه از آلیاژهای ریختگی تحت فشار آلومینیوم-سیلیسیم ساخته می شوند.

دراین طراحی صرفه جویی وزنی در حدود ۴۰% حاصل می شود. به علاوه تعداد قطعات بکاررفته در ساختار بدنه اولیه به مراتب کمتر از نوع فولادی آن است. به طوری که در اسکلت آلومینیومی کمتراز ۱۰۰ قطعه ولی در ساختار فولادی بیش از ۳۰۰ قطعه به یکدیگر متصل میگردند. پانل های خارجی بدنه از جنس آلیاژهای آلومینیوم به روش-های مختلف مثل جوشکاری قوسی تحت پوشش آرگون (TIG) ،جوشکاری مقاومتی (نقطه ای)، پرچکاری و اتصال با استفاده از چسب مخصوص به اسکلت بیرونی متصل می شوند.

برای اولین بار در آلمان یک واحد تولید بدنه آلومینیومی برای شرکت Audi AG تاسیس گردید و اولین مدل مربوط به طراحی جدید را در سال ۱۹۹۴ به نام Audi A8 تولید نمود. این طرح توسط سایر شرکت های خودروسازی همچنان درحال پیشرفت می باشد.
بدنه آلومینیومی خودرو Audi A2

شکل ۴ – بدنه آلومینیومی خودرو آئودی ۲

ازدیگرموارد، کاربرد آلیاژ های آلومینیوم کارپذیر گروه ۶۰۰۰ در ساخت محورهای محرکه بود که منجر به کاهش وزن حدود ۶ کیلوگرم گردید. برای میله های سپر و تقویت کننده ها نیزآلیاژهای Al-Zn-Mg و Al-Zn-Mg-Cu از سری ۷۰۰۰ استفاده می شود. (مثل آلیاژ ۷۰۲۹-T6 که در ساختمان هواپیما نیز بکار رفته است).
بدنه آلومینیومی خودرو آئودی

شکل ۵ – بدنه آلومینیومی خودرو آئودی
یک نظر برای این نوشته موجود است
  1. سلام
    مطالب بسیار عالی و آموزنده بود ولی اگه منابع تون رو هم ذکر میکردین خیلی بهتر میشد.
    ولی حتی در سایت های تخصصی این رشته هم مطالب با این انسجام و زیبایی بیان نشده بود.
    موفق باشید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *