vvvvv

Full Text

Введение

Развитие автомобильной промышленности, в условиях современной реальности ставит перед инженерами важные задачи, направленные в первую очередь на увеличение энергоэффективности создания и использования автотранспортного средства.

Одним из основных путей, направленных на достижение поставленной цели является уменьшение массово-габаритных показателей автомобилей, электромобилей и электромотоциклов. 

В настоящее время огромное внимание уделяется проблемам экологии в мире и, как следствие, разработчики вовлечены все больше в создание электрических автотранспортных средств.

Главным образом, большее влияние на массово-габаритные показатели электрического транспортного средства оказывает ее тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ), которая составляет 30 – 40 % от её общей массы.

Одним из методов, направленных на снижение массы тяговой аккумуляторной батареи является применение процесса экструзии при технологическом производстве деталей каркаса тяговой аккумуляторной батареи.

Экструзия как метод изготовления силовых элементов каркаса ТАБ

Оптимизация деталей, связанная с последующим их облегчением, порождает проблему, связанную с технологией производства. Более сложная геометрия конструкции отрицательно сказывается на технологическом времени обработки детали, необходимо применять более сложные инструменты для обработки, а в некоторых случаях, по результатам топологической оптимизации, и вовсе невозможно изготовить тот или узел.

Применение технологии экструзии при изготовлении деталей может решить задачу производства оптимизированной конструкции.

Экструзия - выдавливание из цилиндра, нагретого до пластичного состояния металла через отверстие матрицы (рисунок 1). [8]

Рисунок 1. Экструзия алюминия.

Вводя в отверстие матрицы профильные дорны, можно придать изделиям сложную форму, требуемую функциональным назначением детали. В частности, можно получить рациональные по прочности и жесткости профили с перегородками (рисунок 2, а), диагональными связями (рисунок 2, б, в), ячеистые и сотовые профили (рисунок 2, г, д).

Рисунок 2. Сечения экструдионного профиля.

Детали с переменным по длине профилем формируют путем программированного перемещения дорнов относительно матрицы, вследствие чего последовательно изменяются размеры и форма профилирующего сечения, через которое вытекает металл.

Перемещением ступенчатого дорна вперед и назад по заданной программе получают трубчатые детали переменной толщины (рисунок 2, е), с утолщениями на концах (рисунок 2, ж), внутренними кольцевыми и вафельными ребрами (рисунок 2, з, и). Вращением дорна в процессе прессования получают внутренние спиральные ребра.

Рисунок 2. Сечения экструдионного профиля.

Последовательность действий условного процесса экструзии выглядит следующим образом: Исходным материалом для изготовления алюминиевых профилей являются алюминиевые слитки. Чаще всего они имеют вид цилиндрических столбов длиной до 7 м (Рисунок 3). Эти столбы могут иметь различные диаметры, как правило, шагом в один дюйм (25,4 мм). Самыми распространенными являются столбы диаметром от 6 дюймов до 9 дюймов (от 152 до 228 мм).

Рисунок 3. Резка слитков столбов на заготовки.

В контейнер пресса загружают не весь столб, а его часть – заготовку. Часть производителей профилей заранее нарезают из столбов заготовки нужной длины – обычно от 400 до 1000 мм (рисунок 3), другие – загружают в печь весь столб, а затем непосредственно перед загрузкой в пресс отрезают от него нагретую заготовку нужной длины. На рисунке 4 показан процесс подачи заранее отрезанной заготовки в печь нагрева заготовок. Заготовка поступает в печь и нагревается до заданной температуры. [1, 2]

Рисунок 4. Нагрев заготовки перед ее экструзией.

Температура плавления чистого алюминия составляет 660 ºС. С увеличением содержания примесей и легирующих элементов температура алюминиевых сплавов, которые применяются для изготовления профилей несколько снижается. Типичная температура заготовки из сплавов серии 6ххх перед загрузкой в пресс составляет от 400 до 480 ºС.[7] Точная температура нагрева зависит от химического состава сплава, сложности профиля и других параметров. Отметим, что нагретая заготовка визуально ничем не отличается от холодной, она не имеет красноватого оттенка и не светится. Для прессования заданного профиля подготавливается соответствующая матрица (рисунок 5) – она нагревается в печи нагрева матриц до температуры близкой температуре заготовки.

Рисунок 5. Установка матричного комплекта в пресс.

Заготовка свободно «заталкивается» пресс-штемпелем в контейнер, диаметр которого на 3-4 мм больше, чем диаметр заготовки. Затем пресс-штемпель начинает «давить» на торец заготовки с большим усилием, так что материал заготовки заполняет весь объем контейнера. С дальнейшим продвижением пресс-штемпеля давление в контейнере возрастает, и алюминий начинает «выдавливаться» через отверстия матрицы в виде профиля с заданным поперечным сечением (рисунок 6).

Рисунок 6. Загрузка заготовки в контейнер и прессование (экструзия) профиля.

В конце цикла прессования заготовки около 10 % ее объема, включая ее наружную оболочку, остается в задней части контейнера. Контейнер немного отъезжает назад, и эта часть заготовки извлекается из контейнера и отрезается от матрицы специальным острым ножом-гильотиной. Эта отрезанная часть заготовки называется пресс-остатком. Он вместе с другими технологическими отходами направляется на переплавку. [3, 4]

В виду облегчения конструкции каркаса ТАБ после топологической оптимизации возможно применение набора экструдированных профилей вместо фрезерованных деталей.  Рассмотрим в сравнении применение экструдированных профилей вместо фрезерованной плиты на боковине каркаса ТАБ электрического транспортного средства категории L.

Ниже на рисунках 7 и 8 представлено сравнение 2-х типов конструкций плит боковых ТАБ электрического транспортного средства категории L по результатам топологической оптимизации одинаковыми пределами по прочности (σт).

Рисунок 7. Фрезерованная плита из                          Рисунок 8. Плита сваренная из

алюминиевого сплава Д16Т σт=345 МПа.      экструдированного профиля 6066 σт=360 МПа.                    

При одинаковых габаритных показателях масса фрезерованной плиты составляет 1,79 кг, а масса плиты, сваренной из экструдированного профиля составляет 1,56 кг, что подтверждает преимущество применения технологии экструзии при изготовлении деталей и узлов.

На рисунках 9 и 10 приведены в сравнении максимальные напряжения, возникающие в плитах при одинаковых входных параметрах: σт=350 МПа, условная нагрузка F=300Н.

Рисунок 9. Напряжения во фрезерованной плите из алюминиевого сплава Д16Т.

Рисунок 10.  Напряжения в плите, сваренной из экструдированного алюминиевого профиля 6066.

Также на рисунках 9 и 10 представлены напряжения в наиболее критичных узлах деталей с различной технологией производства. Как можно заметить, что при одинаковой нагрузке критические напряжения в фрезерованной детали в 2,5 раза выше чем в узле, изготовленном их экструдированного профиля.

Исходя из проведенного теоретического эксперимента можно сделать вывод, что применение технологии экструзии в изготовлении деталей и узлов для каркаса ТАБ электрического транспортного средства приводит к сокращению технологического времени и увеличению прочности конструкции при одинаковых геометрических параметрах и массе. Следовательно, применяя экструдированные детали, существует возможность дополнительного уменьшения массы конструкции, что положительно влияет на энергоэффективность транспортного средства в целом. [5, 6] 

Основным недостатком экструдированных деталей является неизменность поперечного сечения по всей длине. Данный фактор накладывает некие ограничения на их применяемость, так как в конструкции необходимы отверстия (простые, резьбовые) для сборки узла и фиксации.

Для решения данной проблемы разработано решение с применением сквозных или глухих втулок, которые устанавливаются в экструдированный профиль и закрепляются в нем посредством сварки в инертном газе. На рисунке 11 представлено решение по использованию втулок в экструдированном профиле.

Рисунок 11. Применение втулки в экструдированном профиле.

Данная технология позволяет использовать экструзированный алюминиевый профиль в качестве силового каркаса тяговой аккумуляторной батареи категории L.

Вывод

Применение технологического процесса при изготовлении деталей и узлов каркаса тяговой аккумуляторной батареи с применением экструдированного алюминиевого профиля позволит снижать массу деталей в пределах 10 % в сравнении с фрезерованными деталями.

About the authors

Ivan Degtyarev

Email: ivan_degtyaryov@mail.ru
Russian Federation

Rinat H. Kurmaev

Author for correspondence.
Email: rinat.kurmaev@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-7064-0466
SPIN-code: 6483-2444

Associate Professor, Cand. Sci. (Engineering), Director of the Research and Education Center

References

Supplementary files