Upload
miran-l-hebibovic
View
58
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
hgfd
Citation preview
1/32
MAINSKI FAKULTET SARAJEVO
PRIMJENA AL-LEGURA U AUTOINDUSTRIJI
Seminarski rad
Studenti:
Kadri Omer
Kalem Sanid
Muhamedagi Kenan
Hebibovi Miran
Pilav Nedim
Sarajevo, 22.1.2016.
2/32
Sadraj
Sadraj ........................................................................................................................................................... 2
Saetak .......................................................................................................................................................... 3
1 Uvod ...................................................................................................................................................... 4
1.1 Efekat utede mase ..........................................................................................................................7
1.2 Mehanike osobine aluminija ..........................................................................................................9
1.3 Primjena Al legura u autoindustriji ...............................................................................................10
2 Dijelovi pogonskog sistema ................................................................................................................ 13
2.1 Izrada bloka motora od Al legura ..................................................................................................13
2.2 Prijenos i pogonski sklop ..............................................................................................................18
3 Izrada profila i limova za karoseriju ................................................................................................... 21
4 Izrada aluminijskih tokova ................................................................................................................ 26
4.1 Liveni aluminijski tokovi.............................................................................................................27
4.2 Kovani aluminijski tokovi ...........................................................................................................29
5 Zakljuna razmatranja ......................................................................................................................... 31
6 Literatura ............................................................................................................................................. 32
3/32
Saetak
U ovom seminarskom radu govorit e se o primjeni aluminijskih legura u automobilskoj industriji.
U prvom poglavlju e se dati osnovne informacije o ueu Al legura u svjetskom tritu
automobila, razlozima i nastojanjima da se smanji ukupna masa svih komponenti, mehanikim
osobinama aluminija i aluminijskih legura te mogunostima primjene ovih materijala u
automobilskoj industriji.
U narednim poglavljima navest e se i objasniti karakteristini primjeri primjene Al legura za izradu
konkretnih dijelova i elemenata automobila uz poneki praktini primjer.
4/32
1 Uvod
Tradicionalno se veina dijelova automobila proizvodi od raznih vrsta elika i livova gvoa. U
zadnje vrijeme se naglasak stavlja na poveanje efikasnosti motora redukcijom ukupne teine
vozila, i zbog toga su proizvoai poeli traiti alternative eliku koristei druge materijale. Primjer
tog pristupa je koritenje legura i livova aluminija ime se tei zadrati dovoljno dobre mehanike
osobine (u prvom redu vrstoe), uz istovremeno smanjenje mase a da koriteni materijali ipak
mogu izdrati ista optereenja [1].
Poveana teina vozila uzrokuje loije performanse i veu potronju motora, te se procjenjuje da bi
se globalna potronja energije mogla uveliko smanjiti ukoliko bi se koristili laki materijali. Kae se
da smanjenje mase vozila od 10% vodi do smanjenja potronje goriva i do 5,5%. (slika 1.1).
Procjenjuje se da jedan kilogram aluminija koji mijenja ekvivalentnu masu teih materijala u
automobilu smanjuje emisiju CO2 za 20 kg u toku ivotnog vijeka automobila.
Slika 1.1 Veza izmeu mase vozila i potronje goriva [1]
Pored potronje goriva naglasak se stavlja i na ogranienje emisije tetnih gasova to predstavlja jo
jedan bitan razlog zamjene legura aluminija sa elicima i livenim gvoima. Procjenjuje se da se
koritenje aluminija u automobilskoj industriji povealo za 80% u zadnjih 15 godina. Aluminij se
smatra gotovo idealnim kandidatom za zamjenu postojeih teih materijala u automobilskoj
industriji, zbog niza osobina poput:
dobar omjer vrstoe i gustine,
dobra oblikovljivost,
dobra elektrina i toplotna provodljivost,
dobra otpornost na koroziju zbog zatitnog sloja oksida,
mogunost jednostavne reciklae.
5/32
Aluminij i njegove legure se koriste za veliki broj automobilskih dijelova a najee za izradu:
klipova i glave cilindra,
pogonskih dijelova,
radijatora,
tijela automobila,
tokova,
blokova motora.
Bitno je spomenuti da se danas tei koritenju materijala koji su laki i od aluminija pa se tako
magnezij i njegove legure sve vie istrauju i upotrebljavaju. Od 1990. godine se vie ulae u
istraivanje magnezija i pokazalo se da on ima najmanju masu od svih upotrebljivih metala (30%
laki od aluminija, 70% laki od elika) to ga ini veoma privlanim izborom za koritenje u
automobilskoj industriji. Najvee ogranienje u odnosu na aluminij je manja cijena aluminija i to
je jo bitnije daleko vea stabilnost cijene [1].
Slika 1.2 Mogunost primjene AL legura u automobilskoj industriji [2]
Bez obzira na negativan uticaj na potronju, prosjena teina evropskog automobila se konstantno
poveava. Razlog poveanja teine je zbog striktnijih zakonskih zahtjeva i promjenama u potranji
kupaca (poveanje dimenzija vozila, vea udobnost, dodatna sigurnosna oprema) to istovremeno
uzrokuje poveanje drugih elemenata (npr. motora, transmisionog sistema, koionog sistema) da bi
se dostigle dovoljno dobre performanse. Ovaj fenomen je poznat pod nazivom "spirala teine" [2].
6/32
Tipino savremeno motorno vozilo je konstruisano mijeanjem razliitih materijala iz svih klasa
kako metalnih tako i nemetalnih materijala, plastike, gume i keramike koji su proizvedeni razliitim
postupcima a u kombinaciji jednih s drugim pokazuju zadovoljavajue osobine u razliitim
pravcima ispitivanja. Zajedniko za veinu industrija je obaveza obimnog testiranja, kako bi se
utvrdilo koje su to tehnike prednosti koje se mogu dobiti i poboljati, naravno uz ouvanje
kvaliteta i pouzdanosti proizvoda bez obzira na materijal.
U konvenncionalnom motornom vozilu gotovo 15% teine vozila i 50% zapremine se odnosi na
koljku s tendencijom daljnjeg rasta. Koritenjem aluminija umjesto elika, ukupna masa vozila
moe biti smanjena za gotovo 40%. Proizvoai automobila su prisiljeni napraviti laki i tedljiviji
model, pri smanjenim trokovima proizvodnje, s poveanjem produktivnosti ali i nastojati skratiti
ciklus razvoja proizvoda kako bi se omoguili nii trokovi alatnih maina, pri predstavljanju novih
modela. Prosjeni sadraj aluminija 2005. godine je iznosio oko 132 kg po automobilu od ega na
blok motora 69 kg, asiju i suspenziju 37 kg, tijelo automobila (haube, vrata, branici, enterijer) 26
kg [3].
Evropska automobilska industrija je poznata irom svijeta kao tehniki najnaprednija i
najinovativnija. Na temelju ekonomskog i politikog pritiska o smanjenju potronje goriva i emisije
CO2, konstrukcija automobila je znatno promijenjena u pogledu teine i dizajna. Dato rjeenje se
temelji na intenzivnoj upotrebi aluminija ili novih legura koje se razvijaju u posljednjih nekoliko
desetljea. Evropska automobilska industrija je vie nego udvostruila prosjenu koliinu aluminija
koja se koristi u porodinim automobilima u toku posljednjeg desetljea, i predvianja su da e
uiniti mnogo vie u nekoliko narednih godina [4].
Slika 1.3 Zastupljenost aluminija u evropskim automobilima [4]
7/32
1.1 Efekat utede mase
Veoma mali broj ljudi se zapita kakav utjecaj ima masa njihovog automobila na vozne
karakteristike, tako i na bezbjednost, potronju goriva i emisiju ugljen-dioksida (CO2), koji je u
dananje vrijeme jedan od najveih problema sa kojima se ovjek suoava. Svi smo donekle
upoznati sa podacima o prevelikoj koncentraciji CO2 u atmosferi, efektu staklene bate, stvaranju
ozonskih rupa i drugih, ali mali broj ljudi je svjestan koliko razlika u masi od 100kg moe
doprinjeti ublaavanju tih pojava, kao i efikasnijem korienju vozila sa energetski efikasnijom
potronjom i poveanom bezbjednou [5].
Postoje velike debate oko toga u kojoj mjeri masa auta zapavo utie na zaustavni put, odnosno samo
koenje, jer se ovde ne mogu uzeti samo grube vrijednosti brzine, mase i sile trenja, poto postoje
velike raznolikosti koje se mogu uoiti kod automobila u smislu razliite raspodjele mase. Jedan od
veih problema je taj da se za primjere koji se tiu zaustavnog puta uzima konstantno negativno
ubrzanje, tj. usporenje koje je u praksi teko izvodljivo. Iz tog razloga se koristi formula
izraunavanja kinetike energije koju tijelo ima prilikom kretanja, kojom bi se dokazala razlika u
kinetikoj energiji koju nose dva vozila koja se kreu istom brzinom a imaju razliite mase:
gdje su Ek kinetika energija koju ima vozilo, m je masa vozila a v brzina. Iz ovoga se moe
zakljuiti da vei efekat na kinetiku energiju ima brzina vozila jer se kvadrira.
Upravljivost je veoma bitna stavka u automobilskoj industriji koja se svakodnevno razvija i
dopunjuje. Nju karakteriu brojni elementi, kao to su duina, visina vozila, bono ubrzanje, visina
teita, obim, irina i debljina pneumatika i jednako bitno, masa vozila i njena raspodjela.
Na sljedeoj slici je ilustracija primjera raspodjele mase. Primjenjena je najea raspodjela mase
kod putnikih automobila, 60% naprijed i 40% pozadi, jer se vei dio mase nalazi u prednjem dijelu
auta, gde se najee nalazi motor kao najmasivniji element. Na primjeru koenja auta jasno se
moe vidjeti kako se masa prebacuje, znatno vie optereujui prednju osovinu i oba prednja toka,
dok na primjeru otre krivine u lijevo moe se vidjeti kako se masa auta prebacuje na desnu stranu
auta, pogotovu na prednji desni toak, koji sam trpi skoro 40% ukupne mase vozila od 900 kg.
Kako masa utie na upravljivost moe se vidjeti na jednoj izvedenoj formuli:
gdje je Wd raspodjela mase, la bono ubrzanje, m masa auta, cg visina teita i sw najvea pirina
vozila, tj. irina na zadnjoj osovini.
8/32
Slika 1.4 Prikaz raspodjele mase u razliitim uslovima vonje [5]
Veliki broj ljudi svakodnevno koristi svoje automobile, a tek jedan djeli se zapita koliki su zapravo
trokovi goriva za jedan prosjean ivotni vijek auta i u kojoj mjeri se oni mogu smanjiti. Potronja
manja u prosjeku za jedan l/100km moe uetediti oko 1.500 na svakih 100.000 preenih
kilometara, to predstavlja 15% manje trokova za auto prosjene potronje B ili C segmenta. Jedan
od naina smanjenja potronje, za koji ljudi danas ne mare previe upravo je redukcija vika mase
na vaem autu. Svakih 100 kg vika tereta u vaem vozilu mogu dodati 0.3 l/100 km, to moda i ne
zvui puno, ali pet osoba prosene teine 75 kg i prtljanik pun vaih stvari mogu poveati
potronju za itavih 1.5 l/100km to je za neko due putovanje i vie nego veliko poveanje [5].
Korienjem aluminija u automobilima, smanjujemo masu automobila a samim tim i potronju
goriva te emisiju CO2 u vazduhu. U prosjeku, automobili proizvedeni u Evropi, sadre 40 45kg
aluminija u asiji i vjeanju (oko 30% od ukupnog prosjenog sadraja aluminija). Za automobile
proizvedene u SAD-u i jugoistonoj Aziji, ovaj udio je neto manji (25 - 30%). Meutim, sadraj
aluminija u asiji i vjeanju dosta varira izmeu razliitih modela. Poveanje zahtjeva za smanjenje
teine predstavlja dobru priliku za dalji rast kovanih aluminijskih tokova, uprkos vioj cijeni.
Veina aluminija koji se danas isporuuje u automobilskom tritu koristi se u pogonskom
mehanizmu (oko 80 kg). Ovo odgovara 55-60% od prosjenog ukupnog sadraja aluminija
automobila proizvedenih u Evropi. Daljim razvojem savremenih benzinskih i dizel motora dolazi se
do specifinih ciljeva za dalji razvoj klipa: smanjenje teine klipa, poveanje mehanike i termike
nosivosti, smanjenog trenja, itd. Pored toga, moraju se uzeti u obzir osnovni zahtjevi za trajnost,
nizak nivo buke i minimalnu potronju ulja. Ovi ciljevi postiu se ciljanim kombinacijama visokih
performansi aluminijskih klipnih materijala.
Dobavljai blokova motora stalno tee za proizvodnjom boljih blokova u cilju poboljanja i
unaprjeenja efikasnosti automobilskih motora. Blok motora je najvei i najkomplikovaniji dio
9/32
motora sa unutranjim sagorevanjem, na kom su montirani drugi vani dijelovi motora. I iz tog
razloga, povoljno je napraviti delove od aluminija, kako bi se smanjila teina samog bloka motora.
Blok motora ini 3-4% od ukupne teine prosjenog vozila. Tako je odigrao kljunu ulogu u svim
razmatranjima redukcije teine. Aluminijske livene legure kao zamjena za tradicionalno liveno
gvoe mogu da znae smanjenje teine bloka motora (izmeu 40 i 55%). U sluaju glave motora,
prednost aluminija osim u manjoj masi i u visokom koeficijentu toplotne provodljivosti, omoguava
visoko toplotno optereenje. Kod dizel motora takoe su savladani problemi vezani za visoke
temperature i pritiske vezane sa toplotnim zamorom, pa se primjena aluminija za izradu glava
motora susree sve ee. Poklopci glave motora i karteri se u Evropi izrauju od aluminijskih
legura u 80 do 100% sluajeva. Branici od legura aluminija se izrauju od limova ili presovanih
profila ve preko dvije decenije i zamjenjuju branike od elinih limova, ija masa dostie kod
veih automobila i do 40 do 50kg. Branici iz ekstrudiranih profila Al legure 7029, a imaju masu
svega 12.5kg prema 40kg ranije ugraivanih branika od elinog lima. Karoserija u ukupnoj masi
automobila iznosi 25 do 30% pa su logini napori da se proizvede iz to lakeg materijala. Aluminij
ima dvije znaajne prednosti: smanjenje mase i reenje korozivnih problema [5].
1.2 Mehanike osobine aluminija
Gustina aluminija je oko 2700 kg/m3, odnosno jedna treina gustine elika. Takve utede se naravno
rijetko postiu za veinu elemenata jer se debljina elementa od Al legura mora poveati da bi
zadrale odgovarajue zahtjevane karakteristike. Najei odnos debljina u konstruisanju je
priblino 1,5 to znai da npr. za komponentu od elika debljine 0,8mm treba upotrijebiti
komponentu od Al legura debljine 1,2mm. Meutim, uteda u masi je ipak oko 50%. Veza izmeu
osobina materijala i vrstoe, krutosti i teine komponente je veoma kompleksna i moe varirati u
zavisno od geometrije dijela pa se ne moe govoriti o nekom apsolutnom pravilu. U praksi je
neophodno razmotriti svaku komponentu zasebno da bi se odredila mogunost utede teine [2].
Tehniki ist aluminij nema veliku vrijednost zatezne vrstoe. Dodavanjem legirajuih elemenata
poput mangana, silicija, bakra i magnezija moe se dobiti legura zadovoljavajuih osobina zavisno
od njene namjene. vrstoa i trajnost legura alumunija variraju ne samo u zavisnosti od legirajuih
elemenata nego i odgovarajue termike obrade i proizvodnog procesa. vrstoa se podeava
izmjenama u hemijskom sastavu prema podruju primjene, i za jednu treinu mase elika mogu se
dobiti vrijednosti vrstoe bliske mnogim elicima. Sa poveanjem vrstoe legure aluminija ne
gube oblikovljivost. Na povrini se prirodno stvara sloj aluminij oksida koji ima visoku otpornost
na koroziju, a te osobine otpornosti se mogu dodatno poboljati raznim povrinskim tretmanima
poput anodizacije, bojenja i lakiranja. Posebno je pogodan za aplikacije gdje je neophodna zatita i
10/32
ouvanje i zbog niza prednosti uee aluminija u proizvodnji raznih elemenata se nastavlja
poveavati.
Poto aluminij ima dobru oblikovljivost, nisku temperaturu topljenja (660C) i nisku gustinu, moe
se obraivati na vie naina i u toplom i u hladnom stanju. Bitno je spomenuti da aluminij pri
zagrijavanju ne mijenja boju pa je za obrade koje unose toplotu potreban vei stepen strunosti
poto nema vizuelnih znakova koliko je materijal zagrijan.
Aluminijske legure su takoe sklone nastajanju unutranjih napona pri operacijama kao to su
zavarivanje i livenje. Problem sa aluminijom je niska taka topljenja to ih ini vie osjetljivim na
deformacije prilikom naponskog arenja. Kontrolisano oslobaanje napona se vri prilikom
proizvodnje uz pomo termike obrade naponskog arenja u peima sa postepenim hlaenjem.
Aluminij i njegove legure se mogu podijeliti u dvije osnovne katerogije: livene i mehaniki
obraene. Osnovne grupe legura aluminija koje se u praksi najee koriste su AlMn, AlMg,
AlMgMn, AlMgSi, AlZnMg i AlZnMgCu. Ovo su sve mehaniki obraene legure koje se u
konane proizvode oblikuju valjanjem, istiskivanjem, kovanjem i izvlaenjem. Svaka od ovih grupa
se moe podijeliti na vei broj podgrupa zavisno od koliine legirajuih elemenata i vrijednosti
zatezne vrstoe koja moe biti od 70 do 600 MPa. Nastojanja su da se povea vrstoa
standardnih mehaniki obraenih legura to predstavlja poseban izazov za metalurgiju i to su
obino grupe legura AlCuMg i AlZnMgCu. Za ove grupe je mogue postii vrijednosti vrstoe i
preko 600MPa a koriste se za najzahtjevnije konstrukcije u automobilskoj i avio industriji zbog
odlinog omjera vrstoa i teine. Daljnja unaprijeenja su u pogledu legura koje se koriste za
polu-proizvode poput ipki i cijevi (AlMgSi, AlCuMg), legure za duboko izvlaenje, za
izmjenjivae toplote i za materijale za oblaganje.
Vrlo vano strukturno ogranienje aluminijskih legura je njihova slaba otpornost na zamor. Za
razliku od elika Al legure nemaju jasno definisanu granicu zamora to znai da e se lom
eventualno desiti ak i pri veoma malim ciklikim optereenjima. Ovo znai da ininjeri moraju
vijek konstrukcije od Al legura ograniiti na manje vrijednosti za razliku od elinih [1].
1.3 Primjena Al legura u autoindustriji
Veliki doprinos automobilskoj industriji daje razvoj novih aluminijskih legura u proizvodnji
pojedinih dijelova automobila. Aluminijske limovi uglavnom se koriste za BIW (eng. Body in
White) limove i vrata. Uprkos postojeim 100% aluminijskim automobilima kao to su Audi A8 i
Jaguar XJ, nastojanja su da aluminij u masovnoj proizvodnji motornih vozila dodatno smanji
vrijeme razvoja i druge trokove u novim metodama proizvodnje i/ili novim legurama.
11/32
Glavne klase aluminijskih legura za proizvodnju limova u automobilskoj industriji su legure koji
nisu podvrgnute termikoj obradi Al-Mg ( EN 5xxx serija), i legure koje su podvrgnute termikoj
obradi Al-Mg-Si (EN 6xxx serija), od kojih su neke posebno napravljene zavisno od varijacije u
hemijskom sastavu i nainu obrade kao to su npr. Al-Mg legure optimizirane za vrstou i
otpornost na koroziju pri ugradnji dijelova asije. Al-Mg-Si legure su koritene za dijelove tijela
automobila i imaju poboljane osobine za plastino oblikovanje, izgled povrine i ovravanje
starenjem [4].
1.3.1 Starenjem ovrsnute AL-Mg-Si legure
Serija legura 6xxx sadri magnezij i silicij. Trenutne 6xxx legure koje se koriste za limove na
vanjskoj konturi automobila (eng. Autobody) su AA6016 (Evropa) i AA6111 (Amerika). U SAD-
u, legura AA6111 se esto koristi za vanjske limove u opsegu od oko 0.9 - 1.0 mm a koja
kombinuje visoku vrstou sa dobrim mogunostima oblikovanja. U Evropi, EN-6016 ima prednost
i veu primjenu u opsegu od oko 1-1,2 mm. Ova legura ima jako dobru mogunost plastinog
oblikovanja i zadovoljavajuu otpornost na koroziju. Meutim, vrstoa oarenog 6016 je znatno
nia nego kod AA-6111.
U posljednjih nekoliko godina su uvedene legure i izmjene obrade kako bi se zadovoljile poveane
potrebe i zahtjevi kupaca. Legure vee vrstoe doputaju smanjenje debljine vanjskih ploa bez
gubitka otpornosti na oteenja pod uslovom da su ispunjeni zahtjevi krutosti. Poto se smanjuju
temperature peenja boje na automobilu poveava se potranja za uveliko poveanim odzivom na
starenje. Meutim, za neke dijelove oblikovljivost predstavlja najveu potekou. Zbog toga su od
strane evropskih proizvoaa aluminija razvijene posebne modifikacije legura sa poveanom
oblikovljivosti ili poveanom vrstoom i smatraju se standardom za automobilsku industriju [4].
1.3.2 Termiki netretirane Al-Mg-Mn legure
Al-Mg-Mn legure pokazuju optimalnu kombinaciju plastinosti i vrstoe koja je postignuta
mehanizmom vrstog rastvora i deformacijskog ovravanja zbog specifino visoke granice
napona teenja. Daljnja poboljanja u osobinama za specifine primjene (povrinski izgled,
otpornost na koroziju, termika stabilnost) se postiu dodavanjem legirajuih elemenata i/ili
modifikacijom procesa proizvodnje. Termiki netretirane Al-Mg-Mn legure se primjenjuju u Evropi
za automobilske dijelove u veim koliinama kao toplo i hladno valjani limovi i vodom obraene
cijevi (eng. hydroformed), zbog dobre deformabilnosti koja se uvijek moe ponovo postii u toku
kompleksnih operacija oblikovanja prilikom arenja gdje je poboljanje potrebno prije ostvarenja
procesa starenja. U dijelovima asije ili toka, korist je dvostruka jer smanjenje teine pokretnih
12/32
dijelova dodatno poboljava udobnost vonje i smanjuje nivo buke. Poznata je legura sa velikim
procentom mangana, AlMg5Mn (AA5182) koja se koristi za procese probijanja komplikovanih
elemenata visoke vrstoe. Za 5xxx legure koje sadre preko 3% Mn precipitacija -faze (Mg5Al8)
na granici zrna moe smanjiti otpornost na interkristalnu koroziju dugotrajnim izlaganjem na
temperature preko 80C. Za ove uslove su razvijene posebne legure sa visokim sadrajem mangana
koje daju dobar omjer vrstoe i otpornosti na interkristalnu koroziju [4].
1.3.3 Nove legure aluminija za primjenu u automobilskoj industriji
Uvedene su nove 6xxx legure i 7xxx legure za strukturne dijelove trz. superlakih automobila, kao
to su Crash legura koja se koristi za prednje dijelove karoserije koji su ee izloeni sudaru ili
Roof legure s posebnom panjom pri postavljanju na elinu konstrukciju. Legure 6xxx (6013
vrsta) se kombinuju sa brzo sueom bojom (eng. Fast Paint Bake) to predstavlja odgovor na
termiki izazvane plastine deformacije. Konana struktura ima magnezijumski krov koji je
montiran nakon to je karoserija prola kroz farbanje. Visokovrste legure serije 7xxx koje se
koriste u avio i svemirskoj industriji su takoe ispitivani za projekt superlakog automobila kako bi
se utvrdio njihov potencijal za smanjenje teine. Rezultati ispitivanja bonog sudara su pokazali da
legura 7081 sa zateznom vrstoom od 600 MPa debljine 3,5mm ima performanse jednake
boriranom eliku debljine 2mm. Aluminijski dio je laki za 2,4% to predstavlja utedu teine od
oko 40%
Ispitani su i jo neki aspekti kod projektovanja superlakih automobila. Oblikovanje u toplom stanju
kao nova tehnika za izradu sloenih aluminija cilindrinih oblika pri emu se koristi unutranji
pritisak plina da se formiraju uplji dijelovi ili cijevi pri oblikovanju u toplom stanju. To prua
konkurentnu alternativu hidro ili superplastinom (eng. superplastic, SPF) oblikovanju.
Prilagoene platine (eng. Tailor Welded Blanks) su poluproizvodi za eline automobilske dijelove
koji predstavljaju ve spremne elemente za duboko izvlaenje sa razliitim debljinama po povrini
ploa. Ovaj koncept je lahko primjenjiv i na aluminij. Postoji samo jedan primjer ovog koncepta za
aluminij u serijskoj proizvodnji: zadnji zid kuita prednjeg toka od Lamborghini Gallardo-a. SLC
projekt je dokazao da se aluminijski TWBs moe viestruko primijeniti za zahtjevne dijelove sa
veim zapreminama, dobivene dubokim izvlaenjem.
Sljedei logian korak je kombinacija elika i aluminijskih legura u koncept TWB. Ovo je
komplikovano zbog problema spajanja elika i aluminija. Konvencionalno postupci spajanja
topljenjem daju spojeve nedovoljnog kvaliteta zbog formiranja krtih intermetalnih spojeva eljeza i
aluminija. Pored poznatih tehnologija poput mehanikog stezanja i lijepljenja, nedavno razvijena
tehnologija laserskog lemljenja pokazuje dobar potencijal za spajanje aluminija i elika [4].
13/32
2 Dijelovi pogonskog sistema
Pod pojmom pogonski sistem podrazumijevaju se motor, prijenos, pogonski elementi (vratila),
mjenjai, kardanski zglobovi te sve ostale dodatne komponente i veze koje se nalaze u ovom sklopu.
2.1 Izrada bloka motora od Al legura
Blok motora je jezgra motora koja objedinjuje skoro sve komponente potrebne za pravilno
funkcionisanje motora. Blok je tipino ureen kao V, linijski, ili u 4 horizontalno-suprotnoj
(takoer poznato i kao ravnoj) konfiguraciji, a broj cilindara je u intervalu od 3 do 16. Slika 3.1
prikazuje blokove motora sa V, linijskom i horizontalno-suprotnom konfiguracijom [6].
Slika 2.1 Blokovi motora V, linijske, i horizontalne konfiguracije [6]
Obzirom da su blokovi motora kritine komponente motora, moraju zadovoljiti odreene
funkcionalne zahtjeve. Ovi zahtjevi ukljuuju ivotni vijek vozila, zahtjevi kao kuita unutranjih
pokretnih dijelova i fluida, jednostavan servis i odravanje, kao i sposobnost da izdre pritiske
nastale tokom procesa sagorijevanja.
Kako bi blok motora zadovoljio funkcionalne zahtjeve navedene gore, inenjerski materijali
koriteni za proizvodnju proizvoda moraju posjedovati visoku vrstou, modul elastinosti,
otpornost na habanje, kao i korozionu otpornost. Visoka vrstoa je posebno potrebna kod dizel
motora, obzirom da su odnosi kompresija obino 17.0:1 ili vii (u poreenju sa oko 10.0:1 kod
konvencionalnih motora). Materijal takoer treba imati nisku gustou, termiko irenje (da je
otporan na irenjem pod uticajem visokih temperatura rada), i termiku provodljivost (da bi se
sprijeili kvarovi uzrokovani visokim temperaturama). Dobra obradljivost i livljivost metalne legure
su takoer vani faktori kod izbora odgovarajueg materijala, koliko je tee obraditi proizvod,
toliko su vei trokovi proizvodnje. Dodatno, za prethodno spomenute osobine, legure moraju
posjedovati dobra antivibraciona svojstva kako bi apsorbovala udare pokretnih dijelova.
Na osnovu funkcionalnih zahtjeva bloka motora i osobina materijala potrebnih da zadovolje
funkcionalne zahtjeve, u industriji su koritena livena gvoa i aluminijske legure za proizvodnu
14/32
blokova. Legure livenog gvoasu koritene zbog kombinacije dobrih mehanikih osobina i niskih
trokova. Odreene aluminijske legure kombinuju osobine elinih legura sa malom masom, inei
tako materijal privlanijim proizvoaima koji trae konkurentsku prednost [6].
2.1.1 Primjena Al legura za izradu bloka motora
Proizvoai blokova motora konstantno tee da proizvedu bolje i lake blokove s ciljem poboljanja
i poveanja efikasnosti automobilskih motora. Blok motora (ili blok cilindra / karter) je najvei i
najsloeniji pojedinani dio metala koriten kod motora sa unutranjim sagorijevanjem na koji se
montiraju ostali vani dijelovi motora. Openito, proizveden je kao odlivak skoro finalnog oblika i
selektivno mainski obraen da obezbijedi lokalno zahtijevani kvalitet povrine.
Sam blok motora ini 3-4% ukupne mase jednog vozila. To igra kljunu ulogu u razmatranju
smanjenja ukupne mase. Legure aluminija kao zamjena tradicionalnih livenih gvoa mogu da
znae smanjenje mase bloka motora izmeu 40% i 55%, ak i kada se uzme u obzir manja vrstoa
aluminija u poreenju sa sivim livenim gvoem [7].
Slika 2.2 Blok motora izraen od sivog liva (lijevo) i aluminija (desno) [7]
Primjena aluminjskih blokova motora je poela kod benzinskih motora u kasnim 1970-tim. Zbog
zahtjevnijih tehnikih zahtjeva, kako god, zamjena livenih gvoa je bila vrlo ograniena kod
dizelskih motora sve do 1990-tih. Samo s poveanjem broja dizelskih motora, potreba za
smanjenom masom je takoer postajala znaajnijom i kod dizelskih motora. Oko 2005 udio u tritu
aluminjskih blokova motora je dostigao 50% i njihovo probijanje na trite se dalje poveavalo.
Danas, blokovi za benzinske motore su obino izraeni od aluminija i sa napredovanjem u razvoju
aluminijskih legura, njihova primjena je takoer u velikom porastu kod dizelskih blokova motora.
Osim prednosti s obzirom na nisku masu, upotreba alumijskih legura za proizvodnju blokova
motora ima i ostale prednosti kao to je bolja termika provodljivost u poreenju sa sivim livenim
15/32
gvoem. Imajui u vidu da praktino svi klipovi i glava cilindara su takoer izraeni od aluminija,
upotreba slinog materijala takoer eliminie probleme kompatibilnosti izmeu sivog livenog
gvoa i aluminija. Na primjer, nastanak velikih termikih napona tokom paljenja i nakon gaenja
motora usljed razliitih termikih irenja mogu se izbjei [6].
Slika 2.3 Proizvedeni blokovi motora u zapadnoj Europi (siva gvoa i aluminijske legure) [7]
Upotreba alumijuma pri izradi komponenti motora zahtjeva efektivan sistemski pristup pokrivajui
sve glavne komponente:blok motora, glava cilindra, klipovi i, ako je primjenjivo, takoer kouljice
cilindra. to se tie bloka motora, kljuno je prilagoditi njegov dizajn, primijenjeni proces livenja,
izabrani sastav legure i termiku obradu kao i metodu koja e obezbijediti odgovarajui kvalitet
povrine cilindra.
Tabela 2.1 Poreenje osnovnih osobina aluminija i sivog liva [7]
Karakteristika Aluminij Sivi liv Karakteristika Aluminij Sivi liv
Masa + - Termika provodljivost + -
vrstoa 0 + Termiko irenje + -
Akustine osobine 0 + Reciklaa + +
Dimenzionalane tolerancije 0 0 Trokovi - +
Livljivost + 0
2.1.2 Zahtjevane osobine aluminijskih blokova motora
Primjena aluminija za izradu blokova motora podrazumijeva i odreeni izazov, posebno kod
dizelskih motora. Zahtjevana krutost i vrstoa, ostvarivanje pouzdanog naina vezivanja glave
16/32
cilindara i glavnih leita kao i rezultirajue poveanje nalijeganja radilice i odlina rjeenja po
pitanju akustinih zahtjeva. S druge strane, prednosti aluminijskog bloka motora su ne samo zbog
manje gustine u poreenju sa sivim livom, ve i takoer zbog visokog specifinog modula
elastinosti i veoma dobre termike provodljivosti.
Termika provodljivost.Moderni aluminijski blokovi motora dostiu i temperature od
150C u leitima radilice pa do 200C u dijelovima izmeu otvora cilindra. Visoka
termika provodljivost aluminijskih legura obezbjeuje efikasan prijenos toplote sredstvu za
hlaenje.
vrstoa na povienim temperaturama. Adekvatan nivo statike vrstoe na
temperaturama od 150C (temperatura ulja) se uglavnom zahtjeva na spoju lica sa glavom
cilindara zbog optereenja glave vijaka u leitima leajeva da izdre sile uzrokovane
rotacijom radilice i termikog irenja bloka motora.
vrstoa/tvrdoa na sobnoj temperaturi. Minimalna vrstoa/tvrdoa na sobnoj
temperaturi aluminijske legure je potrebna da bi se obezbijedila dobra obradljivost (zavisno
od paramatara obrade), kao i za montau.
Otpornost na zamor. Tokom rada motora, blok motora je izloen ciklinim naponima na
zatezanje u irokom temperaturnom intervalu od temperatura ispod 0C (kada se motor pali
zimi) do povienih temperatura koje odgovaraju temperaturama ulja od oko 150C.
Najvanija karakteristika materijala za dizajn bloka motora je stoga otpornost na zamor.
Mora se naglasiti da, posebno kod livenih komponenti, osobine materijala ne zavise samo od
sastava legure i termike obrade, ve takoer i od primijenjenog procesa livenja kao i lokacije na
kojoj je testni uzorak uzet.[7].
2.1.3 Kriterij za izbor legure
Izbor legure zahtjeva razmatranje razliitih kriterija. Aluminijske legure za livenje koritene kod
proizvodnje tako sloenih odlivaka obzirom na blok motora, moraju zadovoljiti kombinaciju
zahtjeva koji ukljuuje niske trokove, odlinu livljivost, dobru obradljivost i prosjenu vrstou na
povienim temperaturama.
vrstoa. Nivo vrstoe legure odreuje na primjer koritene debljine stijenki i druge aspekte
dizajna. Tako je najvanije definisati leguru ve u prvoj razvojnoj fazi bloka motora. Openito izbor
legure je stvar kompromisa. Visokovrste legure za livenje e se biti prvi izbor, ali one takoer
imaju nedostatke kao to su visoki trokovi (npr. AlSi7Mg zbog svojih niskih granica neistoa),
lou livljivost (npr. AlCu4Ti) i nedovoljno dobre osobine na povienim temperaturama.
17/32
Cijena. Zbog ekonomskih i tehnikih razloga, skoro svi aluminijski blokovi motora su proizvedeni
upotrebom legura zasnovanim na recikliranom aluminiju (AlSi8Cu3, AlSi6Cu4). Kako god, novi
zahtjevi za poveanu plastinost mogu zahtjevati upotrebu legura sa smanjenim sadrajem neistoa
blie sastavu primarnih livenih legura.
Livljivost. Livljivost je openito poboljana poveanim sadrajem silicija. S druge strane, dodaci
bakra koji su potrebni za postizanje vrstoe na povienim temperaturama imaju negativan efekat
na ponaanje prilikom livenja. Kada se primjenjuje postupak livenja pod visokim pritiskom, legure
sa odreenim sastavom eljeza i/ili mangana su potrebne da sprijee lijepljenje istopljenog metala
za kalup. Dodaci eljeza takoer smanjuju mehanike osobine odlivaka.
Ostali aspekti karakteristika legura. U nekim sluajevima, ostali zahtjevi mogu biti vaniji
kriterij kod izbora u odnosu na cijenu i livljivost. Kako bi se izbjegla upotreba kouljica od livenog
gvoa koja poveava masu ili skupih rjeenja oblaganja povrine cilindra, neki
visokoperformansni motori su proizvedeni potpuno od nadeutektikih legura (AlSi17Cu4) to
direktno obezbjeuje obloge motora otporne na habanje. Za trkae motore, takoer visokovrste
legure (npr. AlCu4Ti) mogu biti uzete u obzir [7].
2.1.4 Hemijski sastav i termika obrada Al legura za blokove motora
Legure koje se obino koriste kod motora su legure EN AC-46200 (AlSi8Cu3) i EN AC-45000
(AlSi6Cu4) koje su sline amerikim standardnim legurama A380.2 i A319. Ove nadeutektine Al-
Si legure se openito proizvode od recikliranog aluminijai uglavnom se primjenjuju za blokove
motora proizvedene gravitacionim postupcima livenja. Relativno visok sadraj bakra omoguava im
da zadre svoju vrstou na povienim temperaturama i ine ih lahko obradljivim. Stanje bez
termike obrade (F) i T4 i T5 termike obrade se obino koriste. Dijelovi mogu biti i T6 areni, ali
za mnoge dizajne T5 normalizaciono arenje je obino dovoljno.Skoro svi blokovi motora liveni
pod pritiskom su proizvedeni sa uobiajenom sekundarnom legurom EN AC-46000
(AlSi9Cu3(Fe)). Osim umjerenog arenja za smanjenje zaostalih napona, daljnja termika obrada se
ne moe primjeniti openito.
Blokovi motora liveni od legura EN AC-42100 (AlSi7Mg0.3) i EN AC-42000 (AlSi7Mg) postiu
veoma visoku vrstou i vrijednosti istezanja na sobnoj temperaturi kada se primijeni T6 termika
obrada. Panju treba obratiti na zaostale napone nastala kao rezultat kaljenja tokom T6 obrade.
Vea otpornost na pukotine u plastinom podruju koju nude ove legure omoguava im da izdre
mnogo otrije uslove optereenja termikim zamorima koji se nalaze kod ovakve primjene. Postoji i
odreeno rtvovanje kod obradljivosti (uglavnom neravnine) i dodatni troak termike obrade
obzirom da se obino zahtijeva T6 ili T7 arenje. Zbog ogranienog sadraja neistoa kao to su
18/32
Fe, Mn, Cu, i Ni, postoji takoer dodatni troak u poreenju sa sekundarnim legurama spomenutim
iznad. Blokovi od nadeutektikih AlSi legura (AlSi17Cu4Mg) su obino proizvedeni livenjem pod
niskim pritiskom a zatim su T6 termiki obraeni. Takoer ova legura je openito skuplja u
poreenju sa standardnim sekundarnim legurama za livenje [7].
Tabela 2.2 Koritene aluminijske legure za izradu blokova motora [7]
Legura Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn Ti Termiko stanje
EN AC-AlSi8Cu3 7.5-9.5 0.8 2.0-3.5 0.15-0.65 0.05-0.55 0.35 1.2 0.25 F, T4, T5
EN AC-AlSi6Cu4 5.0-7.0 1.0 3.0-5.0 0.2-0.65 0.55 0.45 2.0 0.25 F, T4, T5
EN AC-AlSi9Cu3(Fe) 8.0-
11.0 1.3 2.0-4.0 0.55 0.05-0.55 0.55 1.2 0.25 F
EN AC-AlSi7Mg0.3 6.5-7.5 0.19 0.05 0.10 0.25-0.45 0.03 0.07 0.08-
0.25 T6
EN AC-AlSi7Mg 6.8-7.2 0.45 0.15 0.35 0.25-0.65 0.15 0.15 0.05-
0.20 T6
AlSi17Cu4Mg 16.0-
18 0.3 5.0-5.0 0.15 0.5-0.65 0.10 0.20 0.20 T6
2.2 Prijenos i pogonski sklop
Znaajne koliine aluminija se pored motora koriste i za izradu elemenata poput prijenosa i
pogonskog sklopa. Najvanije primjene aluminija su razliiti tipovi kuita ali se on uspjeno
koristi i za funkcionalne komponente (hidrauline komponente automatskih mjenjaa, pogonskih
vratila itd.). Aluminij se primarno bira zbog male mase. Sljedei odluujui faktori su odlina
toplotna provodljivost, vrlo dobra obradljivost rezanjem kao i mogunost efikasne proizvodnje vrlo
kompleksnih tankostjenih elemenata. Veina kuita od aluminija za primjenu u prijenosu i
pogonskom elementima se proizvode livenjem u kalupima, mada se mogu koristiti i naprednije
tehnike livenja.
Vaan konkurent aluminiju za izradu lahkih kuita je magnezij. Legure magnezija su odline za
izradu tankostjenih elemenata veoma kompleksne geometrije tehnikom livenja pod pritiskom. Pored
toga, u odnosu na aluminij omoguava dodatnu utedu u masi. Meutim, najvei problem legura
magnezija je osjetljivost na koroziju to zahtjeva izbor specifinih legura magnezija sa
kontrolisanim udjelom neistoa. I pored toga, za spajanje tih dijelova se ipak koriste vijci od
aluminijskih legura.
19/32
Kod vozila sa prednjim pogonom motor, prijenos i pogonski elementi se svi nalaze u prednjem
dijelu vozila pa je vie prostora ostavljeno za putnike. Ovaj tip pogona ima manju sloenost jer su
sve komponente blizu jedna drugoj to vodi do kompaktnijeg dizajna. S druge strane, veina teine
vozila je skoncentrisana u prednjem dijelu. Vozila sa zadnjim pogonom obino pruaju bolju
uravnoteenost teina i zbog toga bolje karakteristike koenja i upravljanja. Pogon na sva etiri
toka je danas najsloeniji dostupni pogon. Uz pomo diferencijala snaga se dijeli na sve tokova ili
na one koji su u zahvatu sa podlogom to prua najveu dinamiku vonje.
Prijenos (mjenja) je jedna od centralnih komponenti svakog vozila. On prilagoava izlaz motora sa
unutranjim sagorijevanjem sa tokovima i omoguava vozilu ubrzanje do velikih brzina razliitim
kombinacijama zupanika. Pogon se dalje vodi pogonskom osovinom do jednog ili vie
diferencijala koji pokreu tokove.
Jedan od primjera aluminija je kuite automatskog mjenjaa ZF 8 prikazan na sljedeoj slici.
Kanali za ulje i tijela ventila moraju se proizvoditi sa visokim tolerancijama da bi se postigli kratka
vremena izmjene i velika preciznost prijenosa. Da se izbjegne skupo buenje na nezavrenim
komponentama, eline cijevi se liju zajedno sa ostatkom kuita od aluminijske legure [7].
Slika 2.4 Kuite automatskog mjenjaa ZF 8 HP od aluminijske legure [7]
Kod pogonskih elemenata primjena Al legura se najvie ogleda u raznim kuitima. Najvanija su
kuita diferencijala, tj. elementa koji dijeli obrtni moment motora na dva dijela to omoguava
svakom toku da se obre razliitim brzinama. Na sljedeim slikama su dati primjeri kuita
diferencijala od Al legura [7].
20/32
Slika 2.5 Kuita diferencijala, pogon na sva etiri toka (lijevo), pogon na dva toka (desno) [7]
Pogonska vratila se izrauju od elika, Al legura ili kompozitnih cijevi spojenih elinim ili
aluminijskim vezama. Aplikacija aluminija za pogonska vratila je najinteresantnija za vozila sa
zadnjim pogonom ili na sva etiri toka, i za cijevi i za kardanske spojeve. Razlog upotrebe lakih
materijala je redukcija inercijalnih sila i smanjenje vibracija. Pozitivna injenica je da svi dijelovi
imaju rotacionu simetriju i da frikciono zavarivanje omoguava spajanje aluminijskih cijevi i
kovanih kardanskih zglobova. Blago povean prenik aluminijskih pogonskih vratila znai da se on
najee koristi kod vozila veih dimenzija poput terenaca [7].
21/32
3 Izrada profila i limova za karoseriju
Kod tijela automobila izraenog od aluminija moe se postii uteda mase preko 26 kg. Tijelo automobila se sastoji iz sljedeih komponenti: asija i limovi (eng. Body-in-white, BIW), poklopac motora, poklopac prtljanika, platobrani, vrata.
3.1.1 BIW koncept
BIW se odnosi na fazu u automobilskom dizajnu ili u proizvodnji automobila u kojoj se limovi
komponenata tijela automobila zavaruju zajedno - ali prije pokretnih dijelova (vrata, poklopca
motora, poklopca prtljanika i blatobrana), motora, podsklopova asije, ili opreme (stakla, sjedala,
presvlake, elektronika, itd) prije nego su dodani i obojeni [8].
Postoje dvije glavne varijante za BIW dizajn [8]:
1. Dizajn dubokog izvlaenja prostornog rama (eng. Extrusion Space-frame Design) - za
automobile male i srednje jaine: Audi A8 (npr. D3, model 2002) je klasian primjer s
planiranom proizvodnjom od 25000 vozila godinje, a masa BIW iznosi 277 kg. On se
sastoji iz 59 elementa, formiranim dubokim izvlaenjem (61 kg), 31 odlivka (39 kg) i 170
limova (177 kg). Glavne metode spajanja su: zakivanjem, MIG-om, laserom, i hibridnim
postupcima zavarivanja, sklapanje rolni i vezivanje ljepljenjem.
2. Probijanje ploa ( eng. Stamped Sheet Monocoque) - za automobile srednje i velike jaine:
npr, Jaguar XJ (X350), godina modela 2002. Proizvodnja od 30000 automobila godinje i
masom BIW od 295 kg, a sastoji se od 22 elementa formiranih dubokim izvlaenjem (21
kg), 15 odlivaka (15 kg), i 273 elemenata od lima (259 kg). Metode spajanje su ljepljenje,
zakivanje i MIG zavarivanje.
3.1.2 Poklopac motora
Kao jedan od najefikasnijih dijelova za utedu mase kod automobila je poklopac motora izraen od
aluminija. Poklopac motora utie na [7]:
sveukupnu masu automobila,
distribuciju teine naprijed / nazad
visinu teita automobila (poklopac motora i poklopac prtljanika se obino nalaze iznad
take teita automobila, pa je iz tog razloga smanjenje teine korisno)
intenzitet buke automobila.
Zamjena elinog poklopca motora aluminijskim omoguava smanjenje teine elementa i do 50%.
Deformacione karakteristike aluminijskog lima pruaju zatitu pjeaka u odnosu na elini lim kroz
22/32
bolju apsorpciju energije udara. Ova prednost moe se iskoristiti koristei pravilno oblikovanu
unutranju plou aluminijskog poklopca motora.
Ako zbog dizajna, raspoloivi prostor izmeu poklopaca motora i vrstih komponenti u motoru ne
nudi dovoljno prostora za deformaciju lima, potrebno je uzeti u obzir aktivne mjere zatite. Jedno
od rjeenja je koritenje pirotehnikih aktivatora koji se koristi kod Jaguara XK. Oni rade na taj
nain da se u sluaju sudara aktiviraju, prilikom ega dolazi do iskakanja poklopaca motora u roku
od nekoliko milisekundi, te na taj nain stvaraju efekat amortizacije prije udara. U ovom sluaju,
lagani aluminijski poklopci motora pokazuju znaajnu prednost u odnosu na eline koji su duplo
tei [9].
3.1.3 Poklopac prtljanika
U principu, poklopci prtljanika moraju ispuniti sline zahtjeve kao i poklopac motora. Meutim,
aluminijski limovi koriste se mnogo manje za poklopce prtljanika nego za poklopce motora.
Glavni razlog je da je vrijednost mase koja se sauva u zadnjem djelu automobila znatno nia nego
u prednjem zbog nastojanja da osovinsko optereenje ima ravnomjernu distribuciju. U mnogim
sluajevima, inenjeri ak prebacuju masu (npr. baterije) prema natrag, kako bi se postigla vea
uravnoteenost.
Shodno tome, aluminijski poklopci prtljanika se uglavnom koriste za modele automobila sa
cjelokupnom aluminijskom strukturom. Postoji ipak nekoliko modela koji koriste poklopac
prtljanika od aluminija za smanjenje teine. Kada se umjesto elika upotrijebi aluminiji za
poklopac prtljanika, moe se postii oko 50% utede na teini tog dijela automobila. Kao primjer,
poklopac prtljanika za Ford P2000 (teina 8,6 kg) predstavlja smanjenje teine od 5,4 kg odnosno
53% u odnosu na dizajn ekvivalentan eliku. Koritena je legure AA 6022-T4, a debljina vanjskog i
unutranjeg lima poklopaca prtljanika bila je sline debljine (0,85 mm) [7].
3.1.4 Blatobrani
Blatobrani (eng. Fenders, Wings) predstavljaju dio karoserije koji uokviruje tokove (donji dio
blatobrana). Njegova primarna svrha je da se sprijei izbacivanje pijeska, blata, kamenja, tekuine, i
drugih neistoa od strane rotirajuih guma. Glavni zahtjevi za blatobrane od aluminija su identini
onima za vanjske ploe poklopaca motora i prtljanika [7]:
krutost - zavisi od dizajna i debljina lima (obino 1,4 x debljina elinog lima),
otpornost prema deformaciji - zavisi od debljina lima, zatezne vrstoe i dizajna,
dinamika otpornost na udubljenja - zavisi debljine lima i zatezne vrstoe,
23/32
kvalitet povrine - zavisi od tipa legure (po mogunosti od AlMgSi serije), hrapavosti
povrine i mikrostrukture, i
mali radijus savijanja.
Slika 3.1 Blatobrani od Al legura [7]
Danas se primjenjuju aluminijske legure serije EN-AW 6xxx pri emu legure ispunjavaju sve
zahtjeve za standardni dizajn blatobrana. Primjenom ovih aluminijskih legura za izradu blatobrana
postie se smanjenje teine u odnosu na blatobrane izraene od elika za neto vie od 50%, a to
nudi atraktivne mogunosti smanjenja teine u prednjem dijelu automobila. Meutim, prodor
aluminija na trite za blatobrane je znatno nia nego za poklopce motora. Glavni razlog tome je da
se u mnogim sluajevima koriste plastini ili vlaknima ojaani plastini blatobrani. Prednost
plastinih materijala je manja osetljivost na oteenja (npr. ogrebotine i mala udubljenja). Meutim,
postoje i modeli automobila na kojima su potrebni blatobrani visoko sloenih oblika. Zanimljivo
rjeenje za ove sluajeve nudi tehnologija superplastinog oblikovanja [7].
3.1.5 Vrata automobila
Dizajn vrata se razlikuje od proizvoaa do proizvoaa, kao i od modela do modela automobila.
elina vrata se tradicionalno izgrauju od presovanih limova a taj koncept dizajna se moe
primjeniti i za aluminij. Za velike obime proizvodnje, koritenje limova je uvjek najisplativije
rjeenje. Vrata imaju bitan uticaj na ukupnu teinu automobila a pored toga laka vrata
omoguavaju i lake otvaranje i zatvaranje te manje krute arke.
Najjednostavnija varijanta dizajna se sastoji od vanjske i unutranje ploe, ali postoje i koncepti
dizajna, gdje je okvir prozora odvojen dio i / ili sklopljena sa unutranjom ploom vrata. Osim toga
primjenjuju se i grede za zatitu od bonog udara, kao i dodatni elementi za ojaanje vrata u
podrujima kritinog optereenja, npr. na mjestima arki i na mjestu brave.
24/32
Primjer primjene aluminijskog lima za izradu vrata Audija A2 je prikazan na narednoj slici, pri
emu je vanjska ploa izraena od legure EN AW-6016, a unutranja ploa i pojaanja od EN AW-
6181A.
Slika 3.2 Prednja vrata Audi A2 sainjena od dvije ploe [7]
U ranom dizajnu, tehniko ogranienje u izradi vrata od aluminijskih limova je bila ograniena
deformabilnost standardnih aluminijskih legura u odnosu na duboko izvlaenje elinih limova.
Posebno za vrata automobila vie klase, gdje se zahtjevaju vee dubine izvlaenja za unutranje
ploe. Najvei problemi za standardne procedure izrade za velike serije proizvodnje su upravo
velike dubine izvlaenja i izrada takvih dijelova od aluminija zahtjeva kompleksnije i preciznije
kontrolisane (i skuplje) procese proizvodnje. Alternativna, ali i skuplja opcija je primjena posebnih
metoda formiranja, npr. procesa superplastinog oblikovanja. Unutranja ploa vrata automobila
Maybach koja je prikazana u nastavku je napravljena od superplastine deformabilne legure EN
AW-5083 na temperaturi formiranja od 515 C. Inicijalna debljina lima je 1,6 mm za unutranju
plou vrata, a debljina lima za ploe ojaanja je 3,0 mm. Trajanje oblikovanja iznosi oko 20 min.
Slika 3.3 Unutranja ploa vrata i ojaanja na automobilu Maybach
25/32
Shodno tome, optimizacijom teine aluminijskih ploa za vrata bilo je mogue samo uz razvoj
"Novelis Fusion" tehnologije. To omoguava ekonominu proizvodnju vieslojnih limova od
aluminija i pod uvjetom da je odabrana prava kombinacija legura. U Novelis Fusion koriste se
legure AF350 (AlMg1 / AlMg5.7 / AlMg1) koje pruaju potrebnu razinu vrstoe i koje znatno
poboljavaju oblikovanje, te na taj nain omoguavaju realizaciju izuzetno zahtjevnih jednodjelnih
unutarnjih aluminijskih ploa.
Slika 3.4 Al Legure za komponente vrata automobila BMW modela 5 i 7 [7]
26/32
4 Izrada aluminijskih tokova
Tri osnovna elementa toka su osnova, bice i obod. Osnova je centralni dio toka koji vee
tokove sa sistemom vjeanja automobila. bice su radijalni elementi koji povezuju osnovu i obod,
dok je obod dio toka koji dri gumu. elini tokovi se obino izrauju presovanjem iz limova i
potom se zavaruju. Jo uvijek se esto koriste na automobilima jer su jeftini, izdrljivi i fleksibilni,
ali i teki. U poetku su se aluminijski tokovi smatrali skupljim paketom pri kupovini dok se danas
sve ee nalaze kao standardna oprema na automobilima.
Koritenje aluminija za tokove putnikih automobila nije primarno poelo zbog redukcije teine.
Prvobino su koriteni zbog njihovog privlanog izgleda. Kovani aluminijski tokovi su prvi put
napravljeni od strane ALCOA 1984. godine. U Evropi se poetak proizvodnje aluminijskih tokova
vee za proizvodnju Porsche 911 1962 godine. Danas oko 50% proizvedenih automobila sadri
tokove od legure aluminija, a aluminijski tokovi u prosjeku predstavljaju oko 15% ukupnog
udjela aluminija u automobilima.
Proizvoai automobila zahtjevaju proizvode visokog kvaliteta koji ispunjavaju sve zahtjeve
prosjenih uslova vonje, ali i koji mogu izdrati velika preoptereenja. Laki tokovi poboljavaju
upravljanje automobilom i udobnost prilikom vonje kroz redukciju mase koja nije podrana
vjeanjem. To omoguava suspenziji da bolje prati podlogu i povea trenje. Redukcija teine e
naravno smanjiti i potronju goriva. Pored toga, s obzirom da aluminij ima bolju toplotnu
provodljivost on bre odvoi toplotu sa konica to poboljava karakteristike koenja u zahtjevnim
uslovima i smanjuje mogunost kvara konica zbog pregrijavanja.
Pri dizajnu aluminijskih tokova moraju se u obzir uzeti sljedee karakteristike:
Krutost. Strukturna krutost je osnovni parametar pri konstrukciji aluminijskih tokova koji
omoguavaju performance jednake ili bolje u odnosu na eline. Krutost je definisana
konanim oblikom toka dok je modul elastinosti konstantan i ne razlikuje se u velikoj
mjeri za razliite legure i stanja isporuke.
vrstoa. Da bi se izbjegle deformacije prilikom maksimalnog aksijalnog (ubrzanje i
koenje) i radijalnog (skretanje) optereenja, mora se u obzir uzeti i granica teenja
materijala. Dodatni faktor je otpornost na temperaturu, toak mora biti konstruisan tako da
moe izdrati privremene temperature do 200C zbog blizine konica, te temperature oko
100C na due vremenske periode.
Zamor. Pri dimenzionisanju tokova bitan parametar je i otpornost na zamor. Obino se za
proraune koriste simulacije koristei numerike metode. Uzimaju se u obzir i standardni
27/32
naponi, kao i istovremeno optereenje na vie osa. Za provjeru rezultata se koriste testovi
rotacionog savijanja i valjanja.
Ponaanje pri sudarima. Numerike metode za simulacije se sve vie koriste za ispitivanje
sudarnih karakteristika tokova. Pored toga se koriste i testovi sudara kako bi se provjerila
otpornost na sluajne sudare poput trotoara.
Pored mehanikih karakteristika u obzir se uzimaju i sljedee karakteristike:
Termike karakteristike. Bez obzira na tip toka (proizveden livenjem, kovanjem,
izvlaenjem) aluminij odvodi toplotu bre nego elik. Pored toga, aluminijski tokovi
djeluju i kao veoma efikasni upijai toplote. Ovo vodi do vee efikasnosti koenja i
smanjuje rizik od pregrijavanja toka.
Dizajn i potencijal za smanjenje teine. Redukcija teine koja nije podrana vjeanjem je
jedna od najbitnijih taaka pri dimenzionisanju. S druge strane, dizajn toka je esto
odluujui faktor pri izboru kupca. Prema tome, mora se nai kompromis izmeu dizajna i
proizvodne tehnologije koja e omoguiti najvee smanjenje mase.
Tolerancije dimenzija. Savrena ravnotea mase je kljuan parametar za izbjegavanje
velikih vibracija toka. Zbog toga se i liveni i kovani aluminijski tokovi dodatno mainski
obrauju. U usporedbi sa elinim, manja teina aluminijskih tokova takoe smanjuje
intenzitet vibracija.
Otpornost na koroziju. Za aluminijske tokove se mogu primjeniti razliiti povrinski
tretmani zavisno od eljenog kvaliteta povrine. Pri izboru metode zatite, u obzir se
uzimaju izgled, trajnost i zahtjevnost odravanja toka. Meutim, prednost aluminijskih
legura je to se ak i bez zatite postie veoma dobra otpornost na koroziju [7].
4.1 Liveni aluminijski tokovi
Najvea prednost livenja aluminijskih tokova mogunost jednostavne izrade komplikovanog
dizajna toka. Pored toga, livenje omoguava visoku dimenzionalnu tanost (homogena distribucija
mase) i zahtjevane statike i dinamike karakteristike. S obzirom da teina nije primarni parametar
pri izboru tokova, ve i izgled, liveni aluminijski tokovi esto imaju masu ili jednaku ili neznatno
manju u odnosu na eline.
Najee koriteni procesi livenja za proizvodnju aluminijskih tokova su [7]:
livenje pod niskim pritiskom (najee koriteno),
gravitaciono livenje u kalupima (manje koriteno),
istisno livenje (rjee koriteno)
28/32
Slika 4.1 Razliiti tipovi livenih aluminijskih tokova [10]
Aluminijski tokovi mogu da se gravitaciono liju na temperaturi oko 750 C, ali najea metoda
livenja aluminijskih tokova je pod niskim pritiskom odozdo prema gore. Za livene tokove,
zahtijeva se da kalup bude proizveden u skladu sa tano izraunatim oblikom koji je razvio softver.
One imaju malu koliinu stranih materija kao to je titan, magnezij, mangan itd. Prije livenja se
spektrometrom provjerava hemijski sastav aluminijskih legura [11].
Livenje aluminijskih tokova se najee vri pod niskim pritiskom od 1 bar, odozdo prema gore.
Nakon to se izbaci iz kalupa, dok je jo vru, odreene nepravilnosti nastale livenjem u kalup iz
vie segmenata moraju biti uklonjene, a zatim provjeriti X zrakama na unutranje greke. Ukoliko
se greke pronau, toak ide na reciklau. Dalji proces izrade je u potpunosti automatiziran to
ukljuuje, centriranje, buenje otvora za vijke, buenje otvora za ventil i ostale obrade da bi dobili
eljenu geometriju toka. Kvalitet se ponovo provjerava, kao i provjere ravnotee. Zatim dolazi
proces premazivanja i odmaivanja. Konano, boja i zatitni lak se primjenjuju u nizu, tzv mokro
na mokro metodom. Suenje se vri na cca 200 C [11].
4.1.1 Mehanike karakteristike livenih aluminijskih tokova
Pri izradi ovih tokova se postavlja niz zahtjeva koji su ponekad u suprotnosti jedan sa drugim:
dobre osobine livkosti koristei metalne kalupe (odlina popuna kalupa, bez lijepljenja na
kalup, mala mogunost toplih pukotina i suavanja),
velika otpornost na udarna optereenja,
odlina otpornost na koroziju,
visoku otpornost na zamor.
Ovi zahtjevi su doveli do rairene upotrebe podeutektikih Al-Si legura sa sadrajem Si od 7-12% i
razliitim sadrajima magnezija (za postizanje dobrog omjera vrstoa i izduenja).
29/32
Na sljedeoj slici su prikazane mehanike karakteristike legure AlSi7Mg pri T6 obradi i razliitim
udjelima magnezija. Rezultati pokazuju da ova legura pokazuje najbolji kompromis izmeu
otpornosti na zamor i izduenja uzorka. Poveanje magnezija ne utie direktno na poboljanje
otpornosti na zamor, ali znaajno smanjuje izduenje. Ista ispitivanja su provedena i za razliite
udjele silicija . Pokazano je da poveanje Si ima nepovoljan uticaj na duktilnost, naroito kod
ovrenja pri manjim brzinama (debele osnove tokova). Bez obzira na to, uee Si od 9-11% je
prihvatljivo ako se zahtjeva bolja livkost [7].
Slika 4.2 Zamor (F), granica razvlaenja (YS), zatezna vrstoa (UT) i izduenje (E) u zavisnosti od sadraja Mn [7]
4.2 Kovani aluminijski tokovi
Kovanjem se dobiju jednodijelni tokovi oblikovani iz jednog bloka metala toplim kovanjem, a
nakon toga slijedi i dodatna mainska obrada. Kovanje omoguava fleksibilnost u dizajnu blisku
livenju. Smatra se da se kovanjem dobijaju najbolje kombinacije vrstoe i mase u poreenju sa
livenim aluminijskim, i pogotovo elinim tokovima. Kovani aluminijski tokovi su obino 25%
laki nego liveni. Livenje je jeftiniji proces ali se njime dobijaju loije mehanike osobine. Kod
viedjelnih tokova za spajanje se koriste vijci, zavarivanje ili lijepljenje, ali takvi spojevi uvijek
predstavljaju koncentracije napona i na tim mjestima e najprije nastati lom usljed zamora. Pored
toga vijci se usljed vibracija mogu i slomiti.
Najvea prednost kovanih tokova je u pogledu otpornosti na udare i zamor. Obino ovi tokovi
prou testove sudara, a tokovi sa niskim profilima guma su najpodloniji ovim problemima
(oteenja i rupe na putevima) [7].
30/32
Slika 4.3 Primjeri kovanih aluminijskih tokova
Najee legure koritene za izradu kovanih aluminijskih tokova su termiki obraene legure
grupe AlMgSi, i to konkretno:
EN AW-AlSi1MgMn (6080) u Evropi
AA 6061 (AlSiMgCu) u Sjevernoj Americi.
Kovanje usmjerava tok mikrostrukture aluminija du elementa to omoguava punu karakteristike
vrstoe i krutosti legure. Tokovi dobiveni kovanjem mogu podnijeti daleko vea preoptereenja i
udare u odnosu na livene. Pored toga imaju i veu otpornost na zamor zbog nepostojanja poroznosti
i finije mikrostrukture. Pored toga, ova mikrostruktura omoguava i obradu dijamantskim alatima i
fino poliranje povrina [7].
31/32
5 Zakljuna razmatranja
Danas se fokus sve vie stavlja na efikasnija vozila sa manjom potronjom goriva i manjim
zagaenjem zraka to predstavlja izazov u automobilskoj industriji.Velika su ulaganja u istraivanje
novih materijala koji mogu odgovoriti na sve zahtjeve a da su istovremeno i ekonomski opravdani.
Na osnovu navedenih informacija u ovom radu moe se rei da su aluminijske legure odlina
alternativa eliku u raznim elementima automobila, poevi od pogonskih elemenata do asije i
vanjskih komponenti. Procjenjuje se da se koritenjem Al legura smanjuje masa pojedinih
elemenata vozila i do 50%, dok se dimenzija dijela koji se mijenja poveava za oko 1,5 puta u
odnosu na isti element od elika.
S obzirom na unaprjeenja u proizvodnji danas imamo Al legure visoke vrstoe (i preko 600 MPa)
koje mogu izdrati sve vea optereenja a moe se oekivati daljnji rast mehanikih osobina kao i
dodatno poboljanje mainskih i drugih obrada koje se koriste za ove materijale. Kombinacijom Al
legura i elika moe se postii odlina ravnotea izmeu zahtjevanih osobina i ukupne mase, a
novim tehnologijama spajanja raznorodnih metala se postie sve vei kvalitet spoja.
32/32
6 Literatura
[1] A.H. Musfirah, A.G. Jaharah. Magnesium and Aluminium Alloys in Automotive Industry.
Universiti Kebangsaan, Malaysia, 2012.
[2] Aluminium in Cars. European Aluminium Association
[3] M. A. P. Salaverria. Intensive Use of Aluminium in Car Body Construction. European
Automotive Congress, Bratislava, 2009.
[4] J. Hirsch. Aluminium in Inovvative Light-Weight car design. Hydro Aluminium Deutschland
GmbH, Bonn, Germany.
[5] A. J. Lazovi. Uteda mase u automobilskoj industriji. Univerzitet u Kragujevcu, Fakultet
inenjerskih nauka, Srbija.
[6] H. Nguyen. Manufacturing Processes and Engineering Materials Used in Automotive
Engine Blocks. School of Engineering, Grand Valley State University, 2005.
[7] The Automotive Manual. European Aluminium Association, 2011.
[8] J. Hirsch. Recent Development in Aluminium for Automotive Applications. Hydro
Aluminium Rolled Products GmbH, R&D Bonn, Germany, 2014.
[9] Aludrive. European Aluminium Association, 2006.
[10] http://www.dubaiinternetmarketing.com/al-aqsa-tyres-wheels-trading-wheel-tire-parts-
sharjah-uae-2011-04-11.php, pristupljeno 8.1.2016.
[11] http://www.mapsofindia.com/my-india/automobiles/manufacturing-processes-of-alloy-
wheels-for-cars, pristupljeno 6.1.2016.