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.