Jak hliníkové elektrické invalidní vozíky snižují hmotnost, aniž by se obětovala pevnost

U uživatelů elektrických vozíků má každý kilogram význam. Těžký vozík nelze snadno přepravovat, ukládat ani ovládat. Ztráta hmotnosti však nesmí ohrozit bezpečnost ani pevnost – rámová konstrukce, která se pod tíhou prohne nebo praskne, je zcela nepoužitelná. Hliníkový elektrický vozík tento problém řeší. Společnost Ningbo Baichen Medical Devices Co., Ltd. vyrobila tisíce hliníkových elektrických vozíků pomocí vysoce technologického inženýrského řešení. Níže jsou uvedeny čtyři metody, jak hliník umožňuje snížit hmotnost, aniž by došlo ke ztrátě pevnosti.

Vysoce pevné hliníkové slitiny (nikoli čistý hliník)

Běžný mýtus o hliníku spočívá v tom, že jde o slabý materiál. Ve skutečnosti jsou hliníkové slitiny používané ve vesmírném průmyslu velmi pevné při porovnání pevnosti a hmotnosti. Čistý hliník je sice měkký, avšak po slití s hořčíkem, křemíkem nebo zinkem vznikají materiály, jejichž pevnost je srovnatelná s ocelí.

Hliníkové elektrické invalidní vozíky, které vyrábíme, jsou vyrobeny z tepelně zpracované slitiny s mezí kluzu přibližně 240–260 MPa – tedy asi 60–70 % meze kluzu mírné oceli, avšak pouze při jedné třetině její hustoty. To znamená, že hliníkový rám lze navrhnout tak, že se zvětší tloušťka stěn nebo průměr trubek, čímž se dosáhne stejné tuhosti jako u ocelového rámu, avšak při výrazně nižší hmotnosti. Při návrhu používáme metodu konečných prvků (FEA) k optimalizaci tvaru trubek, abychom materiál aplikovali pouze tam, kde je napětí nejvyšší.

Optimalizovaná geometrie trubek a zesílení koutovými plechy

Na pevnosti rámu invalidního vozíku nezáleží pouze na materiálu, ale také na jeho tvaru. Dobře navržený hliníkový rám obsahuje trubky většího průměru než podobný ocelový rám, aby se zvýšil moment setrvačnosti (odolnost proti ohybu).

Hliníkové elektrické invalidní vozíky jsou navrženy s převelkými oválnými a obdélníkovými trubkami, které rozprostírají zatížení na širší plochy. V místech průřezů trubek (včetně místa rámu opěrky zád a sedacího kolejnice) vkládáme kované hliníkové podpěry (zpevnění), které odstraňují vrcholy napětí. Větší průměr trubek s tenčími stěnami v kombinaci se strategickým zpevněním vytváří rám, který je tuhý i při zatížení uživatele 120–150 kg, aniž by bylo nutné přijmout hmotnostní nevýhodu oceli. Počítačové modelování zajišťuje, že materiál nepřidáváme tam, kde není potřebný.

Robotické svařování a tepelné zpracování

Zóna tepelného ovlivnění (HAZ) jakéhokoli hliníkového svaru je jeho nejslabším místem a pevnost slitiny se zde může snížit o 30–40 %. Nedostatečné svařování může z dobrého návrhu udělat nebezpečný.

Roboty v našem závodě používají robotické svařování, při němž je tepelný příkon a rychlost posuvu přesně regulována za účelem snížení tepelně ovlivněné zóny (HAZ). Po svařování je každý rám podroben tepelnému zpracování ve stavu T6 (rozpouštění a umělé stárnutí), čímž se dosáhne rovnoměrné pevnosti slitiny po celé struktuře. Toto tepelné zpracování po svaření je velmi důležité – většina výrobců nižší kvality tuto operaci neprovádí a již po několika měsících se u rámu začínají objevovat trhliny v místech svárů. K dosažení návrhové pevnosti všech hliníkových vozíků máme 60 systémů zpracování rámu, včetně speciálních pecí pro tepelné zpracování.

Strategické využití ocelových komponent v místech vysokého namáhání

Zcela hliníkový rám není nutně řešením. Nejchytřejší lehké konstrukce jsou smíšené: hlavní rám je vyroben z hliníku, zatímco části vystavené lokálním zatížením nebo opotřebení jsou z oceli.

Naše elektrické vozíky, jejichž rámové části jsou z hliníku, obsahují ocelové nábojové konzoly (které jsou vystaveny opakovanému montážnímu a demontážnímu procesu kol), protibouchací tyče (které by neměly pružit) a některé otáčecí body. Celková hmotnost těchto ocelových komponent je pod 1–2 kg, avšak výrazně prodlužují životnost vozíku v klíčových místech. Zbytek rámových bočnic, opěrek na záda, zavěšení na podnožky je z hliníku. Toto kompozitní řešení umožňuje snížit hmotnost díky hliníku a zároveň zaručuje odolnost oceli tam, kde je potřebná nejvyšší pevnost.

Závěr

Čtyři inženýrské strategie – použití slitin s vysokou pevností, optimální geometrie trubek s vyztužením (gusseting), robotické svařování a tepelné zpracování typu T6, a umístění oceli v oblastech s vysokým namáháním – umožňují u elektrických vozíků s hliníkovým rámem snížit hmotnost bez ztráty pevnosti. Výsledný výrobek je lehký, ale zároveň dostatečně pevný na to, aby vydržel roky denního používání (obvykle 20–25 kg).

Tyto metody integrujeme ve společnosti Ningbo Baichen Medical Devices Co., Ltd., která disponuje výrobní halou o rozloze 20 000 m², 60 stroji pro zpracování rámových konstrukcí a 4 montážními linkami. Kontaktujte nás a pocitíte sílu lehkého hliníku.