По общему мнению, дни чрезмерно дешевого бензина прошли. Но мы не обязательно обречены вечно страдать от цен на топливо. Вполне возможно, что к 2025 году средний легковой автомобиль сможет проехать более 50 миль на галлон (21,3 км на литр) — если он вообще будет работать на обычном топливе.
Достижение этой отметки не будет ни легким, ни дешевым. К счастью, инженеры и ученые, которым поручено сделать автомобили более эффективными, припасли в запасе несколько хитростей.
Одной из самых больших областей, в которых можно добиться успеха, является уменьшение массы легковых и грузовых автомобилей — широкая дисциплина, известная как автомобильное облегчение. Облегчение направлено на снижение общего веса автомобиля за счет использования передовых материалов, оригинальной конструкции и новых систем. Было подсчитано, что каждые 10 процентов снижения веса приводят к снижению расхода топлива на 6–7 процентов. Таким образом, даже небольшая экономия веса, умноженная на тысячи деталей типичного автомобиля, может привести к значительным суммам.
Эта тенденция существует уже несколько десятилетий:средний седан сегодня весит 3000 фунтов (1361 кг) по сравнению с 4500 фунтами (2041 кг) 30 лет назад. И это несмотря на неуклонный рост количества гаджетов, средств безопасности и удобств, благодаря которым наши транспортные средства с годами превратились в передвижные дома и офисы. Дальнейшее облегчение транспортных средств зависит от разумного подхода к облегчению их составных частей.
На следующих нескольких страницах мы рассмотрим пять самых умных инноваций, которые сделают автомобильные детали легче, а в некоторых случаях и прямо сейчас.
СодержаниеК числу самых тяжелых частей легкового или грузового автомобиля относятся те, которые составляют его «сердце» — двигатель. Детали моторного отсека, такие как блок цилиндров, поршни, коленчатый вал и различные комплектующие, изготовлены из высокопрочных, жаростойких металлов. Они должны быть такими, чтобы выдерживать огромные напряжения и температуры, создаваемые силой тысяч управляемых взрывов в минуту, происходящих под капотом.
Компромиссом такой долговечности является то, что традиционные двигатели очень тяжелые — несколько сотен фунтов в случае типичного легкового автомобиля.
После запуска двигатель должен передавать свою энергию вращения из моторного отсека на колеса по крайней мере в двух из четырех углов автомобиля. Для этого требуется трансмиссия, ведущие мосты и другие детали, которые увеличивают вес и снижают эффективность.
Электродвигатели, размещенные непосредственно на ступице отдельного колеса, устраняют необходимость во многих громоздких и требующих технического обслуживания деталях обычного автомобиля. Затем эти двигатели управляются компьютером, который направляет их на вращение колес по мере необходимости. Michelin и автомобильная компания Venturi произвели большой фурор с помощью этой технологии в 2010 году, продемонстрировав систему Active Wheel от Michelin на эффектном концепте Venturi Volage. Он имел не только электродвигатели в колесах, но и мощную электрическую тормозную систему и активную подвеску (тоже внутри ступицы колеса)!
Помимо конструкции самих деталей, очень важно, из чего они сделаны. Перейдите на следующую страницу, чтобы прочитать об умных материалах, которые делают автомобильные детали легче.
В одной из самых известных реплик в кино «Мистер МакГуайр» (Уолтер Брук) дал совет, который впоследствии стал классическим советом «Бенджамину» (тогда свежеиспеченному Дастину Хоффману) в фильме 1967 года «Выпускник»:"Я просто хочу сказать вам одно слово... пластмассы. За пластмассами большое будущее, вы подумаете об этом?"
Спустя десятилетия совет г-на Макгуайра оказался не только пророческим, но и удивительно живучим. Пластик присутствует в той или иной форме почти на каждом предмете, который мы покупаем, от упаковки до самого предмета. Даже сегодня исследователи ищут способы сделать пластик более универсальным, прочным и способным выдерживать более экстремальные условия.
Одна компания, Polimotor, зашла так далеко, что предложила и изготовила пластиковые двигатели, заявив о 30-процентной экономии веса по сравнению с традиционными цельнометаллическими двигателями.
Однако в ближайшем будущем вы все еще, скорее всего, увидите пластик в обычных местах, просто в большем количестве.
Помимо внутренних деталей, таких как отделка салона, ручки, консоли и панели, пластик также используется для изготовления переднего и заднего бамперов, боковых юбок и корпусов зеркал.
Возможно, не так уж и далеко вы увидите обычные серийные автомобили, все внешние кузова которых сделаны из пластика, а не из алюминия или стали, которые обычно используются для панелей кузова.
Мы могли бы даже найти хорошее применение для некоторых из примерно 2,5 миллионов тонн пластиковых бутылок с водой, выбрасываемых каждый год:концепт Hyundai QarmaQ, например, может похвастаться корпусом, сделанным в основном из переработанных пластиковых бутылок для воды. Есть еще один «чудо-материал», способный облегчить часть веса, создаваемого стальными деталями, при этом обеспечивая равную или лучшую прочность. Обо всем этом читайте на следующей странице.
Углеродное волокно, безусловно, не новичок на автомобильной сцене. Эта технология, заимствованная из аэрокосмической промышленности, а затем использованная в автогонках для облегчения транспортных средств на трассе, перекочевала на специализированный рынок послепродажного обслуживания.
Среди тех, кто занимается тюнингом, прикручивание карбоновых капотов, спойлеров и даже панелей кузова с неокрашенными деталями и видимым углеродным переплетением является признаком статуса.
В двух словах, углеродное волокно состоит из нитей атомов углерода, сформированных в волокна, которые затем сплетаются в ткань, которую легко формовать. Когда листы пропитывают специальной смолой, наносят на форму и дают отвердеть, полученный продукт может быть таким же прочным, как сталь, но в два раза легче (и на 30 процентов легче, чем алюминий). Он очень похож на стекловолокно, но обладает гораздо большей прочностью.
Так почему же мы уже не видим углеродное волокно повсюду? Расходы. Длительный и сложный цикл изготовления деталей из углеродного волокна делает их производство во много раз дороже, чем аналогичные детали из стали или даже легких металлов, которые дороже стали.
В течение долгого времени экономия топлива, которой покупатели автомобилей могли пользоваться в результате использования более легких деталей из углеродного волокна, не оправдывала с финансовой точки зрения дополнительные расходы, связанные с отказом от использования стали.
Ряд производителей автомобилей, в частности Lexus и BMW, работают над тем, чтобы изменить это, проводя интенсивные исследования по разработке способов снижения стоимости производства углеродного волокна для автомобилей. Lexus, например, разработал замечательный трехмерный роботизированный ткацкий станок, способный ткать не только плоские листы углеродного волокна, но и изогнутые детали, уже сформированные по контурам определенных частей тела.
Каким образом автопроизводитель должен «выжать свинец» с точки зрения веса, когда транспортные средства полагаются на аккумуляторы (традиционно тяжелые свинцово-кислотные) для обеспечения многих электрических потребностей автомобиля? Еще несколько лет назад свинцовые аккумуляторы были предпочтительным поставщиком сока для электромобилей — в основном потому, что это было все, что было легко доступно.
Затем появились никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы, которые были легче, но при этом могли обеспечивать мощный заряд и широко использовались в гибридных автомобилях.
Автопроизводители делают ставку на гибридные и полностью электрические автомобили, чтобы в будущем соответствовать установленным государством требованиям к пробегу. Но даже NiMH-аккумуляторам не хватает емкости для накопления энергии, чтобы практически оправдать ожидания потребителей. Это из-за свойства под названием «плотность энергии». На данный момент аккумуляторы не могут выдерживать такой же энергетический «удар» при заданном весе, как ископаемое топливо.
Войдите в литий-ионные батареи, которые имеют более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные или никель-металлгидридные. Они долгое время приводили в действие беспроводные электроинструменты и портативные компьютеры, но также страдали от неприятной склонности к взрыву, когда они становились слишком горячими. Хотя эти катастрофические сбои происходили довольно редко, они происходили достаточно часто, чтобы вызывать серьезную озабоченность, например, когда они вызывали возгорание потребительских ноутбуков. Они также заставили крупных автопроизводителей с опаской использовать их в серийных автомобилях, пока не будут устранены недостатки.
Тем не менее, такие компании, как Tesla, сочли целесообразным использовать их в своем быстром и элегантном электрическом спортивном автомобиле Roadster, который, по общему мнению, продемонстрировал феноменальную производительность.
И время, когда литий-ионные автомобильные аккумуляторы станут более популярными, быстро приближается. Исследователи Массачусетского технологического института, например, нашли способ сократить время перезарядки и сделать ионно-литиевые батареи более стабильными (используя никель, а не кобальт, наряду с литием в качестве основного элемента). Это и другие достижения показывают, что легкий литий будет играть важную роль в том, чтобы помочь автомобилям сбросить вес в будущем.
Обычно, когда люди говорят об «электромобиле», они имеют в виду тот факт, что у него есть электродвигатель, который вращает колеса. Но у этой фразы есть и другое значение — она также может относиться к автомобилям, в которых тяжелые и громоздкие механические соединения заменены более легкими электрическими компонентами меньшего размера. Эти электрические и электронные компоненты, обычно называемые "управлением по проводам" или "x-by-wire", могут использоваться для более точного управления приемистостью, рулевым управлением и даже торможением.
Эта конкретная технология претендует на происхождение от истребителей. Технология Fly-by-wire получила свое боевое крещение буквально, когда она использовалась в качестве единственного метода управления для F-16 Fighting Falcon, который дебютировал еще в 1978 году. со временем он получил прозвище «Гадюка» вместе с уважением пилотов, поскольку неоднократно доказывал свою эффективность в бою.
Электронное управление стало использоваться как в военных, так и в коммерческих самолетах, а затем и в автомобильной промышленности.
Поскольку проводное управление занимает меньше места, это означает, что автомобильные дизайнеры могут обеспечить больше комфорта, например, больше места для ног и головы, и в целом идти на меньшие конструктивные компромиссы. А так как они весят меньше, системы байонетной связи позволяют транспортным средствам, на которых они установлены, двигаться быстрее, дальше или и то, и другое.
Не всем нравится идея перехода на полностью электронные системы. Что, если они, в конце концов, страдают от ошибочного программирования, как это иногда случается с программным обеспечением, которое мы используем на наших ПК? Последнее, что вам нужно, — это компьютерный сбой, не позволяющий вам задействовать тормоза, когда они вам действительно нужны.
На самом деле механические системы изнашиваются, ломаются и испытывают другие проблемы. Как и в случае со многими другими автомобильными инновациями, это может быть просто вопросом времени, когда люди примут новую технологию управления как «нормальную», как только она будет доказана благодаря все более широкому использованию.
Уход за классическим автомобилем
Устаревшие автопроизводители и история Tesla EV
Четыре признака того, что вашей системе охлаждения требуется помощь
Автомеханика и автоматизация:как адаптируется отрасль?