Снижение массы кузова автомобилей

Тенденция к созданию легких автомобилей достигла своего пика в начале 20-го века, когда было выпущено 17,4 миллиона единиц. продаж в США ежегодно и поддерживался на уровне 16 миллионов единиц до 2007 года. Хотя долговое финансирование в 2008 году повлияло на автомобильный пузырь, инвестиции в исследования и разработки автомобилей не препятствовали тем же темпам. Хотя ежегодные продажи легковых автомобилей в США достигли своего пика. самая низкая точка в 2009 году и с тех пор начала расти. Большую часть стоимости мировой автомобильной промышленности составляет сектор запасных частей, но важность легких транспортных средств во всем мире дала инвесторам возможность инвестировать в новые материалы и технологии, такие как легкие и биосодержащие автомобильные материалы из пластика и металлов, которые ускоренными темпами практически заменяют все конструкции кузова в передних автомобильных модулях. Все эти усилия отрасли направлены на то, чтобы завоевать неиспользованный рынок в развитых и развивающихся странах, который с нетерпением ждет появления легких автомобилей из-за высокий акцент на растущие цены на нефть и опасения по поводу парниковых газов. Таким образом, эти легкие автомобили будут давать больший пробег при том же количестве энергии по сравнению с обычными автомобилями. Однако проблема заключается в ценообразовании конечного продукта из-за высоких затрат, связанных с разработкой и внедрением этих передовых материалов и технологий производства.

Технологические аспекты автомобильной промышленности в производстве легких компонентов

Промышленность рассматривает большой потенциал применения новых материалов, уделяя особое внимание легким сплавам, термопластам, углероду или другим армированным волокнам полимерам, композитам, усовершенствованным сталям и специальным сотовым заполнителям, пеноматериалам, многофункциональным материалам для деталей кузова, шасси и более тяжелых внутренних систем. который включает в себя оптимизацию конструктивных схем, численное моделирование, многофункциональное проектирование, испытания, производственные процессы. Рассмотрены вопросы стандартизации инновационных структурных схем, которые могут позволить новым электромобилям легко адаптировать материалы, используемые в процессе сборки, для улучшения безопасность за счет повышенной способности поглощать энергию. Следовательно, это приводит к лучшему столкновению с асимметричными условиями аварии для совместимости размера и веса транспортного средства. Инвестиции в исследования, проведенные Национальными лабораториями Ок-Риджа и Министерством энергетики США, позволили получить недорогое углеродное волокно с использованием лигнина в качестве части. инициатива по производству нескольких потоков добавленной стоимости из биологического сырья и легких компонентов для транспортных средств. В то время как ThyssenKrupp разработала множество решений и концепций шасси, в которых используется потенциал высокопрочных и сверхвысокопрочных сталей для оптимизации конструкции шасси, что помогает снизить вес автомобиля. Эти концепции также объявлены экономически эффективными, и в них используется горячекатаная комплексная фазовая сталь с пределом текучести 680 мегапаскалей, что значительно прочнее, чем стали, используемые в конструкциях шасси до сих пор. Таким образом, игроки отрасли получают конкурентное преимущество, чтобы выстоять в предстоящей конкуренции.

Отраслевые факты

• » Мировое потребление легких материалов для транспортного оборудования в 2006 году составило 42,8 млн тонн/80,5 млрд долларов США, а к 2011 году оно увеличилось более чем на 9 %, т. е. 68,5 млн тонн/106,4 млрд долларов США.
• » Вышеупомянутый наибольший процент количества металла приходится на высокопрочную сталь, за которой следуют алюминий и пластик.
• » Легковые автомобили и легкие грузовики среди легковых автомобилей являются крупнейшим сегментом конечного пользователя, изготовленного из легких материалов.

Роль материалов в легких материалах для автомобилей

Сталь: Среди металлов и композитов сталь является наиболее привлекательным компонентом, играющим важную роль в процессе производства автомобилей. Это основная область интересов сталелитейной промышленности и поставщиков компонентов, которые вкладывают значительные средства в ее инновации. Присущая стали способность поглощать энергию удара в аварийной ситуации привела к тому, что этот материал часто был первым выбором для автомобильных дизайнеров. В то время как компоненты кузова в белой структуре должны пройти испытания, которые докажут, что металл способен поглощать или передавать энергию удара в аварийной ситуации, чтобы принять решение о пригодности материалов для применения в автомобиле.

ThyssenKrupp Steel Europe установила модернизированные заводы для производства высокопрочной стали для легкого автомобилестроения, исходного материала для белой жести, а также стали для нефте- и газопроводов и электротехнической стали. В то время как Chrysler и многие иностранные автопроизводители зависят от цинко-железных покрытий, которые могут быть получены путем электрогальванического цинкования или путем производства гальванического покрытия, которое представляет собой отожженную оцинкованную сталь на линии горячего погружения.

В сотрудничестве с Sumitomo Metal Industries и Aisin Takaoka компания Mazda Motor стала первым автопроизводителем, успешно разработавшим компоненты автомобилей с использованием сверхпрочной стали с пределом прочности 1800 МПа. Его CX-5 легче автомобиля, имеет более жесткое шасси, в основном изготовленное из высокопрочной стали, что позволяет автомобилю чувствовать себя солидно и собранно при движении по пересеченной местности, будь то дороги или тропы. Другой автопроизводитель Honda разработал Accord Euro, который на 50 % состоит из высокопрочной стали.

Алюминий: Еще одним металлом, обладающим значительным потенциалом для снижения веса автомобильного кузова, является алюминий, который чаще всего является перерабатываемым материалом в мире. Алюминий может использоваться в автомобильной трансмиссии, шасси, сплавах и конструкциях кузова.

В последние годы наблюдается значительное использование алюминия, и исследования Sears показывают, что 110 кг алюминия, использованного в автомобилях в 1996 году, возрастут до 250 – 340 кг, включая и без него. к 2015 году будут применяться панели кузова или конструкции. В то время как прогнозы также говорят об использовании алюминия в крышках багажников, капотах и ​​подвесных дверях, а недавними примерами являются силовые передачи, конструкция кузова, шасси и кондиционер. Нынешняя ключевая тенденция использования материала для блоков двигателей, которые являются одной из более тяжелых частей, заменяются с чугуна на алюминий, что приводит к значительному снижению веса.

Недавняя разработка заключается в применении кованого алюминия вместо алюминиевых отливок, а также в применении кованого алюминия в теплозащитных экранах, усилителях бамперов, кожухах подушек безопасности, пневматических системах, поддонах, каркасах сидений, средствах защиты от бокового удара. панели и т. д.

Недавний Mercedes-Benz SL получил алюминиевый корпус. Вес корпуса состоит из 44 % литого алюминия, 17 % алюминиевых профилей, 28 % алюминиевого листового металла, 8 % стали и 3 % других материалов. Он весит меньше своего предшественника из-за широкого использования алюминия в конструкции кабриолета с убирающейся жесткой крышей, но стоит дороже.

По данным Mercedes-Benz, аэродинамические улучшения в этой модели не только снижают лобовое сопротивление, но и обеспечивают более тихую езду, меньше ветра в салоне и даже меньше грязи. на боковые окна. Однако относительная ударопрочность двух одинаковых автомобилей, в одном из которых больше алюминия, а в другом больше стали, даст стальному автомобилю преимущество в плане безопасности. Хотя в пересчете на фунт на фунт алюминий поглощает в два раза больше энергии при ударе, чем обычная автомобильная сталь, аргумент продолжается, заявляя, что облегчение транспортных средств алюминием способствует экономии топлива, производительности и безопасности.

Магний: По сравнению с алюминием и сталью/чугуном магний легче на 33% и 75% соответственно. При этом коррозионная стойкость современных высокочистых магниевых сплавов лучше, чем у обычных алюминиевых сплавов, отлитых под давлением.

Но магниевые компоненты в автомобильной продукции имеют много недостатков механических/физических свойств, которые требуют уникальной конструкции для применения, а модуль и твердость магниевых сплавов ниже, чем у алюминия, а коэффициент теплового расширения составляет больше. Однако следует отметить, что подходящие ребра и опоры часто могут преодолеть ограничения по прочности и модулю.

После того, как ЕС объявил о снижении выбросов CO2 до уровня менее 120 г/кг, магний стал широко рекламироваться и использоваться в качестве самого легкого металла в автомобилестроении в Европе. Идея снижения затрат при разработке изготовленных из магния компонентов была направлена ​​на то, чтобы цены на детали были примерно в два раза выше, чем на алюминиевые детали.

Пластмассы и композиты: С 1953 года полимерные композиционные материалы Corvette стали частью автомобильной промышленности. Предпочтение этим материалам возросло из-за их сокращения времени выполнения заказа, более низких инвестиционных затрат, меньшего веса и возможностей консолидации деталей, коррозионной стойкости, гибкости конструкции, анизотропии материала и механических свойств по сравнению с обычным производством стали.

Однако препятствие возникло из-за высокой стоимости материалов, низких темпов производства, опасений по поводу возможности вторичной переработки и ряда факторов, препятствующих широкомасштабному применению полимерных композитов в автомобилестроении. Стоимость композитных материалов обычно до 10 раз выше при использовании углеродных волокон, чем у обычных металлов, и, следовательно, основными целями будущих разработок должно быть использование гибридных композитов, которые требуют низкой стоимости. BMW и VW первыми начали использовать конструкции из углеродного волокна в своих автомобилях.

Стальные конструкции все быстрее заменяются металлопластиковыми гибридами. Таким образом, существует значительная конкуренция на рынке материалов для автомобильных приложений. Растущие экологические проблемы также ускоряют потребность в более легких транспортных средствах для снижения расхода топлива, а также в связи с необходимостью переработки.

Таким образом, автомобильная промышленность адаптирует коммерчески жизнеспособные стратегии, такие как альтернативные металлы и композиты, чтобы удовлетворить спрос и выдержать растущую отраслевую конкуренцию. Но узким местом сценария для отрасли является не только удовлетворение спроса на легковые автомобили, но и проблемы, связанные со стандартами транспортных средств, национальными инфраструктурными и экономическими проблемами.

Yet, there are significant barriers in large scale use of these materials mainly due to the cost of the raw materials or the large capital investment need for transformation of the forming processes and reaching the changing standards ®ulations in the crash worthiness &reliability. So, there is need for further research for best viable processes, properties and lower cost materials to cash this lucrative industry at its peak.