Легкие материалы изменят будущее автомобильного дизайна

Что позволяет автомобилям путешествовать дальше на пути экономии энергии и сокращения выбросов?От рождения Ford Model T до современных новых энергетических автомобилейЭта статья сосредоточена на облегчении веса транспортных средств, изучая роль стали, алюминия,и пластмассы в конструкции автомобильных кузов при анализе связанных материалов и технологий обработки.

В волне непрерывных автомобильных технологических инноваций материалы играют решающую роль.Только с помощью сложных методов обработки материалы могут быть преобразованы в функциональные автомобильные компонентыДля улучшения функциональности компонентов и повышения топливной эффективностиСпрос на передовые материалы продолжает расти, способствующие появлению новых материалов.

Согласно первоначальным данным опроса, проведенного Ассоциацией производителей автомобилей Японии (JAMA), соотношение состава автомобильных материалов изменилось после нефтяного кризиса.Стальные материалы, включая стальные пластины, конструктивной стали, нержавеющей стали и чугуна, их доля незначительно снизилась с примерно 80% до примерно 70%.Сталь остается доминирующим материалом в автомобилестроенииВ то же время использование алюминия и пластика показало тенденцию к росту, алюминий и другие цветные металлы составляют около 8%, а пластмассы достигают аналогичного уровня.Хотя данные JAMA распространяются только на 2001 год,По оценкам отрасли, пластмассы в настоящее время составляют почти 10% автомобильных материалов.в основном достигается путем замены традиционной стали на альтернативы алюминия и пластика.

Таким образом, сталь, алюминий и пластмассы образуют три столпа автомобильных конструкционных материалов.защитное стекло для лобовых стекол, керамика для датчиков и платина для каталитических преобразователей - все они служат основными компонентами.В то время как развитие автомобильной промышленности одновременно стимулирует оптимизацию существующих материалов и исследования новых..

В течение 1980-х годов керамические материалы привлекли внимание как "третий материал" после металлов и пластмасс, в первую очередь из-за их превосходящей высокотемпературной стойкости по сравнению с металлическими сплавами.Прорывное нововведение появилось в 1985 году, когда модель Nissan Fairlady Z включала в себя циликоновый нитрид, керамический турбокомпрессорный роторС плотностью всего 3,2 г/см3, что значительно ниже, чем у сплава Inconel (8).5g/cm3) обычно используемый для лопастей турбины в то время, этот материал существенно уменьшил вес ротора и улучшил реакцию двигателя.

Керамические клапаны двигателей с нитридом кремния также прошли обширные исследования и достигли стадии тестирования прототипов.Технология шлифования этого высокопрочного материала, особенно экономически эффективный контроль качества, стала критической технической проблемой.Керамика также играет жизненно важную роль в экологических приложениях: циркониевая керамика в датчиках кислорода бензиновых транспортных средств,Кордиеритная керамика в субстратах каталитического конвертера, и керамики из карбида кремния в дизельных фильтрах твердых частиц (DPF) для очистки выхлопных газов.

ДПФ, впервые внедренные в 2000 году в Peugeot 607, улавливают твердые частицы из дизельных выхлопных газов с помощью соломенных конструкций с пористыми стенами.Эта технология требует точного контроля размеров микропор и передовых методов обработки соломыТипичный двигатель DPF легкового автомобиля весит от 3 до 6 кг, что неизбежно увеличивает общий вес автомобиля.

В первую очередь цель легкого веса автомобиля - снижение расхода топлива и повышение динамической производительности.Улучшение топливной эффективности стало особенно важнымДля достижения более низкого расхода топлива существует несколько подходов, включая оптимизацию сгорания двигателя, снижение потерь от трения, повышение эффективности передачи мощности,уменьшение аэродинамического сопротивления и проката, и снижение веса транспортного средства. Среди них легкая масса является одной из наиболее важных мер.Легкость кузова оказывается необходимой для экономии топлива.Для электромобилей снижение веса дополнительно увеличивает дальность движения.

Рассмотрим 2,0-литровый легковой седан с массой на борту 1,214 кг: его стальной кузов весит 343 кг, включая 261 кг кузова в белом (структурная рама) плюс 82 кг для дверей и капотов.кузов составляет около 30% от общей массы транспортного средстваДля сравнения, двигатель весит 141 кг, включая 41 кг литого железа цилиндрового блока.Замена на алюминий снижает вес на 15 кг. Классический пример замены материала для облегчения.

Миниатюризация компонентов предлагает еще один важный подход к облегчению веса.повышение безопасности при столкновенияхМиниатюризация также повышает гибкость конструкции кузова.Современный легкий автомобиль (вес 718 кг) имеет 206 кг кузова, сохраняющий аналогичное соотношение массы кузова к массе транспортного средства, как 20,0-литровый седан (см. таблицу 1).

Автомобильные кузова представляют собой одни из самых больших и сложных конструкций транспортных средств, что делает их основными целями для облегчения.Конструкция кузова должна удовлетворять нескольким требованиям к производительности, включая прочность, жесткость, долговечность, коррозионная стойкость, производительность NVH (шум, вибрация и суровость) и безопасность при столкновении без ущерба от усилий по снижению веса.

Высокопрочная сталь (HSS) служит важным материалом для облегчения веса. Увеличив прочность стали, производители могут уменьшить использование материала без ущерба для конструктивных характеристик.Продвинутые высокопрочные стали (AHSS) ◄ включая двуфазные (DP), трансформационно-индуцированная пластичность (TRIP), сложнофазные (CP) и мартенситные (MS) стали имеют все более широкое применение в автомобильной промышленности.Эти материалы предлагают более высокую прочность и лучшую формальность для более легких, более безопасные структуры тела.

В новейшей модели одного из автопроизводителей используется обширная система AHSS, чтобы уменьшить вес тела на 15%, повышая жесткость и безопасность при столкновении.Теплообразованная сталь также обычно укрепляет критические структурные компоненты, такие как столбы А и В, чтобы повысить устойчивость к столкновениям.

Алюминиевые сплавы обеспечивают еще одно важное решение для облегчения веса.Отличная формальность и коррозионная стойкость алюминия облегчают производственные процессыСовременные применения охватывают панели кузова, структурные компоненты, системы подвески и части двигателя.

Audi A8 является примером полностью алюминиевой конструкции кузова, достигая примерно 40% снижения веса по сравнению с обычными стальными кузовами.Tesla Model S также широко использует алюминий для уменьшения веса и увеличения дальности.

Пластмассы и композиты предлагают дополнительные пути облегчения веса.В то время как отличная гибкость конструкции и коррозионная стойкость подходят для сложных компонентов.В настоящее время применяются бамперы, защитные щиты, панели отделки дверей и панели приборов.

Композиты из углеродного волокна представляют собой высокопроизводительные легкие материалы с исключительной прочностью и жесткостью.их использование в автомобилях премиум-класса, таких как BMW i3 и i8 продолжает расширяться.

• Стали с более высокой прочностью, более высокой пластичностью:AHSS следующего поколения позволит создать более легкие и безопасные конструкции корпуса.
• Более дешевые сплавы алюминия:Продвижение технологий производства позволит расширить применение алюминия.
• высокопроизводительные композиты:Углеродные волокна и аналогичные материалы будут широко использоваться.
• Гибридизация из нескольких материалов:Будущие тела будут комбинировать материалы для оптимизации легкого веса.

Легкость в автомобилестроении представляет собой системную инженерную задачу, требующую скоординированного развития материалов, дизайна и производства.Будущие машины станут легче, более эффективным и экологически устойчивым.