Praktisks ceļš uz vieglajām automašīnām

Automašīna ir noteicošais divdesmitā gadsimta tehnoloģiskais artefakts. Tomēr tā pazīstamība atspēko tās sarežģītību. Nav nekāds uzdevums izveidot automašīnu, kas ir ātra un jaudīga, taču tajā pašā laikā ērta un droša, turklāt par pieņemamu cenu. Ņemiet vērā vēl dažus ierobežojumus — izturību, vieglu remontu, pietiekami daudz vietas dažiem bērniem un ģimenes sunim, kā arī plašu barošanas avotu elektriskajiem logiem, gaisa kondicionētāju, CD atskaņotāju un apsildāmiem sēdekļiem — un izaicinājums kļūst skaidrs. . Tieši tāpēc, ka automašīna ir kļuvusi par mūsu dzīves neatņemamu sastāvdaļu, patērētāju vēlmes nosaka milzīgu un bieži vien pretrunīgu dizaina mērķu kopumu.

Pēdējo 25 gadu laikā autoražotāji ir saskārušies ar pieaugošu spiedienu iekļaut savos projektos arī vides mērķus. Jo īpaši patērētāji un federālā valdība ir mudinājuši uzlabot degvielas ekonomiju, lai saglabātu naftu un kontrolētu piesārņojumu. Automobiļu rūpniecība ir reaģējusi: no 1974. līdz 1995. gadam vidējas jaunas automašīnas degvielas nobraukums pieauga no 14,2 līdz 28,2 jūdzēm uz galonu.

Tagad atkal pieaug sabiedrības spiediens uzlabot degvielas ekonomiju, daļēji tāpēc, ka ir bažas par globālo klimata pārmaiņu izredzēm. (Automašīnas rada aptuveni vienu ceturtdaļu no oglekļa dioksīda emisijām, kas ir galvenais siltumnīcas efekta veicinātājs.) Galvenais, lai uzlabotu transportlīdzekļa degvielas ekonomiju, ir svara samazināšana: jo mazāks ir transportlīdzeklis, jo mazāka jauda ir nepieciešama, lai paātrinātu, un jo mazāk. enerģiju, lai uzturētu fiksētu ātrumu. Tradicionāli automobiļu rūpniecība ir samazinājusi svaru, galvenokārt samazinot izmērus, un šī stratēģija pēdējo 20 gadu laikā ir spējusi samazināt tipiskas automašīnas svaru no 3500 mārciņām līdz 2500 mārciņām. Šodien šī stratēģija ir sasniegusi savas robežas. Būtiski uzlabojumi būs iespējami, tikai izmantojot jaunu pieeju: automašīnas virsbūvi izgatavot no viegliem materiāliem, nevis no pamata oglekļa tērauda.

Lai gan virsbūve veido tikai aptuveni vienu trešdaļu no automašīnas svara, viegla, degvielu taupoša automobiļa obligāts nosacījums ir ķermeņa svara samazināšana. Automašīna ar vieglāku virsbūvi var izmantot vieglāku dzinēju, mazāk masīvu balstiekārtu un mazāk izstrādātu konstrukciju. Šie sekundārie svara ietaupījumi var aptuveni dubultot ieguvumus: uz katriem 10 mārciņām, kas ietaupītas, samazinot virsbūves svaru, vēl 10 mārciņas var ietaupīt, samazinot citas automašīnas daļas.

Turklāt daudzas jaunas tehnoloģijas, kas izstrādātas, lai uzlabotu degvielas ekonomiju, ir iespējamas tikai automašīnām, kas ir ievērojami vieglākas nekā mūsdienās. Piemēram, automobiļu dzinējiem ir jāsabalansē efektivitātes (enerģija uz nobraukto attālumu) un jaudas (spēks, kas nepieciešams automašīnas paātrināšanai) mērķi. Augstas efektivitātes iekšdedzes dzinēji, elektriskie dzinēji vai hibrīddzinēji, kas apvieno abus, ir daudz mazāk jaudīgi nekā parastie dzinēji un sasniegs salīdzināmu veiktspējas līmeni tikai ar daudz vieglāku transportlīdzekli. Virsbūves masas samazināšana ir būtiska, lai radītu sinerģiju starp vieglo svaru un jaunām dzinēja tehnoloģijām.

1993. gadā ļoti ietekmīgs enerģētikas analītiķes Amory Lovins no Rocky Mountain Institute dokuments ierosināja, ka lielākie autoražotāji (vai jebkurš cits, kam ir problēmas) varētu izmantot esošos materiālus un tehnoloģijas, lai ražotu īpaši vieglu, ļoti degvielas ekonomiju. Viņa iecerētajā superautomašīnā būtu iekļauta viegla plastmasa, datorizētas vadības ierīces un hibrīda spēkstacija - enerģijas sistēma, kas apvienotu tradicionālo siltuma dzinēju un elektromotoru, piemēram, modernā lokomotīvē. Tas svērtu aptuveni 1000 mārciņu un sasniegtu vairāk nekā 150 jūdzes uz galonu, tomēr tas saglabātu mūsdienu automašīnu drošības un ērtības iezīmes.

Lovins pareizi norādīja, ka materiāli un tehnoloģijas, kas padara iespējamu superauto, būtībā nav savienojami ar projektēšanas, ražošanas un organizatoriskiem procesiem, ap kuriem ir strukturēta automobiļu rūpniecība. Tāpēc viņš apgalvoja, ka tikai revolūcija nozarē novedīs pie superauto; centieni uzlabot degvielas ekonomiju un veiktspēju, pakāpeniski ieviešot jaunus materiālus un tehnoloģijas, izmaksātu pārāk dārgi un radītu pārāk maz ražu.

Superauto koncepcija piesaistīja lielu uzmanību vides aizstāvju, auto industrijas līderu un politikas veidotāju vidū un pat palīdzēja iedvesmot neparastu aliansi, lai gan tās mērķi nedaudz atpaliek no Lovinsa mērķiem. 1994. gadā ASV autobūves kompānijas un federālā valdība apvienoja spēkus, lai uzsāktu Jaunās transportlīdzekļu paaudzes programmu — agresīvu pētniecības un attīstības projektu, kura mērķis ir ražot automašīnu, kas atbilstu degvielas ekonomijas standartam, kas trīs reizes pārsniedz mūsdienu 27,5 jūdzes. par galonu, un tas piedāvā parastu automašīnu veiktspēju un ērtības — par to pašu cenu. Apvienojot nacionālo laboratoriju un lielāko ASV autoražotāju resursus, PNGV pētnieki cer 10 gadu laikā izstrādāt transportlīdzekļa prototipu un 20 gadu laikā to masveidā ražot un pārdot.

Jautājums nav par to, vai var uzbūvēt īpaši vieglu transportlīdzekli, kas piedāvā revolucionārus degvielas ekonomijas uzlabojumus. Autoražotāji jau zina, ka tā var. Jautājums ir par to, vai šādu automašīnu var padarīt par pieņemamu cenu un kādas izmaiņas automobiļu rūpniecībā būs nepieciešamas, lai tuvinātu mūs šim mērķim. Jo īpaši autoražotāji un superauto atbalstītāji apspriež divu klašu materiālu izmaksas un ieguvumus, kas varētu kalpot kā viegls tērauda aizstājējs transportlīdzekļu virsbūvēs: alumīnija, ko var izmantot, tikai pakāpeniski mainot nozares konstrukciju un ražošanas procesus; un plastmasas, kas nevar.

Alumīnija plusi un mīnusi

Viegls metāls, kas ir par 45 procentiem tikpat blīvs kā parastais tērauds, alumīnijs ir izmantots kā galvenais strukturālais materiāls aviācijas un kosmosa nozarē daudzus gadus. Lai gan tas ir dārgs, alumīnija loksnes tiek pārdotas par aptuveni 1,50 USD par mārciņu, salīdzinot ar aptuveni 30 centiem par mārciņu tērauda lokšņu pētniekiem automobiļu rūpniecībā, ir sākuši pētīt iespēju transportlīdzekļu virsbūvēs aizstāt tēraudu ar alumīniju.

Viena no galvenajām priekšrocībām, pārejot uz alumīniju, salīdzinājumā ar citiem viegliem materiāliem, ir tā, ka to var veidot, izmantojot daudzas metodes, kas jau tiek izmantotas automašīnu ražošanā no tērauda. Tādējādi nozare varētu turpināt izmantot lielu daļu esošās iekārtas. Un projektēšana alumīnijam krasi neatšķiras no projektēšanas tēraudam — tā ir svarīga priekšrocība nozarē, kurā inženieri nelabprāt eksperimentē ar salīdzinoši neizmēģinātiem materiāliem.

Protams, fakts, ka automašīnu virsbūves mūsdienās lielākoties nav alumīnija, liecina, ka materiālam ir arī trūkumi. Papildus tam, ka alumīnijs ir dārgāks par tēraudu, alumīnijs ir tikai aptuveni viena trešdaļa stingrāka — tas ir būtisks ierobežojums automašīnu virsbūves dizainā. Stingrību var nedaudz palielināt, mainot dizaina ģeometriju (izliektas formas ir stingrākas nekā plakanas), taču tas ir problemātiski nozarē, kur forma un stils ir svarīgi pārdošanas jēdzieni. Vienkāršāks risinājums ir plakanos alumīnija korpusa paneļus — spārnus, pārsegus un durvis padarīt biezākus par tērauda paneļiem, lai nodrošinātu to vienlīdz labu darbību. Tomēr tas rada augstākas materiālu izmaksas un zināmā mērā kompensē svara priekšrocības.

Vēl viena problēma ir alumīnija augstā elektrovadītspēja, kas apgrūtina punktmetināšanu. Punktmetināšana ir standarta metode tērauda automašīnu virsbūvju montāžai. Abas savienojamās daļas ir iespīlētas starp diviem elektrodiem un tiek pielietota elektriskā strāva, tādējādi sasildot abas daļas saskares punktā, izraisot difūzijas savienojumu. (Metāls faktiski nekūst, jo tas samazinātu materiāla veiktspēju un izraisītu koroziju un detaļu bojājumus.)

Tā kā alumīnijs vada siltumu labāk nekā tērauds, ir nepieciešams daudz vairāk elektrības un lielāki elektrodi, lai metāls būtu pietiekami karsts, lai sasaistītu. Un tā kā elektrodi ilgāk paliek saskarē ar alumīniju, kamēr tiek pielietota strāva, alumīnija atomi, visticamāk, izkliedēsies elektrodā, saīsinot tā lietderīgās lietošanas laiku. Tāpēc alumīnija transportlīdzekļi, iespējams, izmantos alternatīvas montāžas metodes, tostarp šuvju metināšanu (kurā izkausēta metāla sloksne tiek uzklāta vairāk vai mazāk kā līme), līmvielas un mehāniskie stiprinājumi.

Unibody pret Space Frame

Izaicinājums, ar ko saskaras automobiļu rūpniecība, ir alumīnija automobiļa izstrāde, lai aptvertu materiāla priekšrocības un samazinātu trūkumus. Ir divas konkurējošas iespējas: unibody, saīsinājums no unitized body, dizains, ko izmanto tērauda automašīnām; vai telpa-rāmja dizains, būtībā liela kopņu struktūra, kas pārklāta ar plānu apvalku.

Vienā korpusā transportlīdzekļa virsbūves paneļi ir savienoti kopā, veidojot korpusa struktūru. Tas ļauj efektīvi izmantot virsbūves paneļu augsto stingrību. Lai gan alumīnijs nav tik stīvs kā tērauds, ja paneļi ir izgatavoti pietiekami biezi un tiek izmantotas atbilstošas ​​savienošanas metodes, unibody dizains labi darbosies ar šo materiālu.

Tomēr unibody dizains rada divas saistītas problēmas. Pirmkārt, no salīdzinoši stīviem metāla korpusa paneļiem ir salīdzinoši grūti (un līdz ar to dārgi) izgatavot sarežģītas virsmas, piemēram, izgriezumus vai sarežģītus izliekumus. Ja dizaineri mēģina apiet šo problēmu, izmantojot vieglāk veidojamus materiālus, rodas otrā problēma: tā kā viengabala korpusa konstrukcijas veiktspēja lielākoties izriet no tā, kā tās daļas ir piestiprinātas, šīm daļām ir jābūt izgatavotām no materiāliem, kurus var viegli savienot. . Bez lēta veida, kā savienot divus atšķirīgus materiālus, vienotā korpusa dizains būtībā liek autoražotājam ražot automašīnas, izmantojot vienas klases materiālus.

Atbildot uz šiem iebildumiem, dizaineri pēta telpas rāmi. Šajā konstrukcijā transportlīdzekļa konstrukcija faktiski sastāv no metāla sliežu režģa, kas ir līdzīgs tilta kopnēm. Transportlīdzekļa konstrukcijas veiktspēja nav atkarīga no virsbūves paneļiem, un faktiski ar to var braukt bez piestiprinātiem paneļiem. Šis dizains nav piemērots tēraudam, daļēji tāpēc, ka sarežģītas tērauda sliedes nav tik daudz vieglāk izgatavot nekā sarežģītus tērauda korpusa paneļus. Mūsdienās autoražotāji ir vienisprātis, ka universālais korpuss ir visefektīvākais veids, kā izgatavot masu tirgus transportlīdzekli no tērauda.

Tomēr telpu karkass iegūst jaunu uzmanību no dizaineriem, kuri strādā ar alternatīviem materiāliem, īpaši alumīniju. Sarežģītas sliedes no alumīnija ir vieglāk izgatavot nekā no tērauda, ​​jo atšķirībā no tērauda alumīniju var ekstrudēt-veidot sarežģītās cauruļveida formās procesā, kas līdzīgs makaronu gatavošanai. Šīs ekstrudētās, dobās sliedes var būt daudz stingrākas nekā līdzvērtīga svara cietie stieņi. Ekstrūzija ir viegli pielāgojama masveida ražošanai; to jau plaši izmanto, lai ražotu konstrukcijas formas, piemēram, logu rāmjus un caurules. Ir izstrādātas vairākas alumīnija kosmosa transportlīdzekļu konstrukcijas, katrā izmantojot dažādas ekstrūzijas, lējumu un lokšņu metāla kombinācijas. Kamēr žūrija vēl nav izveidota, ar pareizo materiālu kombināciju kosmosa rāmis kādu dienu var izaicināt universālo korpusu galvenajā automašīnu ražošanā.

Vai alumīnijs ir par pieņemamu cenu?

Alumīnija transportlīdzeklis, kura pamatā ir kāds no šiem dizainparaugiem, tuvinātu mūs mērķim izveidot vieglu automašīnu ar salīdzinoši mērenu izmaksu pieaugumu. Tipisks tērauda viengabala korpuss sver nedaudz mazāk par 600 mārciņām, savukārt pilnībā alumīnija unibody sver aptuveni 325 mārciņas, un dažādi alumīnija korpusa rāmji sver no 285 līdz 385 mārciņām. Tādējādi jebkurš dizains varētu samazināt ķermeņa svaru gandrīz uz pusi; vieglāks dzinējs, piekare, transmisija un tā tālāk varētu dubultot ietaupīto mārciņu skaitu. (Protams, svars var tikt pievienots arī citās jomās, lai kompensētu jaunā dizaina trūkumus, piemēram, viegla automašīna nevar paļauties uz tās konstrukcijas sastāvdaļām, lai aizsargātu pasažierus avārijas gadījumā, un tāpēc būs jāizmanto papildu sistēmas , piemēram, gaisa spilveni, kas palielina svaru.)

Cik daudz degvielas ietaupījumu rada tikai ķermeņa vieglums? Transportlīdzekļa svara samazināšana par 300 mārciņām var palielināt degvielas ekonomiju pat par 15 procentiem. Tas palielinātu tipisku vidēja izmēra automašīnu, piemēram, Ford Taurus, nobraukumu ar gāzi no aptuveni 22 līdz aptuveni 25 jūdzēm uz galonu un samazinātu oglekļa dioksīda (CO2) emisijas no aptuveni 410 gramiem CO2 uz vienu nobrauktu jūdzi līdz aptuveni 355 jūdzēm. grami uz jūdzi. Sekundārais svara ietaupījums dubultotu degvielas ekonomijas uzlabošanos un emisiju samazinājumu. Dramatiskāki uzlabojumi degvielas ekonomijā radītu proporcionālu CO2 emisiju samazināšanos, taču tam būtu nepieciešami daudz drastiskāki pasākumi nekā vienkārša svēršana: piemēram, efektīvākas dzinēju tehnoloģijas un, iespējams, mazāk vietas un mazāk ērtības, nekā parasti sagaida amerikāņu patērētājs.

Saskaņā ar MIT Materiālu sistēmu laboratorijas locekļu izmaksu analīzi viegla alumīnija automašīna, kuras pamatā ir kāda no šīm konstrukcijām, visticamāk, būs nedaudz dārgāka nekā mūsdienu tērauda automašīna, ja to ražo lielos apjomos. Pie ļoti zemiem ražošanas apjomiem (mazāk nekā 20 000 transportlīdzekļu gadā) alumīnija kosmosa rāmji faktiski ir lētāki nekā viengabala tērauda korpusi: lētākais kosmosa rāmja dizains maksās aptuveni 4500 USD, salīdzinot ar 5800 USD par viengabala tērauda korpusu un 7200 USD par alumīnija korpusu. .

Tomēr šie ražošanas apjomi ir pārāk zemi masu tirgus transportlīdzekļiem. Tādi populāri modeļi kā Ford Taurus tiek ražoti no 300 000 līdz 500 000. Pat nišas transportlīdzekļi — luksusa automašīnas, piemēram, Lincoln Continental — tiek ražotas no 40 000 līdz 80 000. Lai vieglu transportlīdzekli uzskatītu par pieņemamu cenu, to ir jāspēj lēti ražot lielos daudzumos.

Ja ražošanas apjoms ir aptuveni 100 000, tērauda viengabala korpuss ir lētākais dizains ar aptuvenās vienības izmaksas USD 2500. Alumīnija telpas rāmji ir nedaudz dārgāki — lētākais dizains maksā aptuveni 2800 $, savukārt alumīnija korpuss maksā aptuveni 3600 $. Tipiskākām ražošanas sērijām 300 000 apmērā tērauda viengabala korpusa izmaksas samazinās līdz aptuveni 1400 USD, un alumīnija korpuss kļūst lētāks nekā alumīnija kosmosa rāmis (2000 USD salīdzinājumā ar 2400 USD).

Mainīgie izmaksu profili trim dizainparaugiem izriet no atšķirībām to ražošanas procesos. Metāla štancēšana — process, kurā tiek izgatavoti gan tērauda, ​​gan alumīnija korpusi — labāk spēj panākt apjomradītus ietaupījumus nekā ekstrūzija. Tā rezultātā abu veidu vienķermeņu vienības izmaksas samazinās, jo tos ražo lielākā daudzumā; izmaksu atšķirība starp tām lielā mērā ir izskaidrojama ar izejvielu izmaksu atšķirībām.

Telpas rāmis atbilst citam modelim. Tā kā ekstrūzijas kapitāla izmaksas ir daudz zemākas nekā tērauda štancēšanas izmaksas, telpu rāmji ir lētāki nekā vienkorpusi ar zemu ražošanas apjomu. Taču ekstrudētajām daļām ir nepieciešama apdare un termiskā apstrāde, kas ir laikietilpīga. Turklāt ātrums, ar kādu var veidot ekstrudētas detaļas, ir daudz lēnāks nekā ātrums, ar kādu var izgatavot štancētas detaļas. Tā rezultātā vienības izmaksas nemazinās tik dramatiski, palielinoties ražošanas apjomiem. Lielāki ražošanas apjomi galu galā novirza ekonomiku par labu unibody.

Ņemot vērā, ka transportlīdzeklis ar alumīnija virsbūvi maksās par 300 līdz 1100 USD vairāk nekā transportlīdzeklis ar tērauda virsbūvi, vai degvielas ekonomijas pieaugums kompensēs pieaugošās izmaksas transportlīdzekļa kalpošanas laikā? Atbilde ir atkarīga no dažādiem faktoriem: transportlīdzekļa kopējā svara (un izmaksām), tā dzinēja efektivitātes un degvielas cenas. Taču uz alumīnija korpusu vien attiecināmais degvielas ekonomijas pieaugums atmaksātos tikai tad, ja celtos benzīna cena. Ja benzīna cena paliek no 1,20 līdz 1,50 USD par galonu, ietaupītā nauda par gāzi nebūtu pietiekama, lai kompensētu augstākās izmaksas: 300 000 apjomā saražotā alumīnija viengabala korpusa dzīves cikla izmaksas paliktu par aptuveni 300 USD lielākas. no tērauda vienkorpusa. Bet, ja benzīna cena pieaugs līdz 2,30 USD par galonu, alumīnija automašīnas īpašnieks transportlīdzekļa kalpošanas laikā nesasniegs līdzsvaru. Ir saprātīgi domāt, ka šādos apstākļos patērētāji varētu būt gatavi maksāt augstākas sākotnējās izmaksas par automašīnu, kuras pamatā ir alumīnijs.

Plastmasas pievilcība

Tomēr revolucionārās pieejas aizstāvji uzsver plastmasas priekšrocības kā radikālāku vieglu alternatīvu tēraudam. Plastmasa ir vairāk nekā divas reizes vieglāka nekā alumīnijs, un to var veidot daudz plašākā formā. Turklāt plastmasas ražošanai izmantotās iekārtas maksā daudz mazāk nekā smagās štancēšanas iekārtas, kas nepieciešamas metāla detaļu izgatavošanai. Šīs īpašības ir izraisījušas autoražotāju interesi kopš 1960. gadiem.

Mūsdienās nozare ir iekļāvusi plastmasu dažādos lietojumos; tie veido, piemēram, vairuma automašīnu interjera sastāvdaļas, kā arī bamperu pārsegus un spārnus. Ražotāji un dizaineri sacīkšu automašīnu un dažu komerciāli ražotu transportlīdzekļu virsbūvēs ir izmantojuši arī polimēru kompozītmateriālus — plastmasu, kas pastiprināta ar stikla vai oglekļa šķiedrām. Astoņdesmitajos gados, kad autoražotāji meklēja jaunus veidus, kā samazināt transportlīdzekļu masu, daudzi nozares pārstāvji sāka pētīt polimēru kompozītmateriālu izmantošanu, lai aizstātu tēraudu automašīnu virsbūvēs.

Tāpat kā alumīnijam, arī kompozītmateriāliem ir savi trūkumi. Pirmkārt, tie ir dārgāki nekā citi automašīnu materiāli. Plastmasas sveķu maisījums maksā no USD 1 līdz USD 10 par mārciņu, un stikla šķiedras cenas sākas aptuveni USD 1 par mārciņu. Stikla šķiedras polimēru kompozītmateriālu cenas ir konkurētspējīgas ar alumīniju vai tēraudu tikai tad, ja tos izmanto nelielos daudzumos vai sarežģītās formās, kuru veidošana no metāla ir pārmērīgi dārga.

Turklāt parastā plastmasa ir no trīsdesmit līdz sešdesmitajai daļai stingrāka kā tērauds, bet armētā plastmasa ir aptuveni viena piecpadsmitā daļa stingrāka kā tērauds. Tradicionālie plastmasas lietojumi automašīnu interjerā atspoguļo vieglā svara un vieglas veidošanas priekšrocības, neprasot augstu stingrības pakāpi. Tomēr vienķermeņiem ir jābūt stīviem, lai tie darbotos efektīvi. Strukturālajiem paneļiem, kas izgatavoti no pastiprinātas plastmasas, tāpēc jābūt daudz biezākiem nekā to metāla līdziniekiem, tādējādi kompensējot samazināto svaru un vēl vairāk palielinot izmaksas.

Oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir izraisījuši nozares interesi kā alternatīva stikla šķiedras kompozītmateriāliem, jo ​​tie ir stingrāki. No šiem materiāliem izgatavotos paneļus var padarīt plānākus un līdz ar to vieglākus nekā ar stiklu pastiprinātos paneļus. Tomēr oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir pārmērīgi dārgi: oglekļa šķiedras cenas sākas no USD 20 par mārciņu un ievērojami palielinās, palielinoties šķiedras stiprībai un stingrībai.

Arī polimēru bāzes korpusus ir grūti ražot. Lai gan korpusiem, kas izgatavoti no pastiprinātiem kompozītmateriāliem, būtu nepieciešama tikai viena trešdaļa tik daudz detaļu nekā parastajiem metāla korpusiem, šīs daļas būtu jāveido tā, lai tās saderētu kopā, kas ir ārpus mūsdienu montāžas tehnikas līmeņa. Tā kā plastmasas sveķi un oglekļa šķiedras, atdziestot, saraujas dažādos ātrumos, daļas ir pakļautas deformācijai un nedaudz saraušanās veidos, kas neparedzami atšķiras atkarībā no gabala. Tas nav nekas neparasts — tērauds maina formu, kad tas atdziest, taču tādus materiālus kā tērauds var saliekt un savīt formā. Piemēram, montāžas līnijas strādnieki izmanto koka āmurus un divas reizes četras, lai pārliecinātos, ka tērauda automašīnu durvis pareizi karājas un aizveras. Pastiprinātas plastmasas detaļas nevar deformēt šādā veidā — plastmasa saplīsīs ātrāk nekā izlocīsies — tāpēc nav viegls veids, kā kompensēt nelielas detaļu piemērotības nepilnības.

Visbeidzot, lai ražotu transportlīdzekli par pieņemamu cenu, ir nepieciešama liela mēroga ražošana ar apjomiem vismaz 30 000 vienību gadā un, iespējams, par kārtu lielāku. Lai gan nestrukturālas plastmasas detaļas var viegli izgatavot šādā mērogā, pastiprinātas plastmasas apstrādes tehnoloģijas ir labāk piemērotas partiju lielumam simtiem vai tūkstošiem, nevis simtiem tūkstošu. Lētākais veids, kā pāriet uz polimēru materiālu masveida ražošanu, būtu paātrināt procesu, izgatavojot daudz vairāk detaļu ar tādu pašu aprīkojumu. Taču procesi, kas saistīti ar pastiprinātu polimēru bāzes materiālu ražošanu un veidošanu, nav īpaši piemēroti šādai vienkāršai mēroga palielināšanai.

Būtiskākā problēma ir tāda, ka šāda veida plastmasas apstrāde pēc būtības ir lēna. Detaļas tiek veidotas, sagatavojot sastāvdaļu maisījumu un gaidot, kad tās atdziest vai ķīmiski reaģē. Automobiļu virsbūves paneļu izmēra daļām šis process var ilgt minūti vai ilgāk. Salīdzinājumam, tērauda detaļas var apzīmogot mazāk nekā 10 sekundēs. Ir grūti atrast veidus, kā palielināt ķīmisko reakciju ātrumu vai siltuma pārneses ātrumu - ja plastmasa pārāk ātri atdziest, tā kļūst trausla, un, ja ķīmiskās reakcijas tiek paātrinātas, tās kļūst grūti kontrolēt.

Lai izgatavotu lielu skaitu plastmasas detaļu, autoražotājiem būtu jāiegādājas vairākas mašīnas un jāizveido paralēlas ražošanas līnijas, kas vairāk nekā kompensētu plastmasas ražošanas kapitāla priekšrocības un palielinātu administratīvos izdevumus. Lai gan paralēlas ražošanas līnijas teorētiski var izklausīties iespējamas, praksē tās ir ļoti grūti koordinēt. Rezultātā autoražotājiem ir tendence izvairīties no procesiem, kuriem nepieciešamas vairāk nekā divas paralēlas ražošanas līnijas.

Ultralite=Ultradārgi

Cik daudz svara varētu ietaupīt plastmasas unibody korpuss, un par kādu cenu? Radikālākā polimēru sistēma ir Ultralite, konceptauto, kura pamatā ir oglekļa šķiedras kompozītmateriāli un kuru izstrādāja GM pētnieki, kuriem tika piešķirts mandāts iegūt pēc iespējas lielāku gāzes nobraukumu. Automašīna, kas tika būvēta ar rokām, ietvēra dažādas svaru un degvielu taupošas tehnoloģijas. Lai gan automašīna varēja nobraukt vairāk nekā 100 jūdzes uz galonu, to nevar uzskatīt par masveida transportlīdzekļa prototipu: tajā nebija vietas vai drošības elementi, ko vairums patērētāju uzskatītu par būtiskām, un tas nekad netika pārbaudīts uz ceļa vai sadursmēm. . Tomēr, sverot 308 mārciņas, tas ir vieglākais auto korpuss, kas līdz šim ir izgatavots no polimēru materiāliem.

Lai gan Ultralite sver apmēram tikpat, cik alumīnija kosmosa rāmis, tā ražošana lielos apjomos izmaksātu ievērojami dārgāk. Piemēram, ja ražošanas apjoms ir 100 000, katrs Ultralite stila viengabala korpuss maksās aptuveni 6400 USD. Šis aprēķins ir balstīts uz pieņēmumu, ka oglekļa šķiedras cenas saglabāsies aptuveni USD 20 par mārciņu. Polimēru materiālu atbalstītāji ir apgalvojuši, ka oglekļa šķiedru cena samazināsies, pieaugot pieprasījumam. Bet pat tad, ja oglekļa šķiedru cena nokristos līdz USD 5 par mārciņu — mēs neparedzam šo tendenci, jo oglekļa šķiedru ražošana ne vienmēr nodrošina apjomradītus ietaupījumus — plastmasas viengabala korpuss joprojām maksās 3500 USD, salīdzinot ar 2500 USD par tēraudu. unibody un 2800 USD par alumīnija kosmosa rāmi pie salīdzināmiem ražošanas apjomiem. Turklāt pie lielākiem ražošanas apjomiem tērauda vai alumīnija viengabala korpusa cena ievērojami samazināsies, savukārt polimērietilpīgajam unibody korpusam cena samazināsies daudz mazāk, padarot to par ekonomiski vēl mazāk pamatotu izvēli.

Maz ticams, ka ar virsbūvi vien attiecināmais degvielas ekonomijas pieaugums kompensētu polimēru korpusa augstākās izmaksas. Ja cena ir no 1,20 līdz 1,50 USD par galonu benzīna, Ultralite korpuss tā dzīves cikla laikā maksātu par aptuveni 4500 USD vairāk nekā tērauda vai alumīnija korpuss. Faktiski ar oglekļa šķiedru pastiprināti polimēru korpusi joprojām maksātu par aptuveni 4000 USD vairāk nekā tērauda korpusi, pat ja benzīna cenas pieaugtu līdz 4,00 USD par galonu, kā tas ir Eiropā.

Ko ražotāji šobrīd dara

Ņemot vērā ražošanas stāvokli, automobiļu rūpniecība ir izmantojusi pakāpenisku pieeju jaunu materiālu izmantošanai, pakāpeniski ieviešot jaunus alumīnija, polimēru un modernu tēraudu lietojumus. Piemēram, Ford cieši sadarbojas ar vairākām alumīnija kompānijām projektā Concept 2000, lai ražotu 20 līdz 40 pilnībā alumīnija Taurus sedanus, kurus uzņēmums šobrīd testē un novērtē. Transportlīdzeklis, kas izmanto vienotu korpusa dizainu, ir tikai par dažiem simtiem mārciņu vieglāks nekā tā tērauda līdzinieks, galvenokārt tāpēc, ka projekta inženieri nemainīja spēka piedziņu vai balstiekārtu vai nepārveidoja transportlīdzekli, lai panāktu citus sekundāros svara ietaupījumus. Projekts bija paredzēts tikai kā alumīnija automobiļa izgatavojamības pārbaude ar mērķi identificēt izmaiņas formēšanas tehnoloģijā, kas būtu nepieciešamas tā ražošanai. Pagaidām nav skaidrs, vai Ford eksperimentu uzskata par veiksmīgu.

Alcoa un Audi ir sadarbojušies, lai izveidotu Audi A8 — luksusa sedanu, kura pamatā ir alumīnija kosmosa rāmis, kas tiek ražots nelielos apjomos un tiek tirgots Eiropā. Liela daļa svara ietaupījumu, ko iegūst, izmantojot alumīniju, tiek atcelti ar piederumiem, kas paredzēti, lai palielinātu automašīnas pievilcību augstākās klases tirgū. Tomēr transportlīdzeklis demonstrē tādas konstrukcijas dzīvotspēju, kurā izmantoti alumīnija ekstrūzijas un lējumi, kā arī paneļos izmantotā kaltā loksne.

Automobiļu rūpniecība arī mēģina izstrādāt ražošanas paņēmienus, lai masveidā ražotos transportlīdzekļos (jo īpaši GM Saturn automašīnu līnijās) ievietotu plastmasu, taču pat šajā gadījumā plastmasas sastāvdaļas nav būtiski transportlīdzekļa konstrukcijas elementi. Piemēram, visi Saturni izmanto plastmasas korpusa paneļus, lai pārklātu tērauda kosmosa rāmi. Tā kā paneļiem nav strukturālas nozīmes, paneļi ir izgatavoti nevis no pastiprinātiem kompozītmateriāliem, bet no parastajām plastmasām, kuras var saražot simtiem tūkstošu apjomā. Materiālu izvēli nosaka mazāk svara apsvērumi, nevis kosmētika: plastmasas paneļi piešķir transportlīdzeklim raksturīgo formu un iztur iespiedumus un skrāpējumus. Faktiski svara ietaupījumu, kas panākts, izmantojot plastmasas paneļus, vismaz daļēji kompensē vajadzība izmantot vairāk tērauda konstrukciju komponentos, lai saglabātu paredzamo veiktspējas līmeni.

Autoražotāji ir atklājuši, ka ar agresīvu piepūli tie var aizstāt tēraudu ar polimēriem vairākos netradicionālos lietojumos, piemēram, jumtos, pārsegos, grīdas paliktņos un dzinēja šūpuļos, taču daudzi atklāj arī, ka izmaksas ir pārāk augstas un svara ietaupījums nav iespaidīgs. GM arī vairākus gadus ir eksperimentējis ar stikla šķiedras kompozītmateriāliem uz savu APV furgonu virsbūves paneļiem, taču nesen secināja, ka materiāls ir pārāk dārgs. Uzņēmums plāno atgriezties pie tērauda izmantošanas.

Kamēr viņi turpina eksperimentēt ar stikla šķiedru pastiprinātiem polimēriem nišas tirgus transportlīdzekļos, ir labi izveidota platforma inovācijām, šķiet, ka autoražotāji ir nolēmuši, ka šie materiāli nav noderīgi lietojumos, kuru ražošanas apjoms pārsniedz 80 000, jo no šiem apjomiem priekšrocības neattaisno izmaksas. Turklāt šķiet, ka nozare jau izmanto plastmasu lielākajā daļā lietojumu, kas vislabāk atbilst materiāla stiprajām pusēm. Turpmāka tērauda aizstāšana ar plastmasu būs daudz grūtāk izpildāma, jo šie ir lietojumi, kas īpaši gūst labumu no metālu īpašībām.

Vēl viens materiāls, kam var būt nozīme pakāpeniskas izmaiņas, ir augstas stiprības tērauds. Automašīnās izmantoto tērauda detaļu biezumu parasti nosaka tām nepieciešamā stinguma pakāpe, taču aptuveni 20 procentos lietojumu svarīga īpašība ir izturība. Piemēram, staru kūlis katrās automašīnas durvīs aizsargā pasažierus avārijas gadījumā. Jauni augstas stiprības tērauda sakausējumi ir divas līdz trīs reizes izturīgāki nekā parastais oglekļa tērauds, tāpēc no jaunā materiāla izgatavota sija varētu svērt pusi līdz trešdaļu vairāk nekā šodien automašīnu durvīs izmantotā sija. Vairāki tērauda uzņēmumi, kas atrodas dažādās valstīs, ir nolīguši Porsche Engineering Services, lai izstrādātu virsbūves dizainu, kas ietver visus iespējamos vieglā tērauda pielietojumus. Viņi lēš, ka korpuss varētu svērt par 10 līdz 20 procentiem mazāk nekā parastā tērauda viengabala korpuss, maksājot par līdz pat 15 procentiem augstāku.

Tikmēr Programma jaunai transportlīdzekļu paaudzei pēta modernu tēraudu, plastmasas un alumīnija, kā arī tādu eksotisku un dārgu vielu kā magnija un titāna iespējamos lietojumus. Šajā agrīnajā posmā pētnieki cenšas noteikt tehnoloģijas, kas varētu veidot platformu progresīvam transportlīdzeklim par pieņemamu cenu. Šķiet, ka viņi koncentrē savus centienus uz, piemēram, hibrīda dīzeļa-elektriskā dzinēja koncepciju un alumīniju kā dominējošo materiālu konstrukciju lietojumos (lai gan transportlīdzeklis neapšaubāmi ietvers dažādus modernus materiālus citiem mērķiem). Programmai galu galā neizdodas izstrādāt transportlīdzekli, kas ir par pieņemamu cenu, un ir domstarpības, kuras iekšēji uzskata, ka tas neizdosies. Šīs pūles sniegs automobiļu nozarei vērtīgu pieredzi ar jauniem materiāliem un tehnoloģijām.

Koncentrēšanās uz to, ko mēs varam darīt

Neatkarīgi no nozares stratēģijas, no viegliem materiāliem izgatavots transportlīdzeklis noteikti maksās vairāk nekā mūsdienu tradicionālie auto. Arī šo transportlīdzekļu degvielas ekonomija būs atkarīga no daudz vairāk nekā pārejas uz viegliem materiāliem; ievērojamiem ieguvumiem būs jāmaina patērētāju cerības. Ņemot vērā mūsu pieņēmumus par to, cik ietilpīgai ir jābūt automašīnai, cik ātri tai vajadzētu paātrināties, cik ātri tai vajadzētu braukt un cik ērtai tai jābūt braukšanai, ir grūti padarīt automašīnu daudz vieglāku par, piemēram, pilnībā alumīnija. Vērsis, kas joprojām būs transportlīdzeklis, ko lielākā daļa mūsdienu patērētāju vēlas iegādāties.

Neskatoties uz to, superauto rēgs vajā debatēs par oglekļa dioksīda izraisīto globālo sasilšanu un veicina sabiedrības spiedienu, lai valdība pieprasa radikālākas reformas. Ja mēs varam izgatavot labāku tenisa raketi no Kevlara, rodas arguments, kāpēc mēs nevarētu izgatavot labāku automašīnu no tāda paša veida materiāla? Viena atbilde ir šāda: lai gan patērētāji varētu būt gatavi maksāt trīs reizes vairāk par savām uzlabotajām saliktajām tenisa raketēm, maz ticams, ka viņi būtu gatavi (vai spēs) maksāt tādu pašu cenas piemaksu par uzlaboto salikto automašīnu.

Šāds superauto, ko paredz Jaunās transportlīdzekļu paaudzes programma — tāda, kas sasniedz 80 jūdzes uz galonu, saglabā tādu pašu komforta līmeni un maksā tikpat, cik šodienas automašīna, šodien un tuvākajā nākotnē pārsniedz mūsu iespējas. Jebkurus divus no šiem trim mērķiem var sasniegt šodien, taču, lai visus trīs apvienotu kopā, būs nepieciešami lieli tehnoloģiskie sasniegumi. Tāpēc nozarei ir nepraktiski atteikties no mūsdienu automašīnu konstrukcijām un tehnoloģijām, lai īstenotu šo tehnoloģisko himēru.

Tā kā mēs nevaram masveidā ražot pieejamu, īpaši vieglu, polimēru bāzes transportlīdzekļa virsbūvi, mums tā vietā jākoncentrējas uz to, ko varam darīt. Piemēram, mēs varam izgatavot alumīnija korpusu, kas darbojas tikpat labi kā tērauda alternatīva, taču maksā tikai nedaudz vairāk. Mūsdienās pieejamo progresīvo materiālu tehnoloģiju plašā spektra pakāpeniska pielietošana var sniegt reālus ieguvumus efektivitātes, lietderības un veiktspējas ziņā, neradot neparedzamas izmaksas. Lai gan tas ir salīdzinoši neaizraujošs un neglaimojošs, pakāpeniskas transportlīdzekļa svara samazināšanas stratēģijas ir vienīgā ticamā pieeja, lai sāktu pāreju uz ekonomisku, degvielu taupošu transportlīdzekli.

paslēpties