211service.com
Praktiškas kelias į lengvus automobilius
Automobilis yra lemiamas XX amžiaus technologinis artefaktas. Tačiau jo žinomumas paneigia jo sudėtingumą. Sukurti greitą ir galingą, bet patogų ir saugų ir vis tiek įperkamą automobilį nėra lengvas žygdarbis. Prisiminkite dar kelis apribojimus – ilgaamžiškumą, lengvą taisymą, pakankamai vietos keliems vaikams ir šeimos šuniui bei pakankamai maitinimo šaltinių elektriniams langams, oro kondicionieriui, CD grotuvui ir šildomoms sėdynėms – ir iššūkis taps aiškus. . Kaip tik todėl, kad automobilis tapo neatsiejama mūsų gyvenimo dalimi, vartotojų lūkesčiai nustato didžiulių ir dažnai prieštaringų dizaino tikslų rinkinį.
Per pastaruosius 25 metus automobilių gamintojai susidūrė su vis didesniu spaudimu į savo dizainą įtraukti ir aplinkosaugos tikslus. Visų pirma vartotojai ir federalinė vyriausybė siekė pagerinti degalų ekonomiją, kad būtų taupoma nafta ir kontroliuojama tarša. Automobilių pramonė sureagavo: 1974–1995 m. vidutinio naujo automobilio degalų rida padidėjo nuo 14,2 iki 28,2 mylios galonui.
Dabar visuomenės spaudimas gerinti degalų taupymą vėl didėja, iš dalies dėl susirūpinimo dėl pasaulinės klimato kaitos. (Automobiliai išmeta maždaug ketvirtadalį anglies dioksido emisijų, o tai yra pagrindinis šiltnamio efekto veiksnys.) Svarbiausias veiksnys siekiant pagerinti automobilio degalų taupymą yra svorio mažinimas: kuo mažesnė transporto priemonė, tuo mažiau galios jai įsibėgėti ir tuo mažiau. energijos fiksuotam greičiui palaikyti. Tradiciškai automobilių pramonė sumažino svorį pirmiausia mažindama mastą – strategiją, kuri per pastaruosius 20 metų įprasto automobilio svorį pavyko sumažinti nuo 3500 svarų iki 2500 svarų. Šiandien ši strategija pasiekė savo ribas. Esminiai patobulinimai bus įmanomi tik taikant naują požiūrį: automobilio kėbulą pagaminti iš lengvų medžiagų, o ne iš anglinio plieno.
Nors kėbulas sudaro tik maždaug trečdalį automobilio svorio, kėbulo svorio mažinimas yra būtina lengvo, ekonomiško automobilio sąlyga. Lengvesnio kėbulo automobilis gali naudoti lengvesnį variklį, ne tokią masyvią pakabą ir ne tokią įmantrią konstrukciją. Šis antrinis svorio sumažinimas gali padvigubinti naudą: už kiekvieną 10 svarų, sutaupytų sumažinus kėbulo svorį, dar 10 svarų galima sutaupyti sumažinus kitų automobilio dalių dydį.
Be to, daug naujų technologijų, skirtų degalų taupymui pagerinti, yra įgyvendinamos tik tiems automobiliams, kurie yra žymiai lengvesni nei šiandieniniai. Pavyzdžiui, automobilių varikliai turi suderinti efektyvumo (nuvažiuoto atstumo energijos) ir galios (jėgos, reikalingos automobiliui pagreitinti) tikslus. Didelio efektyvumo vidaus degimo varikliai, elektriniai varikliai arba hibridiniai varikliai, kurie derina šiuos du variklius, yra daug mažiau galingi nei įprasti varikliai ir pasieks panašų našumo lygį tik su daug lengvesne transporto priemone. Norint sukurti lengvo svorio ir naujų variklio technologijų sinergiją, būtina sumažinti kėbulo masę.
1993 m. labai įtakingas energetikos analitiko Amory Lovins iš Rocky Mountain instituto dokumentas pasiūlė, kad didieji automobilių gamintojai (ar bet kas kitas, turintis problemų) galėtų panaudoti esamas medžiagas ir technologijas, kad pagamintų itin lengvą, labai ekonomišką transporto priemonę. Superautomobilyje, kurį jis numatė, būtų lengvas plastikas, kompiuterizuoti valdikliai ir hibridinė jėgainė – energijos sistema, kuri, kaip modernus lokomotyvas, sujungtų tradicinį šiluminį variklį ir elektros variklį. Jis svertų maždaug 1000 svarų ir pasiektų daugiau nei 150 mylių už galoną, tačiau išliktų šiandieninio automobilio saugumo ir patogumo ypatybės.
Lovinsas teisingai pažymėjo, kad medžiagos ir technologijos, kurios leistų sukurti superautomobilį, iš esmės nesuderinamos su projektavimo, gamybos ir organizaciniais procesais, kuriais grindžiama automobilių pramonė. Todėl jis teigė, kad tik pramonės revoliucija paskatins superautomobilį; pastangos pagerinti degalų taupymą ir našumą laipsniškai diegiant naujas medžiagas ir technologijas kainuotų per daug ir duotų per mažai derliaus.
Superautomobilio koncepcija sulaukė didelio aplinkosaugininkų, automobilių pramonės lyderių ir politikos formuotojų dėmesio ir netgi padėjo įkvėpti neįprastą aljansą, nors jo tikslai šiek tiek nesiekia Lovinso tikslų. 1994 m. JAV automobilių kompanijos ir federalinė vyriausybė suvienijo jėgas, kad pradėtų Naujos transporto priemonių kartos programą – agresyvų mokslinių tyrimų ir plėtros projektą, kurio tikslas yra pagaminti automobilį, kuris atitiktų tris kartus didesnį degalų taupymo standartą nei šiandieninis 27,5 mylios. už galoną ir tai užtikrina įprasto automobilio našumą ir patogumą – už tą pačią kainą. Sujungę nacionalinių laboratorijų ir pagrindinių JAV automobilių gamintojų išteklius, PNGV tyrėjai tikisi per 10 metų sukurti transporto priemonės prototipą ir per 20 metų jį masiškai gaminti ir parduoti.
Klausimas ne tas, ar galima sukurti itin lengvą transporto priemonę, siūlančią revoliucinius degalų taupymo patobulinimus. Automobilių gamintojai jau žino, kad tai gali. Kyla klausimas, ar toks automobilis gali būti įperkamas ir kokių pokyčių automobilių pramonėje prireiks, kad priartėtume prie šio tikslo. Visų pirma, automobilių gamintojai ir superautomobilių šalininkai diskutuoja apie dviejų klasių medžiagų, kurios galėtų būti lengvi plieno pakaitalai transporto priemonių kėbuluose, sąnaudas ir naudą: aliuminio, kurį galima pritaikyti tik laipsniškai keičiant pramonės dizainą ir gamybos procesus; ir plastikai, kurių negali.
Aliuminio pliusai ir minusai
Lengvasis metalas, kurio tankis yra 45 procentai didesnis nei įprastas plienas, aliuminis jau daugelį metų buvo naudojamas kaip pagrindinė konstrukcinė medžiaga aviacijos ir kosmoso pramonėje. Nors tai brangu, aliuminio lakštai parduodami už maždaug 1,50 USD už svarą, palyginti su maždaug 30 centų už svarą plieno lakštų tyrėjai automobilių pramonėje pradėjo tirti galimybę transporto priemonių kėbuluose plieną pakeisti aliuminiu.
Vienas iš pagrindinių perėjimo prie aliuminio pranašumų, palyginti su kitomis lengvomis medžiagomis, yra tai, kad jį galima suformuoti naudojant daugelį technikų, jau taikomų gaminant automobilius iš plieno. Taigi pramonė galėtų ir toliau naudoti didžiąją dalį esamos įrangos. Aliuminio projektavimas drastiškai nesiskiria nuo projektavimo plienui – tai svarbus pranašumas pramonėje, kurioje inžinieriai nelinkę eksperimentuoti su palyginti neišbandytomis medžiagomis.
Žinoma, tai, kad automobilių kėbulai šiandien nėra daugiausia aliuminio, rodo, kad medžiaga turi ir trūkumų. Be to, kad aliuminis yra brangesnis už plieną, jis yra tik maždaug trečdalis kietumo – tai yra esminis automobilio kėbulo dizaino apribojimas. Standumą galima šiek tiek padidinti pakeitus dizaino geometriją (lenktos formos yra standesnės nei plokščios), tačiau tai yra problematiška pramonėje, kur forma ir stilius yra svarbios pardavimo sąvokos. Lengvesnis sprendimas – plokščias aliuminio kėbulo plokštes – sparnus, gaubtus ir duris padaryti storesnes nei plienines plokštes, kad jos veiktų vienodai gerai. Tačiau tai padidina medžiagų sąnaudas ir tam tikru mastu kompensuoja svorio pranašumą.
Kita problema yra didelis aliuminio elektrinis laidumas, dėl kurio sunku atlikti taškinį suvirinimą. Taškinis suvirinimas yra standartinis plieninių automobilių kėbulų surinkimo būdas. Dvi jungiamos dalys yra užspaudžiamos tarp dviejų elektrodų ir tiekiama elektros srovė, taip šildant dvi dalis sąlyčio taške, o tai lemia difuzinį ryšį. (Metalas iš tikrųjų netirpsta, nes tai sumažintų medžiagos veikimą ir sukeltų koroziją bei dalių gedimą.)
Kadangi aliuminis praleidžia šilumą geriau nei plienas, reikia daug daugiau elektros energijos ir didesnių elektrodų, kad metalas būtų pakankamai karštas, kad sukibtų. Ir kadangi elektrodai ilgiau liečiasi su aliuminiu, kol veikia srovė, aliuminio atomai labiau išsisklaidys į elektrodą, sutrumpindami jo naudojimo laiką. Todėl aliuminio transporto priemonės tikriausiai bus naudojamos alternatyviomis surinkimo technikomis, įskaitant siūlių suvirinimą (kai išlydyto metalo juostelė padengiama daugiau ar mažiau kaip klijai), klijus ir mechanines tvirtinimo detales.
Unibody versus Space Frame
Iššūkis, su kuriuo susiduria automobilių pramonė, yra tai, kaip suprojektuoti aliuminio automobilį, kad būtų užfiksuoti medžiagos pranašumai ir sumažinti trūkumai. Yra dvi konkuruojančios galimybės: unibody, trumpinys unitized body, konstrukcija, naudojama plieniniams automobiliams; arba erdvinio rėmo dizainas, iš esmės didelė santvaros konstrukcija, padengta plonu sluoksniu.
Viename kėbule transporto priemonės kėbulo plokštės yra sujungtos, kad susidarytų korpuso struktūra. Taip efektyviai išnaudojamas didelis kėbulo plokščių standumas. Nors aliuminis nėra toks standus kaip plienas, jei plokštės pagamintos pakankamai storos ir naudojama tinkama sujungimo technika, unibody konstrukcija puikiai tiks su šia medžiaga.
Tačiau vieno korpuso dizainas kelia dvi susijusias problemas. Pirma, iš santykinai standžių metalinių korpuso plokščių gana sunku (ir todėl brangu) padaryti sudėtingus paviršius, tokius kaip išpjovos ar sudėtingos kreivės. Jei dizaineriai bando apeiti šią problemą naudodami lengviau formuojamas medžiagas, iškyla antroji problema: kadangi vientisas korpusas didžiąją dalį savo konstrukcinių savybių lemia jo dalių tvirtinimo būdas, šios dalys turi būti sudarytos iš medžiagų, kurias būtų galima lengvai sujungti. . Be nebrangaus būdo sujungti dvi skirtingas medžiagas viena prie kitos, vieno korpuso konstrukcija iš esmės reikalauja, kad automobilių gamintojas gamintų automobilius iš vienos klasės medžiagų.
Reaguodami į šiuos prieštaravimus, dizaineriai tiria erdvės rėmą. Pagal šią konstrukciją transporto priemonės konstrukcija iš esmės sudaryta iš metalinių bėgių grotelių, panašių į tilto santvarą. Transporto priemonės konstrukcinės savybės nepriklauso nuo kėbulo plokščių ir iš tikrųjų ja galima važiuoti be jokių pritvirtintų plokščių. Ši konstrukcija netinka plienui, iš dalies todėl, kad sudėtingus plieninius bėgius pagaminti nėra taip daug lengviau nei sudėtingas plienines korpuso plokštes. Šiandien automobilių gamintojai sutaria, kad universalus korpusas yra veiksmingiausias būdas pagaminti masinės rinkos transporto priemonę iš plieno.
Tačiau erdvės rėmas sulaukia naujo dizainerių, dirbančių su alternatyviomis medžiagomis, ypač aliuminiu, dėmesio. Lengviau pagaminti sudėtingus bėgius iš aliuminio nei iš plieno, nes, skirtingai nei iš plieno, aliuminį galima ekstruziniu būdu suformuoti į sudėtingas vamzdines formas, panašiai kaip makaronų gamyba. Šie ekstruziniai, tuščiaviduriai bėgiai gali būti daug standesni už lygiaverčio svorio kietus strypus. Ekstruzija lengvai pritaikoma masinei gamybai; jis jau plačiai naudojamas gaminant konstrukcines formas, tokias kaip langų rėmai ir vamzdžiai. Buvo sukurti keli aliuminio erdvinio rėmo transporto priemonių dizainai, kurių kiekviename naudojami skirtingi ekstruzijos, liejinių ir lakštinio metalo deriniai. Kol žiuri dar nedalyvauja, tinkamai derinant medžiagas, erdvės rėmas kada nors gali mesti iššūkį įprastoje automobilių gamyboje.
Ar aliuminis įperkamas?
Aliuminio transporto priemonė, pagrįsta bet kuria konstrukcija, priartintų mus prie tikslo sukurti lengvą automobilį už santykinai nedidelį išlaidų padidėjimą. Įprastas plieninis vienkartinis korpusas sveria šiek tiek mažiau nei 600 svarų, o vienkartinis iš aliuminio korpusas sveria apie 325 svarus, o įvairios aliuminio erdvės konstrukcijos sveria nuo 285 iki 385 svarų. Taigi bet kuri konstrukcija gali sumažinti kūno svorį beveik per pusę; lengvesnis variklis, pakaba, transmisija ir tt galėtų padvigubinti sutaupytų svarų skaičių. (Žinoma, svoris gali būti pridėtas ir kitose srityse, siekiant kompensuoti naujos konstrukcijos trūkumus – pavyzdžiui, lengvas automobilis negali pasikliauti savo konstrukciniais komponentais, apsaugančiais keleivius avarijos atveju, todėl reikės naudoti papildomas sistemas. , kaip oro pagalvės, kurios prideda šiek tiek svorio.)
Kiek degalų sutaupoma vien tik lengvinant kėbulą? Sumažinus transporto priemonės svorį 300 svarų, degalų sąnaudos gali padidėti net 15 procentų. Tai padidėtų įprasto vidutinio dydžio automobilio, pvz., Ford Taurus, rida nuo maždaug 22 iki 25 mylių už galoną ir sumažėtų anglies dvideginio (CO2) emisija nuo maždaug 410 gramų CO2 vienai nuvažiuotai myliai iki maždaug 355 gramų myliai. Antrinis svorio sumažinimas padvigubintų degalų ekonomiją ir sumažintų išmetamųjų teršalų kiekį. Didesnis degalų taupymo pagerėjimas lemtų proporcingai sumažėjusį CO2 išmetimą, tačiau tam prireiktų daug drastiškesnių priemonių nei paprasčiausias supaprastinimas: pavyzdžiui, efektyvesnės variklio technologijos ir tikriausiai mažiau vietos bei mažiau patogumų, nei įprastai tikisi amerikiečių vartotojas.
Remiantis MIT medžiagų sistemų laboratorijos narių sąnaudų analize, lengvas aliuminio automobilis, pagamintas pagal bet kurią iš šių konstrukcijų, gali būti šiek tiek brangesnis nei šiandieninis plieninis automobilis, kai gaminamas dideliais kiekiais. Esant labai mažoms gamybos apimtims (mažiau nei 20 000 transporto priemonių per metus), aliuminio erdvės rėmai iš tikrųjų yra pigesni nei vienpusis plieninis korpusas: pigiausias erdvinio rėmo dizainas kainuotų apie 4 500 USD, palyginti su 5 800 USD už vientisą plieninį korpusą ir 7 200 USD už aliuminio korpusą. .
Tačiau šios gamybos apimtys yra per mažos masinės rinkos transporto priemonėms. Populiarūs modeliai, tokie kaip Ford Taurus, gaminami nuo 300 000 iki 500 000. Netgi nišinių transporto priemonių – prabangių automobilių, tokių kaip Lincoln Continental – pagaminama nuo 40 000 iki 80 000. Kad būtų galima laikyti įperkamą lengvą transporto priemonę, ją turi būti galima nebrangiai pagaminti dideliais kiekiais.
Kai gamybos apimtis yra apie 100 000, plieninis vientisas korpusas yra pigiausias, jo vieneto kaina yra 2 500 USD. Aliuminio erdvės rėmai yra šiek tiek brangesni – pigiausias dizainas kainuoja apie 2800 USD, o aliuminio korpusas kainuoja apie 3600 USD. Įprastesnėms 300 000 vienetų gamybos serijoms plieninio vienetinio korpuso kaina sumažėja iki maždaug 1 400 USD, o aliuminio korpusas tampa pigesnis nei aliuminio erdvės rėmas (2 000 USD, palyginti su 2 400 USD).
Besikeičiantys trijų konstrukcijų sąnaudų profiliai atsiranda dėl jų gamybos procesų skirtumų. Metalo štampavimas – procesas, kurio metu gaminami ir plieniniai, ir aliuminio korpusai – geriau gali pasiekti masto ekonomiją nei ekstruzija. Dėl to abiejų rūšių vienkūnių vieneto sąnaudos mažėja, nes jų gaminamas didesnis kiekis; kaštų skirtumas tarp jų daugiausia paaiškinamas žaliavos savikainos skirtumu.
Erdvės rėmas yra kitoks. Kadangi ekstruzijos kapitalo sąnaudos yra daug mažesnės nei plieno štampavimo, mažos gamybos apimties erdviniai rėmai yra pigesni nei vienkūniai. Tačiau ekstruzijos dalis reikalauja apdailos ir terminio apdorojimo, o tai užima daug laiko. Be to, ekstruzinių dalių formavimo greitis yra daug lėtesnis nei greitis, kuriuo galima gaminti štampuotas dalis. Dėl to vieneto sąnaudos nemažėja taip smarkiai, kai didėja gamybos apimtys. Didesnės gamybos apimtys galiausiai pakeičia ekonomiką vieno korpuso naudai.
Atsižvelgiant į tai, kad transporto priemonė su aliuminio kėbulu kainuos nuo 300 iki 1100 USD daugiau nei transporto priemonė su plieniniu kėbulu, ar padidėjus degalų ekonomijai, per visą transporto priemonės eksploatavimo laiką padidės išlaidos? Atsakymas priklauso nuo įvairių veiksnių: bendro transporto priemonės svorio (ir kainos), variklio efektyvumo ir degalų kainos. Tačiau vien dėl aliuminio korpuso priskiriamas degalų ekonomijos padidėjimas atsipirktų tik tuo atveju, jei kiltų benzino kaina. Jei benzino kaina išliks nuo 1,20 USD iki 1,50 USD už galoną, sutaupytų pinigų už dujas nepakaktų didesnėms sąnaudoms kompensuoti: 300 000 tūrių pagaminto aliuminio korpuso gyvavimo ciklo kaina išliktų maždaug 300 USD didesnė. iš plieno vientiso korpuso. Tačiau jei benzino kaina pakiltų iki 2,30 USD už galoną, aliuminio pagrindu pagaminto automobilio savininkas per visą transporto priemonės eksploatavimo laiką atsipirktų. Galima pagrįstai manyti, kad tokiomis aplinkybėmis vartotojai gali būti pasirengę mokėti didesnę aliuminio automobilio kainą.
Plastikų patrauklumas
Tačiau revoliucinio požiūrio šalininkai pabrėžia plastiko, kaip radikalesnės lengvos alternatyvos plienui, pranašumus. Plastikas yra daugiau nei dvigubai lengvesnis už aliuminį ir gali būti suformuotas į daug įvairesnes formas. Be to, plastikų gamybai naudojama įranga kainuoja daug pigiau nei sunki štampavimo įranga, reikalinga metalinėms dalims gaminti. Šios savybės traukė automobilių gamintojų susidomėjimą nuo septintojo dešimtmečio.
Šiandien pramonėje plastikai naudojami įvairiais būdais; Jie sudaro, pavyzdžiui, daugumos automobilių vidaus komponentus, taip pat buferių gaubtus ir sparnus. Gamintojai ir dizaineriai taip pat naudojo polimerinius kompozitus – plastiką, sustiprintą stiklo arba anglies pluoštu – lenktyninių automobilių ir kai kurių komerciškai gaminamų transporto priemonių kėbuluose. Devintajame dešimtmetyje, kai automobilių gamintojai ieškojo naujų būdų, kaip sumažinti transporto priemonių masę, daugelis pramonės atstovų pradėjo tirti polimerinių kompozitų naudojimą, kad būtų galima pakeisti plieną automobilių kėbuluose.
Kaip ir aliuminis, kompozicinės medžiagos turi savo trūkumų. Viena vertus, jie yra brangesni nei kitos automobilinės medžiagos. Plastikinės dervos mišinys kainuoja nuo 1 USD iki 10 USD už svarą, o stiklo pluošto kainos prasideda nuo 1 USD už svarą. Stiklo pluošto polimeriniai kompozitai yra konkurencingi kainomis su aliuminiu ar plienu tik tada, kai naudojami nedideliais kiekiais arba sudėtingų formų, kurias iš metalo formuoti yra pernelyg brangu.
Be to, paprasti plastikai yra nuo trisdešimtosios iki šešiasdešimtosios kietumo kaip plienas, o sutvirtintas plastikas yra maždaug penkioliktąja kietumo kaip plienas. Tradicinis plastikų naudojimas automobilių interjeruose išreiškia lengvo svorio ir lengvo formavimo pranašumus, nereikalaujant didelio standumo. Tačiau vienkūniai turi būti standūs, kad veiktų efektyviai. Todėl konstrukcinės plokštės, sudarytos iš sustiprinto plastiko, turi būti daug storesnės nei metalinės, o tai kompensuoja sumažėjusį svorį ir dar labiau padidina išlaidas.
Anglies pluošto kompozitai sulaukė pramonės susidomėjimo kaip alternatyva stiklo pluošto kompozitams, nes jie yra standesni. Iš šių medžiagų pagamintos plokštės gali būti plonesnės, taigi ir lengvesnės, nei sutvirtintos stiklu plokštės. Tačiau anglies pluošto kompozitai yra nepaprastai brangūs: anglies pluošto kainos prasideda nuo 20 USD už svarą ir smarkiai išauga didėjant pluošto stiprumui ir standumui.
Taip pat sunku gaminti polimerinius vienkūnius. Nors kėbulams, pagamintiems iš sutvirtintų kompozitų, reikėtų tik trečdalio tiek dalių, kiek įprastiems metaliniams kėbulams, šios dalys turėtų būti pagamintos taip, kad jos tiksliai derėtų tarpusavyje – tai, kas šiandien neatitinka surinkimo lygio. Kadangi plastikinės dervos ir anglies pluoštai vėsdami susitraukia skirtingu greičiu, dalys turi deformuotis ir šiek tiek susitraukti taip, kad kiekviena dalis nenuspėjamai skiriasi. Tai nėra neįprasta – vėsdamas plienas keičia formą, tačiau tokios medžiagos kaip plienas gali būti sulenktos ir susuktos į formą. Pavyzdžiui, surinkimo linijos darbuotojai naudoja medinius plaktukus ir po keturis, kad įsitikintų, jog plieninės automobilių durys tinkamai kabo ir uždarytos. Sutvirtintų plastikinių komponentų tokiu būdu negalima deformuoti – plastikas sulūžs greičiau nei susilenks, todėl nėra lengvo būdo kompensuoti nedidelius dalių prigludimo trūkumus.
Galiausiai, norint pagaminti įperkamą transporto priemonę, reikia didelio masto gamybos, kurios apimtys būtų bent 30 000 vienetų per metus ir galbūt daug daugiau. Nors nestruktūrinius plastikinius komponentus galima lengvai pagaminti tokiu mastu, sustiprinto plastiko apdorojimo technologijos geriau tinka šimtų ar tūkstančių, o ne šimtų tūkstančių partijų dydžiams. Pigiausias būdas pereiti prie masinės polimerinių medžiagų gamybos būtų pagreitinti procesą, gaminant daug daugiau detalių ta pačia įranga. Tačiau procesai, susiję su sustiprintų polimerų pagrindu pagamintų medžiagų gamyba ir formavimu, nėra ypač tinkami tokiam nesudėtingam masto padidinimui.
Esminė problema yra ta, kad tokių plastikų apdirbimas iš prigimties yra lėtas. Dalys formuojamos ruošiant ingredientų mišinį ir laukiant, kol jie atvės arba chemiškai sureaguos. Automobilio kėbulo plokščių dydžio dalių atveju šis procesas gali užtrukti minutę ar ilgiau. Palyginimui, plieninės dalys gali būti štampuojamos greičiau nei per 10 sekundžių. Sunku rasti būdų, kaip padidinti cheminių reakcijų greitį ar šilumos perdavimo greitį – jei plastikas per greitai atvėsta, jis tampa trapus, o pagreitėjus cheminėms reakcijoms, jas sunku suvaldyti.
Norėdami pagaminti daug plastikinių dalių, automobilių gamintojai turėtų nusipirkti kelias mašinas ir sukurti lygiagrečias gamybos linijas, kurios daugiau nei kompensuotų plastiko gamybos kapitalo pranašumą ir padidintų administracines išlaidas. Nors lygiagrečios gamybos linijos teoriškai gali pasirodyti įmanomos, praktiškai jas labai sunku koordinuoti. Dėl to automobilių gamintojai buvo linkę vengti procesų, kuriems reikia daugiau nei dviejų lygiagrečių gamybos linijų.
Ultralite = Ultrabrangiai
Kiek svorio galėtų sutaupyti plastikinis vienkartinis korpusas ir kokia kaina? Radikaliausia polimerų sistema yra „Ultralite“ – koncepcinis automobilis, pagamintas iš anglies pluošto kompozitų, kurį sukūrė GM tyrėjai, gavę mandatą pasiekti didžiausią įmanomą dujų ridą. Automobilyje, kuris buvo pagamintas rankomis, buvo įdiegtos įvairios svorį ir degalus taupančios technologijos. Nors automobilis galėjo įveikti daugiau nei 100 mylių per galoną, jo negalima laikyti masinės rinkos transporto priemonės prototipu: jame nebuvo erdvės ar saugos funkcijų, kurias dauguma vartotojų laikytų būtinomis, ir jis niekada nebuvo išbandytas keliuose ar avarijose. . Nepaisant to, sveriantis 308 svarus, jis yra lengviausias automobilio kėbulas, kol kas pagamintas iš polimerinių medžiagų.
Nors „Ultralite“ sveria maždaug tiek pat, kiek ir aliuminio erdvės rėmas, jį pagaminti dideliais kiekiais kainuotų žymiai brangiau. Pavyzdžiui, kai gamybos apimtis yra 100 000, kiekvienas „Ultralite“ stiliaus universalus korpusas kainuotų apie 6 400 USD. Šis įvertinimas pagrįstas prielaida, kad anglies pluošto kainos išliks maždaug 20 USD už svarą. Polimerinių medžiagų šalininkai įrodinėjo, kad didėjant paklausai anglies pluošto kaina mažės. Tačiau net jei anglies pluošto kaina nukristų iki 5 USD už svarą – tokios tendencijos mes nenumatome, nes anglies pluošto gamyba nebūtinai yra masto ekonomija – plastikinis vientisas korpusas vis tiek kainuotų 3500 USD, palyginti su 2500 USD už plieną. unibody ir 2800 USD už aliuminio erdvės rėmą, esant panašioms gamybos apimtims. Be to, esant didesnei gamybos apimčiai, plieninio ar aliuminio korpuso kaina ženkliai kris, o daug polimerų naudojančio universalaus korpuso – daug mažiau, todėl tai dar mažiau ekonomiškai pagrįstas pasirinkimas.
Mažai tikėtina, kad vien kėbului priskiriamas degalų taupymo padidėjimas kompensuotų didesnes polimerinio kėbulo išlaidas. Kainos nuo 1,20 USD iki 1,50 USD už galoną benzino, „Ultralite“ korpusas vis tiek kainuotų apie 4500 USD daugiau nei vieno plieno arba aliuminio korpusas per savo gyvavimo ciklą. Tiesą sakant, anglies pluoštu sustiprinti daug polimerų turintys kėbulai vis tiek kainuotų apie 4000 USD daugiau nei plieniniai korpusai, net jei benzino kainos pakiltų iki 4,00 USD už galoną, kaip yra Europoje.
Ką dabar daro gamintojai
Atsižvelgiant į gamybos pažangą, automobilių pramonė laipsniškai naudoja naujas medžiagas, palaipsniui pritaikant naujus aliuminio, polimerų ir pažangiojo plieno pritaikymus. Pavyzdžiui, „Ford“ glaudžiai bendradarbiauja su keliomis aliuminio kompanijomis įgyvendindama projektą „Concept 2000“, skirtą pagaminti nuo 20 iki 40 aliuminio Taurus sedanų, kuriuos bendrovė dabar testuoja ir vertina. Vieno kėbulo konstrukcija yra tik keliais šimtais svarų lengvesnė už plieninę transporto priemonę, daugiausia dėl to, kad projekto inžinieriai nepakeitė jėgos pavaros ar pakabos arba neperprojektavo transporto priemonės, kad būtų sutaupyta kita antrinė masė. Projektas buvo skirtas tik kaip visiškai aliuminio automobilio pagaminamumo bandymas, siekiant nustatyti formavimo technologijos pokyčius, kurių prireiks jį pagaminti. Kol kas neaišku, ar Fordas eksperimentą laiko sėkmingu.
„Alcoa“ ir „Audi“ bendradarbiavo kurdami „Audi A8“ – prabangų sedaną, pagamintą iš aliuminio erdvės rėmo, kuris gaminamas mažais kiekiais ir parduodamas Europoje. Didžiąją dalį svorio sutaupymo naudojant aliuminį panaikina įranga, skirta padidinti automobilio patrauklumą aukščiausios klasės rinkoje. Tačiau transporto priemonė demonstruoja konstrukcijos, kurioje naudojami aliuminio išspaudimai ir liejiniai, taip pat plokštėse naudojamas kaltas lakštas, gyvybingumą.
Automobilių pramonė taip pat bando sukurti gamybos metodus, kad masinės gamybos transporto priemonėse (ypač GM Saturn automobilių linijose) būtų dedama plastiko, tačiau net ir čia plastikiniai komponentai nėra svarbūs transporto priemonės konstrukciniai elementai. Pavyzdžiui, visi Saturnai naudoja plastikines korpuso plokštes, kad padengtų plieninį erdvės rėmą. Kadangi plokštės neturi konstrukcinio vaidmens, jos gaminamos ne iš armuoto kompozito, o iš įprastų plastikų, kurių galima pagaminti šimtus tūkstančių. Medžiagos pasirinkimą lemia ne tiek svoris, kiek kosmetika: plastikinės plokštės suteikia automobiliui išskirtinę formą ir atsparios įlenkimams bei įbrėžimams. Tiesą sakant, svorio sumažinimą naudojant plastikines plokštes bent iš dalies kompensuoja poreikis naudoti daugiau plieno konstrukcijų komponentuose, kad būtų išlaikytas laukiamas eksploatacinių savybių lygis.
Automobilių gamintojai išsiaiškino, kad dėdami daug pastangų, jie gali pakeisti plieną polimerais kai kuriose pagrindinėse netradicinėse srityse, tokiose kaip stogai, gaubtai, grindų padėklai ir variklio lopšiai, tačiau daugelis taip pat atranda, kad išlaidos yra per didelės ir svorio taupymas neįspūdingas. GM taip pat keletą metų eksperimentavo su stiklo pluošto kompozitais ant savo APV furgonų kėbulo plokščių, tačiau neseniai padarė išvadą, kad medžiaga yra tiesiog per brangi. Bendrovė planuoja grįžti prie plieno naudojimo.
Nors jie ir toliau eksperimentuoja su stiklo pluoštu sustiprintais polimerais nišinės rinkos transporto priemonėse – nusistovėjusi naujovių platforma, atrodo, kad automobilių gamintojai nusprendė, kad šios medžiagos nėra naudingos tais atvejais, kai gamybos apimtis viršija 80 000, nes naudojant tokius kiekius išlaidų nepateisina. Be to, atrodo, kad pramonė jau naudoja plastiką daugeliu atvejų, kurie geriausiai atitinka medžiagos stipriąsias puses. Tolesnį plieną plastiku pakeisti bus daug sunkiau, nes tai yra panaudojimas, kuris yra ypač naudingas metalų savybėms.
Kita medžiaga, kuri gali turėti įtakos laipsniškiems pokyčiams, yra didelio stiprumo plienas. Automobiliuose naudojamų plieninių dalių storis dažniausiai nustatomas pagal joms reikalingą standumo laipsnį, tačiau maždaug 20 procentų naudojimo atvejų svarbi savybė yra stiprumas. Pavyzdžiui, kiekvienos automobilio duryse esanti sija apsaugo keleivius avarijos atveju. Nauji didelio stiprumo plieno lydiniai yra du ar tris kartus stipresni už įprastą anglinį plieną, todėl iš naujos medžiagos pagaminta sija galėtų sverti nuo pusės iki trečdalio daugiau nei šiandien automobilių duryse naudojama sija. Daugelis plieno įmonių, įsikūrusių įvairiose šalyse, pasamdė „Porsche Engineering Services“, kad sukurtų kėbulo dizainą, apimantį visas galimas lengvojo plieno pritaikymo galimybes. Jie apskaičiavo, kad kėbulas galėtų sverti 10–20 procentų mažiau nei įprastas plieninis vientisas korpusas, o jo kaina būtų iki 15 procentų didesnė.
Tuo tarpu Naujos kartos transporto priemonių programa tiria galimus pažangaus plieno, plastiko ir aliuminio bei tokių egzotiškų ir brangių medžiagų, kaip magnis ir titanas, panaudojimo galimybes. Šiame ankstyvame etape mokslininkai bando nustatyti technologijas, kurios galėtų sudaryti prieinamos pažangios transporto priemonės platformą. Atrodo, kad jie sutelkia savo pastangas, pavyzdžiui, hibridinio dyzelinio-elektrinio variklio koncepciją ir aliuminį, kaip dominuojančią konstrukcijų medžiagą (nors transporto priemonėje neabejotinai bus panaudota įvairių pažangių medžiagų, skirtų kitiems tikslams). Ne pagaliau programai pavyksta sukurti įperkamą transporto priemonę – ir pasigirsta ginčų, kurių, kaip manoma, nepavyks – pastangos suteiks automobilių pramonei vertingos patirties naudojant naujas medžiagas ir technologijas.
Susikoncentruokite į tai, ką galime padaryti
Kad ir kokią strategiją pasirinktų pramonė, iš lengvų medžiagų pagaminta transporto priemonė akivaizdžiai kainuos brangiau nei šiandieniniai įprasti automobiliai. Šių transporto priemonių degalų ekonomija taip pat priklausys nuo daug daugiau nei nuo perėjimo prie lengvų medžiagų; norint gauti reikšmingą naudą, reikės pakeisti vartotojų lūkesčius. Turint omenyje mūsų prielaidas apie tai, koks turi būti automobilis, kaip greitai jis turėtų įsibėgėti, kaip greitai turėtų važiuoti ir koks patogus turėtų būti važiuoti, sunku padaryti automobilį daug lengvesnį už, pavyzdžiui, aliuminį. Jautis, kuris vis tiek išliks transporto priemone, kurią nori pirkti dauguma šiandieninių vartotojų.
Nepaisant to, superautomobilių šmėkla persekioja diskusijose dėl anglies dvideginio sukelto visuotinio atšilimo ir skatina visuomenės spaudimą vyriausybei įpareigoti imtis radikalesnių reformų. Jei iš kevlaro galime pagaminti geresnę teniso raketę, kyla argumentas, kodėl negalime pagaminti geresnio automobilio iš tos pačios rūšies medžiagos? Vienas atsakymas yra toks: nors vartotojai gali būti pasirengę mokėti tris kartus daugiau už savo pažangias sudėtines teniso raketes, vargu ar jie norės (ar sugebės) mokėti tiek pat kainos priemoką už pažangų sudėtinį automobilį.
Toks superautomobilis, kurį numato Naujos kartos transporto priemonių programa – toks, kuris pasiekia 80 mylių už galoną, išlaiko tokį patį patogumo lygį ir kainuoja tiek pat, kiek šiandieninis automobilis – šiandien ir artimiausioje ateityje nepajėgia. Šiandien galima pasiekti bet kuriuos du iš šių trijų tikslų, tačiau norint juos sujungti, reikės didelių technologinių laimėjimų. Todėl pramonei nepraktiška atsisakyti šiuolaikinių automobilių dizaino ir technologijų, kad būtų galima įgyvendinti šią technologinę chimerą.
Kadangi negalime masiškai gaminti įperkamo, itin lengvo polimerinio automobilio kėbulo, turėtume susikoncentruoti ties tuo, ką galime padaryti. Pavyzdžiui, galime pagaminti aliuminio korpusą, kuris veikia taip pat gerai, kaip ir plieninė alternatyva, tačiau kainuoja tik šiek tiek daugiau. Laipsniškas plataus spektro pažangių medžiagų technologijų taikymas šiandien gali duoti tikros naudos efektyvumo, naudingumo ir našumo srityse, nepatiriant nepakeliamų išlaidų. Nors ir palyginti nejaudinančios ir nespalvotos, laipsniškos transporto priemonės svorio mažinimo strategijos yra vienintelis patikimas būdas pradėti perėjimą prie ekonomiškos, degalus taupančios transporto priemonės.