مواد سبک وزن طراحی خودروهای آینده را تغییر می دهند

چه چیزی باعث می شود اتومبیل ها در مسیر صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به مسافرت های طولانی تر برسند؟از تولد مدل T فورد تا پر رونق خودروهای انرژی جدید امروزاین مقاله بر سبک وزن خودرو تمرکز دارد و نقش فولاد، آلومینیوم،و پلاستیک در طراحی بدن خودرو در حالی که تجزیه و تحلیل مواد مرتبط و فن آوری های پردازش.

در موج نوآوری های تکنولوژیکی خودرو، مواد نقش مهمی دارند.تنها با استفاده از تکنیک های پردازش پیچیده می توان مواد را به قطعات اتومبیل کاربردی تبدیل کردیک خودرو با موتور احتراق داخلی معمولی معمولا از ده ها هزار قسمت تشکیل شده است. برای افزایش عملکرد قطعات و بهبود بهره وری سوخت،تقاضای صنعت برای مواد پیشرفته همچنان در حال رشد است، باعث ظهور راه حل های جدید مواد می شود.

بر اساس داده های بررسی اولیه انجمن تولیدکنندگان خودرو ژاپن (JAMA) ، نسبت ترکیب مواد خودرو از زمان بحران نفت تغییر کرده است.مواد فولادی (شامل صفحات فولادی)، فولاد ساختاری، فولاد ضد زنگ و آهن ریخته اند، نسبت آنها کمی از حدود 80٪ به حدود 70٪ کاهش یافته است.فولاد همچنان مواد غالب در تولید خودرو استدر همین حال، استفاده از آلومینیوم و پلاستیک روند رو به افزایش را نشان داده است، که آلومینیوم و سایر فلزات غیر آهنین حدود 8٪ را تشکیل می دهند و پلاستیک ها به سطوح مشابهی می رسند.اگرچه داده های JAMA فقط به سال 2001 می رسدبرآوردهای صنعت نشان می دهد که پلاستیک در حال حاضر تقریباً 10٪ مواد خودرو را تشکیل می دهد. این تغییر در ترکیب مواد عمدتاً ناشی از ملاحظات سبک وزن است.به طور عمده با جایگزینی فولاد سنتی با آلومینیوم و پلاستیک جایگزین شده است.

بنابراین فولاد، آلومینیوم و پلاستیک سه ستون مواد ساختاری خودرو را تشکیل می دهند.شیشه ایمنی برای شیشه های جلو، سرامیک برای سنسورها و پلاتین برای کاتالیزورها همه اجزای اساسی هستند. استفاده جامع از این مواد باعث می شود اتومبیل های مدرن،در حالی که توسعه خودرو همزمان بهینه سازی مواد موجود و تحقیق در مورد مواد جدید را هدایت می کند.

در طول دهه 1980، مواد سرامیکی به عنوان "مواد سوم" پس از فلزات و پلاستیک، عمدتا به دلیل مقاومت درجه حرارت بالایی در مقایسه با آلیاژ های فلزی، توجه بیشتری به خود جلب کردند.یک نوآوری پیشگام در سال ۱۹۸۵ ظاهر شد زمانی که مدل Fairlady Z نیسان یک روتور توربو شارژر سرامیکی نیترید سیلیکون را در خود جای دادبا تراکم تنها 3.2g/cm3، به طور قابل توجهی کمتر از آلیاژ Inconel (8.5g/cm3) که معمولا برای تیغه های توربین در آن زمان استفاده می شود، این ماده به طور قابل توجهی وزن روتور را کاهش داد و پاسخ دهنده موتور را بهبود بخشید..

دریچه های سرامیکی موتور سیلیکون نیترید نیز تحت تحقیقات گسترده قرار گرفتند و به مراحل آزمایش نمونه اولیه رسیدند.تکنولوژی خرد کردن برای این ماده با سختی بالا ٬ کنترل کیفیت بسیار مقرون به صرفه ٬ به عنوان یک چالش فنی مهم ظاهر شدسرامیک ها همچنین نقش مهمی در کاربردهای زیست محیطی دارند: سرامیک زیرکونیا در سنسورهای اکسیژن خودروهای بنزین،سرامیک های کوردیریت در زیربناهای کاتالیست، و سرامیک کربید سیلیکون در فیلترهای ذرات دیزل (DPF) برای تصفیه گازهای خروجی.

DPF ها، که برای اولین بار در Peugeot 607 2000 اجرا شدند، ذرات ذرات (PM) را از گاز خروجی دیزل با استفاده از سازه های عسل با دیواره های متخلخل جذب می کنند.این تکنولوژی نیاز به کنترل دقیق ابعاد میکروپور و تکنیک های پیشرفته پردازش عسل داردیک واحد DPF معمولی خودرو مسافرتی وزن 3-6 کیلوگرم است که به طور اجتناب ناپذیر وزن کل خودرو را افزایش می دهد.

هدف اصلی کاهش وزن خودرو کاهش مصرف سوخت و افزایش عملکرد پویا است.بهبود بهره وری سوخت به طور خاص مهم شده استروش های متعددی برای دستیابی به مصرف سوخت پایین تر وجود دارد، از جمله بهینه سازی احتراق موتور، کاهش ضرر اصطکاک، بهبود کارایی انتقال قدرتکاهش مقاومت آیرودینامیک و رولینگ، و کاهش وزن خودرو. در میان این موارد، سبک بودن وزن یکی از مهمترین اقدامات است.وزن سبک بدن برای صرفه جویی در سوخت ضروری استبرای وسایل نقلیه الکتریکی، کاهش وزن علاوه بر این دامنه رانندگی را افزایش می دهد.

در نظر بگیرید یک سدان مسافرتی 2.0 لیتر با وزن 1.214 کیلوگرم: بدن فولادی آن 343 کیلوگرم است که شامل 261 کیلوگرم بدنه سفید (چتر ساختاری) به علاوه 82 کیلوگرم برای درب ها و هود ها است.بدن حدود ۳۰ درصد از وزن کل خودرو را تشکیل می دهد.برای مقایسه، وزن موتور 141 کیلوگرم است، از جمله یک بلوک سیلندر آهن ریخته 41 کیلوگرم.جایگزینی این با آلومینیوم کاهش وزن 15 کیلوگرم یک مثال کلاسیک از جایگزینی مواد برای سبک.

کوچک سازی قطعات یک رویکرد مهم دیگر برای کاهش وزن را ارائه می دهد. کاهش اندازه قطعات موتور و محفظه موتور نه تنها فضای کابین را گسترش می دهد بلکه مناطق خنک کننده تصادف را نیز افزایش می دهد.بهبود ایمنی در هنگام برخوردکوچک سازی همچنین انعطاف پذیری طراحی بدن را افزایش می دهد.یک وسیله نقلیه سبک وزن معاصر (وزن 718 کیلوگرم) دارای یک بدن 206 کیلوگرم است که نسبت وزن بدن به وسیله نقلیه مشابه با 2سدان 0.0 لیتر (نگاه کنید به جدول 1).

اجسام خودرو برخی از بزرگترین و پیچیده ترین ساختارهای خودرو را نشان می دهند، که آنها را به اهداف اصلی برای سبک وزن می کند.طراحی بدن باید نیازهای عملکرد متعدد را برآورده کند، از جمله قدرت، سفتی، دوام، مقاومت در برابر خوردگی، عملکرد NVH (شور، ارتعاش و خشکی) و ایمنی تصادف

فولاد با قدرت بالا (HSS) به عنوان یک ماده سبک وزن حیاتی عمل می کند. با افزایش قدرت فولاد، تولید کنندگان می توانند استفاده از مواد را بدون از دست دادن عملکرد ساختاری کاهش دهند.فولادی با قدرت بالا (AHSS) ٫ از جمله فاز دوگانه (DP)، پلاستیک سازی ناشی از تحول (TRIP) ، فاز پیچیده (CP) و فولاد های مارتنسیتی (MS) دارای کاربردهای فزاینده ای در خودرو هستند.این مواد قدرت بالاتری و قابلیت شکل گیری بهتری برای سبک تر ارائه می دهند.، ساختارهای بدن امن تر.

آخرین مدل یک خودروساز از سیستم AHSS استفاده می کند تا وزن بدن را 15 درصد کاهش دهد و در عین حال سفتی و ایمنی تصادف را بهبود بخشد.فولاد گرم ساخته شده نیز معمولاً اجزای ساختاری حیاتی مانند ستون های A و B را تقویت می کند تا مقاومت در برابر برخورد را افزایش دهد.

آلیاژ های آلومینیوم راه حل مهم دیگری برای کاهش وزن را ارائه می دهند. با چگالی تقریباً یک سوم فولاد، جایگزینی آلومینیوم به طور قابل توجهی وزن بدن را کاهش می دهد.قابلیت شکل گیری عالی آلومینیوم و مقاومت در برابر خوردگی، فرآیند تولید را آسان می کندکاربرد های فعلی شامل پنل های بدن، اجزای ساختاری، سیستم های تعلیق و قطعات موتور است.

آئودی A8 نمونه ای از ساخت کامل بدن آلومینیومی است که تقریباً 40٪ کاهش وزن را در مقایسه با بدن های فولادی معمولی به دست می آورد.مدل اس تسلا نیز به طور گسترده ای از آلومینیوم برای کاهش وزن و گسترش محدوده استفاده می کند.

پلاستیک ها و کامپوزیت ها مسیرهای اضافی سبک وزن را ارائه می دهند. تراکم بسیار کمتری نسبت به فلزات باعث کاهش وزن قابل توجهی می شود.در حالی که انعطاف پذیری طراحی عالی و مقاومت در برابر خوردگی مناسب اجزای پیچیده شکلبرنامه های کاربردی فعلی شامل بامپرها، فندرها، پانل های درب و پانل های ابزار است.

مواد کامپوزیت فیبر کربن، مواد سبک با عملکرد بالا با قدرت و سفتی استثنایی هستند.استفاده از آنها در خودروهای برتر مانند BMW i3 و i8 همچنان در حال گسترش است.

• فولاد های با قدرت بالا و انعطاف پذیری بالا:نسل بعدی AHSS ساختارهای بدن سبک تر و امن تر را امکان پذیر می کند.
• آلیاژهای آلومینیومی ارزان قیمت:تکنولوژی های تولید پیشرفته، کاربردهای آلومینیوم را گسترش خواهد داد.
• مواد کامپوزیت با عملکرد بالا:فیبر کربن و مواد مشابه به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.
• هیبریدیزاسیون چند ماده ای:اجسام آینده مواد را برای بهینه سازی سبک وزن ترکیب خواهند کرد.

سبک وزن خودرو یک چالش مهندسی سیستماتیک است که نیاز به پیشرفت هماهنگ در مواد، طراحی و تولید دارد.خودروهای آینده سبک تر خواهند شد، کارآمدتر و پایدارتر از نظر زیست محیطی.