Praktyczna droga do lekkich samochodów

Samochód jest najważniejszym artefaktem technologicznym XX wieku. Jego znajomość przeczy jednak jego złożoności. To nie lada wyczyn zaprojektować samochód, który jest szybki i mocny, a jednocześnie wygodny i bezpieczny, a przy tym niedrogi. Uwzględniając jeszcze kilka ograniczeń — trwałość, łatwość naprawy, wystarczającą ilość miejsca dla kilkorga dzieci i psa rodzinnego oraz duży zasilacz do elektrycznych szyb, klimatyzacji, odtwarzacza CD i podgrzewanych siedzeń — a wyzwanie staje się jasne . Właśnie dlatego, że samochód stał się integralną częścią naszego życia, oczekiwania konsumentów wyznaczają zestaw ogromnych i często sprzecznych celów projektowych.

W ciągu ostatnich 25 lat producenci samochodów stanęli przed rosnącą presją, aby uwzględniać również cele środowiskowe w swoich projektach. W szczególności konsumenci i rząd federalny naciskali na poprawę gospodarki paliwowej jako sposób na oszczędzanie ropy i kontrolę zanieczyszczeń. Branża motoryzacyjna zareagowała: przebieg benzyny przeciętnego nowego samochodu wzrósł z 14,2 do 28,2 mil na galon w latach 1974-1995.

Teraz ponownie rośnie presja społeczna na poprawę ekonomiki paliwowej, częściowo z powodu obaw związanych z perspektywą globalnych zmian klimatycznych. (Samochody odpowiadają za około jedną czwartą emisji dwutlenku węgla, co jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do efektu cieplarnianego). Kluczem do zmniejszenia zużycia paliwa przez pojazd jest zmniejszenie masy: im mniejszy pojazd, tym mniej energii potrzebuje do przyspieszenia i tym mniej energia do utrzymania stałej prędkości. Tradycyjnie przemysł motoryzacyjny zmniejszał wagę głównie poprzez zmniejszanie rozmiarów, dzięki strategii, której udało się obniżyć wagę typowego samochodu z 3500 funtów do 2500 funtów w ciągu ostatnich 20 lat. Dziś ta strategia osiągnęła swoje granice. Znaczące ulepszenia będą możliwe tylko dzięki nowemu podejściu: zrobieniu karoserii samochodowej z lekkich materiałów zamiast podstawowej stali węglowej.

Chociaż ciało stanowi tylko około jednej trzeciej masy samochodu, zmniejszenie masy ciała jest warunkiem sine qua non lekkiego, oszczędnego samochodu. Samochód z lżejszą karoserią może mieć lżejszy silnik, mniej masywne zawieszenie i mniej skomplikowaną konstrukcję. Te drugorzędne oszczędności na wadze mogą w przybliżeniu podwoić korzyści: na każde 10 funtów zaoszczędzone dzięki zmniejszeniu masy ciała, kolejne 10 funtów można zaoszczędzić poprzez zmniejszenie innych części samochodu.

Co więcej, wiele nowych technologii zaprojektowanych w celu zmniejszenia zużycia paliwa jest dostępnych tylko w samochodach znacznie lżejszych od dzisiejszych. Na przykład silniki samochodowe muszą równoważyć cele związane z wydajnością (energią na przebytą odległość) i mocą (siła potrzebna do przyspieszenia samochodu). Silniki spalinowe o wysokiej sprawności, silniki elektryczne lub silniki hybrydowe, które łączą oba te elementy, są znacznie słabsze niż silniki konwencjonalne i osiągają porównywalny poziom osiągów tylko w znacznie lżejszym pojeździe. Zmniejszenie masy ciała jest niezbędne do stworzenia synergii między lekkością a nowymi technologiami silnika.

W 1993 r. bardzo wpływowy artykuł autorstwa analityka energetycznego Amory'ego Lovinsa z Instytutu Gór Skalistych zasugerował, że główni producenci samochodów (lub ktokolwiek inny, kto ma ciekawość) mogliby wykorzystać istniejące materiały i technologie do wyprodukowania ultralekkiego, wysoce oszczędnego pojazdu. Supersamochód, który wymyślił, będzie zawierał lekkie tworzywa sztuczne, skomputeryzowane elementy sterujące i hybrydowy układ napędowy – system zasilania, który łączyłby tradycyjny silnik cieplny i silnik elektryczny, jak nowoczesna lokomotywa. Ważyłby około 1000 funtów i osiągał znacznie ponad 150 mil na galon, a mimo to zachowałby bezpieczeństwo i wygodę dzisiejszego samochodu.

Lovins słusznie zauważył, że materiały i technologie, które umożliwiłyby powstanie supersamochodu, są zasadniczo niezgodne z procesami projektowymi, produkcyjnymi i organizacyjnymi, wokół których zbudowany jest przemysł motoryzacyjny. Dlatego argumentował, że tylko rewolucja w branży doprowadzi do powstania supersamochodu; wysiłki na rzecz poprawy oszczędności paliwa i osiągów poprzez stopniowe wprowadzanie nowych materiałów i technologii kosztowałyby zbyt dużo, a uzyskiwały zbyt niskie.

Koncepcja supersamochodu przyciągnęła wiele uwagi ekologów, liderów branży motoryzacyjnej i decydentów, a nawet pomogła zainspirować niezwykły sojusz, choć jego cele nieco odbiegają od celów Lovinsa. W 1994 r. amerykańskie firmy motoryzacyjne i rząd federalny połączyły siły, aby uruchomić Program Nowej Generacji Pojazdów, agresywny projekt badawczo-rozwojowy, którego celem jest wyprodukowanie samochodu spełniającego trzykrotnie wyższe normy zużycia paliwa niż dzisiejsze 27,5 mil. za galon, co zapewnia osiągi i wygodę konwencjonalnego samochodu za tę samą cenę. Łącząc zasoby krajowych laboratoriów i głównych amerykańskich producentów samochodów, naukowcy PNGV mają nadzieję opracować prototypowy pojazd w ciągu 10 lat, a następnie wprowadzić go na rynek i wprowadzić na rynek w ciągu 20 lat.

Pytanie nie brzmi, czy da się zbudować ultralekki pojazd oferujący rewolucyjne ulepszenia w zakresie oszczędności paliwa. Producenci samochodów już wiedzą, że tak. Pytanie brzmi, czy taki samochód można zrobić w przystępnej cenie i jakie zmiany w motoryzacji będą konieczne, aby przybliżyć nas do tego celu. W szczególności producenci samochodów i zwolennicy supersamochodów dyskutują nad kosztami i korzyściami dwóch klas materiałów, które mogłyby służyć jako lekkie substytuty stali w nadwoziach pojazdów: aluminium, które można zastosować przy jedynie stopniowych zmianach w branży projektowania i procesów produkcyjnych; i tworzywa sztuczne, które nie mogą.

Plusy i minusy aluminium

Aluminium jest metalem lekkim o gęstości 45 procent mniejszej niż stal konwencjonalna. Od wielu lat jest używany jako główny materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym. Chociaż jest to drogie, blacha aluminiowa kosztuje około 1,50 dolara za funt, w porównaniu z około 30 centów za funt, naukowcy zajmujący się blachami stalowymi w przemyśle samochodowym zaczęli badać możliwość zastąpienia aluminium stalą w nadwoziach pojazdów.

Jedną z głównych zalet przejścia na aluminium w porównaniu z innymi lekkimi materiałami jest to, że można je formować przy użyciu wielu technik stosowanych już przy wytwarzaniu samochodów ze stali. W ten sposób przemysł mógłby nadal korzystać z dużej części istniejącego sprzętu. A projektowanie dla aluminium nie różni się drastycznie od projektowania dla stali – to ważna zaleta w branży, w której inżynierowie niechętnie eksperymentują ze stosunkowo niewypróbowanymi materiałami.

Oczywiście fakt, że obecnie karoserie samochodowe nie są w dużej mierze wykonane z aluminium, sugeruje, że materiał ten ma również wady. Oprócz tego, że jest droższe niż stal, aluminium ma tylko jedną trzecią sztywności, co jest kluczowym ograniczeniem w projektowaniu nadwozi samochodowych. Sztywność można nieco zwiększyć, zmieniając geometrię projektu (kształty zakrzywione są sztywniejsze niż płaskie), ale jest to problematyczne w branży, w której kształt i styl są ważnymi koncepcjami sprzedaży. Łatwiejszym rozwiązaniem jest wykonanie płaskich aluminiowych paneli nadwozia – błotników, masek i drzwi grubszymi niż panele stalowe, aby zapewnić równie dobre działanie. Nakłada to jednak wyższe koszty materiałowe i do pewnego stopnia niweluje przewagę wagi.

Kolejnym problemem jest wysoka przewodność elektryczna aluminium, która utrudnia zgrzewanie punktowe. Zgrzewanie punktowe to standardowa metoda montażu stalowych karoserii samochodowych. Dwie łączone części są zaciśnięte między dwiema elektrodami i doprowadzany jest prąd elektryczny, ogrzewając w ten sposób dwie części w punkcie styku, prowadząc do połączenia dyfuzyjnego. (Metal w rzeczywistości się nie topi, ponieważ zmniejszyłoby to wydajność materiału i doprowadziło do korozji i awarii części).

Ponieważ aluminium przewodzi ciepło lepiej niż stal, potrzeba dużo więcej energii elektrycznej i większych elektrod, aby metal był wystarczająco gorący do związania. A ponieważ elektrody pozostają w kontakcie z aluminium dłużej podczas przykładania prądu, atomy glinu są bardziej podatne na dyfuzję do elektrody, skracając jej żywotność. W związku z tym pojazdy aluminiowe będą prawdopodobnie polegać na alternatywnych technikach montażu, w tym spawaniu szwów (w którym pasek stopionego metalu jest nakładany mniej więcej jak klej), klejach i łącznikach mechanicznych.

Unibody kontra rama kosmiczna

Wyzwanie stojące przed przemysłem samochodowym polega na tym, jak zaprojektować samochód z aluminium, aby uchwycić zalety materiału i zminimalizować wady. Istnieją dwie konkurujące ze sobą możliwości: unibody, skrót od unitized body, projekt stosowany w samochodach stalowych; lub konstrukcja przestrzenna, zasadniczo duża konstrukcja kratownicowa pokryta cienką skórą.

W unibody panele nadwozia pojazdu są ze sobą połączone, tworząc strukturę skorupy. Pozwala to efektywnie wykorzystać wysoką sztywność paneli nadwozia. Chociaż aluminium nie jest tak sztywne jak stal, jeśli panele są wystarczająco grube i zastosowane zostaną odpowiednie techniki łączenia, konstrukcja unibody będzie dobrze współpracować z tym materiałem.

Jednak konstrukcja unibody stwarza dwa powiązane problemy. Po pierwsze, wykonanie skomplikowanych powierzchni, takich jak wycięcia lub skomplikowane krzywizny, ze stosunkowo sztywnych metalowych paneli nadwozia jest stosunkowo trudne (a zatem drogie). Jeśli projektanci próbują obejść ten problem, używając materiałów, które są łatwiejsze do uformowania, pojawia się drugi problem: ponieważ korpus jednoczęściowy czerpie większość swoich właściwości strukturalnych ze sposobu mocowania jego części, te części muszą składać się z materiałów, które można łatwo łączyć . Bez niedrogiego sposobu na połączenie ze sobą dwóch różnych materiałów, konstrukcja jednoczęściowa zasadniczo wymaga, aby producent samochodów produkował samochody przy użyciu jednej klasy materiałów.

W odpowiedzi na te zastrzeżenia projektanci badają przestrzenną ramę. W tym projekcie konstrukcja pojazdu składa się w efekcie z kraty metalowych szyn, przypominającej kratownicę mostu. Pojazd nie opiera się na panelach nadwozia pod względem wydajności strukturalnej i w rzeczywistości można jeździć bez przymocowanych paneli. Ten projekt nie sprawdza się dobrze w przypadku stali, po części dlatego, że skomplikowane stalowe szyny nie są dużo łatwiejsze do wykonania niż złożone stalowe panele nadwozia. Obecnie wśród producentów samochodów panuje zgoda co do tego, że unibody jest najskuteczniejszym sposobem na zrobienie ze stali pojazdu przeznaczonego na rynek masowy.

Jednak rama przestrzenna zyskuje nową uwagę projektantów pracujących z alternatywnymi materiałami, zwłaszcza aluminium. Łatwiej jest zrobić skomplikowane szyny z aluminium niż ze stali, ponieważ, w przeciwieństwie do stali, aluminium można wytłaczać i formować w złożone kształty rurowe w procesie podobnym do wytwarzania makaronu. Te wytłaczane, wydrążone szyny mogą być znacznie sztywniejsze niż pełne pręty o równoważnej wadze. Wytłaczanie łatwo dostosowuje się do produkcji masowej; jest już używany na dużą skalę do produkcji kształtów konstrukcyjnych, takich jak ramy okienne i rury. Opracowano kilka projektów pojazdów z ramą aluminiową, z których każdy wykorzystuje różne kombinacje profili, odlewów i blachy. Podczas gdy jury jest jeszcze nieobecne, przy odpowiedniej kombinacji materiałów rama przestrzenna może pewnego dnia rzucić wyzwanie unibody w popularnej produkcji samochodów.

Czy aluminium jest niedrogie?

Aluminiowy pojazd oparty na obu projektach przybliżyłby nas do celu, jakim jest zbudowanie lekkiego samochodu przy stosunkowo umiarkowanym wzroście kosztów. Typowe stalowe unibody waży nieco poniżej 600 funtów, podczas gdy całkowicie aluminiowe unibody waży około 325 funtów, a różne konstrukcje aluminiowej ramy przestrzennej ważyłyby od 285 do 385 funtów. W ten sposób każdy projekt mógł zmniejszyć ciężar ciała prawie o połowę; lżejszy silnik, zawieszenie, skrzynia biegów i tak dalej mogą podwoić liczbę zaoszczędzonych funtów. (Oczywiście można dodać masę w innych obszarach, aby zrekompensować braki nowego projektu – na przykład lekki samochód nie może polegać na swoich elementach konstrukcyjnych, aby chronić pasażerów w razie wypadku, dlatego będzie musiał zastosować dodatkowe systemy , jak poduszki powietrzne, które dodają wagi.)

Ile oszczędności paliwa generuje samo tylko nadwozie? Zmniejszenie masy pojazdu o 300 funtów może zwiększyć zużycie paliwa nawet o 15 procent. Zwiększyłoby to przebieg na gazie typowego samochodu średniej wielkości, takiego jak Ford Taurus, z około 22 do około 25 mil na galon i zmniejszyłoby emisję dwutlenku węgla (CO2) z około 410 gramów CO2 na przejechaną milę do około 355 gramów na milę. Oszczędności na wadze wtórnej podwoiłyby poprawę oszczędności paliwa i redukcję emisji. Bardziej radykalna poprawa w zakresie oszczędności paliwa spowodowałaby proporcjonalny spadek emisji CO2, ale wymagałoby to znacznie bardziej drastycznych środków niż zwykłe zmniejszenie masy: na przykład bardziej wydajne technologie silników i prawdopodobnie mniej miejsca i mniej udogodnień niż zwykle oczekuje amerykański konsument.

Według analiz kosztów przeprowadzonych przez członków Laboratorium Systemów Materiałowych w MIT, lekki aluminiowy samochód oparty na jednym z tych projektów może być nieco droższy niż dzisiejszy samochód stalowy, gdy jest produkowany w dużych ilościach. Przy bardzo niskich wielkościach produkcji (mniej niż 20 000 pojazdów rocznie), aluminiowe ramy kosmiczne są w rzeczywistości tańsze niż stalowe unibody: najtańsza konstrukcja ramy przestrzennej kosztowałaby około 4500 USD, w porównaniu z 5800 USD za stalowy unibody i 7200 USD za aluminiowy unibody .

Jednak te wielkości produkcji są zbyt niskie dla pojazdów masowych. Popularne modele, takie jak Ford Taurus, są produkowane w ilościach od 300 000 do 500 000. Nawet pojazdy niszowe – luksusowe samochody, takie jak Lincoln Continental – mają produkcję od 40 000 do 80 000. Lekki pojazd, aby można go było uznać za przystępny cenowo, musi być w stanie produkować niedrogo w dużych ilościach.

Przy wielkości produkcji około 100 000, stalowy unibody jest najtańszą konstrukcją, przy szacowanym koszcie jednostkowym 2500 USD. Aluminiowe ramy przestrzenne są nieco droższe – najtańszy projekt kosztuje około 2800 USD, podczas gdy aluminiowe unibody kosztuje około 3600 USD. W przypadku bardziej typowych serii produkcyjnych wynoszących 300 000, koszt stalowego unibody spada do około 1400 USD, a aluminiowe unibody staje się tańsze niż aluminiowa rama przestrzenna (2 000 USD w porównaniu z 2400 USD).

Zmieniające się profile kosztów dla trzech projektów wynikają z różnic w ich procesach produkcyjnych. Tłoczenie metali — proces, w którym wytwarzane są zarówno stalowe, jak i aluminiowe elementy typu unibody — jest w stanie lepiej wykorzystać ekonomię skali niż wytłaczanie. W rezultacie, koszty jednostkowe obu rodzajów unibody spadają, ponieważ są one produkowane w większej ilości; różnicę kosztów między nimi można w dużej mierze wyjaśnić różnicą w kosztach surowca.

Ramka przestrzenna ma inny wzór. Ponieważ koszty inwestycyjne wytłaczania są znacznie niższe niż koszty tłoczenia stali, ramy przestrzenne są tańsze niż unibody przy niskich wielkościach produkcji. Jednak części wytłaczane wymagają wykańczania i obróbki cieplnej, co jest czasochłonne. Ponadto szybkość, z jaką można formować wytłoczki, jest znacznie wolniejsza niż szybkość, z jaką można wytwarzać części wytłaczane. W rezultacie koszty jednostkowe nie spadają tak drastycznie, gdy wielkość produkcji wzrasta. Wyższe wolumeny produkcji ostatecznie zmieniają ekonomię na korzyść unibody.

Biorąc pod uwagę, że pojazd z nadwoziem aluminiowym będzie kosztował od 300 do 1100 dolarów więcej niż pojazd z nadwoziem stalowym, czy wzrost zużycia paliwa zrekompensuje wzrost kosztów w całym okresie eksploatacji pojazdu? Odpowiedź zależy od wielu czynników: całkowitej masy (i kosztu) pojazdu, sprawności jego silnika oraz ceny paliwa. Jednak wzrost zużycia paliwa, który można przypisać samemu aluminiowemu nadwoziu, zwróciłby się tylko w przypadku wzrostu ceny benzyny. Jeśli cena benzyny utrzyma się między 1,20 a 1,50 dolara za galon, pieniądze zaoszczędzone na gazie nie wystarczą, aby zrekompensować wyższy koszt: koszt cyklu życia aluminiowego unibody wyprodukowanego w ilości 300 000 sztuk pozostanie o około 300 dolarów wyższy. stalowego unibody. Ale gdyby cena benzyny wzrosła do 2,30 dolara za galon, właściciel samochodu na bazie aluminium wyszedłby na zero w całym okresie eksploatacji pojazdu. Rozsądnie jest sądzić, że w takich okolicznościach konsumenci mogą być skłonni zapłacić wyższy koszt początkowy samochodu z aluminium.

Odwołanie się do tworzyw sztucznych

Zwolennicy rewolucyjnego podejścia podkreślają jednak zalety tworzyw sztucznych jako bardziej radykalnej, lekkiej alternatywy dla stali. Tworzywa sztuczne są ponad dwa razy lżejsze od aluminium i można je formować w znacznie szerszą gamę kształtów. Ponadto sprzęt używany do produkcji tworzyw sztucznych kosztuje znacznie mniej niż ciężki sprzęt do tłoczenia wymagany do produkcji części metalowych. Te cechy przyciągały zainteresowanie producentów samochodów od lat 60. XX wieku.

Obecnie przemysł wykorzystuje tworzywa sztuczne w różnych zastosowaniach; tworzą na przykład elementy wnętrza większości samochodów, a także osłony zderzaków i błotniki. Producenci i projektanci również stosowali kompozyty polimerowe – tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami szklanymi lub węglowymi – w nadwoziach samochodów wyścigowych i niektórych pojazdów produkowanych komercyjnie. W latach 80., gdy producenci samochodów szukali nowych sposobów na zmniejszenie masy pojazdu, wielu przedstawicieli branży zaczęło badać zastosowanie kompozytów polimerowych do zastąpienia stali w karoseriach samochodowych.

Podobnie jak aluminium, materiały kompozytowe mają swoje wady. Po pierwsze są droższe niż inne materiały motoryzacyjne. Mieszanka żywicy z tworzywa sztucznego kosztuje od 1 do 10 USD za funt, a ceny włókna szklanego zaczynają się od około 1 USD za funt. Kompozyty polimerowe z włókna szklanego są konkurencyjne cenowo w stosunku do aluminium lub stali tylko wtedy, gdy są stosowane w małych ilościach lub w skomplikowanych kształtach, których formowanie z metalu jest nadmiernie drogie.

Ponadto zwykłe tworzywa sztuczne są od jednej trzydziestej do sześćdziesiątej tak sztywne jak stal, podczas gdy wzmocnione tworzywa sztuczne są w jednej piętnastej sztywne od stali. Tradycyjne zastosowania tworzyw sztucznych we wnętrzach samochodów uwzględniają zalety lekkości i łatwości formowania bez konieczności stosowania dużej sztywności. Unibody muszą być jednak sztywne, aby działać efektywnie. Panele konstrukcyjne wykonane ze wzmocnionych tworzyw sztucznych muszą zatem być znacznie grubsze niż ich metalowe odpowiedniki, co równoważy zmniejszoną wagę i jeszcze bardziej podnosi koszty.

Kompozyty z włókna węglowego wzbudziły zainteresowanie branży jako alternatywa dla kompozytów z włókna szklanego, ponieważ są sztywniejsze. Panele złożone z tych materiałów mogą być cieńsze, a przez to lżejsze niż ich odpowiedniki wzmocnione włóknem szklanym. Jednak kompozyty z włókna węglowego są zaporowo drogie: ceny włókien węglowych zaczynają się od 20 USD za funt i dramatycznie rosną wraz ze wzrostem wytrzymałości i sztywności włókien.

Unibody na bazie polimerów są również trudne do wyprodukowania. Chociaż korpusy wykonane ze wzmocnionych kompozytów wymagałyby tylko jednej trzeciej więcej części niż konwencjonalne korpusy metalowe, części te musiałyby być wykonane tak, aby dokładnie pasowały do ​​siebie, co wykracza poza dzisiejszy stan techniki montażu. Ponieważ żywica z tworzywa sztucznego i włókna węglowe kurczą się w różnym tempie podczas stygnięcia, części ulegają odkształceniu i kurczeniu w sposób, który w zależności od elementu zmienia się w nieprzewidywalny sposób. Nie jest to niczym niezwykłym — stal również zmienia kształt, gdy się ochładza — ale materiały takie jak stal można wyginać i skręcać w kształt. Na przykład pracownicy linii montażowych używają drewnianych młotków i młotków o wymiarach dwa na cztery, aby upewnić się, że stalowe drzwi samochodu wiszą prawidłowo i szczelnie zamykają. Elementy ze wzmocnionego tworzywa sztucznego nie mogą zostać w ten sposób odkształcone — tworzywo sztuczne pęka szybciej niż wygina się — więc nie ma łatwego sposobu na skompensowanie drobnych niedoskonałości w dopasowaniu części.

Wreszcie, wyprodukowanie niedrogiego pojazdu wymaga produkcji na dużą skalę, o wielkości co najmniej 30 000 sztuk rocznie i prawdopodobnie o rząd wielkości wyższej. Chociaż niestrukturalne elementy z tworzyw sztucznych można łatwo wytwarzać na taką skalę, technologie przetwarzania wzmocnionych tworzyw sztucznych lepiej nadają się do partii o wielkości setek lub tysięcy, a nie setek tysięcy. Najtańszym sposobem przejścia na masową produkcję materiałów polimerowych byłoby przyspieszenie procesu, wytwarzając znacznie więcej części przy użyciu tego samego sprzętu. Jednak procesy związane z wytwarzaniem i kształtowaniem wzmocnionych materiałów na bazie polimerów nie są szczególnie podatne na tego rodzaju proste zwiększanie skali.

Kluczowym problemem jest to, że przetwarzanie tego rodzaju tworzyw sztucznych jest z natury powolne. Części powstają poprzez przygotowanie mieszanki składników i czekanie, aż ostygną lub zareagują chemicznie. W przypadku części o wielkości paneli karoserii proces ten może zająć minutę lub dłużej. Dla porównania, części stalowe można wytłoczyć w mniej niż 10 sekund. Trudno jest znaleźć sposób na zwiększenie szybkości reakcji chemicznych lub szybkości wymiany ciepła — jeśli plastik stygnie zbyt szybko, staje się kruchy, a jeśli reakcje chemiczne przyspieszają, trudno je kontrolować.

Aby wyprodukować dużą liczbę części z tworzyw sztucznych, producenci samochodów musieliby zatem kupić wiele maszyn i ustawić równoległe linie produkcyjne — etapy, które z nawiązką zrównoważyłyby przewagę kapitałową produkcji tworzyw sztucznych i zwiększyły koszty administracyjne. Chociaż teoretycznie równoległe linie produkcyjne mogą wydawać się wykonalne, w praktyce bardzo trudno je koordynować. W rezultacie producenci samochodów mają tendencję do unikania procesów, które wymagają więcej niż dwóch równoległych linii produkcyjnych.

Ultralite = ultrakosztowy

Ile wagi może zaoszczędzić plastikowe unibody i jakim kosztem? Najbardziej radykalnym systemem polimerowym jest Ultralite, samochód koncepcyjny oparty na kompozytach z włókna węglowego, który został opracowany przez naukowców GM, którym powierzono uzyskanie jak największego przebiegu na gazie. Samochód, który został zbudowany ręcznie, zawierał różne technologie oszczędzające masę i paliwo. Chociaż samochód był w stanie przejechać ponad 100 mil na galon, nie można go uznać za prototyp pojazdu masowego: nie zawierał przestrzeni ani funkcji bezpieczeństwa, które większość konsumentów uważałaby za niezbędne i nigdy nie został poddany testom drogowym ani zderzeniom . Niemniej jednak, ważący 308 funtów, reprezentuje najlżejsze nadwozie samochodowe, jakie dotychczas zbudowano z materiałów polimerowych.

Chociaż Ultralite waży mniej więcej tyle samo, co aluminiowa rama kosmiczna, jego produkcja w dużych ilościach kosztowałaby znacznie więcej. Na przykład przy wielkości produkcji 100 000 każdy unibody w stylu Ultralite kosztowałby około 6400 USD. Szacunek ten opiera się na założeniu, że ceny włókna węglowego pozostaną na poziomie około 20 USD za funt. Zwolennicy materiałów polimerowych argumentowali, że cena włókien węglowych spadnie wraz ze wzrostem popytu. Ale nawet jeśli cena włókien węglowych spadłaby do 5 USD za funt – trendu, którego nie przewidujemy, ponieważ produkcja włókien węglowych niekoniecznie podlega ekonomii skali – plastikowy unibody nadal kosztowałby 3500 USD, w porównaniu z 2500 USD za stal. unibody i 2800 USD za aluminiową ramę przestrzenną przy porównywalnej wielkości produkcji. Co więcej, przy większych wolumenach produkcji cena unibody ze stali lub aluminium znacznie spadnie, podczas gdy cena unibody z dużą ilością polimerów spadnie znacznie mniej, co czyni go jeszcze mniej ekonomicznie opłacalnym wyborem.

Jest mało prawdopodobne, aby wzrost zużycia paliwa związany z samym ciałem zrekompensował wyższy koszt nadwozia na bazie polimerów. Przy cenach od 1,20 do 1,50 dolara za galon benzyny korpus Ultralite nadal kosztowałby około 4500 USD więcej niż stalowy lub aluminiowy unibody w całym cyklu życia. W rzeczywistości nadwozia wzmocnione włóknem węglowym i wzmocnione włóknem węglowym nadal kosztowałyby około 4000 dolarów więcej niż nadwozia stalowe, nawet jeśli ceny benzyny wzrosłyby do 4,00 dolarów za galon, jak ma to miejsce w Europie.

Co teraz robią producenci

Biorąc pod uwagę stan techniki produkcyjnej, przemysł motoryzacyjny coraz częściej stosuje nowe materiały, stopniowo przyjmując nowe zastosowania aluminium, polimerów i zaawansowanych stali. Na przykład, Ford ściśle współpracuje z kilkoma firmami zajmującymi się aluminium nad projektem o nazwie Concept 2000, którego celem jest wyprodukowanie od 20 do 40 całkowicie aluminiowych sedanów Taurus, które firma obecnie testuje i ocenia. Pojazd, który wykorzystuje konstrukcję jednoczęściową, jest tylko kilkaset funtów lżejszy od swojego stalowego odpowiednika, głównie dlatego, że inżynierowie projektu nie zmienili układu napędowego ani zawieszenia ani nie przeprojektowali pojazdu, aby uzyskać inne dodatkowe oszczędności masy. Projekt miał na celu jedynie przetestowanie możliwości produkcyjnych samochodu w całości z aluminium, w celu zidentyfikowania zmian w technologii formowania, które byłyby potrzebne do jego produkcji. Nie jest jeszcze jasne, czy Ford uważa eksperyment za udany.

Alcoa i Audi współpracowały przy Audi A8, luksusowym sedanie opartym na aluminiowej ramie przestrzennej, który jest produkowany w małych ilościach i sprzedawany w Europie. Znaczna część oszczędności masy uzyskanych dzięki zastosowaniu aluminium jest niwelowana przez akcesoria mające na celu zwiększenie atrakcyjności samochodu na rynku wysokiej klasy. Pojazd demonstruje jednak wykonalność projektu, który wykorzystuje profile aluminiowe i odlewy, a także kutą blachę stosowaną w panelach.

Przemysł motoryzacyjny również próbuje opracować techniki produkcyjne nakładania tworzyw sztucznych na masowo produkowane pojazdy (zwłaszcza linie samochodów Saturn firmy GM), ale nawet tutaj elementy z tworzyw sztucznych nie są krytycznymi elementami konstrukcyjnymi pojazdu. Na przykład wszystkie Saturny wykorzystują plastikowe panele nadwozia, aby pokryć stalową ramę przestrzenną. Ponieważ nie pełnią żadnej roli konstrukcyjnej, panele wykonane są nie ze wzmocnionych kompozytów, ale ze zwykłych tworzyw sztucznych, które mogą być produkowane w ilościach setek tysięcy. Wybór materiału zależy w mniejszym stopniu od wagi niż od kosmetyków: plastikowe panele nadają pojazdowi charakterystyczny kształt i są odporne na wgniecenia i zarysowania. W rzeczywistości oszczędność masy osiągnięta dzięki zastosowaniu paneli z tworzywa sztucznego jest przynajmniej częściowo równoważona potrzebą użycia większej ilości stali w elementach konstrukcyjnych w celu utrzymania oczekiwanego poziomu wydajności.

Producenci samochodów odkryli, że dzięki agresywnym wysiłkom mogą zastąpić stal polimerami w kilku nietradycyjnych zastosowaniach, takich jak dachy, maski, miski podłogowe i kołyski silników, ale wielu odkrywa również, że koszty są zbyt wysokie, a oszczędność masy imponująca. GM od wielu lat eksperymentuje również z kompozytami z włókna szklanego na panelach nadwozia swoich furgonetek APV, ale ostatnio doszedł do wniosku, że materiał ten jest po prostu zbyt drogi. Firma planuje powrót do używania stali.

Podczas gdy nadal eksperymentują z polimerami wzmacnianymi włóknem szklanym w pojazdach niszowych – co stanowi ugruntowaną platformę dla innowacji – wydaje się, że producenci samochodów zdecydowali, że materiały te nie są przydatne w zastosowaniach o wielkości produkcji przekraczającej 80 000, ponieważ przy takich ilościach korzyści nie uzasadniaj kosztów. Co więcej, wydaje się, że przemysł wykorzystuje już tworzywa sztuczne w większości zastosowań, które są najlepiej dopasowane do mocnych stron materiału. Dalsze zastępowanie stali tworzywami sztucznymi będzie znacznie trudniejsze, ponieważ są to zastosowania, w których wykorzystuje się w szczególności właściwości metali.

Innym materiałem, który może odgrywać rolę w stopniowych zmianach, jest stal o wysokiej wytrzymałości. Grubość części stalowych stosowanych w samochodach jest zwykle określana na podstawie wymaganego stopnia sztywności, ale w około 20 procentach zastosowań ważną właściwością jest wytrzymałość. Na przykład belka w każdych drzwiach samochodu chroni pasażerów w razie zderzenia. Nowe stopy stali o wysokiej wytrzymałości są dwa do trzech razy mocniejsze niż konwencjonalna stal węglowa, więc belka wykonana z nowego materiału może ważyć od połowy do jednej trzeciej więcej niż belka stosowana obecnie w drzwiach samochodowych. Wiele firm stalowych z różnych krajów zatrudniło Porsche Engineering Services do opracowania projektu nadwozia uwzględniającego wszystkie potencjalne zastosowania lekkiej stali. Szacują, że korpus może ważyć o 10 do 20 procent mniej niż konwencjonalny stalowy unibody, przy koszcie nawet o 15 procent wyższym.

W międzyczasie Program na rzecz nowej generacji pojazdów bada potencjalne zastosowania zaawansowanych stali, tworzyw sztucznych i aluminium, a także tak egzotycznych i drogich substancji, jak magnez i tytan. Na tym wczesnym etapie naukowcy próbują zidentyfikować technologie, które mogłyby stworzyć platformę dla niedrogiego, zaawansowanego pojazdu. Wydaje się, że skupiają swoje wysiłki na przykład na koncepcji hybrydowego silnika wysokoprężno-elektrycznego i na aluminium jako dominującym materiale do zastosowań konstrukcyjnych (chociaż pojazd niewątpliwie będzie zawierał wiele zaawansowanych materiałów do innych zastosowań). nie program ostatecznie odniesie sukces w opracowaniu pojazdu, który jest przystępny cenowo – a są pogłoski, że wtajemniczeni wierzą, że tak się nie stanie – wysiłek zapewni przemysłowi samochodowemu cenne doświadczenie z nowymi materiałami i technologiami.

Koncentrowanie się na tym, co możemy zrobić

Bez względu na strategię przyjętą przez branżę pojazd wykonany z lekkich materiałów z pewnością będzie kosztował więcej niż dzisiejszy konwencjonalny samochód. Oszczędność paliwa w tych pojazdach będzie również zależeć od znacznie więcej niż przejścia na lekkie materiały; znaczące zyski będą wymagały zmiany oczekiwań konsumentów. Biorąc pod uwagę nasze założenia na temat tego, jak pojemny powinien być samochód, jak szybko powinien przyspieszać, jak szybko powinien jechać i jak wygodnie się nim jeździ, trudno jest zrobić samochód znacznie lżejszy niż, powiedzmy, całkowicie aluminiowy Taurus, który nadal będzie pojazdem, który większość dzisiejszych konsumentów chce kupić.

Niemniej jednak widmo supersamochodu nawiedza debatę na temat globalnego ocieplenia wywołanego przez dwutlenek węgla i podsyca presję publiczną na rząd, aby nakazał bardziej radykalne reformy. Jeśli możemy zrobić lepszą rakietę tenisową z Kevlaru, argument brzmi, dlaczego nie możemy zrobić lepszego samochodu z tego samego rodzaju materiału? Jedna odpowiedź brzmi: chociaż konsumenci mogą być skłonni zapłacić trzy razy więcej za swoje zaawansowane kompozytowe rakiety tenisowe, jest mało prawdopodobne, aby byli skłonni (lub byliby w stanie) zapłacić taką samą premię za zaawansowany samochód kompozytowy.

Supersamochód taki jak ten przewidziany w Programie dla Nowej Generacji Pojazdów – taki, który osiąga 80 mil na galon, zapewnia ten sam poziom wygody i kosztuje tyle samo, co dzisiejszy samochód – przekracza nasze możliwości zarówno dziś, jak i w najbliższej przyszłości. Dowolne dwa z tych trzech celów można dziś osiągnąć, ale połączenie wszystkich trzech razem będzie wymagało poważnych przełomów technologicznych. Dlatego też dla przemysłu niepraktyczne jest odrzucanie dzisiejszych projektów samochodów i technologii w celu dążenia do tej technologicznej chimery.

Ponieważ nie możemy masowo produkować niedrogiej, ultralekkiej karoserii na bazie polimerów, powinniśmy zamiast tego skoncentrować się na tym, co możemy zrobić. Na przykład możemy wykonać korpus aluminiowy, który działa równie dobrze jak stalowa alternatywa, ale kosztuje tylko nieznacznie więcej. Stopniowe stosowanie szerokiego spektrum dostępnych obecnie zaawansowanych technologii materiałowych może przynieść realne korzyści w zakresie wydajności, użyteczności i wydajności bez ponoszenia niemożliwych do udźwignięcia kosztów. Chociaż stosunkowo mało ekscytująca i mało efektowna, stopniowe strategie redukcji masy pojazdu są jedynym wiarygodnym podejściem do rozpoczęcia przejścia na oszczędny, paliwooszczędny pojazd.

ukryć