Понимание облегчения автомобилей: Что нужно знать автопроизводителям

Введение

В настоящее время автомобильная промышленность переживает переходный период, связанный с изменением экологических стандартов, требований клиентов и ожиданий потребителей на бурно развивающемся рынке электромобилей. Одним из ключевых подходов, которые используют автопроизводители для решения этой проблемы, является облегчение автомобилей. Этот подход направлен на снижение веса автомобиля при сохранении его безопасности, производительности и надежности.

В настоящее время любому автопроизводителю необходимо понять принципы, преимущества и способы внедрения облегчения автомобилей, так как это является необходимостью для выживания в будущем. В этой статье мы расскажем о том, что такое облегчение автомобилей, о его преимуществах, материалах и процессах, используемых в этом процессе, а также о будущем облегчения автомобилей.

Что такое облегчение автомобилей?

Облегчение автомобилей, по своей сути, - это стратегическое снижение веса транспортного средства, также называемое уменьшением массы автомобиля. Это достигается следующими способами: использование передовых легких материалов для создания более легких автомобилей, оптимизация конструкции компонентов и применение передовых технологий производства.

Речь идет не о том, чтобы сделать автомобиль легче ради него самого, а о достижении определенных целей, таких как повышение экономии топлива, снижение вредных выбросов, улучшение технических характеристик и увеличение дальности хода электромобилей. Более легкий автомобиль потребляет меньше энергии на разгон, торможение или поддержание скорости, и в конкретных случаях это приводит к целой цепи преимуществ.

Тем не менее, важно понимать, что облегчение конструкции должно осуществляться систематически, и любое снижение веса не может нарушить структурную целостность, безопасность или качество автомобиля.

Ощутимые преимущества легкого веса автомобилей

Стремление к облегчению автомобилей обусловлено множеством ощутимых преимуществ. Эти преимущества - не абстрактные цели, а конкретные результаты, влияющие на эффективность, экологичность, производительность и, возможно, долгосрочную экономичность.

Улучшенная топливная эффективность

Первое преимущество облегчения автомобиля - улучшение экономии топлива. Это связано с тем, что, когда автомобиль легче, двигатель затрачивает меньше энергии на его перемещение, а значит, расходует меньше топлива. Хотя оценки различаются в зависимости от категории автомобиля и особенностей эксплуатации, предполагается, что снижение веса автомобиля на 10% улучшит экономию топлива на 6-8%. Таким образом, для автомобилей, работающих на традиционном топливе, это означает более экономичный автомобиль, который может быть полезен как для водителя с точки зрения расходов на топливо, так и для окружающей среды.

Сокращение выбросов

Снижение расхода топлива, которое достигается за счет облегчения конструкции, также приводит к сокращению выбросов парниковых газов по сравнению с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания. Уменьшение количества ископаемого топлива, потребляемого на километр или милю пути, означает сокращение выбросов углекислого газа (CO2), который является основным парниковым газом, вызывающим изменение климата. Кроме того, снижаются выбросы других контролируемых загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM).

В связи с повышением экологических стандартов по всему миру эффективность облегчения конструкции для снижения выбросов выхлопных газов является важным преимуществом для автопроизводителей, позволяющим им соответствовать этим стандартам, избегать штрафов и улучшать свой имидж как экологически дружественных компаний. Это применимо на протяжении всего жизненного цикла автомобиля и помогает снизить воздействие на окружающую среду.

Улучшенные эксплуатационные характеристики автомобиля

Облегчение в значительной степени улучшает динамические характеристики автомобилей. У более легкого автомобиля лучше соотношение мощности и веса - двигателю или электродвигателю требуется перемещать меньший вес. Также улучшается управляемость и маневренность; меньший вес означает, что автомобиль легче поворачивает в направлении, в котором его направляют, легче меняет направление движения и меньше наклоняется на поворотах.

Кроме того, повышается эффективность торможения, поскольку при этом теряется меньше энергии, что может привести к сокращению остановочного пути. Все эти улучшения в совокупности дают более динамичный и интерактивный опыт вождения, который может стать конкурентным преимуществом в определенных сегментах, и, по сути, повышают уровень активной безопасности.

Увеличенный радиус действия электромобиля

Среди всех типов транспортных средств аккумуляторные электромобили (BEV) в наибольшей степени подвержены влиянию концепции облегчения. Плотность энергии современных аккумуляторных технологий высока, а аккумуляторные блоки тяжелы и могут составлять значительную часть массы автомобиля. Снижение массы кузова, шасси, салона и других компонентов автомобиля означает, что для его перемещения требуется меньше энергии. Это означает, что расход энергии на пройденный путь уменьшается, что напрямую влияет на увеличение дальности поездки на одном заряде аккумулятора.

Поскольку "тревога за запас хода" все еще является одним из основных факторов, препятствующих широкому распространению электромобилей, облегчение конструкции - важнейшая стратегия, которую автопроизводители могут использовать для создания электромобилей с разумным и практичным запасом хода, чтобы сделать их более привлекательными для потребителей.

Потенциальная экономия средств (в долгосрочной перспективе)

Первоначальные затраты на внедрение стратегий облегчения обычно выше, поскольку требуют использования легких материалов и, возможно, более сложных производственных процессов, чем традиционные, но долгосрочные выгоды, скорее всего, будут ощутимы как для производителя, так и для потребителя.

Для потребителей основная экономия связана с меньшим потреблением энергии во время эксплуатации автомобиля, что означает снижение расходов на топливо или электричество.

Для автопроизводителей успешное облегчение конструкции может в конечном итоге помочь им сохранить конкурентоспособность на рынке, где требуются одновременно мощность и эффективность. Тем не менее, первоначальный инвестиционный барьер все еще является фактором, который автопроизводители должны учитывать, прежде чем они смогут в полной мере воспользоваться преимуществами этой системы на рынке.

Ключевые материалы, способствующие снижению веса автомобилей

Выбор материалов имеет решающее значение для достижения целей снижения веса. Сегодня производители автомобилей используют широкий спектр высокоэффективных материалов, а иногда применяют их в комбинации для достижения оптимального баланса прочности, жесткости, долговечности и стоимости, а также низкого веса. Поэтому важно понимать свойства, области применения и ограничения этих материалов.

Примечание: Все значения свойств представляют собой типичные диапазоны для широко используемых сортов в стандартных условиях. Фактические характеристики могут значительно отличаться в зависимости от конкретного сорта, способа обработки и условий применения.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы - один из важнейших материалов, используемых для облегчения автомобилей, поскольку их плотность составляет около 1/3 от плотности стали, а значит, они могут обеспечить значительное снижение веса. Современные алюминиевые сплавы также обладают высоким соотношением прочности и веса, могут быть сформированы в сложные формы, являются самовосстанавливающимися благодаря образованию пассивного оксидного слоя и 100% пригодны для вторичной переработки, что соответствует принципам устойчивого развития.

Он используется в кузовных деталях (капоты, двери, крылья), блоках и головках цилиндров двигателей, корпусах трансмиссий, деталях шасси (рычаги подвески, подрамники), а в последнее время - в системах антиаварийной защиты и корпусах для батарей электромобилей. Он способствует снижению веса автомобилей без ущерба для их безопасности и прочности.

Высокопрочная сталь (HSS) и сверхвысокопрочная сталь (UHSS)

Сталь по-прежнему остается самым предпочтительным материалом для изготовления автомобилей, но благодаря усовершенствованиям были созданы высокопрочные стали (HSS) и сверхвысокопрочные стали (UHSS). Эти материалы обладают гораздо более высокими показателями текучести и прочности на растяжение, чем низкоуглеродистые стали, что позволяет создавать более легкие детали без ущерба для конструкции и безопасности.

HSS и UHSS особенно полезны для конструктивных элементов, таких как рамы и шасси, поскольку они обладают высокой прочностью и пластичностью, что позволяет удовлетворять требованиям к эксплуатационным характеристикам и устойчивости при столкновениях, повышая эффективность автомобиля.

Композиты

Композитные материалы, такие как полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP) и стекловолокном (GFRP), обеспечивают исключительное соотношение прочности и веса, часто превосходящее алюминий и сталь, что делает их пригодными для использования в качестве легких конструкционных материалов. Полимерные композиты также обеспечивают значительную свободу проектирования, позволяя объединять множество деталей в единые сложные конструкции.

Несмотря на то, что в настоящее время они более дорогие, их применение растет в таких областях, как кузовные панели, структурные компоненты и детали интерьера. Кроме того, они все чаще используются в таких передовых областях, как корпуса аккумуляторов EV и емкости для хранения водорода, предлагая преимущества как в плане производительности, так и в плане снижения веса.

Магниевые сплавы

Магний - самый легкий из всех конструкционных металлов, его плотность на 30% меньше, чем у алюминия, и всего на 25% меньше, чем у стали. Это делает его весьма предпочтительным для применения в тех случаях, когда требуется максимально снизить вес. Также отмечается, что демпфирующая способность магниевых сплавов высока, что полезно для снижения шума и вибрации.

Однако из-за низкой плотности, высокой стоимости, гальванической коррозии при контакте с другими металлами и специфических требований к обработке его применение было ограничено. В основном он применяется в несущих балках приборной панели, кронштейнах рулевого колеса, каркасах сидений, раздаточных коробках и других кронштейнах и кожухах силового агрегата.

Пластмассы и полимеры

Применение инженерных пластмасс и полимеров в автомобилестроении обеспечивает эффективный и экономичный способ снижения веса многих деталей. Они легкие, легко поддаются формовке, не подвержены коррозии и могут выполнять функции единого целого - вот некоторые из их преимуществ.

Его можно использовать как для некритичных областей применения, таких как бамперы, крылья, панели внутренней отделки, приборные панели и топливные баки, так и для более ответственных областей применения, таких как впускные коллекторы и крышки двигателя.

Технологии производства легких автомобилей

Облегчение - это не только выбор правильного материала, но и использование подходящих и часто сложных технологий для производства этих материалов в эффективные и легкие детали.

3D-печать

3D-печать или аддитивное производство постепенно становится популярным в автомобильной промышленности, особенно в аспекте облегчения конструкции. Такие технологии, как SLM или FDM, позволяют создавать сложные структуры с внутренними решетками, которые невозможно получить с помощью обычных методов производства.

Это помогает инженерам создавать детали с топологией, то есть материал используется только там, где он необходим для структурной поддержки и прочности, а не в других областях, что позволяет снизить вес. Хотя в настоящее время 3D-печать применяется в основном для создания прототипов, оснастки и мелкосерийного производства уникальных или специфических деталей из-за ограничений по скорости и стоимости для крупносерийного производства, в будущем она имеет большой потенциал для непосредственного изготовления высокоинтегрированных легких компонентов.

Горячее тиснение / закалка под прессом

Эта технология используется, в частности, для производства деталей сверхвысокой прочности, особенно тех, которые связаны с безопасностью. Она включает в себя нагрев стальной заготовки до высокой температуры (фаза аустенизации), перенос ее в штамп и придание ей нужной формы, а затем закалку в штампе. Этот контролируемый цикл нагрева, формовки и охлаждения придает конечной детали очень высокую прочность, обычно в диапазоне 1500 МПа и выше.

Это позволяет использовать гораздо более тонкую сталь, чем при традиционной холодной штамповке, сохраняя при этом высокий уровень прочности. Горячая штамповка предполагает использование специализированных печей, автоматизированного оборудования и инструментов с внутренним охлаждением, которые являются дорогостоящими, но крайне важными для производства высокопрочных и легких стальных конструкций.

Прецизионное и прессовое литье под давлением

Литье под давлением - это высокопроизводительный процесс, который идеально подходит для производства сложных алюминиевых и магниевых деталей. в США. Жидкий металл под высоким давлением заливается в многоразовые стальные формы (фильеры). Это позволяет изготавливать сложные детали с хорошими допусками на размеры и отделку поверхности, что иногда исключает необходимость в дополнительных операциях.

Она используется для изготовления деталей силовых агрегатов, таких как блоки двигателей, корпуса коробок передач, масляные поддоны, структурные узлы рамы или шасси автомобиля, корпуса рулевого механизма и большие тонкостенные конструкции, такие как балки приборной панели или поддоны аккумуляторов EV. Контроль параметров процесса литья, таких как температура, давление и скорость впрыска, очень важен для получения качественных отливок, без пористости и с требуемыми механическими свойствами, особенно если литые детали будут использоваться в конструкциях, где требуется высокая надежность.

Изготовление листового металла

Изготовление листового металла - распространенный метод создания легких компонентов автомобилей, приспособленный для обработки таких легких материалов, как алюминий и HSS/UHSS, наряду с традиционной сталью. Основные материалы в этом методе включают ряд процессов для придания металлическим листам нужной формы. Этот метод широко используется для изготовления кузовных панелей и других структурных компонентов, требующих точных форм и прочности различных деталей автомобиля, что в конечном итоге влияет на вес транспортного средства.

Резка

Резка - это первый этап изготовления листового металла, который заключается в точном разрезании листового материала на заготовки требуемой формы перед формовкой. Технологии включают лазерную резку (высокая точность, гибкость, хорошо подходит для сложных контуров и различных материалов), плазменную резку, гидроабразивную резку и другие процессы резки.

Точная резка и эффективное раскладывание заготовок имеют решающее значение для минимизации отходов материала.

Сгибание

Методы гибки, такие как прессовая и валковая штамповка, используются для придания листовому металлу сложных трехмерных форм для кузовных панелей, элементов конструкции и других компонентов. Точная гибка необходима для достижения необходимой прочности и прилегания.

Перфорация

Пробивные операции используются для создания отверстий, пазов и других элементов в деталях из листового металла, что повышает гибкость конструкции. Современное оборудование, такое как вырубные станки с ЧПУ, обеспечивает высокую скорость, точность и повторяемость, значительно повышая эффективность производства.

Растяжка

Процесс, используемый для формирования больших панелей с плавными контурами, например, панелей крыши или боковин кузова. Заготовка из листового металла зажимается по краям и протягивается через формующий штамп. Эта технология помогает сохранить толщину материала и избежать морщин при создании сложных кривых, что особенно важно для алюминиевых панелей, которые могут быть более подвержены разрыву, чем стальные.

Сварка

Сварка - важнейший процесс соединения деталей из листового металла для создания конструкции автомобиля и различных узлов. Для обеспечения прочных, долговечных и легких соединений используются передовые технологии сварки, такие как лазерная сварка, контактная точечная сварка и роботизированная сварка.

Обработка поверхности

Процессы обработки поверхности, включая покраску, нанесение покрытий и гальванизацию, необходимы для защиты легких металлических компонентов от коррозии и обеспечения их долговечности и эстетической привлекательности.

TZR: Прецизионное изготовление листового металла для облегчения автомобилей

Обладая более чем 20-летним опытом, компания TZR специализируется на прецизионном изготовлении листового металла, предлагая комплексные услуги, необходимые для производства легких автомобильных деталей. Мы предоставляем профессиональные инженерные и конструкторские решения, устраняя потенциальные дополнительные проблемы и ускоряя производственные процессы.

Владея навыками лазерной резки, прецизионной гибки (с точностью ±0,02 мм), лазерной сварки и предлагая 12 видов обработки поверхности, мы умело обрабатываем различные металлические материалы, такие как алюминий, сталь и медь, для производства высокоточных сложных деталей.

Придерживаясь передовых технологий производства и строгого контроля качества, мы превосходим стандарты ISO, что подтверждается показателем выхода продукции 98%, гарантирующим соответствие ваших легких деталей строгим мировым автомобильным спецификациям.

Сотрудничая с TZR, вы сможете надежно достичь поставленных целей по облегчению конструкции и создать более эффективные и экологичные автомобили благодаря нашим проверенным преимуществам в производстве листового металла.

Будущие инновации в области облегчения автомобильной техники

Стремление к облегчению автомобилей - это непрерывный процесс, обусловленный постоянными инновациями в области материалов, методологий проектирования и технологий производства. Несколько ключевых тенденций определяют будущее этой области:

Дизайн из нескольких материалов: Концепция использования "правильного материала в правильном месте" будет становиться все более сложной. В будущих автомобилях будут использоваться различные материалы - сталь, алюминиевые сплавы, магний, пластмассы и композиты, - стратегически правильно расположенные для оптимизации характеристик при снижении массы и стоимости. Это потребует усовершенствования инструментов прогнозирующего моделирования и эффективных методов соединения разнородных материалов.

Передовые композиты: Исследования направлены на то, чтобы сделать высокоэффективные композиты, такие как углепластик, более доступными для автомобилей массового спроса. Инновации включают в себя системы смол с более быстрым отверждением, автоматизированные технологии укладки волокон и разработку термопластичных композитов, которые позволяют ускорить обработку и упростить переработку. Кроме того, усилия по разработке более дешевых прекурсоров углеродного волокна направлены на снижение стоимости материалов и более широкое применение композитов в автомобильной промышленности.

Новые металлические сплавы: Материаловедение продолжает создавать новые материалы с улучшенными свойствами для облегчения веса. К ним относятся новые поколения алюминиевых сплавов с повышенной прочностью и формуемостью, усовершенствованные магниевые сплавы с улучшенной коррозионной стойкостью и технологичностью, а также потенциально новые формулы высокоэнтропийных сплавов или металлических пен с уникальными сочетаниями свойств.

Оптимизация топологии и AI-Driven Design: Вычислительные инструменты, такие как оптимизация топологии и искусственный интеллект, совершают революцию в проектировании автомобилей. Эти инструменты позволяют инженерам создавать конструкции с оптимальным распределением материалов, снижая вес при сохранении эксплуатационных характеристик. Ранняя интеграция этих технологий позволит раскрыть потенциал облегчения, что приведет к созданию более эффективных конструкций.

Заключение

По мере того как автомобильная промышленность продолжает внедрять облегченные конструкции, производители должны учитывать преимущества легких материалов, передовых технологий производства, а также меняющиеся требования к электромобилям и экологичности.

Стратегическое снижение веса автомобиля за счет использования передовых материалов и технологий производства позволяет автопроизводителям добиться значительных преимуществ в экономии топлива, производительности и снижении вредных выбросов. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, будущее облегчения автомобилей многообещающе, и потенциал облегченных автомобилей только растет. Понимание принципов и достижений в этой области необходимо для того, чтобы оставаться конкурентоспособными и вносить свой вклад в более устойчивое автомобильное будущее.