Новые материалы в современном автомобилестроении

Важная задача современных автоконцернов - снижение массы автомобиля. Алюминиевые кузова уже достигли уровня массового производства, хотя пока только на дорогих моделях (Audi, Jaguar). Освоены и многие детали шасси из алюминия вместо стали, а также более легкие компоненты. Но борьба с весом автомобиля продолжается и даже выходит на новый уровень в связи с ужесточением требований по экономичности и экологичности.

Алюминий в этой борьбе, естественно, занимает пока ведущее место. Именно «пока», так как имеются и более привлекательные материалы с высокими механическими качествами, но еще более легкие. Освоением их в массовом производстве как раз и занимаются ведущие автомобилестроительные фирмы и производители компонентов.

Проблема снижения веса осложняется еще и тем, что автомобили в силу объективных причин становятся все более сложными и, соответственно, более тяжелыми. Новые легкие конструкционные материалы призваны компенсировать по весу, в том числе, и новые узлы, и системы активной и пассивной безопасности, снижение уровня токсичности, а также постоянное повышение уровня комфорта.

Folkswagen Golf 1,6 Diesel 1988 года весил 920 кг. Гольф, стоящий на производстве в настоящее время - 1320 кг. Однако в этом нет ничего удивительного. За последние 20 с лишним лет автомобили вообще стали значительно тяжелее, несмотря на все более широкое применение алюминия, легких сплавов и пластмасс. Все новые и новые упомянутые выше системы находят применение в последующих моделях (в сравнении с предыдущими). Например, тот же самый Гольф 1988 года не имел в серийном исполнении ряда важных узлов и компонентов, таких как усилитель руля, кондиционер, подушки безопасности, фильтр для улавливания твердых частиц при сгорании топлива. Это, естественно, предопределяет увеличение веса автомобиля.

Тем не менее, эксплуатационные характеристики автомобилей постоянно улучшаются, так как двигатели становятся более эффективными, кузова более аэ- родимамичными, трансмиссии совершенствуются, снижается сопротивление качению шин.
Если современный Гольф удалось бы сделать в весе старого (не более одной тонны), его средний расход топлива сократился бы примерно на 1,2 л/100 км.

Снижение массы автомобиля - дело не только сложное, но и дорогое, так как связано с необходимостью применения новых, более легких, но достаточно прочных материалов, которые обычно стоят дороже.

Реальное снижение веса может дать только «тотальный» поиск более легких заменителей буквально для всех конструкционных материалов.

Вместо использования стекловолокна для усиления синтетических материалов отделки интерьера можно прибегнуть к натуральному волокнистому материалу, например, к конопле или к древесным отходам. Это может дать сравнительно небольшую экономию в весе (порядка 7 %), зато такие материалы имеют преимущество в процессе утилизации автомобиля.

Анализ показывает, что новые модели часто все-таки удается сделать легче своих предшественников. Например, масса последнего Ford Fiesta на 25 кг меньше модели предыдущего поколения. Peugeot 508 2,0 HDi весит на 70 кг меньше заменяемой им модели 407 2,0 HDi, хотя и превосходит последнюю по габаритам.

Для автомобилей более дорогих и соответственно более обремененных всевозможным оборудованием, снижение веса за счет легких материалов еще важнее. На модели Audi А8 уже в 1994 году была применена так называемая пространственная алюминиевая рама (Aluminium Space Frame - ASF).

Компания Jaguar пошла еще дальше: модель XJ 1999 года (7-ое поколение) чуть ли не вся сделана из алюминия (в сотрудничестве с канадским производителем алюминия - компанией Alcan).

Сейчас, более 10 лет спустя, Ягуар выпускает уже третью «полностью алюминиевую» модель в «большой» серии (купе и кабриолет ХК). Эта технология будет частично использоваться и в следующем Range Rover.

Есть примеры использования алюминия не столь радикально. Например, в автомобилях BMW 7-ой серии и Audi А6 из алюминия делаются лишь отдельные крупные детали, в то время как все другие остаются стальными.

Для электромобилей и гибридов проблема снижения веса является еще более актуальной, так как это связано с возможно допустимым весом батареи, от которой зависит запас хода.

В частности, кузов нового электромобиля BMW i3 в значительной степени выполнен из углепластика. Это дало возможность увеличить вес батареи на 250-350 кг. Фактически кузов делается из синтетического материала, усиленного углево- локном. По терминологии BMW новый материал назван CFRP - Carbon Fibre Reinforced Plastic.

Кузов из такого материала на 50 % легче стального и на 30 % легче алюминиевого. Структурные элементы из нового материала могут легко комбинироваться с алюминиевыми кузовными панелями или металлизироваться.

До сих пор углеволокно применялось для легких спортивных моделей и для очень дорогих автомобилей. Причина проста. Процесс изготовления кузовных и прочих моделей из углепластика или с содержанием углепластика занимает много времени, а потому и дорог.

Однако годы работы с этим материалом позволяют совершенствовать технологию изготовления деталей из него в направлении сокращения производственного времени. Это дает возможность организовать уже серийный выпуск и соответственно снизить цену.

Все это касалось в основном кузовных панелей, и здесь уже почти все возможности снижения веса исчерпаны. Очередь за компонентами и некоторыми деталями шасси.

Компания ZF разработала заднюю подвеску для автомобилей малого класса, где упругим элементом является поперечная однолистовая рессора из синтетического материала, но не усиленная углеволокном. Рессора называется Transverse Composite Leaf Spring и выполняет также функцию направляющего аппарата подвески. Такая подвеска может быть применена и для электромобилей.
Как известно, широчайшее распространение получила подвеска типа Мак Ферсон, состоящая из одного блока, куда входит и пружинная рессора, и амортизатор, и достаточно мощные связующие и фиксирующие элементы. Вот их-то и стремятся облегчить.

Сначала вместо стали применяли алюминий (на сравнительно дорогих моделях). Сейчас делаются попытки использовать композитные материалы, в том числе углеволокно. При этом экономия веса получается довольно значительной.

Так, стойка Мак Ферсон в сборе из углеволокна (для деталей, где это возможно) весит в 2 раза меньше, чем аналогичная стойка с применением алюминия.

В качестве усиливающих материалов применяются не только углепластики, но и стекловолокно, а также комбинация из этих материалов.