Алюминий в автомобилестроении. Часть 2
В автомобилестроении алюминий используют, преследуя вполне определенные цели: увеличение грузоподъемности, уменьшение массы, а значит и снижение расходов топлива. Кроме экономического, это имеет и немаловажный экологический аспект: cокращение расхода топлива приводит в уменьшению вредных выбросов в атмосферу, ведь именно транспортные выхлопы главный загрязнитель воздуха в крупных городах.
Согласно расчетам, приведенным Ассоциацией автомобилестроителей, каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, ведет к уменьшению его массы на килограмм, а каждый процент экономии веса автомобиля к снижению расхода топлива в среднем на 1,0%. Это значит, что 100кг алюминия в автомобиле экономят более 1000 л бензина на каждые 200 тысяч километров, а это в свою очередь означает, что выбросы углекислого газа становятся меньше на целых 2500кг.
Европейские требования от 2005 года к параметрам автомобиля с бензиновым двигателем ограничивают выбросы углекислого газа уровнем 150г/км, что может быть достигнуто при массе транспортного средства не более 1000кг. В то же время за последние 20 лет среднестатистический легковой автомобиль стал на 150кг тяжелее, что объясняется увеличением его габаритов, а также повышением требований к безопасности и комфорту. Именно поэтому в автомобилестроении все шире применяют алюминий. Сегодня автомобиль, произведенный в Северной Америке содержит в среднем 116кг этого металла, японский и южнокорейский 93кг, западноевропейский 90кг, а отечественный 30-40кг.
Из истории. Автомобиль Pierce-Arrow с кузовом из алюминия 1909г.
Алюминиевые сплавы широко используют для изготовления многих деталей. В легковых автомобилях-это корпуса двигателей, крышки клапанно-распределительного механизма, капоты, трансмиссии, дверные ручки. Помимо головок и блоков цилиндров, на которые приходится преобладающая часть потребления алюминия в автомобилестроении, расширяется его применение в изготовлении колесных дисков, подвесок, шасси и частей трансмиссии. Алюминий обладает еще одним значительным свойством-он гасит удар в полтора, два раза эффективнее, чем сталь. Недаром алюминий-традиционный материал для бамперов. Более 80% деталей автомобиля изготавливают методом литья-это коллекторы, насосы, детали трансмиссии и подвески, диски колес и подрамники. Однако в последние годы увеличилось использование алюминиевых листов и полос. Так, например, современные колесные диски состоят из центральной части, полученной литьем и периферийного ободка, сделанного с помощью штамповки из листа. Ковка придает алюминиевым сплавам лучшие механические свойства, чем литье. Однако кованые детали все еще редко встречаются в конструкции автомобилей массового производства. В среднем лишь 1,3% алюминиевых деталей являются коваными
Автомобиль Audi 100
При выпуске моделей Porsche 928, Chevrolet Corvette, Honda NSX, Mercedes S-Class применяют кованый алюминиевый сплав в подрамнике и в деталях подвески. Кованые диски колес значительно меньше массы, чем литые, но не уступают им в прочности. Примерно четверть от общей массы алюминиевых деталей в автомобиле изготовлена из прокатных листов. Из них штампуют панели кузова, небольшие решетки, профили и тому подобное. Алюминиевые листы стали использовать и для изготовления каркаса кузова
Автомобиль Porsche 928
Здесь первенство принадлежит немецкой компании Audi. которая в 1994 году в германском городе Некарсульме основала фирму «Алюминиумцентрум». Выпускаемая с 1994 года модель Audi A8-это автомобиль с полностью алюминиевым каркасом кузова. Однако он относится к разряду малосерийных: выпускают всего 70 экземпляров в день. Второй автомобиль этой фирмы с цельноалюминиевым кузовом Audi A2-был впервые представлен на Франкфуртском автосалоне 1997 года как AI2. С 1999 года он стал серийной моделью. Замена стального кузова алюминиевым привела к снижению массы на 43%. В результате автомобиль стал весить всего 960кг (его первоначальная масса почти 1700кг)
Автомобиль Audi A8
Что интересно, для алюминиевого кузова требуется чуть ли не в полтора раза меньше деталей, чем для аналогичного стального. Полностью собранный алюминиевый кузов Audi закаливают при 200 градусах по Цельсию в течении 40 минут. Технология производства алюминиевых кузовов принадлежит фирме Audi Space Frame (ASF). Но не только автомобили Audi имеют алюминиевый кузов-это еще и Honda NSX, Jaguar XJ220, Ferrari 512GT, Plymouth Prowler который также сделаны из чистого алюминия
Автомобиль Honda NSX
Ряд фирм выпускают стальные кузова с некоторыми деталями из алюминиевых сплавов. Так в автомобилях Toyota, Ford US, Porsche из сплавов изготовлены двери, капот, крыша, крышки багажника. Компании Ferrari, Aston Martin, Ford US активно включают алюминиевые сплавы для производства всех наружных панелей кузова. Годовой объем продаж автомобилей с такими панелями только в США превышает 1,5 миллиона долларов. Алюминиевым кузовам не страшна коррозия, такие автомобили можно эксплуатировать в любых климатических условиях. Для усилителей бамперов, защитных брусьев в боковых дверях, каркасов сидений, рамок окон, аэродинамического спойлера, маслопровода, гидравлического трубопровода и впускного коллектора прибегают к методу экструзии: изделия формируют путем выдавливания размягченного алюминия через матрицу (форму) с отверстием определенного сечения
Автомобиль BMW Z4
При экструзии алюминиевых сплавов можно добиться максимальной точности размеров. Одна из новозеландских компаний недавно применила экструзию для изготовления деталей внутреннего сгорания. Производство мгновенно стало более дешевым. Такой двигатель весит меньше. Из выдавленного профиля могут быть получены двигатели с различным ходом поршня и числом цилиндров
Другой перспективный метод производства алюминиевых деталей-порошковая металлургия, при которой заготовки прессуются из порошков с последующим спеканием. По этой технологии в Японии изготавливают детали компрессоров, воздушных кондиционеров, поршней двигателей, блоков цилиндров. Многие алюминиевые сплавы настолько пластичны, что при нагревании способны значительно растягиваться. Благодаря этому свойству детали сложной формы можно получить из плоского металлического листа
Итак, использование алюминия в автомобилестроении возрастает, однако есть и сдерживающий фактор-это высокая цена металла. Автомобиль с алюминиевым кузовом сегодня-предмет роскоши. Его стоимость значительно превосходит стоимость автомобиля такого же класса с кузовом из стали
Отремонтировать алюминиевый кузов дороже и сложнее, чем стальной. Небольшую вмятину устранить нетрудно, ведь алюминий достаточно мягок и пластичен, однако при серьезных повреждениях вернуть цельноалюминиевому кузову прежнюю форму очень непросто. Дело в том, что в работе с алюминием может использоваться только специальная сварка в атмосфере инертного газа аргона, а большинство сервисных центров, понятное дело, таковой пока не располагают
Источник: энциклопедия Rusal
Автомобилестроение
Автомобиль – самый распространенный вид транспорта в мире. Главным конструкционным материалом для него является относительно дешевая сталь. Но поскольку основными приоритетами автомобильной отрасли становятся экономия топлива, снижение выбросов СО2 и дизайн автомобиля, все более важную роль в автомобилестроении начинает играть алюминий.
В 2014 году мировая автомобильная индустрия (без учета Китая) потребила 2,87 млн тонн алюминия. Ожидается, что к 2020 году эта цифра вырастет до 4,49 млн тонн. На рост потребления алюминия в автопроме влияют как увеличение производства самих автомобилей, так и рост содержания в них алюминия.
Каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, позволяет снизить общую массу машины на килограмм. Поэтому из алюминия производится все большее количество автомобильных деталей — радиаторы системы охлаждения двигателя, колесные диски, бампера, детали подвески, блоки цилиндров двигателя, корпуса трансмиссий и, наконец, детали кузова – капоты, двери и даже вся рама.
В результате с 1970-х годов доля алюминия в общем весе автомобиля увеличилась с 35 кг до сегодняшних 152 кг. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году среднее содержание алюминия в одном автомобиле достигнет 250 кг.
Основными методами производства автодеталей являются литье и штамповка из прокатанных листов и полос. Но некоторые из них изготавливаются необычным способом горячего прессования мелкого алюминиевого порошка – САП (спеченная алюминиевая пудра). Окисленную алюминиевую пудру помещают в алюминиевую же оболочку и нагревают до температуры чуть меньшей, чем плавление металла, и в горячем виде прессуют. Получившиеся изделия отличаются высокой прочностью и используются там, где нужны детали для работы в условиях высоких температур с низким коэффициентом трения – например, так делаются поршни двигателей.
У алюминия есть замечательное свойство – он отлично «гасит» удар, причем делает это в два раза эффективнее, чем сталь. Поэтому автопроизводители давно используют этот металл для изготовления бамперов. Алюминиевый кузов безопаснее стального еще и потому, что деформации в алюминиевых конструкциях локализуются в компактных зонах, не давая деформироваться другим частям кузова и сохраняя максимальную безопасность той части машины, где находятся пассажиры.
Эксперты утверждают, что в ближайшее десятилетие автопроизводители существенно увеличат использование алюминия в своих моделях. Легкий и прочный металл будет в большом количестве использоваться в деталях кузова либо для изготовления кузова целиком.
При этом многие автомобильные компании сегодня договариваются с производителями алюминия о создании производств замкнутого цикла, когда из идущих на лом алюминиевых деталей утилизируемых автомобилей создаются запчасти для новых машин. Сложно представить себе более экологичный вид промышленного производства.
Почему не делают кузова авто из нержавейки или алюминия, чтобы они не «цвели» с годами?
Комментарии: 1 20.02.2022 Вероятно, найдется немало автолюбителей, кто хотел бы обзавестись “вечным” автомобилем. Ну, если и не “вечным”, то хотя бы тем, который прослужил лет 50. Есть надежные агрегаты, подвески и оборудование. А вот кузовной металл через пять лет обзаводится “рыжиками”. Но это не останавливает автопроизводителей. Так почему не делают кузов полностью из “нержавейки”? Предупреждая возмущенные комментарии, уточним, что из алюминия некоторые премиальные бренды делают отдельные части кузова. Но мы же говорим о массовости процесса.
Пусть если не алюминий в чистом виде, то хотя бы “нержавейка”. Этот металл немного тяжелее обычной стали. Но он же не ржавеет. Вот он рецепт “вечной” машины.
Увы, но производители автомобилей рассуждают, видимо, иначе. Для чего выпускать машины на 50 лет, если можно “клепать” их пачками, только успевай покупать. Кроме собственно алчности, производители еще имеют и практический подход к вопросу. Сколько людей хотело бы ездить на одном и том же автомобиле 20 лет и более? Единицы! Остальным подавай новые модели с новомодными опциями. Что до автомобилей из металла, которому не страшна коррозия, то, возможно, мелкосерийно следовало бы производить и такие машины. Но кто ж будет этим заниматься? Это дополнительные траты. А прибыль от данного предприятия будет просто мизерная.
Алюминий в автомобиле: хорошо или плохо?
Производители насаждают нам культ лёгких материалов, в том числе «крылатого» металла. Неужели он идеален?
Алюминий — легкий и прочный металл, который в чистом виде в природе не встречается. Впервые его получил физик Ханс Кристиан Эрстед в 1824 году. При помощи электролиза ученый выделил чистейший алюминий из горной породы под названием боксит. И в наше время процесс добывания «крылатого» металла проходит по той же технологии, только уже в промышленных масштабах.
Чистого нет
В сыром виде алюминий практически не используется. Чтобы что-то из него изготовить, характеристики основы приходится улучшать смешиванием с различного рода добавками. К примеру, для производства автомобильных деталей (части кузова, двигателя, литые диски и т.д.) чистый металл сплавляют с магнием, марганцем или кремнием, а в результате получают материал с более прочной и податливой к обработке структурой.
В автомобилестроении алюминий стали использовать еще с конца позапрошлого века: в 1899 году на выставке в Берлине показали концептуальный автомобиль Durkopp с облегченными кузовными панелями. А спустя всего три года ныне всем известный Карл Бенц представил первый двигатель из «крылатого» металла для участия в автогонках.
Если же говорить о первом серийном автомобиле с полностью алюминиевым кузовом, то им стал Audi A8 1994 года выпуска: из легкого металла у него сделаны как несущий каркас, так и внешние панели. Сегодня же алюминий используют практически все автопроизводители. Правда, для того чтобы не взвинчивать цены, зачастую алюминий применяют лишь для отдельных частей кузова или деталей ходовой части.
Впрочем, объемы применения алюминия в автомобильной промышленности с каждым годом растут: если верить оценке экспертов, то в настоящий момент на нее приходится почти треть потребления всего производимого в мире серебристого металла. Так чем же он так хорош, помимо легкости?
Светлая сторона
Основной плюс алюминия — соотношение его прочности к массе. В сравнении с классической сталью, он в среднем на 60% легче, что позволяет существенно снизить массу автомобиля, а также расход топлива и вредные выбросы.
Если же копать глубже, то алюминий почти не ржавеет, не магнитится, а из-за хорошей пластичности легко обрабатывается давлением. Плюс процесс вторичной переработки «крылатого» металла прост: он может быть переплавлен раз за разом без потерь в свойствах.
Эти нюансы не только упрощают, но и ускоряют производственные процессы, а также дают возможность инженерам постоянно экспериментировать со структурой металла, с различными видами и формами автомобильных деталей.
Что касается так называемых эксплуатационных преимуществ, которые можно прочувствовать, то «крылатый» металл по сравнению с той же сталью обладает отличной поглощаемостью вибраций и ударов: он «гасит» на 50% больше энергии и препятствует их дальнейшему распространению. А это не только комфорт при движении по неровностям, но и безопасность пассажиров при ДТП.
На управляемость машины алюминиевый скелет тоже влияет положительно, поскольку металл обладает высоким сопротивлением к торсионным нагрузкам. Такой кузов получается более жестким на скручивание, что добавляет машине устойчивости в поворотах и отзывчивости при рулежке.
Вдобавок сделанные из алюминия детали подвески сокращают неподрессоренные массы автомобиля, что улучшает его плавность хода. Вроде бы идеальный материал.
Темная сторона
У алюминия есть ряд серьезных недостатков. Во-первых — производственный. Детали из алюминиевых сплавов технически сложно скрепляются друг с другом: требуются изощренные способы (лазерная сварка, клепка, склейка, болтовые соединения), а также узко-специализированное оборудование. К примеру, сварка алюминиевых элементов возможна только лазерным способом или же в среде инертного газа (например, аргона).
При этом еще необходимо четко контролировать сварочный процесс, поскольку алюминий весьма капризный металл: в местах соединения могут образовываться трещины.
Все эти сложности приводят ко второму недостатку — дороговизне производственного процесса. Сырье, сложное оборудование, квалифицированный персонал. На это все нужно выделять немалое количество времени и средств, что увеличивает себестоимость серийной машины.
Третье — формы и размеры элементов. Чтобы изготовить, к примеру, алюминиевый кузов, который сравним или превосходит по прочности стальной, его конструкцию приходится делать «пухлой». Хороший пример — велосипедная рама: из стали она тонкая, а из алюминия толстая.
Вот и некоторые элементы кузова автомобиля получаются пышными, из-за чего уменьшается полезное пространство внутри машины и ухудшается общая обзорность для водителя и пассажира (широкие передние, центральные и задние стойки). Вдобавок к этому, «крылатый» металл хорошо проводит шум, который приходится гасить дополнительными слоями изоляционного материала, увеличивая опять же расходы на производство машины.
А еще алюминий сложно ремонтировать. При ударе и деформации структура металла нарушается. Именно поэтому почти всегда ремонт заканчивается заменой детали целиком. И лишь в некоторых случаях поврежденный элемент можно восстановить (причем весьма дорого), заменив деформированный участок заплаткой и усиливающими вкладышами.
Интересные случаи применения алюминия
Днище электромобиля Tesla Model S защищено тройной обороной из металлических листов, ограждающих батарею от внешнего воздействия. Сначала идет слой из полого алюминия, необходимый для отражения различных объектов, попадающих под машину. Дальше — усиливающая титановая пластина, а на последнем рубеже — цельный восьмимиллиметровый алюминиевый брус для дополнительной прочности.
Знали ли вы, что две третьих массы гоночного болида Формулы-1 — алюминий? К примеру, монокок выполнен из композита, который делается из двух слоев углеволокна и алюминиевых сот. Такая структура позволяет добиться большого запаса прочности при крайне малой массе конструкции.
