Почти все, кто внимательно следит за новостями автомобильной промышленности или иногда обращает внимание на рекламные ролики по ТВ или в интернете, слышали что-то похожее: «Новый спорткар получил композитный кузов», «Популярный пикап стал легче с алюминиевым кузовом», «Последняя модель кроссовера из пластика быстрее своих конкурентов». Что это? Маркетинговый ход? Технический прогресс? Неужели стальные детали уходят в прошлое?
Частично разобраться с этими и другими вопросами поможет статья доктора Дональда Малена, написанная в рамках проекта международной ассоциации WorldAutoSteel и компании A2Mac1, специализирующейся на сравнении конструктивных особенностей автомобилей.
Действительно, стремление снизить расход топлива и массу автомобиля подтолкнуло инженеров к использованию альтернативных материалов там, где раньше традиционно применялась сталь. В большинстве случаев для поиска эффективных решений по снижению массы отдельных деталей и всей сборки в целом используется автомобиль-компаратор. Он полностью разбирается вплоть до винтов, а затем каждая деталь взвешивается. Полученные данные анализируются, и дают инженерам представление о целевой массе компонентов и узлов проектируемого автомобиля. Основная проблема подхода заключается в отсутствии данных об эффективности базовой детали. Тем не менее, именно этот алгоритм стал отправной точкой для исследования Дональда Малена и разработки нового статистического метода анализа эффективности принятых конструктивных решений по снижению массы1.
Отличительной особенностью предложенного автором подхода является то, что вместо одного транспортного средства или небольшой выборки анализируется массив автомобилей, независимо от их размера и класса. Отдельные элементы массива, детали и подсборки, анализируются, замеряются «вживую» по заложенному в статистическом методе алгоритму. Основной целью является определение деталей, которые обеспечивают снижение массы узла в сборе: дверей, капота, бампера, крышки багажника и другие. Подход позволяет инженерам с одной стороны выделить детали, которые гораздо легче среднестатистических аналогов в выборке, с другой — поставить правильные цели для проектируемого автомобиля. Такие «избранные» детали считаются эффективными в части облегчения автомобиля.
Еще один плюс нового метода в том, что он в целом оценивает все тенденции по снижению массы в современных серийных автомобилях. Но вопросы пока остаются. Сталь показала все, на что способна? Потенциал снижения массы стальных деталей использован на 100%? Как корректно сравнить эффективность алюминиевых сплавов и стали? Ниже приведены данные из отчета 2017 года, третьего в рамках всей программы, и выводы не перестают удивлять:
Эффективность современных деталей из стали существенно различается.
Разница в массе при сравнении стальных деталей одного размера и функционала колоссальна, хотя они должны быть частью идентичных подсистем автомобиля. Более того, масса одних и тех же деталей одинакового размера на двух разных моделях одного класса может отличаться вдвое!
Например, в базе данных стальных дверей площадью 1,5 кв. м разница между самой тяжелой и облегченной составляет 44%. Это только подтверждает большой потенциал для оптимизации решений из стали, даже с учетом текущих марок и технологий.
Сравнение деталей из стали
21.9
кг
Масса самой тяжелой стальной двери
15.2
кг
Масса самой легкой стальной двери
44
%
Разница в массе
Если сравнивать алюминиевые детали с эффективными аналогами из стали, разрыв в массе существенно сокращается.
Статистический анализ в рамках проекта определил самые легкие, оптимизированные стальные детали. Если сравнивать с лучшими алюминиевыми аналогами именно их, а не среднестатистические стальные детали, то разница в массе уже не такая существенная.
Коэффициент для эффективных решений из стали выше — область снижения эффекта от алюминия
Y = Mass alum / Mass steel (масса эффективной детали из алюминия, масса эффективного аналога из стали)
X = Mass alum / Mass steel (масса эффективной детали из алюминия, масса номинального аналога из стали)
На рисунке выше для каждой детали из выделенной области эффективный стальной вариант значительно сокращал разрыв между среднестатистическим стальным исполнением и лучшим алюминиевым. Преимущество алюминия в облегчении автомобиля снижается, если сравнивать алюминиевые детали с облегченными решениями из стали. Пример для конкретной детали — передний бампер. В среднем стальной бампер в выборке весит 7,9 кг, что на 40% тяжелее лучшего алюминиевого аналога весом 4,7 кг. Но если взять эффективный стальной бампер весом 5,8 кг, разница с лучшим алюминиевым уже 19%. Облегченный стальной бампер на 27% легче среднестатистического, что делает его возможной альтернативой алюминиевому.
Сравнение стальных деталей с аналогами
7.9
кг
Среднестатистический
стальной бампер
4.7
кг
Эффективный
алюминиевый бампер
5.8
кг
Эффективный
стальной бампер
Снижение массы отдельной детали не всегда ведет к облегчению подсистемы в сборе.
Почти в каждом рассматриваемом случае снижение массы, достигнутое за счет применения алюминиевых сплавов терялось при оценке всей сборки в целом. На графике в выделенной области расположены сборочные единицы, которые набрали сэкономленный отдельными деталями вес. Например, алюминиевая дверь багажника хэтчбека после итоговой сборки оказалась тяжелее стальной, поэтому соответствующая точка на графике находится в области отрицательных значений. Такой парадокс характерен для подсистем, которые напрямую контактируют с водителем и пассажирами и должны снижать шум, вибрацию. Стальные элементы конструкции при прочих равных условиях обладают большей жесткостью в сравнении, например, с низкомодульными алюминиевыми сплавами. Низкий модуль упругости не позволяет обеспечить требуемую жесткость детали, что толкает инженеров на конструктивное решение проблемы, которое напрямую влияет на уровень вибрации и звукового комфорта. Установка дополнительных ребер жесткости или иных вспомогательных силовых элементов приводит к утяжелению алюминиевых конструкций и может полностью нивелировать положительный эффект от снижения массы на уровне компонентов. В ходе более детального исследования этого феномена на примере дверей2 эксперты определили главные «утяжелители» алюминиевых «легковесов» — это дополнительная звукоизоляция, защита от вибрации и дополнительные ребра жесткости, например, локальное усиление петель.
Разница между алюминием и сталью, узел в сборе (кг)
Не весь потенциал стали использован для снижения массы автомобиля.
В базе данных проекта для большинства идентичных стальных деталей, компонентов и подсистем присутствует несколько вариантов с разной массой. Если существуют как очень тяжелые конструкторские исполнения, так и эффективные аналоги, значит есть широкое пространство для оптимизации и облегчения кузова за счет стальных решений. Совершенствование дизайна кузова, как в проекте FutureSteelVehicle3 от WorldAutoSteel, например, увеличение использования современных высокопрочных сталей (Advanced High Strength Steel — AHSS) и развивающиеся технологии производства стали ведут нас к созданию эффективных, экологичных, экономичных и по прежнему доступных автомобилей.
Ключевые причины использования высокопрочных сталей:
- улучшенная способность к распределению и поглощению энергии столкновения;
- высокая прочность, обеспечивающая эти свойства при меньшей толщине металлопроката, что снижает массу кузова.
Важно отметить, что автомобильная индустрия позиционирует снижение массы автомобиля, как стратегию уменьшения выбросов в окружающую среду. Вопрос экологии крайне важен, но стоит ли тратить ресурсы на глобальные инновации, если уже существуют эффективные, доступные средства. Современные марки стали уже сегодня позволяют существенно снижать массу, выполняя требования по безопасности и не увеличивая в разы стоимость автомобиля.
Непрекращающиеся инновации и исследовательские работы гарантируют стали статус материала первого выбора для автомобильной промышленности4. Если в 70-х годах автопроизводителям было доступно всего семь марок высокопрочной стали, то сейчас их более двухсот. Независимые маркетинговые исследования подтверждают ежегодный рост применения высокопрочных сталей в автопроме (Рис. 5). Металлурги не останавливаются на достигнутом и продолжают исследования, направленные на расширение диапазона потребительских свойств стали для обеспечения безопасности автолюбителей и сохранности окружающей среды.
Прогноз потребления современных высокопрочных сталей
Современные высокопрочные стали — наиболее перспективный материал для автомобильной промышленности
Оригинал статьи и отчета Дональда Малена вы можете скачать по ссылке.
Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для команды инжинирингового портала. Спасибо за внимание.
С уважением, команда Инжинирингового портала
Перечень используемых ресурсов:
- Malen, D. and Hughes, J., «Mass Benchmarking Using Statistical Methods Applied to Automotive Closures, » SAE Int. J. Mater. Manf. 8(3): 853-863, 2015, doi: 10.4271/2015-01-0574. По ссылке
- Malen, D., Nagaraj, B., «Executive Summary, Side Door: Structure Mass / System Mass», 12 April 2016. По ссылке
- FutureSteelVehicle program reports can be downloaded from worldautosteel.org
- Hall, Dr. Jody, Steel Market Development Institute, as quoted by Metal Miner Magazine, 5 April 2017. По ссылке
Вам может быть интересно
Соответствие стандартов «Северстали» национальным стандартам и сводам правил России
Оптимизация профилей ЛСТК
Контейнер для сбора мусора – дешевле и экологичнее
Снижение металлоемкости кабины трактора
Фронтальные стеллажи из высокопрочных сталей
Где в машиностроении могут использоваться атмосферостойкие стали?
Сравнение износостойкости марок стали
Дешевые и надежные стальные бочки
Стальные автомобили будущего
Кузов карьерного самосвала – образец надежности, источник экономии
Перекрестные испытания как способ подтверждения правильности эксперимента
