Металлы и сплавы обладают широким спектром механических и физических свойств, таких как прочность, жесткость и пластичность, которые требуются для большинства кузовов автомобилей и их составных частей. Поэтому конструкторы, как правило, их и выбирают.
Пластмассы и полимеры, керамика и стекло могут быть выбраны только в связи с особыми свойствами, такими как низкая плотность, высокое термическое и электрическое сопротивление или низкая скорость износа. В последнее время все большее внимание уделяется их сочетанию с композитами.
В настоящее время проблема соответствия конструкционных сталей критериям отбора для автомобильной промышленности заключается в ее высокой плотности по сравнению с алюминиевыми сплавами и стеклопластиковыми композитами.
Общие энергетические затраты на производство автомобиля составляют около 10%, а на эксплуатацию — 90% в течение всего срока его службы. Несмотря на то, что затраты на производство все-таки могут быть снижены, снизить вес автомобиля гораздо проще. Традиционно масса автомобиля состояла примерно на 70% из стали, 15% из чугуна и 4% из резины и эластомеров. Остальное составляло стекло, цветные металлы, пластмассы и другие полимеры.
Таким образом, сталь и чугун являются очевидными материалами для пересмотра, либо в сторону более прочных сталей, либо для замены более легкими материалами, такими как алюминий, полимеры и композиты. Эта потенциально острая конкуренция привела к объединению крупнейших сталелитейных предприятий по всему миру с целью разработки «легких» сталей в рамках проекта ULSAB (Ultra Lightweight Steel Auto Body). В принципе, это было сделано путем использования более прочных, пластичных сталей. Тонкие листы и секции позволили снизить вес кузова в целом на 25%, до примерно 200 кг. Одновременно дорабатывались конструктивные решения, позволяющие снизить последствия столкновений. Например, Porsche Engineering Services активно сотрудничали с ULSAB в проектировании и изготовлении кузова. Затраты на материалы и методы их изготовления должны были соответствовать затратам на производство мягкой стали, а кузов должен был быть пригоден для вторичной переработки.
Основными объектами для уменьшения массы автомобиля были рычаги подвески, узлы крепления двигателя и элементы шасси. Производственные проблемы, в частности, требования к сварке плавлением и контактной точечной сваркой в конструкции транспортных средств, с такими сталями были решены. Кроме того, в рамках проекта были разработаны новые производственные процессы, такие как гидроформование. Оно потенциально позволяет изготавливать за один этап компоненты, которые ранее изготавливались из нескольких частей, а потом соединялись между собой.
В рамках проекта ULSAB количество используемых деталей кузова сократилось с 200 до примерно 150. Процесс гидроформовки более дорогой, однако он позволяет значительно снизить вес автомобиля, так как перестают требоваться сварные фланцы, а поскольку нет сварки, можно использовать более тонкие секции. Кроме того, можно сохранить жесткость за счет устранения неоднородностей в точечном сварном соединении.
В качестве примера можно привести подрамники на Ford Mondeo и Vauxhall Vectra, так же, как и в первоначальных проектах ULSAB использовали боковые рейлинги на крыше из трубы и панели крыши из листа. Однако многим проектировщикам все еще необходимо убедиться в эффективности гидроформования, поскольку, при проектировании должны учитываться не только требования этого процесса, но и эксплуатационные характеристики деталей.
После успеха проекта ULSAB сталелитейные компании инициировали проект ULSAC (сверхлегкие стальные автомобильные затворы). Здесь основное внимание было уделено четырем основным запорным панелям: дверям, капоту, крышкам багажника и откидным люкам. И снова компания Porsche заключила контракт на инженерное сопровождение. Уроки, извлеченные из проекта ULSAB, были реализованы, и при использовании всех четырех деталей была достигнута экономия веса от 20 до 30% без увеличения затрат по сравнению с существующими стальными затворами аналогичных размеров и геометрии.
Нержавеющая сталь используется там, где более высокие затраты могут быть оправданы необходимостью улучшения производительности, которую предлагают эти материалы, особенно с точки зрения коррозионной стойкости и экономичности эксплуатации. В дополнение к обычным сплавам с содержанием хрома 18% и никеля 8%, обеспечивающим коррозионную стойкость, для улучшения формуемости и предотвращения разрушения сварного шва добавляются другие легирующие элементы, такие как молибден, титан и ниобий. Однако, в то время как кузова автомобилей из нержавеющей стали использовались в течение многих лет в Скандинавии, из-за долгосрочных преимуществ в стоимости жизненного цикла, в Великобритании и большинстве других европейских стран кузова теперь изготавливаются из алюминия.
Автомобильный эквивалент передовых разработок в области аэрокосмических материалов — это опытно-конструкторские работы по производству гоночных и спортивных автомобилей. Это не экспериментальные автомобили. У них есть реальная работа, которая заключается в том, чтобы побеждать в гонках различных классификаций. Успех или полученный опыт затем используются для разработки серийных автомобилей и их компонентов. Одним из таких автомобилей был Lotus Elise, произведенный Lotus Engineering после окончания производства Lotus Elan, когда его двигатель перестал изготавливаться. Elise был разработан в течение двух лет, несмотря на кадровые и финансовые трудности, с помощью поставщиков материалов и компонентов, а также других автопроизводителей.
Некоторые известные специализированные поставщики, такие как Ciba-Geigy и Norsk-Hydro, были заинтересованы в приобретении опыта в сфере массового производства автомобилей. Целью Lotus было производство автомобиля с высокими эксплуатационными характеристиками за счет снижения веса, а не за счет увеличения мощности двигателя. Это было достигнуто путем проверки каждого компонента на предмет его реальной необходимости. Если без компонента можно было обойтись, то его убирали. Это снижало вес, стоимость, а также время изготовления и сборки автомобиля. Конструкция шасси из двух торсионных коробок, спереди и сзади, соединенных двумя продольными балками, использовала алюминиевые сплавы. Они были соединены нахлесточными соединениями с использованием клея вместо сварки. Все критические точки крепления поддерживались механическими приспособлениями.
Клеи позволили использовать более тонкие секции, так как сварка требует минимальной толщины секции. Для изготовления различных деталей, таких как педали, стойки и стабилизаторы поперечной устойчивости, стали использоваться стандартные алюминиевые профили. Это значительно сократило количество штампов и инструментов, а, следовательно, производственные затраты. Вслед за заменой чугунного блока двигателя на алюминиевый сплав, материал тормозных дисков также был пересмотрен. Это позволило традиционный чугун заменить на композит с металлической матрицей MMC.
Самым дешевым вариантом является литье из алюминиевого сплава, предварительно усиленного твердыми частицами карбида кремния. Альтернативный процесс использует порошковую технологию, где порошок оксида алюминия спекается для придания формы, а затем пропитывается алюминием для достижения минимальной пористости.
Как и в предыдущих автомобилях Lotus, полимерно-волокнистые композиты продолжали использоваться для кузова, а также для передней части коробки. Elise теперь представлен на рынке и приносит доход своим спонсорам благодаря массе 750 кг, сниженной с более распространенных 1000 до 1200 кг, тем самым достигая улучшенной экономичности и производительности. Lotus продолжает искать дальнейшие технологии снижения веса в таких элементах, как ветровые стекла, колеса, шины, приводные валы, коробки передач, выхлопные системы, аккумуляторы и т. д.
Благодаря внедрению новых материалов, таких как магниевые сплавы и композиты, армированные углеродным волокном, предполагается, что нынешний вес автомобиля может быть снижен еще на 100 кг. Однако стоит иметь ввиду, что автомобильная промышленность практически все знает о стали и алюминии, понимает их особенности, особенно в том, что касается усталости, поэтому внедрение новых материалов в современных конструкциях автомобилей сталкиваются с жестким сопротивлением, если только они не предлагают что-то особенное или уникальное.
Как и в случае с любыми другими материалами и разработками, следует помнить, что затраты на изменения и модификации на этапе проектирования значительно меньше, чем во время производства.
Основываясь на опыте и успехах использования алюминиевых сплавов для Lotus Elise, алюминиевая промышленность и крупные производители автомобилей, такие как Audi, вложили значительные средства в использование этих легких материалов. Алюминий снижает вес автомобиля на 35-40%. Однако замена стали обходится слишком дорого, поэтому была разработана концепция пространственной рамы, как в Audi A8. Таким образом, количество отливок и прессований было сокращено до 100 по сравнению с 300 для традиционного стального кузова. Были выбраны алюминиевые сплавы серии 6000, которые имели удовлетворительные пределы текучести, но низкую жесткость, поэтому толщина стенки в критических областях была увеличена. Алюминиевые сплавы также пригодны для формования при растяжении и гидроформования при изготовлении плотно прилегающих деталей, таких как крылья и панели кузова, как, например, в Land Rover Freelander, где уже давно используются алюминиевые детали бампера и защитные накладки, для предотвращения повреждения кузова при ударе на низкой скорости.
