Пора распрощаться со сталью: почему в автомобилях всё больше алюминия
Потому что благодаря снижению массы можно получить множество преимуществ. Причём борьба с «лишним весом» касается не только кузова, но и, скажем, элементов высоконагруженных рычажных подвесок. А снижение массы деталей подвески положительно влияет на работу других систем автомобиля. Облегчение подвески за счёт применения алюминиевых деталей — общемировая тенденция. CTR не стоит в стороне от этого процесса — у нас есть собственный научный центр, и мы первыми в Корее начали производить кованые алюминиевые рычаги. А не за горами и применение магниевых сплавов в подвеске. Но обо всём по порядку.
Стальной рычаг подвески весит 3,4 кг, алюминиевый — 1,6 кг, а магниевый — 1,0 кг. Килограмм здесь, пара килограмм там — и на одной только ходовой получается выигрыш в массе в полцентнера. Это достаточный повод, чтобы делать из алюминия и других альтернативных стали материалов автокомпоненты. Но надо ещё уметь обрабатывать эти материалы качественно. Источник: CTR
Зачем экспериментировать с материалами
Облегчение автомобиля несет сплошные преимущества, вроде улучшения динамики, управляемости, снижения расхода топлива, повышения плавности хода и даже сокращения тормозного пути. Если облегчим кузов, получим быстрый экономичный автомобиль, а если уменьшим неподрессоренные массы, то улучшим управляемость и сократим тормозной путь.
Неподрессоренная масса — это, условно, всё, что находится в подвеске после амортизатора в направлении поворотного кулака. К неподрессоренным массам относятся: часть рычага после амортизатора, поворотный кулак, тормозной диск, элементы привода, колесный диск, покрышка и т. д. Основная часть автомобиля — кузов со всем содержимым и двигатель — является подрессоренной массой.
При наезде на неровность неподрессоренная масса принимает удар на себя и передает энергию подрессоренной части через подвеску. Чем больше масса кузова и чем меньше неподрессоренная масса, при высокой эффективности амортизаторов, тем лучше происходит гашение колебаний. Разница в гашении колебаний обуславливается не только качеством амортизаторов, но и соотношением масс.
Соотношение подрессоренных и неподрессоренных масс. Источник: CTR
Утяжелять кузов для плавности движения — тупиковый путь, потому что при этом растёт расход топлива и тормозной путь, портится динамика и управляемость. Поэтому производители автомобилей борются за уменьшение именно неподрессоренных масс, отказываясь там, где это возможно и экономически оправданно, от стали и чугуна в пользу лёгких и надёжных сплавов, среди которых важнейшее место занимает алюминий, которого становится всё больше в деталях подвески.
В платформе MQB концерна Volkswagen Group количество алюминия, в том числе в подвеске, значительно выросло, что дало уменьшение массы на единицу объема. Фото: Ra Boe / Wikipedia, Original; Лицензия: CC by-sa 3.0
Выбор любых материалов для производства автомобилей обуславливается сразу несколькими факторами. Во-первых, соответствие нагрузкам: слишком хрупкие и слишком мягкие металлы и сплавы сделают автомобиль небезопасным и крайне недолговечным. Во-вторых, цена материала: существуют сплавы с потрясающими прочностными характеристиками, но цена машины с такими деталями будет приближаться к цене самолета.
Хорошим примером снижения удельной массы металла является Skoda Octavia: поколение A7 на алюминиевой платформе MQB физически больше (4,65 х1,81 м против 4,56 х 1,76 м) и при этом легче стального А5 (1225 кг против 1250 кг).
Как облегчить автомобиль
Просто добавить алюминий — это самый распространённый способ.
Алюминий, третий по распространенности на Земле элемент (его больше, чем железа!), был впервые выделен только в 1825 году, но благодаря своей лёгкости и мягкости он сразу попал в поле зрения конструкторов и инженеров, в том числе занятых изобретением новых видов транспорта. Можно подумать, что алюминий пришел в автомобильную промышленность совсем недавно, в XXI веке, на волне борьбы за экологичность и удешевление производства. На самом деле всё ровно наоборот.
Первый удачный заход в авто алюминий совершил в 1899 году, когда на международной выставке в Берлине был показан спорткар производства Durkopp — весь корпус машины был сделан из легкого металла, выигрыш в массе позволил немного увеличить скорость и разгон. А уже в 1901 году гоночный автомобиль Mercedes 35 PS с алюминиевым двигателем внутреннего сгорания мощностью 35 л.с., построенный Карлом Бенцом, удачно дебютировал на гонках во Франции.
Mercedes 35 PS, первый автомобиль с алюминиевым двигателем. Источник: MartinHansV / Wikimedia
В 1962 году автомобиль с алюминиевым движком Harvey Aluminum/Harcraft Special установил рекорд круга на гонках Indianapolis 500, а нефтяной кризис 1970-х подстегнул интерес к металлу в борьбе за снижение массы машин для экономии топлива.
Тем не менее долгое время легкий металл из-за своей цены оставался материалом для производства гоночных автомобилей. Лишь к концу ХХ века алюминий начал появляться в серийных премиальных автомобилях. В 1994 году вышла Audi A8 D2 с цельноалюминиевым кузовом.
Audi A8 в кузове D2, первый серийный легковой автомобиль с алюминиевым кузовом. Источник: S 400 HYBRID / Wikimedia
Разница в массе между сталью и алюминием
Кубометр алюминия весит почти 2700 кг, а стали — 7800 кг. Смена сплава позволяет значительно уменьшить вес автомобилей. Так, например, в 2014 году в продажу поступил обновленный пикап Ford F-150 с алюминиевым кузовом. Благодаря частичному отказу от стали машина в зависимости от конфигурации стала легче минимум на 290 кг (1,84 тонны против 2,13 тонн в версии Regular Cab). Новинка отличалась уменьшенным расходом топлива, лучшим ускорением и повышенной на 30% грузоподъемностью. Замена стали на более дорогой металл подняла цену F-150 всего на $395.
В кузове алюминиевого Ford F-150 13-го поколения запросто помещается мотоцикл. Источник: Kevauto / Wikimedia
Если сравнивать отдельные элементы автомобиля, разница между стальными и алюминиевыми сплавами тоже будет ощутимой. Отличной иллюстрацией этому служит пост на DRIVE2, в котором замеряется масса алюминиевых и стальных рычагов и кулаков для Subaru Legacy.
Стойкость к деформации
Нельзя отрицать, что алюминиевые сплавы мягче, чем сталь и тем более чугун. Вот только деформируются они по-разному. Что для стали ведет к полному искривлению детали, а для чугуна — к растрескиванию, то в алюминии оставляет лишь вмятину. Алюминий вообще отлично поглощает удары — на 50% лучше стали.
В электромобилях алюминиевой броней защищают дно автомобиля, под которым находятся литий-ионные аккумуляторы. При повреждении и разгерметизации аккумуляторам свойственно воспламеняться. Например, в одном из электромобилей батарейный отсек был изначально защищен алюминиевой пластиной толщиной 8 мм. Со временем её усилили титановым листом и добавили на дно алюминиевые дефлекторы, призванные отбивать лежащий на дороге мусор. Теперь дно выдержит даже камень, попавший под машину, едущую со скоростью 200 км/ч. Для обычного автомобиля это был бы очень болезненный удар, а менее защищённый электромобиль конкурентов после такой неудачной встречи вообще может сгореть.
Вязкость алюминиевых сплавов относительно стали играет ключевую роль: при ударе по алюминиевой детали в точке контакта происходит деформация, но она ограничена очень малой зоной — если вмятина не критична сама по себе, то деталь не деформируется целиком, её еще можно эксплуатировать. Стальная же деталь при ударе лучше сопротивляется локальному повреждению, зато изгибается сама — вместо заметной вмятины или выбоины мы получим геометрически непригодную запчасть. Иногда её можно выпрямить, но жёсткость детали будет безвозвратно утеряна.
Прочность алюминиевых сплавов колеблется на уровне 120–230 МПа, против 240–450 МПа у высокопрочной стали — двойная разница не в пользу алюминия. Если алюминий такой мягкий, то как его можно использовать в тонком кузове, который должен защищать людей при авариях? Чтобы увеличить прочность алюминиевых кузовов, автопроизводители пересмотрели их конструкцию, добавив скрытые полости, с внутренними усилителями. Такие кузова можно узнать по «пышным» формам и толстым стойкам.
Тот самый профиль жесткости, проходящий внутри алюминиевого кузова Ford F-150. Источник: Ford
Однако если мы хотим заменить сталь в автомобиле на алюминий, нельзя просто взять чертежи стальной запчасти и отлить или выковать её из другого сплава — надёжность неминуемо снизится. Поэтому при смене материала приходится заново проектировать каждый элемент, усиливая его стойкость к ударам и нагрузкам. Для этого в CTR действует огромный отдел исследований и разработки, занятый изучением новых материалов и конструкций автомобильных деталей. А всё потому, как мы рассказывали в прошлых постах, что CTR не только производит запчасти по присланным заказчикам чертежам, но и сама занимается разработкой прототипов новых деталей, которые автопроизводители могут использовать в своих будущих автомобилях.
Вместе с цельноалюминиевыми деталями CTR изготавливает необычные комбинированные запчасти, например, пустотелые алюминиевые рычаги с пластиковым наполнением. Пластик помогает гасить ударные нагрузки, а правильно рассчитанная пространственная форма сокращает вес рычага. Прочность комбинированного рычага, согласно исследованиям, не просто не снижается, но во многих случаях увеличивается. Не будь комбинированный рычаг надёжным и безопасным, он бы не был пущен в производство.
Перед запуском новой детали в производство инженеры CTR проводят предварительный компьютерный анализ нагруженности запчасти на предмет поиска точек напряжения и потенциально слабых мест. Результаты расчётов хорошо видны на изображении ниже — компьютер помогает понять, в каком месте проявится, например, усталость металла, где сосредоточится напряжение. С помощью анализа можно, во-первых, заранее исправить проблемные места, а во-вторых, облегчить деталь без ущерба для её прочности. Особенно важны эти расчеты, когда речь идёт об алюминиевых запчастях.
Как разрабатывают продукты CTR. Источник: CTR
Сплав сплаву рознь
Естественно, никто в автомобилестроении не использует чистый алюминий. Все помнят, как в школьной столовой легко гнулись алюминиевые ложки — на автопроизводстве в ход идут только алюминиевые сплавы с легирующими добавками. Самой наглядной иллюстрацией разницы в сплавах в своё время стала ситуация со смартфонами iPhone 6 и iPhone 6S: если первые легко гнулись, и голыми руками телефон можно было сломать, то в обновленной модели был применен алюминиевый сплав серии 7000 с добавками цинка, магния и меди — конструкция и толщина корпуса устройства не изменились, но сломать и даже согнуть его тем же способом стало невозможно.
Автор обзора с трудом, но всё же ломает iPhone 6, а вот iPhone 6S в корпусе из нового сплава ему не поддается:
Технология алюминиевых сплавов уже достаточно хорошо освоена, чтобы применять её при производстве нагруженных деталей автомобильной подвески и рулевого управления, как это делает CTR. Но уже скоро в массовое производство могут поступить детали из магниевых сплавов, в которых доля алюминия составляет всего несколько процентов. У сплава есть свои особенности — например, более высокая цена и меньшая коррозионная стойкость, — поэтому пока магниево-алюминиевые детали устанавливают только на дорогие автомобили, такие как BMW 5 серии или Mercedes-Benz CL с магниевым каркасом дверей. Среди преимуществ же таких деталей значится малый вес, высокая демпфирующая способность и простота поддержания стабильных размеров деталей при массовом производстве. Ресурс детали ходовой из такого сплава составляет порядка 150 тыс. км, а шанс её деформации при, скажем, попадании колеса в яму значительно ниже, чем в случае со стальным или алюминиевым элементом.
Как работать с алюминием
Итак, c преимуществами алюминия как материала для изготовления компонентов автомобиля, и в частности, деталей подвески, разобрались. Теперь перейдём к тому, как именно делаются такие детали.
Способов изготовления металлических деталей автомобиля не так уж и много, но CTR применяет лучшие практики обработки алюминия для получения качественных и долговечных деталей.
Литьё под низким давлением
Для производства своей продукции CTR часто применяет литьё алюминия под низким давлением. Это распространенный способ, применяемый многими компаниями, однако CTR первой в Южной Корее начал серийное литьё под низким давлением элементов гидравлики и турбин.
Литьё запчастей по старым технологиям — это устаревший и почти неприменимый для небольших автомобильных элементов метод работы с алюминием, затратный, с немалым процентом брака и сомнительной выгодой. CTR и автопром в целом борются за снижение уровня брака и уменьшение себестоимости продукции — дорогостоящие детали проиграли бы конкуренцию, а некачественный продукт разорит производителя из-за возвратов по гарантии.
Мы не будем вдаваться в тонкости металлургии и просто перечислим очевидные преимущества литья алюминия под низким давлением: новая методика производства CTR увеличила выход продукции за счёт снижения времени затвердевания и охлаждения отливок, расход металла уменьшился, прочность деталей увеличилась на 15-25%, уровень негодных деталей находится на исчезающе малом уровне благодаря отсутствию воздушных полостей (каверн), свойственных обычному литью. Всё это помогло улучшить качество продукции CTR и при этом снизить её цену.
Ковка в три удара
Ковка применяется для тех деталей, которым требуется придать дополнительную прочность: в ходе процесса измельчаются крупные кристаллы внутри металла, деформация создает однородную мелкозернистую структуру. Грани крупных кристаллов алюминия — потенциальные точки надлома, от которых надо избавиться.
Такова кристаллическая структура чистого алюминия. Ковка разбивает крупные кристаллы, повышая однородность и прочность детали. Источник: Alchemist-hp / WIkimedia
На заводе CTR мощнейшие прессы выковывает детали буквально в несколько ударов. Сперва разогретую до определённой температуры алюминиевую болванку раскатывают валами для придания нужной формы. Первым, 20-тонным, ударом пресс придает заготовке нужный изгиб. После второго, 800-тонного, удара деталь приобретает узнаваемую форму. Наконец, третий, 1400-тонный, удар завершает ковку — остается только снять облой и зачистить грани. Чем меньше число ударов и выше их точность, тем ниже вероятность искривления детали и выхода её за допуски. Чтобы добиться такой простоты и скорости производства, пресс должен работать с ювелирной точностью. После этого происходит дополнительная обработка поверхности деталей и последующая проточка технологических отверстий.
Эти рычаги CTR сделаны из алюминиевого сплава методом ковки в три удара. Источник: CTR
Понимание прогресса
Автомобилисты, раздражённые поломками машины, могут с негативом относиться к любым новым технологиям в автомобилестроении, списывая их внедрение на желание производителя сэкономить и попытки заработать больше денег на продаже запчастей. На самом деле автопроизводители не меньше покупателей заинтересованы в том, чтобы их машины были конкурентоспособны и надёжны, поэтому на современные авто бренды дают гарантию уже не на 2-3 года, как прежде, а на 5-7 лет — такая уверенность в собственных продуктах была бы невозможна без достижений прогресса.
Внедрение алюминия — один из этапов эволюции автомобилей, который подарил нам лёгкие, комфортные, быстрые и экономичные средства передвижения. Сейчас уже не стоит вопрос о том, можно ли заменить сталь и чугун алюминием, — можно и даже нужно. Главное — качественное исполнение деталей, а в этом CTR преуспела. Именно поэтому с каждым годом всё большее число европейский и американских конвейеров предпочитает сотрудничать с CTR, включая BMW, PSA, Ford, VAG и многие другие.
Если у вас остались вопросы или замечания к алюминию, обязательно оставляйте их в комментариях! Автор лучшего вопроса, заданного до исхода 30 июня, получит приз — внешний аккумулятор Uniscend Quick Charge Wireless 10000 мА·ч c логотипом CTR и поддержкой технологии Quick Charge.
Аккумулятор может заряжать устройства не только через провод (кабели с распространёнными разъёмами в комплекте), но и через обозначенную соответствующим значком панель для беспроводной зарядки — просто положите устройство, поддерживающее такую функцию, на аккумулятор. Источник: CTR
Но и это ещё не всё
Эта часть для тех, кто мужественно дочитал пост до конца. Здесь мы объявляем ещё один конкурс. Мы хотим быть полезными драйвовчанам и рассказывать о том, что вас интересует. Подпишитесь на наш блог на DRIVE2 и предложите нам темы для одного из следующих постов до исхода 30 июня. Победитель получит приглашение (на одно лицо) на очередной этап Russian Drift Series, который пройдёт 14 июля 2019 в Мячково (Московская область).
Гостей CTR ждут места на трибунах, VIP-шатёр в гоночном сервис-парке, фуршет, фото и автограф-сессия с пилотами и памятные подарки. Адрес автодрома: Московская область, Раменский район, Островецкий сельский округ, деревня Верхнее Мячково, Аэродром Мячково — admraceway.ru. Источник: CTR
Обещанный приз за лучший вопрос получает драйвовчанин AvisR за вопрос о перспективах прихода полимеров на смену алюминию в подвесках.
Чтобы получить приз, пожалуйста, напишите нам в личку свой почтовый адрес (с индексом), ФИО и номер телефона, кликнув по синей кнопке «Написать сообщение» внизу.
Почему кузова автомобилей не изготавливают из нержавеющей стали
Любой автолюбитель знает, что при покупке подержанного автомобиля первое, на что следует обратить внимание, это на состояние его кузова и если на нём уже есть очаги коррозии, то совершенно очевидно, что покупать такой автомобиль не стоит.
На фоне этого, думаю, многие из автолюбителей задавались вопросом, почему кузова автомобилей до сих пор не изготавливают из нержавеющей стали или из других стойких к коррозии материалов? На этот вопрос я собственно и постараюсь ответить.
Кузов из нержавеющей стали
DeLorean DMC 12. Автомобиль с кузовом из нержавеющей стали.
Нержавеющая сталь это относительно дешёвый материал, который мог бы стать отличной альтернативой обычному оцинкованному железу, однако нержавеющую сталь дорого обрабатывать и она тяжелее, что отразится не только на стоимости, но и на динамике автомобиля, кузов которого будет изготовлен из нержавеющей стали. Ярким примером автомобиля с кузовом из нержавеющей стали, является легендарный DeLorean DMC 12.
Кузов из алюминия
Audi A8 (D2). Автомобиль с кузовом из алюминия.
Алюминий на много легче оцинкованного железа и устойчив к коррозии, однако он дороже во всём, включая обработку, что существенно отражается на стоимости готового автомобиля. Кроме этого, алюминий слишком мягкий, что в свою очередь делает автомобиль с алюминиевым кузовом не безопасным. Именно по этой причине кузов последнего поколения Audi A8 не полностью алюминиевый, как это было в предыдущих поколениях этого автомобиля, а содержит элементы из высокопрочной стали.
Кузов из титанового сплава
Icona Vulcano Titanium. Автомобиль с кузовом из титанового сплава.
Титановые сплавы намного крепче алюминия, да и вообще лишены практически всех его недостатков, кроме того, что стоят приблизительно в шесть раз дороже, что в итоге делает автомобиль невероятно дорогим. Одним из автомобилей, кузов которого изготовлен из титанового сплава, является Icona Vulcano Titanium стоимостью 2,5 миллиона американских долларов.
Кузов из углепластика
Pagani Huayra. Автомобиль с кузовом из углепластика.
Основным конкурентом титановых сплавов является углепластик или карбон. Это композитный материал, состоящий из углеродного полимера и эпоксидной смолы. Он такой же крепкий, как и титановые сплавы, не подвержен коррозии и что самое главное, невероятно лёгкий, в связи с чем его часто используют в производстве спортивных автомобилей, таких как Pagani Huayra. Вот только такие автомобили обычно мелкосерийные и их стоимость превышает 1,0 миллион американских долларов, а всё потому, что изготовление элементов кузова автомобиля из углепластика это весьма трудоёмкий процесс, который отнимает не мало времени.
Как вы уже поняли, некоторые автопроизводители всё же используют для производства кузовов такие стойкие к коррозии материалы как нержавеющая сталь, алюминий, титан и углепластик, но автомобили, кузова которых изготовлены из этих материалов, в силу своей высокой стоимости не доступны большинству потребителей.
В заключение отмечу, что последнее время стойкие к коррозии материалы для производства автомобильных кузовов применяют и производители не дорогих автомобилей, но пока доля таких материалов в кузовах недорогих автомобилей не высока. Тем не менее, эта доля постоянно растёт и есть надежда, что в ближайшем будущем такие материалы как титан и углепластик, станут более доступными.
Крылатый наступает: почему кузова машин будущего будут алюминиевыми и чем это чревато
Электромобиль с автопилотом – примерно так можно вкратце описать типичную машину условного 2030 года. Если не произойдет каких-то глобальных сломов трендов, то так оно и будет. Но с одной оговоркой – этот электромобиль, скорее всего, будет еще и алюминиевым. В этой статье вспомним все плюсы и минусы кузовов из крылатого металла и отследим, как он постепенно вытесняет сталь из автопромышленности.
Немного из истории
И спользование алюминия в производстве кузова кажется столь соблазнительной и новой технологией, что забывается, что родом она из первой половины двадцатого века. Как конструктивный материал для авто его опробовали сразу, как только начали отказываться от дерева и кожи, причем именно с деревом он оказался настолько хорошо совместим, что на автомобилях Morgan подобная технология используется до сих пор. Вот только большинство компаний, которые в тридцатые годы успели изготовить немало автомобилей с широким использованием алюминиевых деталей, в дальнейшем от легкого металла отказались. И причиной стал не только дефицит этого материала в годы Второй мировой. Планам фантастов-футуристов о широком использовании алюминия в конструкции машин не суждено было сбыться. Во всяком случае, до нынешнего момента, когда что-то стало меняться.
Алюминий в металлической форме известен не так уж давно – его вывели только в конце XIX века, и он сразу стал цениться весьма высоко. И вовсе не из-за своей редкости, просто до открытия электролитического метода восстановления производство обходилось баснословно дорого, алюминий был дороже золота и платины. Недаром весы, подаренные Менделееву после открытия периодического закона, содержали немало алюминиевых деталей, на тот момент это был поистине королевский подарок. С 1855 по 1890 годы изготовили всего 200 тонн материала по методу Анри Этьена Сент-Клер Девиля, заключающемся в вытеснении алюминия металлическим натрием.
Уже к 1890 году цена упала в 30 раз, а к началу Первой мировой – более чем в сотню. А после тридцатых годов постоянно сохраняла примерный паритет с ценами на стальной прокат, будучи дороже в 3-4 раза. Дефицит тех или иных материалов периодически изменял это соотношение на небольшой срок, но тем не менее в среднем тонна алюминия всегда обходится минимум в три раза дороже обычной стали.
«Крылатым» алюминий называют за сочетание малой массы, прочности и доступности. Этот металл заметно легче стали, на кубометр приходится примерно 2 700 кг против 7 800 кг для типичных сортов стали. Но и прочность ниже, для распространенных сортов стали и алюминия разница примерно в полтора-два раза что по текучести, что по растяжению. Если о конкретных цифрах, то прочность алюминиевого сплава АМг3 – 120/230 Мпа, низкоуглеродистой стали марки 2C10 – 175/315, а вот высокопрочная сталь HC260BD – это уже 240/450 Мпа.
В итоге конструкции из алюминия имеют все шансы быть заметно легче, минимум на треть, но в отдельных случаях превосходство в массе деталей может быть больше, ведь алюминиевые детали имеют более высокую жесткость и заметно более технологичны в изготовлении. Для авиации это сущий подарок, ведь более прочные титановые сплавы куда дороже, и массовое производство попросту недоступно, а магниевые сплавы отличаются высокой коррозийной активностью и повышенной пожароопасностью.
Практика использования на земле
В массовом сознании алюминиевые кузова в основном ассоциируются с машинами марки Audi, хотя первая A8 в кузове D2 появилась лишь в 1994 году. Это была одна из первых крупносерийных цельноалюминиевых машин, хотя изрядная доля крылатого металла была фирменной «фишкой» таких марок, как Land Rover и Aston Martin на протяжении десятков лет, не говоря уже о уже упомянутом Morgan, с его алюминием на деревянном каркасе. Все же реклама творит чудеса.
В первую очередь в новой технологии изготовления кузова подчеркивалась низкая масса и стойкость алюминиевых кузовов к коррозии. Иногда упоминались и другие преимущества алюминиевых конструкций: например, особенные акустические свойства кузовов и пассивная безопасность конструкций из объемной штамповки и литья.
Список машин, в которых алюминиевые детали составляют не менее 60% массы кузова (не путать с полной массой машины), довольно велик. В первую очередь известны модели Audi, A2, A8, R8 и родственная R8 Lamborghini Gallardo. Менее очевидны Ferrari F430, F360, 612, последние поколения Jaguar XJ X350-X351, XJR, XF, XE и F-Pace. Ценители настоящих спортивных машин вспомнят Lotus Elise, а также соплатформенные Opel Speedster и Tesla Roadster. Особенно дотошные читатели припомнят Honda NSX, Spyker и даже Mercedes SLS.
На фото: алюминиевая пространственная рама Audi A2
Часто ошибочно к числу алюминиевых относят современные Land Rover, Range Rover, BMW последних серий и некоторые другие премиум-модели, но там общая доля алюминиевых деталей не так уж велика, а каркас кузова по-прежнему из сталей – обычных и высокой прочности. Цельноалюминиевых машин немного, и большая часть из них – это сравнительно малосерийные конструкции.
Но как же так? Почему при всех своих достоинствах алюминий не применяется максимально широко в строении кузова?
Казалось бы, можно выиграть на массе, а разница в цене материалов не так уж критична на фоне других составляющих стоимости дорогой машины. Тонна «крылатого» стоит сейчас 1 600 долларов – это не так уж много, особенно для премиальной машины. Всему есть объяснения. Правда, для понимания вопроса опять придется немного углубиться в прошлое.
Как алюминий проиграл пластику и стали
Восьмидесятые годы двадцатого века войдут в историю автомобилестроения как время, когда сформировались основные бренды на мировом рынке и создалось соотношение сил, которое мало изменилось и по сей день. Новой крови с тех пор добавили автомобильному рынку лишь китайские компании, в остальном же именно тогда появились основные тренды, классы и тенденции в автомобилестроении. Тогда же наметился перелом в использовании в конструкции машины альтернативных материалов, помимо стали и чугуна.
Благодарить за это стоит увеличившиеся ожидания по части долговечности машин, новые нормы по расходу топлива и пассивной безопасности. Ну и, традиционно, развитие технологий, которые все это позволили. Робкие попытки использовать алюминий в узлах, отвечающих за пассивную безопасность, быстро закончились внедрением лишь простейших элементов в виде брусьев для сминаемых зон и декоративных элементов, которые в общей массе кузова составляли несколько процентов.
А вот сражение за конструкции самого кузова было безнадежно проиграно на тот момент. Победу однозначно одержали производители пластика. Простая технология изготовления крупных деталей из пластика изменила дизайн автомобилей в восьмидесятые. Европейцы удивлялись технологичности и «продвинутости» Ford Sierra и VW Passat B3 с их развитым пластиковым обвесом. Формы и материалы радиаторных решеток, бамперов и других элементов со временем стали соответствовать пластиковым деталям – нечто подобное просто немыслимо изготовить из стали или алюминия.
Тем временем конструкция кузовов машин оставалась традиционно стальной. Задачу повышения прочности кузова и снижения массы выполнили переходом на более широкое использование сталей высокой прочности, их масса в составе кузова непрерывно увеличивалась, с нескольких процентов в конце семидесятых годов и до уверенных 20-40% к середине девяностых у передовых конструкций европейских марок и 10-15% у американских авто.
Проблемы с коррозией решили переходом на оцинкованный прокат и новые технологии окраски, которые позволили увеличить срок гарантии на кузов до 6-10 лет. Алюминий же остался не у дел, его содержание в массе машины даже уменьшилось по сравнению с 60-ми годами – сыграл роль нефтяной кризис, когда дороже стали энергоносители, а значит и сам металл. Где возможно, его заменил пластик, а где пластик не годился – снова сталь.
Алюминий наносит ответный удар
Проиграв битву за экстерьер, через десятилетие алюминий отыграл свое под капотом. В 90-е и 2000-е годы производители массово переходили на алюминиевые корпуса КПП и блоки цилиндров, а затем и детали подвески. Но это было только начало.
Падение цен на алюминий в девяностые годы удачно совпало с ужесточением требований к экономичности и экологичности машин. Помимо уже упомянутых крупных узлов, алюминий прописался во множестве деталей и агрегатов машины, особенно имеющих отношение к пассивной безопасности – кронштейнах рулевого управления, балках-усилителях, опорах моторов. Пригодилась и его природная хрупкость, и широкий диапазон изменения вязкости, и низкая масса.
Дальше – больше, алюминий стал появляться и в конструкции кузова. Про цельноалюминиевые Audi A8 я рассказывал подробно, но и на более простых машинах стали появляться внешние панели из легкого металла. В первую очередь это навесные панели, капот, передние крылья и двери на авто премиальных марок. Легкосплавными стали подрамники, брызговики и даже усилители. На современных BMW и Audi в передней части кузовов остался практически один алюминий и пластик. Единственное, где позиции стали пока незыблемы – это силовые конструкции.
Про минусы и коррозию
Алюминий – это всегда сложности со сваркой и крепежом. Для соединения со стальными элементами подходят только клепка, болты и склейка, для соединения с другими алюминиевыми деталями – еще сварка и шурупы. Немногие примеры конструкций с использованием легкосплавных несущих элементов проявили себя весьма капризными в эксплуатации и отменно неудобными в восстановлении.
Так, алюминиевые чашки передней подвески на машинах BMW и лонжероны до сих пор имеют сложности с электрохимической коррозией в местах стыков и проблемы с восстановлением соединений после повреждений кузова.
Что касается коррозии алюминия, то бороться с ней даже сложнее, чем с коррозией стали. При более высокой химической активности его стойкость к окислению объясняется в основном образованием защитной пленки окислов на поверхности. А этот способ самозащиты в условиях соединения деталей из кучи разных сплавов оказался бесполезен.
Сложности со сталью, которые могут изменить все
Пока алюминий захватывал новые территории, технологии производства стального проката не стояли на месте. Стоимость высокопрочных сталей снижалась, появились массовые стали горячей штамповки, антикоррозийная защита пусть и с пробуксовками, тоже улучшалась.
Но алюминий все же наступает, и причины этого понятны всем, кто знаком с процессом штамповки и сварки стальных деталей. Да, более прочные стали позволяют облегчить кузов машины и сделать его крепче и жестче. Обратная сторона медали – повышение стоимости самой стали, увеличение цены штамповки, рост цены сварки и сложности с ремонтом поврежденных деталей. Ничего не напоминает? Точно, это те самые проблемы, которые свойственны алюминиевым конструкциям от рождения. Только у высокопрочной стали и традиционные «железные» сложности с коррозией никуда не исчезают.
Еще один минус – сложности рециклинга. В век, когда вещи становятся одноразовыми, о переработке задумываются все чаще и чаще. И высоколегированные стали в этом отношении – плохой пример. Цена алюминия мало зависит от его марки, содержание в сплаве ценных присадок сравнительно невелико, а основные характеристики задаются содержанием кремния. При переплавке добавки хорошо извлекаются для дальнейшего использования. К тому же сравнительно мягкий металл хорошо перерабатывается.
А вот о высокопрочной стали подобного сказать нельзя. Пакет дорогих легирующих добавок при переработке неизбежно теряется. Более того, он загрязняет вторичное сырье и требует дополнительных расходов по его очистке. Цена на простые марки стали и высокопрочные различается в разы, и при повторном использовании железа вся эта разница будет утеряна.
Что дальше?
Судя по всему, нас ждет алюминиевое будущее. Как вы уже поняли, исходная стоимость сырья не играет сейчас такой роли, как технологичность и экологичность. Набирающее силу «зеленое» лобби способно влиять на популярность алюминиевых машин еще множеством способов, от удачного пиара до уменьшенного сбора на утилизацию. В итоге имидж премиальных брендов требует более широкого использования алюминия и популяризации технологий в массах, с максимальной выгодой для себя, разумеется.
Стальные конструкции остаются уделом дешевых производителей, но по мере удешевления алюминиевых технологий они, несомненно, тоже не устоят перед соблазном, тем более что теоретическое преимущество алюминия можно и даже нужно реализовать. Пока автопроизводители не пытаются форсировать этот переход – конструкции кузовов большинства машин содержат не больше 10-20% алюминия.
То есть «алюминиевое будущее» не придет ни завтра, ни послезавтра.
У традиционного стального кузовостроения впереди виднеется кузовостроительный тупик, избежать которого можно, только переломив тренды на всемерное упрочнение и облегчение конструкций.
Пока прогресс тормозит технологичность процессов сварки и наличие хорошо отлаженных производственных процессов, которые пока можно недорого адаптировать к новым маркам сталей. Увеличить ток сварки, ввести точный контроль параметров, увеличить усилия сжатия, ввести сварку в инертных средах… Пока такие методы помогают, сталь останется основным элементом конструкции. Перестраивать производство слишком дорого, глобальные изменения очень тяжелы для неповоротливого локомотива промышленности.
А что же стоимость владения автомобилем? Да, она растет, и будет расти дальше. Как мы уже неоднократно говорили, современный автопром развитых стран заточен под быстрое обновление автопарка и состоятельного покупателя с доступом к дешевым кредитам под 2-3% годовых. Про страны с реальной инфляцией 10-15% и зарплатами «среднего класса» в районе 1 000 долларов управленцы корпораций думают далеко не в первую очередь. Придется подстраиваться.
Почему кузов авто делают из жести ,а не из алюминия он же легче
Согласен, алюминиевый кузов килограмм на 200 легче будет при той же прочности и жесткости.
Кузов- самая дорогая деталь авто, а алюминий в разы стали дороже, да и сварку автоматизировать сложнее, чем на стали. Тысяч десять баксов переплаты за алюминиевый кузов не отобьются снижением расхода бензина за весь период эксплуатации.
Рано или поздно из него кузова делать будут. Вот появится дешевый источник электроэнегии, вот тогда стоимость алюминия сразу упадет, а его запасы — неисчерпаемы.
Ведь и раньше блок цилиндров чугунным был, а сейчас алюминиевый.
Вот первая серийная машинка с таким кузовом AudiA2. Полный коммерческий крах потерпела.
И сейчас такие кузова только на престижные машины ставят, у которых цена — не самое главное.