Экономия на весе без лишних затрат
Ради снижения выброса вредных веществ автомобилям придётся «похудеть» — но так, чтобы это не отразилось на безопасности и комфорте водителя и пассажиров
Высокопрочная алюминиевая рама Audi Space Frame (ASF) — гордость компании. Все панели интегрируются в неё таким образом, что выполняют несущую функцию. ASF отличается исключительной жёсткостью и обеспечивает высокую степень защиты при аварии. Фото: Audi AG |
История автомобилестроения насчитывает более века, и всё это время четырёхколёсное изобретение постепенно набирало вес. В прямом смысле этого слова. Из десятилетия в десятилетие автомобиль становился более комфортным и безопасным, но в то же время наращивал массу: увеличивал габариты, «начинялся» различными системами безопасности. Рассмотрим для примера, как модифицировалась на протяжении нескольких лет модель Mazda Protegé. В исходном варианте 2003 года её масса была равна 1195 кг, в 2004-м ему на смену пришла Mazda 3, весившая уже 1225 кг, «тройка» 2010-го модельного года тянет на 1300 кг. В основном прибавка происходила за счёт увеличения размеров шин, колёсных дисков и оборудования, обеспечивающего безопасность.
Совершенно очевидно, что в условиях, когда во многих странах ужесточаются налоги на пользование автомобилем, содержание вредных веществ в отработавших газах которого не соответствует установленным стандартам, так продолжаться не может. Чем больше вес — тем больше расход топлива и, значит, уровень углекислого газа. Автомобиль должен «похудеть»! Но как? Самым привлекательным решением представляется использование лёгких материалов — привычную сталь пытаются заменить алюминием, магнием и углепластиком.
Алюминиевая лёгкость
Не стоит, однако, думать, что это некое ноу-хау. Примеры использования алюминия в автомобилестроении можно найти уже на заре его зарождения. Правда, тогда этот металл был изучен ещё недостаточно хорошо, но его лёгкость и стойкость к коррозии сделали его для конструкторов весьма привлекательным. В 1899 году на международной выставке в Берлине был представлен первый автомобиль, корпус которого был полностью сделан из алюминия, — спортивный «Durkopp». А в 1901 году алюминиевым стал и двигатель — для участия в гонках в Ницце его смастерил Карл Бенц (, 1844–1929). Лёгкий металл снижал вес автомобиля, тем самым делая его более маневренным. Но в начале ХХ века о свойствах алюминия знали слишком мало, да сам металл и технологии его обработки были чересчур дороги — это затрудняло его массовое использование.
Кузов Audi TT Coupé лишь на 31% состоит из стали, остальное алюминий. Фото: Audi AG |
Серьёзными разработками занялись в послевоенные годы, когда технология обработки алюминия подешевела — появились промышленные технологии его вакуумной обработки. К примеру, в 1961 году был создан Buick 215, блоки восьмицилиндрового двигателя которого были сделаны из алюминия. Особенно оценили это гонщики: автомобиль давал существенное преимущество при ускорении.
В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон (, 1928–1988) участвовал в гонках Индианаполис 500 () на машине с двигателем из алюминия и показал превосходный результат. Многие фирмы позднее усовершенствовали этот легендарный двигатель и использовали его в различных массовых моделях и гоночных автомобилях, в том числе и в болидах Формулы-1. Интерес к алюминиевым деталям подстегнул и нефтяной кризис 1970-х. Вынужденные озаботиться экономией топлива, конструкторы стали заменять многие детали из привычной стали на более лёгкие алюминиевые, тем самым снижая общий вес машины.
Сегодня ясно, что прочным сплавам из алюминия под силу полностью заменить сталь, традиционно используемую для производства кузова. Продемонстрировали это и инженеры автоконцерна Audi, представив в 1994 году модель A8, алюминиевый кузов которой позволил сэкономил 239 кг. Позднее алюминиевая «одёжка» досталась и А2. Результатом почти двадцатилетних исследований и экспериментов конструкторов Audi стало создание пространственной рамы ASF (). Рама сваривается из нескольких крупных узлов: это боковины, пол с необычным корытцем для ног задних пассажиров, передняя и задняя части. Пришлось применять самые передовые технологии, разрабатывать новые лёгкие сплавы и технологии обработки материалов.
Алюминий не только делает автомобиль легче, у него есть ещё несколько важных преимуществ: алюминий не ржавеет и алюминиевые детали эффективно поглощают энергию удара.
Магний и карбон
Второй по популярности материал, используемый для облегчения машин, — магний. Его много в земной коре, это восьмой из наиболее часто встречающихся элементов. К тому же магний — второй по содержанию металлический элемент в морской воде. К примеру, на заводе города Фрипорте (штат Техас) магний получают из воды путём добавления негашёной извести (СаО).
Магний в 1,5 раза легче алюминия и в 4,5 раза легче стали; он устойчив к воздействию щелочей, бензина, керосина и минеральных масел, но магний в присутствии влаги быстро коррозирует, и это затрудняет его использование.
Для кабриолета M3 конструкторы BMW разработали дополнительные аэродинамические элементы кузова из лёгкого и прочного карбона. Фото: BMW AG |
Магниевые сплавы применяют в автомобилестроении уже лет сорок. К примеру, у легендарного «жука» Volkswagen были магниевые картер коробки передач и блок двигателя. Литые из магниевых сплавов колёса появились тридцать лет назад, в 1980-м, на Alfa Romeo Spider и позволили по сравнению с алюминиевыми «сэкономить» на каждом колесе около 3,5 кг. С алюминиевыми сплавами больше экспериментируют европейцы, а американцы на рубеже веков сосредоточились на магниевых. Ford и Chrysler объединили усилия с норвежской корпорацией Hydro, основным поставщиком магния и сплавов из него.
Третий по популярности материал — углепластик (карбон). Это композитный материал, состоящий из углеродного волокна и полимерных смол. Углепластик прочен, легче, чем сталь или алюминий, и его часто используют в деталях, улучшающих аэродинамические свойства автомобиля. Но углепластик дорог в производстве и отнимает гораздо больше времени при изготовлении деталей. Кроме того, вмятины на стали и алюминии довольно легко отремонтировать после аварии, углепластик же при повреждении образует множество острых осколков, восстановить повреждённую деталь не так просто.
Из карбона сейчас делают лишь спорткары да концепты. К примеру, кузов концептуального родстера EcoRacer от VolksWagen практически целиком выполнен из карбона. Спортивный автомобиль с центральным расположением двигателя весит всего 850 кг и разгоняется до 100 км/ч за 6,3 с. На сотню тратит около 3,4 л.
В апреле этого года немецкий концерн Daimler и японская компания Toray Industries, крупнейший в мире производитель продукции из углепластика, объявили о заключении соглашения о совместной разработке и производстве карбоновых автомобильных деталей. Первой моделью, которая получит созданные в рамках этого партнерства элементы, станет Mercedes-Benz SL следующего поколения, появление которого запланировано на 2012 год.
Созданием карбонового «автомобиля для мегаполиса» увлечены и баварцы: разработкой таких автомобилей занимается подразделение BMW, образованное в 2008 году и получившее наименование . Совместно с SGL Group BMW построит завод на территории США по производству карбоновых автомобильных деталей.
Так что, несмотря на сложности, связанные с работой с лёгкими материалами, работы в этом направлении продолжаются.
К двадцатилетию родстера MX5 Mazda привезла на Франкфуртский автосалон этого года его облегчённую версию Superlight. Фото: Mazda Motors Europe |
Облегчённое настоящее и сверхлёгкое будущее
Если же говорить о ближайших проектах, можно вспомнить об обещании представителей Mazda Motor, объявивших о программе снижения веса: любой автомобиль, сошедший с конвейера Mazda в 2011 году и позднее, будет легче, по крайней мер на 100 кг, чем выпущенный сегодня.
Уменьшив массу авто на сотню, инженеры планируют улучшить топливную экономичность на 3–5%. Разумеется, не избежать в этом деле сложностей. Повышение топливной экономичности путём снижения веса угрожает снижением уровня безопасности. И потом — концепция Zoom-Zoom подразумевает всё-таки спортивный характер авто, который вступает в конфликт с идеей экономии топлива.
Лёгкие материалы обходятся дороже, поэтому представители компании говорят о медленном и планомерном снижении массы: уже следующее поколение автомобилей может потерять около семи сантиметров от общей длины — в основном за счёт уменьшения двигателя и более рационального использования пространства салона.
А если говорить о проектах обозримого будущего, можно отметить деятельность инжинирингового подразделения британской компании Lotus. Они поставили перед собой задачу — исходя из прогнозов развития автомобильной, химической и металлургической промышленности, создать авто, масса которого будет на 30% меньше нынешней при сохранении прежней стоимости. В качестве выбрали кроссовер Toyota Venza, а точкой отчёта стали 2017 и 2020 годы.
В силовой части конструкции нынешней Venza используют исключительно традиционную сталь. После того, как над машиной «поколдовали» специалисты из Lotus, от высокопрочной стали осталось лишь 7%. Остальное — лёгкие материалы: алюминий (37%), магний (30%), композиты (21%).
Обычный Toyota Venza был полностью разобран, каждую его деталь внимательно изучили и проанализировали, за счёт чего можно добиться снижения веса. В результате от четырёхсот деталей осталось лишь 211.
Перед конструкторами компании Lotus стояла задача: исходя из прогнозов развития автомобильной, химической и металлургической промышленности, создать авто на основе Toyota Venza, масса которого будет на 30% меньше нынешней при сохранении прежней стоимости. Они разработали два варианта: авто 2017 года и 2020-го. На фото вариант 2020 года. Фото: Group Lotus plc |
Шасси стало легче на 43%. В салоне вся «механика» была заменена на электронику (селектор коробки передач и ручной тормоз — теперь кнопки на сенсорном дисплее). Отказ от металлических креплений и специальная пена, из которой изготовлены сиденья, снизили вес кресел на 50%. В итоге версия 2017 года стала легче на 21%, а 2020 — на 38%. При этом вес двигателя остался тот же. Вполне вероятно, что и этот «орган» через десять лет похудеет, так что можно предположить, что Venza станет ещё легче. Разработчики особо подчеркнули, что снижения веса к указанным датам удастся добиться без повышения стоимости конструкции, то есть самого автомобиля, поскольку технологии станут значительно доступнее в течение ближайших лет.
Марат Хабибуллин, 28.09.2010
Новости партнёров