كاربرد مواد نوين در سبك سازي و ارتقاء ايمني بدنه خودرو

طراحی، ساخت و تولید > ساخت بدنه خودرو | BIW (Body in White Manufacturing)

كاربرد مواد نوين در سبك سازي و ارتقاء ايمني بدنه خودرو
رایگان
کد محصول: 79
استاد: کدافزار

می آموزیم:

كاربرد مواد نوين در سبك سازي و ارتقاء ايمني بدنه خودرو

كامران قانع

 

چکیده

درصنعت خودرو، خودرو از تعداد زيادي مواد ساخته شده است. از جمله: آهن، آلومينيوم، فولاد، شيشه، لاستيك، محصولات نفتي، مس و آلياژ هاي فولادي ... .

اين مواد در دهه هاي اخير بطور چشمگيري در راستاي افزايش قابليت ساخت، ايمني، پيچيدگي و سرآمدي، توسعه يافته اند. آنها بواسطه تكنولوژي هاي نوظهور ساليان اخير صنعت اتومبيل، تغيير كرده اند. و به طرق خلاقانه اي بكار گرفته شده اند. در اين مقاله سعي شده است اطلاعات سامان يافته اي از ابتدا تا كاربرد مواد نوين و مدرن در ساخت بدنه خودرو ارائه گردد.

مواد مدرن در ساخت اتومبيل تا حد امكان باعث سبك تر شدن خودرو، افزايش سرعت و قدرت خودرو و همچنين افزايش قابل ملاحظه ايمني خودرو كه با جان سرنشين ارتباط دارد، شده است. بعلاوه تحقيق و توسعه در زمينه مواد سبك وزن براي كاهش هزينه، افزايش قابليت بازيافت، فراهم نمودن يكپارچگي و صرفه اقتصادي سوخت خودروها، ضروري است.

سبك سازي وزن خودرو بدون كاهش استحكام و خصوصيات سرعت و قدرت، از چالشهاي حال حاضر و آينده صنعت خودرو مي باشد.

 

1- مقدمه

اتومبيل يكي از پر مصرف كننده ترين تركيب مواد در دنياست. [1] افزايش دوام و قابليت اطمينان عملكرد قطعات خودرو از مسائل مهم و مرتبط با علم مواد مي باشد. توسعه صنعت اتومبيل باعث افزايش الزامات كيفي و ايمني مواد بكار رفته در خودرو شده است. بعلاوه موجب خلق و كاربرد فرم هاي جديد مواد شده است. به همراه رشد الزامات منابع، رقابتي را بين سازندگان مواد مختلف شكل داده است كه منجر به پيشرفت در توسعه انواع مواد جديد و بهبود يافته كيفي شده است.

صنعت اتومبيل از آخرين نوآوري هاي توسعه يافته بهره مي گيرد كه منتج از دانش توسعه يافته و تكنولوژي هاي جديد مي باشد.

وقتي يك خودرو ساخته مي شود موضوع كاهش وزن از اهميت بالايي برخوردار است. وزن سبك از خصوصيات اصلي يك خودرو مي باشد. از جمله دلايل اهميت سبك بودن وزن خودرو مي توان به قابليت استفاده از موتور با قدرت پايين كه سوخت كمتري مصرف ميكند و مواد مضر كمتري در فضا منتشر مي كند اشاره كرد. بعلاوه اينرسي خودرو كاهش مي يابد كه اين موضوع در كاهش مصرف انرژي هنگام شتاب گيري و ترمزگرفتن در خودرو بسيار ضروري است.

سبك كردن وزن خودرو همچنن بار روي قطعات سيستم تعليق را كاهش مي دهد. كه موجب افزايش طول عمر قطعات مي شود[3].

كم كردن وزن خودرو بستگي به نياز ما به مواد جديد، سبك و با دوام دارد چرا كه معمولا گران قيمت و حتي در مواقعي پيچيده و بسيار سخت بدست مي آيند.

در هر صورت مواد سبك وزن موجب صرفه جويي در منابع طبيعي و در اثر مصرف كم مواد در ساخت كالاهاي مصرفي خواهد شد.

بيشتر از نصف حجم كل يك خودرو مدرن شامل آهن ريخته گري و قطعات فولادي است (55%) . و حدود 11% پلاستيك و در سومين رده آلياژهاي آلومينوم با 9% و لاستيك7% و شيشه حدود 3% و آلياژهاي غير آهني (منيزيوم ، مس و روي) از 1% تجاوز نمي كند. و ساير مواد (وارنيش ، رنگ و سيم هاي الكتريكي و مواد رويه حدود 13.5% مطابق شكل (1) مي باشد.

 

شکل 1- مواد مختلف بكار رفته در ساخت خودرو.

شکل 1- مواد مختلف بكار رفته در ساخت خودرو.

 

بطور سنتي فولادها و انواع آلياژ هاي فلزي در قطعات ساختاري خودرو بكار مي روند. فولاد استحكام و قابليت اطمينان بالايي دارد اما مستعد ضد زدگي و خوردگي مي باشد. و قطعاتي كه از آن ساخته مي شوند سنگين وزن هستند [4].

فولاد بدلايل ذيل مدت طولاني است كه در ساخت بدنه خودرو استفاده مي شود [5].

استحكام بالا

قابليت جذب انرزي بالا در هنگام تصادفات

قابليت ساخت

وزن كم بدنه خودرو

مقاوم به خوردگي

دوام بالا

 

2- مواد فولادي براي ساخت بدنه خودرو

گرچه مواد جديد در ساخت بدنه اتومبيل در ساليان اخير بكار رفته است ولي هنوز مواد فولادي نقش پر رنگي در ساخت بدنه خودرو دارند. يك خودرو مدرن بيشترين وزن خود را از مواد فولادي بكار رفته دارد و بطور متوسط در يك خودرو سواري حدود 1090 كيلوگرم را قطعات فولادي در برگرفته است و در يك خودرو SUV حدود 1360 كيلو گرم را فولاد تشكيل مي دهد.

صنعت اتومبيل بشدت به مواد فولادي وابسته است. همچنانكه در شكل (2) مشاهده مي شود.

 

شکل 2-  انواع مواد بكار رفته در ساخت بدنه خودرو.

شکل 2-  انواع مواد بكار رفته در ساخت بدنه خودرو.

شکل 2- انواع مواد بكار رفته در ساخت بدنه خودرو.

 

قطعات اصلي بدنه خودرو از فولاد ، آلياژ هاي آلومينوم ، پلاستيك و شيشه ساخته شده است. بعلاوه فوايد ورقه هاي فولادي كم كربن در ضخامت بين (mm0.65-2 ) به كاهش وزن اضافه بدنه خودرو و افزايش سختي و مقاومت بدنه منجر مي شود. اكثر بدنه هاي خودرو بدلايل زياد با ورقه هاي فولادي ساخته مي شوند كه از جمله آن دلايل [6]: استحكام بالا، قابليت فرم پذيري، امكانپذيري استخراج، قابليت جوشكاري و رنگ پذيري، طول عمر مناسب با استفاده از ضد زنگ مناسب و در نهايت هزينه رضايت بخش را مي توان اشاره كرد.

در جدول (1) انواع فولادهاي بكار فته در بدنه خودرو و كاربرد آنها ذكر شده است [7].

 

جدول 1- انواع ورقهاي فولادي در ساخت بدنه خودرو

جدول 1- انواع ورقهاي فولادي در ساخت بدنه خودرو ]7[.

 

ازميان آلياژ هاي فولادي بكار رفته در بدنه خودرو به شرح ذيل مي توان به انواع آنها اشاره كرد [2]:

Highly-plastic IF-steel,

محتوي كربن بسيار پايين (≤ 0.005 %), و كاملا تركيب شده با كاربايد و نيترايد و كربونيترايد.

 Steels(ВН-steel)

از مزاياي اين فولاد استحكام و قابليت رنگ پذيري مي باشد.

 Dual Phase (DP) steels

با ساختار فريت – مارتنزيت (يا فريت – باينيت) داراي خاصيت بالا، فريت نرم (تا 80%) خاصيت پلاستيك بالا نسبت به وضعيت اصلي اين فولاد فراهم ميكند.

Transformation Induced Plasticity (TRIP) steels

داراي ميكرو ساختار فريت ماتريكس پراكنده و در برگيرنده مارتزيت قوي و يا تركيب باينتيك.

 Complex Phase (CP) steels

Sheet steel containing 0.07 % , 0.6 % Si, 2.4 % Mn, has such typical properties of properties: σT = 710 N/mm2 , σB = 1 010 N/mm2 , δ5 = 14 %,

δр = 8 %.

 Martensitic (Mart) steels

مقاومت در حد 1500 N/mm2 را فراهم مي كند. فرآيند كوئينچينگ و تمپرينگ به جهت افزايش پلاستيسته و اطمينان از حد بالايي دفرمگي در حين قالب گيري روي اين فولاد قابل انجام مي باشد. و عمدتا در قطعات سخت بكار مي روند.قطعات ساخته شده از اين نوع فولاد از فرايند كششي و كوبشي بدست مي آيند ولي به جهت مستعد ترك بودن و بر گشت الاستيكي در سالهاي اخير بواسطه فرايند هاي تكنولوژي بالا از جمله پرس ورق گرم با سختي كاري در قالب توانسته اند بر آن محدوديت ها غالب آيند.

 high-strength steels of the new generation such as AHSS (advanced high-strength steels) and UHSS (ultra high-strength steels)

اين فولاد با حد تسليم (400 - 1200 N/mm2 ) با روشهاي هيدرو فرمينگ و جوشكاري ليزر براي ساخت قطعات بدنه خودرو استفاده مي شود. و بيشتر در قطعات ايمني خودرو مثل يالها و اعضاء سپر ها و ... بكار برده مي شود.

High-strength austenitic steels (σT ≥ 600 N/mm2 ) (Twinning Induced Plasticity – TWIP steels

داراي خاصيت پلاستيك بالا مي باشد و از شرايط منحصر به فرد آن وجود منگنز بالاي 30% و آلومينيويم تا 9% مي باشد كه بوسيله كريستال دوبل فراهم شده است.

 High-strength and super-plastic steels of a new generationfor lightweight structures (TRIPLEX-steels)

نسل جديد فولاد براي سبك سازي استراكچر بدنه خودرو كه بر پايه سيستم چهارگانه آهن Fe ، منيزيوم Mn ، آلومينيوم Al و كربن C ساخته شده است. و در آن الومينيوم حدود 12% و در برخي شرايط ويژه تا 14% وجود دارد و حد تسليم اين فولاد (800–1000 N/mm2 ) مي باشد كه قابليت عالي در كشش عميق دارد. استراكچر اين فولاد آستنيت ماتريكس مي باشد.

 Nano-structured hot-rolled steel NANOHITEN

اين فولاد توسط شركت (JFE Steel) توسعه يافته است. و حد تسليم بالاي (780 N/mm2 ) بر پايه استراكچر فريت مي باشد. ميكرو ساختار اين فولاد موجب كشش تا 25% را فراهم نموده است. و در استراكچر بدنه بويژه قطعات ايمني و براكت ها، محورها و قطعات شاسي بكار برده مي شود.

 

3- استفاده از آلياژ هاي آلومينيوم جهت كاهش وزن خودرو

آلياژ هاي آلومينيوم اخيرا در ساخت بدنه خودرو بكار گرفته شده اند [8]. البته اين ماده قبلا هم مطلوب خودرو سازان بوده و عوايدي بخاطر وزن سبك و عدم خوردگي براي آنها داشته است. با استفاده از آلياژ هاي آلومينيوم بدنه خودرو و بعضي قطعات سيستم تعلق و موتور ساخته شده است. معايب استفاده از آلومينيوم فرآيند پر زحمت اتصالات جوشكاري و هدايت لرزشي و صوتي بالا مي باشد. براي كاهش لرزش و صدا سازندگان از عايق هاي صداگير و ضد لرزش استفاده ميكنند كه تاثير بسزائي روي قيمت تمام شده دارد [5].

بدنه هاي آلومينيومي خودرو قبلا به سطح توليد انبوه رسيده اند، گرچه فقط روي مدل هاي گران قيمت و در برخي قطعات شاسي بجاي فولاد استفاده شده اند.

تلاشها در جهت كاهش وزن خودرو ادامه دارد و حتي وارد سطح جديدي در ارتباط با مطالبات سختگيرانه بهره وري و مسائل زيست محيطي شده است.

فوايد استفاده از آلومينيوم در ساخت بدنه خودرو:

امكان توليد قطعات با هر شكلي.

بدنه خودرو سبك تر از فولاد مي باشد حتي با استحكام مد نظر.

فرآيند ساخت قطعات ساده و بازيافت مشكل نيست.

مقاوم به خوردگي و فرآيند ساخت كم هزينه.

معايب استفاده از آلومينيوم در ساخت بدنه خودرو:

قابليت تعمير پايين.

نيازمند روشهاي گران قيمت در اتصال قطعات.

نيازمند تجهيزات خاص مي باشد.

مصرف مواد خيلي بالاتر مي باشد.

آلومينيوم جايگاه خود را در بين مواد جذاب و جالب كه داراي خواص مكانيكي بالا هستند هنوز دارد، با اينكه سبك هم مي باشد. شركت Audi آلومينوم جديدي را در توليداتش استفاده كرده كه قيمت را مناسب كرده است، البته نه اينكه همه قطعات بدنه را به آلومينيوم تغيير داده باشد . همچنين آنها از تركيب آلومينيوم و فولاد براي ارزان كردن قيمت خودرو استفاده كرده اند. سازندگان شركت BMW در سري پنجاه خودرو هاي خود قطعات جلوئي بدنه خودرو را كاملا از آلياژ هاي آلومينيوم ساخته اند و با فريم فولادي جوشكاري نموده اند.

از آلياژ هاي آلومينيوم در ساخت بدنه خودرو توسط شركت هاي سازنده اتومبيل مانند Rower ، Jaguar ، Audiو همچنين BMW استفاده شده است.

به يمن استفاده از آلومينيوم، خودرو ها سبك و ساده شده اند. و به سبب آن سرعت افزايش پيدا كرده و انتشار CO2 كاهش پيدا كرده است. علاوه بر اينكه اين ماده در آماج خوردگي قرار ندارد. و بخاطر داكتيليته عالي در تصادفات ضربه ها را دفع ميكند. اما حالت پلاستيسته اين ماده منجر به دفرمه شدن قطعات آلومينيومي حتي با ضربه هاي نه چندان جدي مي شود.

 

4- استفاده از پليمر مدرن و مواد كامپوزيتي در بدنه خودرو

در بدنه خودرو الكتريكي جديد BMW مدل i3 بطور گسترده از فيبر كربن ساخته شده است. كه باعث افزايش وزن باطري حدود 250 الي350 كيلو گرم شده است. در حقيقت بدنه اين خودرو از مواد مركب مصنوعي تقويت شده با فيبر كربن ساخته شده است. در ليست فني قطعات BMW يك ماده جديد بنام پلاستيك تقويت شده با فيبر كربن Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) وجود دارد كه بسيار با دوام وسبك اما گران قيمت مي باشد. بعضي كامپوزيت ها حاوي فيبر هاي كربن و ديگر فيبرها مثل فايبر گلاس هاي تقويت شده مي باشند.

بدنه خودرو با اين مواد 50% سبك تر از نمونه فولادي و 30% سبك تر از نمونه آلومينومي مي باشد. عناصر ساختاري مواد جديد به سادگي قابل تركيب با آلومينيوم و حتي با پنل هاي آلومينومي در بدنه مي باشد[9]..

هم اكنون فيبر كربن در خودرو هاي گران قيمت و مدلهاي اسپرت سبك استفاده مي شود. فرآيند ساخت بدنه ساير مدلهاي خودرو با فيبر كربن و مشتقات آن بسيار زمان بر مي باشد. بنابر اين اين روشها گران قيمت هستند. بهر حال مطالعه روي اين مواد باعث بهبود در تكنولوژي هاي ساخت و توليد قطعات بويژه كاهش زمان توليد خواهد شد.

قطعات پليمري غالبا در شكل توليدات ريخته گري ساخته مي شوند. و داراي مقاومت حرارتي بالايي، استحكام مكانيكي، ثبات ابعادي، و مقاومت به واكنش هاي شيمايي، مقاومت در برابر آتش و رطوبت، جرم حجمي ويژه پايين و ديگر خصوصيات مصرفي مي باشند.

شركت سويسي EMS-Chemie يك پليمر مناسب جهت سطوحي كه نيازمند فلز بود ساخته و جايگزين كرده است. اين نوع پليمر حتي در اتصال مركزي گيربكس جايگزين نمونه آلومينومي شده است. از خصوصيات اين پليمر ثبات اندازه و سايش آن با وجود فشار و دماي بالا، مي باشد.

كارشناسان خودرو پيش بيني كرده اند كه در سال 2040 نيمي از خودرو هايي كه از خط كانوايرخودرو سازها پياده مي شوند هيپريدي مي باشند. و بهر حال خودرو هيپريدي اولين مشكلش باطري آن مي باشد كه انرژي مورد نياز موتور الكتريكي را تامين ميكند و حتي با وجود باطري هاي ليتيومي توسعه يافته، بسيار سنگين و دشوار مي باشند. در اروپا يك گروه متشكل از 9 سازنده اتومبيل، اخيرا پنل هايي رو تست كرده اند كه خيلي سريعتر نسبت به باطري هاي معمولي انرژي را جمع و شارژ مي شوند. آنها از نوعي پليمر فيبر كربن و رزين ساخته شده اند. بعلاوه همچنانكه ذكر شد با استفاده از قطعات پليمري در بدنه خودرو هاي هيپريدي باعث سبك شدن وزن خودرو و توانايي استفاده از باطري هاي بيشتر خواهد شد.

.

5- نتیجه‏ گیری

امروزه استفاده از مواد نوين درساخت بدنه خودرو افزايش يافته است و صنعت خودرو در راستاي كسب رضايت مشتري هايي كه خواهان سرعت و ايمني خودرو هستند از پاي ننشسته و با توسعه و خلق راهكارهاي جديد درصدد كاهش وزن و افزايش ايمني خودرو با استفاده از مواد نوين مي باشد. و در سايه اين تلاشها رقابت ملي و بين المللي تنگاتنگي بين سازندگان خودرو شكل گرفته است. حركت در مسير بهره گيري از مواد نوين با توجه به چالشهاي پيش روي صنعت خودرو سازي از جمله مصرف بيش از حد منابع طبيعي، مشكلات زيست محيطي اجتناب ناپذير است.

 

این مقاله  توسط کامران قانع در اولین سمپوزیوم ساخت بدنه خودرو (BIW98) The First Symposium on Automotive Body In White manufacturingدر دانشگاه صنعتی شریف ارائه شده است.

 

مراجع

[1]. Shashank, M. (2016). Material Qualification in the Automotive Industry. Center for Automotive Research. Ann Arbor, pp. 1–24.

[2]. Prokhorova, T. V., Perhemlyi, I. F., & Kolesnikov, V. O. (2017). Materialy ta tekhnolohiyi v avtomobil’niy promyslovosti

[Materialsand Technologies in theAutomotiveIndustry]. Materials of the V International Scientific and Technical Internet

Conference “Problems and Prospects for the Development of Automobile Transport”. Vinnytsya, Ukraine, рр. 105–112 [in

Ukrainian].

[3]. What Materials are Used to Lightweight Cars? (2017). Trevor English, February 8, Blog, automotive, lightweighting, material.

Retrieved from http://manufacturinglounge.com/materials-used-lightweight-cars.

[4]. Steel Applications. Retrieved from https://www.thebalance.com/steel-applications-2340171.

[5]. Iz chego delayut kuzova avtomobiley? Retrieved from http://amastercar.ru/articles/body_of_car_3.shtml [in Russian].

[6]. Kuzovnoye materialovedeniye [Body Material Science]. Retrieved from https://www.autocentre.ua/opyt/tehnologii/kuzovnoematerialovedenie-

286800.html [in Russian].

[7]. Automotive steels for safe and lightweight cars. Retrieved from https://www.ssab.com/products/industries/automotive

[8]. Surappa, M. K. (2003). Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities. ADHANA, Vol. 28, Parts 1–2, 319–334.

[9]. Gribkov, A. A. (2013). Novyye materialy, primenyayemyye v avtomobil’noy promyshlennosti [New materials used in the automotive


راهنما  لطفا برای درج نظر و یا سوال به موارد زیر توجه کنید:

  • قبل از طرح پرسش  خود ، سوالات دیگر را مطالعه بفرمایید.
  •  کلمات فارسی  را فارسی و انگلیسی را انگلیسی بنویسید.
  •  سوالتان بدون ابهام  و کامل باشد.
  • اگر میخواهید عکسی را همراه سوال آپلود نمایید  میتوانید لینک آن را در متن بگذارید و یا از گزینه  ارسال تصویر  استفاده کنید.

 

برای ارسال نظر، باید وارد اکانت کاربری خود شوید و یا در سایت ثبت نام کنید

Google Analytics Alternative