Как инженеры облегчают автомобили и делают их экологичными

Если вы разрабатываете деталь для самолета, автомобиля… в общем, всего, что ускоряется, вы должны понимать роль массы в этом процессе. Это основы физики: F = m * a. Сила и, следовательно, энергия, необходимая для старта автомобиля, пропорциональна его массе. Источником энергии являются углеводороды или электричество, и уменьшение общей массы автомобиля всего на 10 кг позволит владельцу сэкономить на топливе 100 долларов на каждые 200 000 км пробега.

Это может быть несущественным для автовладельцев в США, которые пользуются относительно дешевой энергией и покупают новые автомобили по средней цене более 40 000 долларов. Однако автопроизводители должны соблюдать строгие и все более жесткие стандарты расхода топлива, которые могут дойти до 54,5 миль на галлон к 2025 году. Даже производители роскошных автомобилей стоимостью более 100 000 долларов и их клиенты, которых мало заботит стоимость заправки, должны обращать на это внимание. Например, флагман Mercedes-Benz S-класса гордится тем, что сел на диету и «сбросил 132 фунта» со своего веса в две с лишним тонны в 2021 году, в том числе благодаря использованию алюминия в панелях кузова и жестких боковых противоударных элементах.

История изменения Стандарта экономии топлива (Fuel Economy Standard) в журнале «Renewable and Sustainable Energy Review», 2014 г.). Основываясь на стандартах CAFE и Законе о чистом воздухе (США), к 2025 году для всех автопроизводителей была поставлена цель: 54,5 миль на галлон.

Такие высокие стандарты могут быть достигнуты за счет использования меньшего количества материалов (предлагаемая технология: генеративный дизайн), использования более легких материалов (например, замены стали алюминием и углеродным волокном) и оптимизации транспортных средств для снижения аэродинамического сопротивления (предлагаемая технология: CFD), а также других способов. Altair – одна из компаний, обладающая всеми этими технологиями, поэтому неудивительно, что она поощряет клиентов, которые наилучшим образом используют ее инструменты.

Уже девять лет Altair в партнерстве с Центром автомобильных исследований (Center for Automotive Research, CAR) вручает награду Enlighten Award компаниям, создающим облегченные модели автомобилей, а также добивается прогресса в области сокращения выбросов углекислого газа и потребления ресурсов за счет меньшего расхода энергии и воды, вторичной переработки сырья и т. д.).

Победители были официально объявлены на мероприятии Management Briefing Seminars, которое CAR проводил 4-5 августа в курорт-отеле Grand Traverse Resort в северном Мичигане.

Джеймс Скапа (James Scapa), основатель, председатель и генеральный директор Altair

«Премия Enlighten Award 2021 в очередной раз привлекает внимание к вдохновляющей работе автомобильных инженеров во всем мире. Сейчас, как никогда ранее, экологичность и сокращение выбросов являются критическими проблемами не только для автомобильного сектора, но и для общества в целом», – сказал Джеймс Скапа, основатель, председатель и генеральный директор Altair.

Премия Enlighten Award была присуждена компании Ford за смелую попытку дать Мустангу, самому известному американскому хот-роду, новую жизнь в качестве полностью электрического внедорожника. Ford Mustang Mach-E 2021 года не только не выделяет углекислый газ, но и не нуждается в убийстве животных. Интерьер «100% веганский», модели с кожаным салоном не предусмотрено.

Веганский экземпляр. Совершенно новый, полностью электрический Ford Mustang, теперь в форме внедорожника, не использует кожу для отделки салона (изображение Ford Motor Company)

Компания Magna International была удостоена награды в категории «Лучший экологичный продукт-компонент» за активный воздушный дефлектор RAM 1500 и жалюзи для решеток радиатора 2019 года, в которых используется легкий, на 78 процентов перерабатываемый пластик. Кроме того, конструкция решетки снижает лобовое сопротивление на 9 процентов. В целом, по данным Altair, использование аэродинамической продукции в RAM 1500 привело к сокращению выбросов углекислого газа на 642 тысячи тонн за последние шесть лет.

Компания Magna International получила приз в категории «Лучший экологичный продукт-компонент» за активный воздушный дефлектор RAM 1500 и жалюзи решетки (изображение Altair)

Второе место в категории «Лучший экологичный продукт-компонент» занял Wuling Victory, компактный минивэн-универсал, производимый в Китае. Вес Victory удалось снизить на 61,5 кг, а расход топлива – на 0,2 л/100 км за счет использования сверхвысокопрочной стали и процесса горячей штамповки.

Среднеразмерный минивэн Wuling Victory (изображение Carscoops)

Победителем в категории «Экологичный процесс» стал полипропиленовый компаунд NAFILean Stiff от компании Faurecia, который на 20% состоит из материалов биологического происхождения и на 100% пригоден для вторичной переработки. Это новейший пластик в портфеле продуктов NAFILean, который существует с 2013 года и используется в 17 серийных моделях и в общей сложности в 14 миллионах автомобилей. Снижая вес на 21 процент, он, по расчетам Altair, позволит сократить выбросы CO2 на 100 000 тонн для автомобиля с пробегом 15 000 км в год в течение 10 лет.

NAFILean от Faurecia используется для производства легких и экологичных автомобильных запчастей (изображение Faurecia)

Второе место в категории «Экологичный процесс» заняла технология обработки металла PALLUMINA компании Henkel, которая использовалась при производстве пикапов Toyota Tacoma и Tundra 2021 года. PALLUMINA исключает использование фосфатов тяжелых металлов, сокращает образование осадка на 90 процентов, а также потребляет на 50 процентов меньше воды.

Компания Stellantis стала победителем в категории «Облегчение модулей» за облегченное композитное армирование тоннелей, используемое в Jeep Grand Cherokee 2021 года. Композитная деталь, предназначенная для выдерживания критических нагрузок, на 40 процентов легче детали, которую она заменяет. Общая экономия веса детали и ее узла составляет 2,08 кг для каждого автомобиля.

Второе место в категории «Облегчение модулей» заняла новая разработка Rassini – «гибридная» пластинчатая подвеска из нескольких материалов, в которой используются стеклопластик (GFRP) и пропитка под высоким давлением (HP-RTM), что позволило уменьшить вес на 30% по сравнению с предыдущими версиями продукта. Потребность в облегченных пластинчатых подвесках в сборе, которые широко используются в легких грузовиках, а также средних и тяжелых грузовых автомобилях, может достигать 9 миллионов экземпляров ежегодно.

Композитная пластинчатая подвеска Rassini (изображение Rassini)

Компания ArcelorMittal была объявлена победителем в категории «Технология снижения веса» за «сталь нового поколения» Fortiform 980GI, которая, по утверждению разработчиков, сочетает в себе высокую пластичность для изготовления сложных форм с высокой прочностью, что позволяет снизить вес до 20 процентов.

Победитель в категории «Технология снижения веса»: сталь Fortiform 980GI Next Generation от ArcelorMittal сочетает в себе высокую пластичность для изготовления сложных форм большей прочности для повышения безопасности и предполагает потенциальную экономию веса до 20 процентов (изображение Altair)

Второе место в категории «Технология снижения веса» занял JAC Group SOL A5, загадочный (изображения не найдены) спорткар в стиле фастбэк. Компания разработала интегрированный, многопрофильный процесс моделирования/проектирования конструкции кузова, который оценивает безопасность, шум, вибрацию, жесткость и усталость. В результате вес SOL A5 был снижен на 106,3 кг.

Компания U.S. Steel получила почетную награду за кузов, подготовленный к окраске (body-in-white), в котором используется сталь 980 XG3 Gen3 AHSS. Компания утверждает, что материал сочетает в себе прочность и формуемость без ущерба для свариваемости. Новая сталь может обеспечить снижение веса примерно на 10 процентов.

Победителем в категории «Будущее снижения веса» стала компания American Axle & Manufacturing, создавшая блок электропривода (eDU), который более чем на 25 процентов легче своих конкурентов за счет интеграции электродвигателя, коробки передач и инвертора в одном блоке.

Блок электрического привода (eDU) компании American Axle & Manufacturing экономит более 25 процентов массы по сравнению с аналогичными устройствами, существующими на рынке, и демонстрирует более высокое соотношение мощности и веса, чем продукты конкурентов (изображение Altair)

Второе место в этой категории заняла Shiloh Industries с «первой в отрасли алюминиевой криволинейной заготовкой, выполненной лазерной сваркой». Это решение предлагает одну деталь и одну штамповку взамен четырех деталей в предыдущей конструкции. Такая заготовка с лазерной сваркой, используемая в подъемных устройствах, позволяет снизить вес на 16% и сэкономить 5,3 кг на один автомобиль. Altair посчитал, что это сократит потребление алюминия на 3 миллиона килограммов в год, исходя из объема производства 300 000 автомобилей. Производители транспортных средств при этом сэкономят 18 долларов на один автомобиль, что очень важно для отрасли, которая измеряет экономию в копейках за деталь.

Почетную награду получила Dura Automotive Systems за батарейный поддон Dura Modular EV Battery Tray. Модульная и масштабируемая конструкция позволяет применять его для различных транспортных средств. Батарейный поддон новой конструкции на 10 процентов легче и обеспечит сокращение выбросов CO² на 3,8 тонны в течение всего срока службы автомобиля.