ما الذي يمكّن السيارات من السفر لمسافات أبعد على طريق الحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات؟ قد تكمن الإجابة في ثلاث مواد رئيسية تشكل المركبات الحديثة. من ولادة طراز فورد T إلى سيارات الطاقة الجديدة المزدهرة اليوم، لا يزال الابتكار في المواد هو المحرك الأساسي لتقدم صناعة السيارات. تركز هذه المقالة على تخفيف وزن السيارة، وفحص أدوار الفولاذ والألومنيوم والبلاستيك في تصميم هيكل السيارة مع تحليل المواد ذات الصلة وتقنيات المعالجة.
في موجة الابتكار التكنولوجي المستمر في مجال السيارات، تلعب المواد دورًا حاسمًا. كأساس للتصنيع، فقط من خلال تقنيات المعالجة المتطورة يمكن تحويل المواد إلى مكونات سيارات وظيفية. تتكون السيارة التقليدية ذات محرك الاحتراق الداخلي عادةً من عشرات الآلاف من الأجزاء. لتعزيز وظائف المكونات وتحسين كفاءة استهلاك الوقود، يستمر الطلب الصناعي على المواد المتقدمة في النمو، مما يدفع إلى ظهور حلول جديدة للمواد.
وفقًا لبيانات المسح المبكرة من جمعية مصنعي السيارات اليابانية (JAMA)، خضعت نسبة تكوين مواد السيارات لتغييرات منذ أزمة النفط. شهدت المواد الفولاذية - بما في ذلك الألواح الفولاذية والفولاذ الهيكلي والفولاذ المقاوم للصدأ والحديد الزهر - انخفاضًا طفيفًا في نسبتها من حوالي 80٪ إلى ما يقرب من 70٪. ومع ذلك، لا يزال الفولاذ هو المادة المهيمنة في صناعة السيارات. في غضون ذلك، أظهر استخدام الألومنيوم والبلاستيك اتجاهًا تصاعديًا، حيث يمثل الألومنيوم والمعادن غير الحديدية الأخرى حوالي 8٪، ويصل البلاستيك إلى مستويات مماثلة. على الرغم من أن بيانات JAMA لا تمتد إلا حتى عام 2001، تشير تقديرات الصناعة إلى أن البلاستيك يشكل الآن ما يقرب من 10٪ من مواد السيارات. ينبع هذا التحول في تكوين المواد إلى حد كبير من اعتبارات تخفيف الوزن، والتي يتم تحقيقها في المقام الأول عن طريق استبدال الفولاذ التقليدي ببدائل الألومنيوم والبلاستيك.
وبالتالي، يشكل الفولاذ والألومنيوم والبلاستيك الركائز الثلاث للمواد الهيكلية للسيارات. بالطبع، يمتد تكوين السيارة إلى ما هو أبعد من هذه المواد الثلاث - المطاط للإطارات، والزجاج الأمان للزجاج الأمامي، والسيراميك لأجهزة الاستشعار، والبلاتين للمحولات الحفازة، وكلها بمثابة مكونات أساسية. إن التطبيق الشامل لهذه المواد يجعل السيارات الحديثة ممكنة، بينما يدفع تطوير السيارات في نفس الوقت إلى تحسين المواد الموجودة والبحث عن مواد جديدة.
خلال الثمانينيات، اكتسبت المواد الخزفية الاهتمام باعتبارها "المادة الثالثة" بعد المعادن والبلاستيك، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى مقاومتها الفائقة لدرجات الحرارة المرتفعة مقارنة بسبائك المعادن. ظهر ابتكار رائد في عام 1985 عندما قام طراز Fairlady Z من نيسان بدمج دوار شاحن توربيني من السيراميك من نيتريد السيليكون. بكثافة تبلغ 3.2 جم / سم مكعب فقط - أقل بكثير من سبيكة إنكونيل (8.5 جم / سم مكعب) المستخدمة عادة لشفرات التوربينات في ذلك الوقت - قللت هذه المادة بشكل كبير من وزن الدوار وحسنت استجابة المحرك.
خضعت صمامات محرك السيراميك من نيتريد السيليكون أيضًا لبحث مكثف ووصلت إلى مراحل الاختبار الأولي. برزت تقنية الطحن لهذه المادة عالية الصلابة - وخاصةً مراقبة الجودة الفعالة من حيث التكلفة - كتحد فني حاسم، مما يسلط الضوء مرة أخرى على أهمية تقنيات معالجة المواد. تلعب السيراميك أيضًا أدوارًا حيوية في التطبيقات البيئية: سيراميك الزركونيا في مستشعرات الأكسجين في سيارات البنزين، وسيراميك الكورديريت في ركائز المحولات الحفازة، وسيراميك كربيد السيليكون في مرشحات الجسيمات الديزل (DPFs) لتنقية العادم.
تلتقط DPFs، التي تم تطبيقها لأول مرة في سيارة بيجو 607 عام 2000، المواد الجسيمية (PM) من عادم الديزل باستخدام هياكل قرص العسل ذات الجدران المسامية. تتطلب هذه التقنية تحكمًا دقيقًا في أبعاد المسام الدقيقة وتقنيات معالجة قرص العسل المتقدمة. يزن وحدة DPF النموذجية للسيارات حوالي 3-6 كجم، مما يزيد حتمًا من الوزن الإجمالي للسيارة.
يهدف تخفيف وزن السيارة في المقام الأول إلى تقليل استهلاك الوقود وتعزيز الأداء الديناميكي. في ظل الضغوط البيئية المتزايدة، أصبحت تحسينات كفاءة استهلاك الوقود بالغة الأهمية بشكل خاص. توجد مناهج متعددة لتحقيق انخفاض استهلاك الوقود - بما في ذلك تحسين احتراق المحرك، وتقليل خسائر الاحتكاك، وتحسين كفاءة نقل الطاقة، وتقليل مقاومة الديناميكية الهوائية والتدحرج، وتقليل وزن السيارة. من بين هذه التدابير، يعتبر تخفيف الوزن أحد أهم التدابير. نظرًا لأن الهيكل يشكل أثقل مكون في السيارة، فإن تخفيف وزن الهيكل يثبت أنه ضروري للاقتصاد في استهلاك الوقود. بالنسبة للسيارات الكهربائية، يمتد تقليل الوزن بالإضافة إلى ذلك إلى نطاق القيادة.
ضع في اعتبارك سيارة سيدان للركاب سعة 2.0 لتر بوزن فارغ يبلغ 1214 كجم: يزن هيكلها الفولاذي 343 كجم، ويتكون من هيكل أبيض (إطار هيكلي) يزن 261 كجم بالإضافة إلى 82 كجم للأبواب وغطاء المحرك. وبالتالي، يمثل الهيكل حوالي 30٪ من إجمالي وزن السيارة. بالمقارنة، يزن المحرك 141 كجم، بما في ذلك كتلة أسطوانة حديدية زهر تزن 41 كجم. يؤدي استبدال هذا بالألومنيوم إلى تقليل الوزن بمقدار 15 كجم - وهو مثال كلاسيكي على استبدال المواد لتخفيف الوزن.
يوفر تصغير المكونات نهجًا آخر مهمًا لتخفيف الوزن. لا يؤدي تقليل أحجام مكونات المحرك وفتحة المحرك إلى توسيع مساحة المقصورة فحسب، بل يزيد أيضًا من مناطق عازلة التصادم، مما يحسن سلامة الاصطدام. يعمل التصغير أيضًا على تحسين مرونة تصميم الهيكل. على سبيل المثال، تتميز السيارة الحديثة خفيفة الوزن (الوزن الفارغ 718 كجم) بهيكل يزن 206 كجم - مع الحفاظ على نسبة وزن الهيكل إلى السيارة مماثلة لسيارة السيدان سعة 2.0 لتر (انظر الجدول 1).
| نوع السيارة | الوزن الفارغ (كجم) | وزن الهيكل (كجم) | نسبة وزن الهيكل |
|---|---|---|---|
| سيارة سيدان 2.0 لتر | 1214 | 343 | ~30% |
| مركبة خفيفة الوزن | 718 | 206 | ~29% |
تمثل هياكل السيارات بعضًا من أكبر وأكثر الهياكل تعقيدًا في السيارة، مما يجعلها أهدافًا رئيسية لتخفيف الوزن. يجب أن يلبي تصميم الهيكل متطلبات أداء متعددة - بما في ذلك القوة والصلابة والمتانة ومقاومة التآكل وأداء NVH (الضوضاء والاهتزاز والقسوة) وسلامة الاصطدام - دون المساس بجهود تقليل الوزن.
يعمل الفولاذ عالي القوة (HSS) كمادة أساسية لتخفيف الوزن. من خلال زيادة قوة الفولاذ، يمكن للمصنعين تقليل استخدام المواد دون التضحية بالأداء الهيكلي. تتميز أنواع الفولاذ عالية القوة المتقدمة (AHSS) - بما في ذلك الفولاذ ثنائي الطور (DP) والفولاذ المحول بالمرونة (TRIP) والفولاذ المركب الطور (CP) والفولاذ المارتينسيتي (MS) - بتطبيقات السيارات المتزايدة الانتشار. توفر هذه المواد قوة أعلى وقابلية تشكيل أفضل لهياكل أكثر خفة وأمانًا.
يستخدم أحدث طراز لشركة صناعة سيارات واحدة AHSS على نطاق واسع لتقليل وزن الهيكل بنسبة 15٪ مع تحسين الصلابة وسلامة الاصطدام. يستخدم الفولاذ المشكل على الساخن أيضًا بشكل شائع لتقوية المكونات الهيكلية الهامة مثل الأعمدة A والأعمدة B لتعزيز مقاومة الاصطدام.
توفر سبائك الألومنيوم حلاً آخر مهمًا لتخفيف الوزن. مع كثافة تبلغ حوالي ثلث كثافة الفولاذ، يقلل استبدال الألومنيوم بشكل كبير من وزن الهيكل. تسهل قابلية تشكيل الألومنيوم الممتازة ومقاومته للتآكل عمليات التصنيع. تشمل التطبيقات الحالية ألواح الهيكل والمكونات الهيكلية وأنظمة التعليق وأجزاء المحرك.
تجسد سيارة أودي A8 بناء هيكل من الألومنيوم بالكامل، مما يحقق تخفيضًا في الوزن بنسبة 40٪ تقريبًا مقارنة بهياكل الفولاذ التقليدية. تستخدم سيارة تسلا موديل S أيضًا الألومنيوم على نطاق واسع لتقليل الوزن وإطالة المدى.
توفر المواد البلاستيكية والمركبات مسارات إضافية لتخفيف الوزن. تتيح كثافتها المنخفضة بشكل كبير مقابل المعادن توفيرًا كبيرًا في الوزن، بينما تناسب مرونة التصميم الممتازة ومقاومة التآكل المكونات ذات الأشكال المعقدة. تشمل التطبيقات الحالية المصدات وواقيات الطين وألواح تزيين الأبواب ولوحات العدادات.
تمثل مركبات ألياف الكربون مواد خفيفة الوزن عالية الأداء تتمتع بقوة وصلابة استثنائية. على الرغم من ارتفاع التكاليف، يستمر استخدامها في السيارات الفاخرة مثل سيارات BMW i3 و i8 في التوسع.
يشكل تخفيف وزن السيارات تحديًا هندسيًا منهجيًا يتطلب تقدمًا منسقًا في المواد والتصميم والتصنيع. مع تقدم التقنيات، ستصبح المركبات المستقبلية أخف وزنًا وأكثر كفاءة وأكثر استدامة بيئيًا.
