Кузова: алюминий или сталь? Борьба за место под солнцем

Производителей алюминиевых кузовов становится все больше. Но сталелитейщики не собираются сдавать свои позиции в автомобилестроении и объединяются, чтобы противостоять алюминиевой промышленности.

Производителей алюминиевых кузовов становится все больше. Но сталелитейщики не собираются сдавать свои позиции в автомобилестроении и объединяются, чтобы противостоять алюминиевой промышленности.

Начало серийного производства машин с алюминиевыми кузовами (Honda NSX, Audi A8 и А2, Jaguar XJ) пошатнуло монополию стали как основного материала автостроения. Сталелитейщики, ранее не принимавшие непосредственного участия в создании новых моделей, всерьез задумались над тем, к чему приведет увеличение использования алюминиевых сплавов в конструкции автомобиля и что может произойти с их прибылями, если применение стали в автомобилестроении уменьшится.

Заметим, что в 1990 году автопромышленность потребляла каждую 25-ю тонну выплавленной стали. В 2003 году в мире было произведено 800 млн. тонн стали. При этом автопром использовал 38,688 млн. тонн. И если тонна холоднокатаной стали стоит $400, то автопроизводители потратили на нее $15,5 млрд. А эта сумма является достаточно лакомым куском для сталелитейщиков, и упустить ее из рук они явно не захотят.

Стальные мускулы ULSAB

Угроза потерять автомобильный рынок показалась сталелитейщикам вполне реальной. После недолгих переговоров в 1994 году 33 гиганта со всех континентов, в том числе Nippon steel и Kobe steel (Япония), Voest-Alpine Stahl Linz GmbH (Австрия), Hoogovens Staal B.V. (Нидерланды), Thyssen Krupp Stahl AG (Германия), Betlehem Steel и Dofasco Inc (США) вложили деньги в программу ULSAB (Ultra light steel auto body – сверхлегкий стальной автомобильный кузов), направленную на создание легкого стального кузова.

Главной целью программы было найти пути повышения устойчивости конструкции кузова к ударным нагрузкам при одновременном снижении общего веса автомобиля. Дополнительно выдвигалось условие сохранения цены на приемлемом для покупателя уровне.

В качестве новых материалов инженеры решили использовать новейшие сорта листовой стали, которую можно условно разделить на три класса: упрочняющаяся при термической обработке, легированная и микролегированная, сваренная по шаблону (Tailored Blanks).

К классу упрочняющейся при термообработке относится:

так называемая двухфазная сталь DP (например, DP600), у которой временное сопротивление на разрыв может доходить до 800 МПа, что в среднем в 1,5 раза выше, чем у высокопрочных алюминиевых сплавов;

сталь с высокой пластичностью типа TRIP (например, TRIP 700, TRIP 590), которую можно подвергать различным видам термомеханической обработки. Это позволило целенаправленно «программировать» металл либо на обеспечение наилучшей формуемости при производстве сложных деталей, либо на получение максимальной прочности, определяющей способность стали поглощать энергию удара.

Ко второму классу материалов относится хорошо зарекомендовавшая себя микролегированная сталь типа CP (например, CPW800), содержащая те же элементы, что и TRIP. Повышенная прочность этих материалов достигается за счет дополнительного легирования ниобием, титаном и (или) ванадием. Временное сопротивление на разрыв у стали этого класса может достигать 1000 МПа (у обычной – 300 – 400 МПа).

Термин Tailored blanks в переводе на русский язык означает «сваренные по шаблону листовые заготовки». Суть этой технологии заключается в том, что перед штамповкой стальные листы необходимой толщины и качества свариваются встык. И только после этого лист металла поступает на этап изготовления детали – штамповку или гидроформинг. Это позволяет использовать улучшенные свойства стали именно там, где необходимо. Там, где требования к свойствам невысоки, используется утонченный металл (для уменьшения массы) или без каких-либо особых свойств (для снижения стоимости). Дополнительными преимуществами этого класса материалов являются уменьшение количества деталей, повышение их точности, сокращение длительности изготовления и вытекающее из этого снижение затрат.

К новым технологиям, используемым при производстве кузовов, следует отнести в первую очередь сварку с применением лазерного луча, которая до сих пор не получала широкого распространения в автомобилестроении. Стоит отметить, что прочность соединений, полученных методом точечной сварки, недостаточная, и прежде всего это проявляется при неравномерных нагрузках и колебаниях. При лазерной сварке такие проблемы не возникают. Она обеспечивает повышение жесткости конструкции и коррозионной стойкости соединений, дает возможность встык «связывать» детали из стальных листов разной толщины и качества. Кроме того, эта технология позволяет уменьшить количество деталей кузова, поскольку нет потребности предусматривать доступ для второго электрода контактной сварки.

Еще одной технологической новинкой программы ULSAB является использование гидропрессования (гидроформинга), которое позволяет изготавливать из труб полые каркасы чрезвычайно сложных форм. Суть метода заключается в следующем. В заготовку под высоким давлением закачивается жидкость, которая заполняет полость и выдавливает металл до формы матрицы. По сравнению с традиционным способом этот обеспечивает высокую точность соблюдения размеров и уменьшение количества деталей.

Участие Porsche

Воплощать в жизнь программу ULSAB тридцать металлургических предприятий из пятнадцати стран поручили компании Porsche, а точнее, ее дочернему предприятию Porsche Engineering Services в США. Первый этап работ был закончен в марте 1998 года, когда Porsche Engineering представила спонсорам программы два кузова – трехдверный хэтчбэк и четырехдверный седан С-классов массой соответственно 183 и 203 кг, которые на 90% состояли из высокопрочной стали. Эти же кузова из обычной стали весят 225 кг и 250 кг соответственно.

Казалось бы, программа успешно продвигается, и 22 миллиона «стальных» долларов потрачены не зря. Используя эти технологии, фирма Porsche обновила свою модель Carrera, подогнав ее характеристики под существующие требования безопасности, модернизировала Boxter и создала внедорожник Cayenne. На 65% каркас кузова последнего состоит из высокопрочной стали, а элементы крыши соединены лазерной сваркой. Значительного повышения статической и динамической прочности в этом автомобиле достигли путем комбинирования точечной сварки и склеивания. Необшитый и неокрашенный кузов Cayenne весит всего 392 кг, а это очень мало для машины такого класса.

Тем не менее, это был только первый этап борьбы сталелитейщиков за место под солнцем.

Очередные программы

Кузов, даже если он уже воплощен в металле, еще не автомобиль. Понимая это, участники ULSAB приступили к реализации следующей программы ULSAB-AVC, направленной на создание автомобиля, который:

соответствует всем требованиям безопасности как по американской версии US NCAP, так и по европейской EuroNCAP за счет использования высокопрочной стали и оптимальной конструкции кузова;

имеет пониженный расход топлива и, соответственно, меньшее количество вредных выбросов за счет уменьшения массы;

выполнен из наиболее просто возвращаемых в производство материалов (подразумевается, что сталь легче всего утилизировать);

может быть запущен в массовое производство по приемлемой цене.

К реализации этой программы инженеры Porsche тоже подошли с исключительной серьезностью. А поскольку стало ясно, что изменением только конструкции кузова добиться высоких результатов не удастся, задействовали еще две дополнительные программы, направленные на снижение массы навесных элементов – дверей, капота, люков и т. д. (ULSAC – Ultra Light Steel Auto Closures) и на облегчение деталей подвески (ULSAS – Ultra Light Steel Auto Suspension).

В результате такого широкомасштабного «наступления» были разработаны две модели: двухдверный хэтчбек и четырехдверный седан. Правда, ныне оба авто существуют лишь в виртуальной реальности – в виде компьютерных моделей. По результатам реализации всех трех перечисленных проектов инженеры Porsche подготовили отчет, в котором была названа себестоимость четырехдверного седана: дизельная версия будет стоить $10200, а бензиновая – $9500.

Благодаря всем этим разработкам производители стали получили мощный стимул для наращивания производства высококачественного материала, а автомобилестроители начали внедрять новые технологии прессования и сварки.

Что же лучше?

Может сложиться впечатление, что все достижения Audi, Honda и других автопроизводителей, создающих модели с пространственной алюминиевой рамой, идут насмарку и сталь вновь занимает лидирующие позиции в автомобилестроении.

Из сугубо экономических соображений ныне ни один «конкурирующий» материал, такой как алюминий или пластик, не может сравниться со сталью. Тонна первичного алюминия ($1700) в среднем в 3,5 раза дороже тонны холоднокатаной стали ($400). Расход электроэнергии при производстве алюминия на порядок выше, чем при выплавке стали (160 – 240 и 10 – 18 МДж/кг соответственно). При этом необходимо учитывать, что сталь является самым легко перерабатываемым материалом.

Однако с использованием современных высокопрочных алюминиевых сплавов можно создать корпус машины, по жесткости превосходящий стальной. А автомобиль с новыми конструктивными элементами, такими как выполненные с применением пеноалюминия ударопоглотители, будет способен выдержать самые суровые краш-тесты. При этом общая масса среднестатистической машины может быть снижена с 1229 до 785 кг, что, в свою очередь, приведет к снижению расхода топлива с 7,5 до 4,8 л/100 км. Если же при постройке автомобиля будут использованы вторичные сплавы, полученные из лома и отходов, расход электроэнергии при производстве которых практически сравним с затратами для выплавки стали (12 – 20 МДж/кг), то цена машины может остаться на прежнем уровне.

Таким образом, использование стали и/или алюминия зависит только от наличия перспективных разработок, а также личных симпатий инженеров к тому или иному материалу.

Один из последних «ответных ударов» производителям алюминия сделали инженеры немецкого концерна Thyssen-Krupp Stahl AG. Они представили миру минивэн Opel Zafira, кузов которого сделан по новой технологии New Steel Body (NSB). Он представляет собой каркасно-панельную конструкцию – пространственный каркас из стальных труб с навешенными на него штампованными панелями. Трубы с переменным сечением изготовлены по методу гидроформинга, а у панелей нет традиционных отбортовок. Новый кузов на 77 кг (на 24%) легче и на 12% жестче на кручение, чем серийные стальные. А вот себестоимость такой конструкции повысилась всего на 2%.

Константин Михаленков
Фото фирм-производителей и Auto&technik

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник https://www.autocentre.ua/ua/opyt/tehnologii/kuzova-alyuminiy-ili-stal-borba-za-mesto-pod-solntsem-290902.html
Источник