معادله اقتصاد-Fuel

فیزیک پشت مصرف سوخت در کامیون های سنگین ساده است: یک وسیله نقلیه سنگین تر نیاز به انرژی بیشتری برای سرعت، حفظ سرعت و غلبه بر مقاومت در برابر نورد است، هر کیلوگرم از توده برداشته شده از یک کامیون می تواند صرفه جویی قابل اندازه گیری سوخت در طول عمر عملیاتی خود را به گفته وزارت انرژی ایالات متحده، کاهش وزن کامیون سنگین کار با 10٪ می تواند اقتصاد سوخت را تقریباً 6٪ بهبود بخشد - با افزایش مستقیم سوخت به صرفه جویی در هزینه های عملیاتی، به معنای 30٪.

فراتر از اقتصاد، فشار نظارتی سرعت بخشیدن به سبک سازی است. استانداردهای حفاظت از محیط زیست ایالات متحده در مرحله 2 گاز، همراه با الزامات مشابه در اروپا و آسیا، نیاز به کاهش قابل توجهی در انتشار CO2 از وسایل نقلیه تجاری است.

طراحی کامیون پیشرفته مواد Reshaping

طیف وسیعی از مواد نوآورانه در حال حاضر رقابت برای جایگزینی اجزای سنتی فولاد سنگین است.هر ارائه می دهد معاملات منحصر به فرد در میان وزن، قدرت، هزینه و Manurealurability.

پلیمرهای گرد کربن (CFRP)

کامپوزیت های CFRP سفت و قدرت استثنایی را در کسری از وزن فولاد ارائه می دهند - اغلب 50٪ سبک تر از آلومینیوم و 70٪ سبک تر از فولاد است.در کامیون سازی، CFRP در حال پیدا کردن راه خود را به ساختارهای کابین، کلاه های معلق، و حتی شفت درایو است.

مانع اصلی همچنان هزینه دارد: مواد خام CFRP پنج تا ده برابر گران تر از فولاد هستند، اما قرار دادن فیبر خودکار و سیستم های اپوکسی سریع به تدریج کاهش زمان چرخه و نرخ های ضایعات، CFRP از نظر اقتصادی برای انتخاب قطعات کامیون با حجم بالا قابل استفاده است.

آلومینیوم آلیاژ

آلومینیوم برای دهه ها یک اصل سبک وزن در کامیون ها بوده است، به ویژه در قالب 5xxx و 6xxx آلیاژ سری.این ماده کاهش وزن 40 تا 60٪ در مقایسه با فولاد را در حالی که مقاومت در برابر خوردگی عالی و قابلیت بازیافت آلومینیوم در حال حاضر در بسیاری از کابین های کامیون، مخازن سوخت، چرخ ها و متقاطع استاندارد است.

پیشرفت های اخیر شامل آلیاژهای سری 7xxx با قدرت بالا (مانند 7075) است که به قدرت فولاد نزدیک می شوند، قادر به تخلیه سبک تر اما به همان اندازه قوی و اجزای فرمان. علاوه بر این، آلیاژهای آلومینیوم-lithium مورد استفاده در هوافضا برای کابین کامیون ها ارزیابی می شوند و تا 10٪ صرفه جویی در وزن بیشتر در آلومینیوم معمولی ارائه می دهند.

فولادهای پیشرفته (AHSS)

به جای جایگزینی کامل فولاد، دانشمندان مواد نمرات AHSS را توسعه داده اند که قدرت بسیار بالاتری را با حداقل مجازات وزن ارائه می دهند. فاز دوگانه، پلاستیک ناشی از تحول (TRIP) و فولادهای پلاستیکی ناشی از تولید مجدد (TWIP) اجازه می دهد تا مهندسان قطعات زیر مجموعه را کاهش دهند - استفاده از قطعات نازک در حالی که حفظ ایمنی و خستگی زندگی است.AS به ویژه در مناطق حساس به صرفه و عبور از راه آهن.

آلیاژهای منیزیم

منیزیم سبک ترین فلز ساختاری (33٪ سبک تر از آلومینیوم)، آن را جذاب برای اجزای داخلی، مسکن های انتقال و ساختارهای براکت است، با این حال، قابلیت شکل گیری محدود، خطر خوردگی گالوانیزه و هزینه بالا استفاده از آن را محدود کرده است.

کامپوزیت های پلیمری و فیبرهای طبیعی

پلیمرهای ضد فیبر شیشه ای (GFRP) یک جایگزین ارزان قیمت برای CFRP برای قطعات غیر ساختاری یا نیمه ساختاری مانند پانل های زیر بدن، deflectors هوا و کامپوزیت های داخلی را فراهم می کنند (به عنوان مثال، کانف، فلاکس و جوت) نیز به دلیل نسبت فولادهای داخلی و چگالی پایین آن ها در حال حاضر استفاده می شوند.

کاهش وزن در سراسر کامیون

سبک وزن به هیچ یک از زیر سیستم های واحد محدود نمی شود؛ حداکثر سود نیاز به یک رویکرد جامع دارد. مناطق کلیدی که مواد سبک وزن در حال ایجاد یک تاثیر هستند عبارتند از:

  • پانل های آلومینیوم گرد، سقف CFRP، و درب های پلاستیکی کاهش وزن در حالی که بهبود آئرودینامیک استفاده از پانل های فولاد ضد زنگ اما با طرح های سبک نوآورانه.
  • [Chassis و تعلیق: راه آهن های آلومینیومی و AHSS فریم، چشمه های برگ کامپوزیت (استفاده شده توسط Hendrickson و دیگران)، و چرخ های آلومینیوم جعلی ذخیره تا 300 کیلوگرم در کل.
  • سر سیلندر آلومینیوم، دریچه منیزیم پوشش می دهد، و CFRP درایوshafts برش توده چرخش، بهبود اقتصاد سوخت و چابکی خودرو.
  • ترریلر: آلومینیوم یا بدنه تریلر کامپوزیت (به عنوان مثال، Great Dane’s اورست) و پانل های کف فیبر کربن می توانند وزن تریلر را با 1500 کیلوگرم کاهش دهند، که باعث می شود محموله های سنگین تر یا مسافت سوخت بهتر باشد.

چالش های تولید و هزینه

علی رغم مزایای روشن، استفاده گسترده از مواد سبک وزن با موانع متعددی مواجه است.اول، هزینه های مواد خام بالاتر از فولاد سنتی باقی مانده است، اگرچه تولید و نوآوری های مشابه حجم نیاز به محدود کردن شکاف دارند، فرایندهای تولیدی مانند CFRP، تولید سریع از آلومینیوم با قدرت بالا، و پیوستن به فلزات جدا شده به مواد مخدر نیاز به سرمایه مجدد، بازسازی سوم، و بازیافت قطعات پیچیده تر از مواد پلیمری نیست: قطعات کامپوزیت و کامپوزیت های کربنی نمی توانند قطعات پیچیده تر از مواد کامپوزیت های کربنی باشند.

این صنعت با همکاری ها مقابله می کند، به عنوان مثال کنسرسیوم مواد سبک انرژی ایالات متحده (lightMAT] تحقیقات در مورد پیش سازهای کم هزینه کربن، تکنیک های پیشرفته پیوستن، و رزین های حرارتی قابل بازیافت، به طور مشابه S [۳] بین المللی توصیه شده برای ساخت و ساز های چسب تجاری از روش های اتصال آلومینیوم.

آینده افق: نانو مواد، شرکت های Bio-Composites و پرینت 3D

نسل بعدی مواد سبک وزن مرزهای بیشتری را فشار می دهد، نانو مواد مانند نانو مواد کربنی-نانو لوله ای، مطالعات اولیه نشان می دهد که حتی یک افزودنی وزن 0.1٪ گرافن می تواند قدرت کششی برخی از پلیمرها را دو برابر کند.

کامپوزیت های مبتنی بر Bio نیز در حال تکامل هستند. محققان در Fraunhofer Institute در حال توسعه الیاف کربن مبتنی بر دیننین هستند که هزینه کمی از نسخه های مبتنی بر نفت، با استفاده از زباله از آسیاب های کاغذی، این می تواند CFRP را برای اجزای اصلی کامیون در عرض یک دهه مقرون به صرفه کند.

تولید افزودنی (3D چاپ) امکان می دهد زمین های پیچیده، توپولوژی بهینه شده است که وزن را در حالی که بهبود عملکرد ساختاری در حال حاضر، OEM های کامیون مانند دایملر کامیون استفاده از آلومینیوم 3D چاپ شده و براکت های پلیمری، مجاری هوا و حتی ترمز فلزی calipers سریع تر و مواد گسترش می یابد، بسیاری از قطعات صرفه جویی وزن بیشتر به طور مستقیم بدون قالب تولید می شوند.

پیاده سازی و مزایای ناوگان واقعی

ناوگان ها در حال حاضر شاهد پاداش های سبک وزن هستند.مطالعه توسط انجمن های کامیون سازی آمریکایی تخمین زده است که یک کامیون معمولی کلاس 8 با استفاده از قطعات آلومینیوم و کامپوزیت می تواند وزن آن را تا 2500 کیلوگرم کاهش دهد، صرفه جویی سالانه سوخت بیش از 7٪ - حدود 3000 لیتر دیزل بیش از یک عمر 10 ساله، که تقریبا نشان دهنده کاهش $ در هزینه های فعلی سوخت است.

تولید کنندگان عمده متعهد به سبک سازی نقشه راه ها هستند. کامیون های Volvo از آلومینیوم در کابین های FH و VNL استفاده می کنند و VNR Electric شامل محفظه باتری های کربنی است. PACCAR (Kenworth و Peterbilt) بسته های سبک با چرخ های آلومینیومی، کامپوزیت ها و فریم های فولادی با قدرت بالا را ارائه می دهد. تسلا اخیرا از یک قاب وزن کاملاً تحت فشار استفاده می کند که از ساختار معمولی از هزاران شاسی بلند، حذف می کند.

نتیجه گیری

مواد سبک وزن صرفا یک روند نیست، بلکه یک ضرورت برای صنعت کامیون سازی برای انطباق با مقررات انتشار گازهای گلخانه ای، کنترل هزینه های عملیاتی و برآورده کردن اهداف پایداری است.از فولادهای پیشرفته با قدرت بالا و آلیاژهای آلومینیوم به کامپوزیت های کربن و در حال ظهور بی کربنات حمل و نقل بی سیم، پالت گزینه ها همچنان به گسترش می رود.