Ecuația de economie de greutate-Fuel

Fizica din spatele consumului de combustibil în camioane grele este simplă: un vehicul mai greu necesită mai multă energie pentru a accelera, menține viteza, și depăși rezistența la rulare. Fiecare kilogram de masă eliminate dintr-un camion poate produce economii măsurabile de combustibil pe durata sa de viață operațională. Potrivit Departamentul de Energie din SUA, reducerea unei greu de încărcare camionetă . Cu aproximativ 6 .8%. Cu combustibil contabilizarea de până la 30% a costurilor de operare a unei flote, acest câștig de eficiență se traduce direct în economii de bază.

Dincolo de economie, presiunea de reglementare accelerează reducerea. Agenţia pentru Protecţia Mediului din SUA . Standardele pentru gaze naturale de bază 2, împreună cu mandate similare din Europa şi Asia, necesită reduceri semnificative ale emisiilor de CO2 provenite de la vehiculele comerciale. Materialele uşoare sunt una dintre cele mai viabile pârghii pentru a îndeplini aceste obiective fără a compromite capacitatea sau performanţa utilă.

Materiale avansate Remodelarea design camion

O gamă de materiale inovatoare concurează acum pentru a înlocui componentele tradiționale din oțel grele. Fiecare oferă compromisuri unice între greutate, putere, cost, și manufacturabilitate.

Polimer ranforsat cu fibre de carbon (CFRP)

Compositele CFRP oferă rigiditate și rezistență excepțională la o fracțiune din greutatea oțelului . De multe ori 50% mai ușor decât aluminiul și 70% mai ușor decât oțelul. În camioane, CFRP își găsește drumul în structurile de cabină, hote, brațe de suspensie, și chiar arbori de conducere. De exemplu, BMWs i3 și i8 automobile pionier aplicații CFRP de mare volum, și producătorii de camioane grele sunt acum de adaptare tehnologie similară pentru componente șasiu care trebuie să reziste la sarcini de mare oboseală.

Principala barieră rămâne costul: materiile prime CFRP sunt de cinci până la zece ori mai scumpe decât oțelul. Cu toate acestea, plasarea automată a fibrelor și sistemele epoxidice rapide reduc treptat timpii ciclului și ratele de demolare, ceea ce face CFRP viabil din punct de vedere economic pentru selectarea pieselor de camioane de mare volum.

Aleți de aluminiu

Aluminumul a fost un capsator de slabire in camioane de zeci de ani, in special sub forma de 5xxx si 6xx serie aliaje. Materialul ofera o reducere in greutate de 40 ION60% comparativ cu otelul mentinand in acelasi timp rezistenta excelenta la coroziune si reciclabilitati. Aluminul este acum standard in multe cabine de camioane, rezervoare de combustibil, roti, si cross-membri.

Progresele recente includ aliaje de serie 7xxx de înaltă rezistență (cum ar fi 7075) care se apropie de rezistența oțelului, permițând o suspensie mai ușoară, dar la fel de robustă și componente de direcție. În plus, aliajele de aluminiu-litiu utilizate în aerospațial sunt evaluate pentru cabinele de camioane, oferind până la 10% economii suplimentare de greutate față de aluminiul convențional.

Oţeluri avansate de înaltă rezistenţă (AHSS)

În loc să înlocuiască pe deplin oțelul, oamenii de știință din domeniul materialelor au dezvoltat clase de AHSS care oferă o rezistență mult mai mare cu o penalizare de greutate minimă. Dual-fază, plasticitate indusă de transformare (TRIP) și oțeluri de plastic induse de înfrățire (TWIP) permit inginerilor să jos componente de calibru . Folosind secțiuni mai subțiri în timp ce menținerea siguranței accidentelor și a duratei de viață a oboselii.

Aliaje de magneziu

Magneziul este cel mai ușor metal structural (33% mai ușor decât aluminiul), ceea ce îl face atractiv pentru componentele interioare, locuințele de transmisie și structurile de suport. Cu toate acestea, formabilitatea limitată, riscul de coroziune galvanic și costul ridicat au limitat utilizarea acestuia. Noile produse de aliaj fără pământuri rare și acoperirile de protecție îmbunătățite își extind potențialul, mai mulți producători europeni de camioane testând acum tigăile de ulei de magneziu-aliaje și suporturile coloanei de direcție.

Compuşi polimer şi fibre naturale

Polistirenul din fibră de sticlă (GFRP) oferă o alternativă mai ieftină la CFRP pentru piese nestructurale sau semistructurale, cum ar fi panourile subcorpului, deflectoarele de aer și tapițeria interioară. Comprehensiile naturale din fibre (de exemplu cânepă, in și iută) câștigă, de asemenea, tracțiune datorită amprentei lor foarte scăzute de carbon și a raportului lor competitiv de rezistență-la-greutate. Aceste bio-compozite sunt deja utilizate în panourile interioare ale Mercedes-Benz Actros și alte camioane europene.

Reducerea greutăţii în camion

Ușorizarea nu se limitează la niciun subsistem unic; beneficiul maxim necesită o abordare holistică. Domeniile-cheie în care materialele ușoare produc un impact includ:

  • Cab și corp: Panouri din aluminiu cu fețe netede, acoperișuri CFRP și uși din plastic reduc greutatea în timp ce îmbunătățește aerodinamica. Tesla Semi utilizează panouri din oțel inoxidabil, dar cu modele inovatoare de cadru ușor.
  • Chasis și suspensie: Aluminum și șine cadru AISS, arcuri de frunze compozite (utilizate de Hendrickson și alții) și roți din aluminiu forjate economisesc până la 300 kg în total.
  • Tren de putere: Capete de cilindru de aluminiu, capace de supapă de magneziu și arbori de tracțiune CFRP taie masa rotativă, îmbunătățind atât economia de combustibil, cât și agilitatea vehiculului.
  • Trailer:[ Cadavre din aluminiu sau din remorcă compozită (de exemplu, Great Dane

Producţie şi provocări legate de costuri

În ciuda beneficiilor clare, adoptarea pe scară largă a materialelor ușoare se confruntă cu mai multe obstacole. În primul rând, costurile materiilor prime rămân mai mari decât oțelul tradițional, deși producția la scară de volum și inovațiile în proces reduc decalajul. În al doilea rând, procesele de fabricație, cum ar fi instalarea CFRP, formarea rapidă a aluminiului de înaltă rezistență și asocierea metalelor diferite necesită retehnologizare cu utilizare intensivă a capitalului. În al treilea rând, repararea și reciclarea sunt mai complexe: piesele din fibră de carbon nu pot fi sudate, iar materialele polimerice sunt mai greu de reciclat decât metalele.

Industria abordează aceste provocări prin colaborări. De exemplu, S. Departamentul de Energie al Consorțiului pentru materiale ușoare (LightMAT) finanțează cercetarea precursorilor de fibre de carbon cu costuri mai mici, tehnici avansate de conectare și rășini termoset reciclabile. În mod similar, SAE International a publicat practici recomandate pentru lipirea adezivă a structurilor de aluminiu în vehiculele comerciale.

Orizonturi viitoare: nanomateriale, bio-composite și imprimare 3D

Următoarea generație de materiale ușoare va împinge limitele mai departe. Nanomateriale, cum ar fi polimerii cu nanotuburi-carbon și acoperirile cu grad de grafen-îmbunătățite promit rezistență extremă la greutate minimă. Deși încă în dezvoltarea la scară de laborator, studiile timpurii indică faptul că chiar și o adăugare de 0,1% greutate a grafenului poate dubla rezistența la tracțiune a anumitor polimeri.

Bio-bază compozitele sunt, de asemenea, în evoluție. Cercetătorii de la Fraunhofer Institute dezvoltă fibre de carbon pe bază de lignină care costă o fracțiune de versiuni pe bază de petrol, folosind deșeuri de la mori de hârtie. Acestea ar putea face CFRP accesibil pentru componentele camioanelor de bază într-un deceniu.

Producţia de aditivi (3D) permite o geometrie complexă, optimizată prin topologie, care reduce greutatea în timp ce îmbunătăţeşte performanţa structurală. Deja, camioanele OEM-uri precum Daimler Trucks folosesc paranteze din aluminiu şi polimer 3D, conducte de aer şi chiar frâne metalice calipers. Pe măsură ce imprimantele devin mai rapide şi opţiunile materiale se extind, multe mai multe piese de economisire a greutăţii vor fi produse direct fără mucegaiuri.

Adopţia şi beneficiile flotei

Flotele văd deja recompensele de slăbire. Un studiu realizat de American Trucking Associations[] a estimat că un camion tipic clasa 8 folosind aluminiu și componente compozite ar putea reduce greutatea sa de gudron cu 2.500 kg, ceea ce ar genera economii anuale de combustibil de peste 7% bază de motorină. Pe parcursul unei vieți de zece ani, care reprezintă aproximativ 30.000 $ în costuri reduse de combustibil (la prețurile actuale ale motorinei SUA).

Producătorii majori s-au angajat să lumineze foile de parcurs. Volvo Trucks utilizează aluminiu în cabinele sale FH și VNL, iar VNR Electric încorporează incinte de baterii din fibră de carbon. PACCAR (Kenworth și Peterbilt) oferă pachete cu spectrometrii ușoare cu roți din aluminiu, hote compozite și rame din oțel de înaltă rezistență. Recenta structură de baterii Tesla Semi dezvelită folosește o structură de ambalaj complet stresată care se dublează ca șină șasiu, eliminând mii de kilograme de greutate în cadru convențional.

Concluzie

Materialele uşoare nu sunt doar o tendinţă, ci o necesitate pentru industria camioanelor de a se conforma reglementărilor privind emisiile, de a controla costurile de operare şi de a îndeplini obiectivele de durabilitate. De la oţelurile avansate de înaltă rezistenţă şi aliajele de aluminiu la compuşi din fibre de carbon şi bionanomateriale emergente, paleta opţiunilor continuă să se extindă. În timp ce provocările legate de costurile, producţia şi reciclarea la sfârşitul vieţii persistă, cercetarea coordonată şi investiţiile la nivel industrial le depăşesc în mod constant. Operatorii flotei care îmbrăţişează camioanele uşor şi optimizate aerodinamic vor fi cel mai bine poziţionate pentru viitorul eficient al transportului de marfă cu combustibil şi cu emisii reduse de carbon.