Reducerea greutății vehiculului și îmbunătățirea U
JOM volumul 64, paginile 1032 - 1038 (2012) Citați acest articol
Abstract
Introducere
În acest raport, relația dintre greutatea vehiculului și S.U.A. energia pentru transport este discutată începând cu o imagine de nivel înalt a S.U.A. energie, apoi se îndreaptă spre o înțelegere a modului în care masa afectează eficiența vehiculelor comerciale și de pasageri. O revizuire a celor mai promițătoare materiale ușoare și a unor lacune semnificative în domeniul tehnologiei subliniază necesitatea activității de cercetare și dezvoltare într-o gamă largă de materiale, aplicații pentru vehicule și tehnologii de bază. În cele din urmă, o revizuire a mai multor activități recente de materiale de calcul oferă o perspectivă asupra modului în care proiectele de calcul și ICME adaptate la rezultatele solicitate oferă cea mai bună oportunitate de impact în reducerea greutății vehiculului.
SUA. Peisaj energetic
Total SUA fluxul de energie, 2010 (QBtu), din Ref. 4
În sectorul transporturilor, consumul de energie este împărțit în moduri de autostradă, care includ vehicule comerciale și de pasageri, și moduri non-autostrăzi, care includ transportul aerian, feroviar și maritim. Figura 2 arată consumul relativ de energie în funcție de mod, demonstrând că vehiculele comerciale și de pasageri (modurile de autostradă) reprezintă cea mai mare parte a consumului de energie pentru transport, mai mult de 5,3 Mbpd de petrol.4 Consumul de energie pentru transport de către pasageri și vehicule comerciale este, prin urmare, o componentă semnificativă din totalul SUA peisajul energetic și înțelegerea relației cantitative dintre greutate și eficiență este necesară pentru a aprecia mai bine importanța reducerii masei.
S.U.A. energie pentru transport, consumul relativ pe mod, 2009. Date din Ref. 4
Impactul reducerii greutății vehiculului asupra eficienței energetice
Reducerea greutății poate îmbunătăți, de asemenea, eficiența vehiculelor grele, cum ar fi „semisemiile” care deplasează o cantitate semnificativă de marfă în Statele Unite. Natura camioanelor grele oferă un accent diferit asupra impactului reducerii greutății. În timp ce consumul de combustibil al vehiculelor grele se îmbunătățește cu o greutate redusă, o utilizare mai practică a reducerii greutății este pentru o eficiență îmbunătățită a transportului (de exemplu, tone-mile pe galon). De exemplu, un tractor tipic clasa 8 cântărește aproximativ 16.000 de lire sterline, în timp ce remorca goală cântărește aproximativ 13.000 de lire sterline. Un camion complet încărcat are o greutate maximă admisă de 80.000 de lire sterline, ceea ce înseamnă că aproximativ 51.000 de lire sterline de marfă pot fi încărcate reprezentând 64% din greutatea totală. Datorită acestei distribuții a greutății, reducerea greutății structurale a tractorului și remorcii cu 50% reduce greutatea totală încărcată cu 23%. În loc să reducă greutatea totală, o opțiune mai eficientă ar putea fi încărcarea camionului înapoi la 80.000 de lire sterline cu încărcătură suplimentară, crescând tonajul total livrat pentru același consum de combustibil.
Provocări de inginerie a materialelor în greutatea ușoară
Există o imensă varietate de materiale disponibile pentru a sprijini reducerea greutății vehiculului; cu toate acestea, cinci categorii arată cea mai promițătoare: oțeluri avansate de înaltă rezistență (AHSS), aliaje de aluminiu, aliaje de magneziu, compozite polimerice armate cu fibre (inclusiv fibre de carbon și sticlă) și polimeri avansați (fără armături de fibre). Sunt considerate și alte materiale, cum ar fi compozite cu matrice metalică, aliaje de titan, aliaje de nichel și geamuri avansate (sticlă, policarbonat etc.), deși aplicații limitate și bariere semnificative pot reduce potențialul lor de reducere a greutății. Implementarea oricărui material nou în producția auto de volum mare este limitată de performanță, producție și costuri. Deoarece proiectarea și testarea vehiculului depind acum de simularea computerizată, sunt necesare și modele precise de comportament al materialelor în timpul producției și al funcționării vehiculului; în plus, integrarea acestor modele cu datele despre materiale, rezultatele experimentale și instrumentele de simulare a performanței și fabricării constituie abordarea ICME cu beneficiile sale de participare. Există obstacole tehnice semnificative în calea îmbunătățirii performanței, a fabricabilității, a costurilor și a modelării pentru fiecare dintre cele cinci sisteme principale de materiale, de exemplu:
Avansat ridicat-oțeluri rezistente—Nu au fost identificate microstructuri pentru îndeplinirea cerințelor de rezistență și ductilitate ale AHSS de generația a treia; susceptibilitate la eșec local la formare și accident; dificultate la încorporarea unui comportament semnificativ de întărire/înmuiere asociat formării și îmbinării în modele de procesare și proiectare.
Aliaje de aluminiu—Formabilitate limitată a claselor auto la temperatura camerei; costul relativ ridicat al materialului de tablă; dificultate în turnarea pieselor complexe, de înaltă rezistență; rezistență și/sau rigiditate insuficiente pentru anumite aplicații structurale.
Aliaje de magneziu—Formabilitate foarte scăzută a aliajelor de tablă la temperatura camerei; provocarea prevenirii coroziunii galvanice în mod rentabil; rezistență, ductilitate și rigiditate insuficiente pentru anumite aplicații structurale; dificultate în încorporarea comportamentului unic de deformare în modelele de procesare și proiectare.
Fibră-compozite polimerice armate—Costul ridicat al fibrei de carbon; potențial limitat de reducere a greutății fibrelor de sticlă; cicluri lungi de timp pentru multe procese; dificultate în încorporarea structurii la multe scale de lungime în modelele de procesare și proiectare.