Praktická cesta k lehkým vozům

Automobil je určujícím technologickým artefaktem dvacátého století. Jeho známost však popírá jeho složitost. Navrhnout auto, které je rychlé a výkonné, ale pohodlné a bezpečné – a přitom cenově dostupné, není nic složitého. Zohledněte několik dalších omezení - odolnost, snadnost opravy, dostatek místa pro několik dětí a rodinného psa a dostatečné napájení pro elektrická okna, klimatizaci, CD přehrávač a vyhřívaná sedadla - a problém se stává jasným. . Právě proto, že se automobil stal nedílnou součástí našich životů, vytváří očekávání spotřebitelů soubor impozantních a často protichůdných designových cílů.

Během posledních 25 let čelili výrobci automobilů rostoucímu tlaku na začlenění ekologických cílů do svých návrhů. Zejména spotřebitelé a federální vláda prosazovali zlepšení spotřeby paliva jako způsob, jak šetřit ropu a kontrolovat znečištění. Automobilový průmysl zareagoval: spotřeba plynu u průměrného nového auta vzrostla v letech 1974 až 1995 z 14,2 na 28,2 mil na galon.

Nyní veřejný tlak na zlepšení spotřeby paliva opět roste, částečně kvůli obavám z vyhlídky na globální změnu klimatu. (Automobily tvoří asi jednu čtvrtinu emisí oxidu uhličitého, což je hlavní přispěvatel ke skleníkovému efektu.) Klíčem ke zlepšení spotřeby paliva vozidla je snížení hmotnosti: čím menší je vozidlo, tím méně energie potřebuje ke zrychlení a tím méně energie k udržení pevné rychlosti. Automobilový průmysl tradičně snižoval hmotnost především zmenšováním, což je strategie, která za posledních 20 let dokázala snížit hmotnost typického automobilu z 3 500 liber na 2 500 liber. Dnes tato strategie dosáhla svých limitů. Podstatná zlepšení budou možná pouze díky novému přístupu: vyrobení karoserie automobilu z lehkých materiálů namísto základní uhlíkové oceli.

Ačkoli karoserie představuje pouze asi jednu třetinu hmotnosti automobilu, snížení hmotnosti karoserie je sine qua non lehkého a úsporného automobilu. Automobil s lehčí karoserií může používat lehčí motor, méně masivní zavěšení a méně propracovanou konstrukci. Tato sekundární úspora hmotnosti může výhody zhruba zdvojnásobit: na každých 10 liber ušetřených snížením hmotnosti karoserie lze ušetřit dalších 10 liber zmenšením jiných částí vozu.

A co víc, mnoho nových technologií určených ke zlepšení spotřeby paliva je proveditelných pouze pro vozy, které jsou podstatně lehčí než ty dnešní. Automobilové motory například musí vyvažovat cíle účinnosti (energie na ujetou vzdálenost) a výkonu (síla potřebná ke zrychlení vozu). Vysoce účinné spalovací motory, elektrické motory nebo hybridní motory, které oba tyto motory kombinují, jsou mnohem méně výkonné než běžné motory a srovnatelné úrovně výkonu dosáhnou pouze s mnohem lehčím vozidlem. Snížení hmotnosti karoserie je zásadní pro vytvoření synergie mezi nízkou hmotností a novými technologiemi motoru.

V roce 1993 velmi vlivný článek energetického analytika Amoryho Lovinse z Rocky Mountain Institute navrhl, že hlavní výrobci automobilů (nebo kdokoli jiný s talentem) by mohli využít stávající materiály a technologie k výrobě ultralehkého vozidla s vysokou spotřebou paliva. Superauto, které si představoval, by obsahovalo lehké plasty, počítačové ovládání a hybridní pohonnou jednotku – energetický systém, který by kombinoval tradiční tepelný motor a elektromotor, jako moderní lokomotiva. Vážil by zhruba 1 000 liber a dosáhl by hodně přes 150 mil na galon – přesto by si zachoval bezpečnostní a pohodlné funkce dnešního automobilu.

Lovins správně poukázal na to, že materiály a technologie, které by umožnily vznik superauta, jsou zásadně neslučitelné s designem, výrobou a organizačními procesy, kolem nichž je strukturován automobilový průmysl. Tvrdil proto, že k superautu povede pouze revoluce v tomto odvětví; snahy o zlepšení spotřeby paliva a výkonu prostřednictvím postupného zavádění nových materiálů a technologií by stály příliš mnoho a výnosy by byly příliš malé.

Koncept superauta přitáhl velkou pozornost mezi ekology, vůdci automobilového průmyslu a tvůrci politik a dokonce pomohl inspirovat neobvyklou alianci - ačkoli jeho cíle poněkud zaostávají za Lovinsovými. V roce 1994 americké automobilové společnosti a federální vláda spojily své síly, aby zahájily Program pro novou generaci vozidel, agresivní výzkumný a vývojový projekt, jehož cílem je vyrobit vůz, který splňuje normu spotřeby paliva třikrát vyšší než dnešních 27,5 mil. za galon a nabízí výkon a pohodlí běžného vozu – za stejnou cenu. Spojením zdrojů národních laboratoří a hlavních amerických výrobců automobilů doufají výzkumníci PNGV, že do 10 let vyvinou prototyp vozidla a do 20 ho budou hromadně vyrábět a uvádět na trh.

Otázkou není, zda lze postavit ultralehké vozidlo nabízející revoluční zlepšení spotřeby paliva. Automobilky už vědí, že může. Otázkou je, zda lze takové auto udělat cenově dostupné a jaké změny v automobilovém průmyslu budou nutné, abychom se k tomuto cíli přiblížili. Výrobci automobilů a zastánci superaut diskutují zejména o nákladech a přínosech dvou tříd materiálů, které by mohly sloužit jako lehké náhražky oceli v karoseriích vozidel: hliník, který lze použít pouze s postupnými změnami v konstrukci a výrobních procesech tohoto odvětví; a plasty, které nemohou.

Plusy a mínusy hliníku

Hliník, lehký kov, který má 45% hustotu než běžná ocel, se používá jako hlavní konstrukční materiál v leteckém průmyslu po mnoho let. Přestože je to drahé, hliníkový plech se prodává za zhruba 1,50 dolaru za libru, ve srovnání s asi 30 centy za libru pro ocelové plechy, výzkumníci v automobilovém průmyslu začali zkoumat možnost náhrady hliníku za ocel v karoseriích vozidel.

Jednou z hlavních výhod přechodu na hliník ve srovnání s jinými lehkými materiály je to, že jej lze tvarovat pomocí mnoha technik již používaných při výrobě automobilů z oceli. Průmysl tak mohl nadále využívat velkou část svého stávajícího vybavení. A navrhování pro hliník se drasticky neliší od navrhování pro ocel – důležitá výhoda v průmyslu, kde se inženýři zdráhají experimentovat s relativně nevyzkoušenými materiály.

Samozřejmě skutečnost, že karoserie dnes nejsou z velké části hliníkové, naznačuje, že tento materiál má také nevýhody. Kromě toho, že je hliník dražší než ocel, je jen asi z jedné třetiny tuhý – zásadní omezení v konstrukci karoserie automobilu. Tuhost lze poněkud zvýšit změnou geometrie designu (zakřivené tvary jsou tužší než ploché), ale to je problematické v odvětví, kde jsou tvar a styl důležitými prodejními koncepty. Jednodušším řešením je vyrobit ploché hliníkové panely karoserie – blatníky, kapoty a dveře – silnější než ocelové panely, aby bylo zajištěno, že budou fungovat stejně dobře. To však znamená vyšší náklady na materiál a do určité míry kompenzuje výhodu hmotnosti.

Dalším problémem je vysoká elektrická vodivost hliníku, která ztěžuje bodové svařování. Bodové svařování je standardní metodou pro montáž ocelových karoserií automobilů. Dvě spojované části jsou sevřeny mezi dvě elektrody a je aplikován elektrický proud, čímž se obě části ohřívají v bodě kontaktu, což vede k difúznímu spojení. (Kov se ve skutečnosti neroztaví, protože by to snížilo výkon materiálu a vedlo by ke korozi a selhání součásti.)

Protože hliník vede teplo lépe než ocel, je zapotřebí mnohem více elektřiny a větších elektrod, aby byl kov dostatečně horký, aby se spojil. A protože elektrody zůstávají v kontaktu s hliníkem déle, zatímco je aplikován proud, atomy hliníku pravděpodobněji difundují do elektrody, což zkracuje její životnost. Hliníková vozidla se proto pravděpodobně budou spoléhat na alternativní montážní techniky, včetně švového svařování (při kterém je pás roztaveného kovu aplikován víceméně jako lepidlo), lepidla a mechanické spojovací prvky.

Unibody versus Space Frame

Výzva, před kterou stojí automobilový průmysl, je, jak navrhnout hliníkový automobil tak, aby zachytil výhody materiálu a minimalizoval nevýhody. Existují dvě konkurenční možnosti: unibody, zkratka pro unitized body, design používaný pro ocelové automobily; nebo design prostorového rámu, v podstatě velká příhradová konstrukce pokrytá tenkou kůží.

V unibody jsou panely karoserie vozidla spojeny dohromady a tvoří skořepinovou konstrukci. Tím se efektivně využívá vysoká tuhost panelů karoserie. Ačkoli hliník není tak tuhý jako ocel, pokud jsou panely vyrobeny dostatečně tlusté a jsou použity vhodné spojovací techniky, bude unibody design s tímto materiálem dobře fungovat.

Konstrukce unibody však přináší dva související problémy. Zaprvé je poměrně obtížné (a tedy drahé) vyrobit složité povrchy, jako jsou výřezy nebo propracované křivky, z relativně tuhých kovových panelů karoserie. Pokud se konstruktéři pokusí tento problém obejít použitím materiálů, které se snadněji tvarují, vyvstává druhý problém: protože unibody odvozuje většinu svých konstrukčních vlastností ze způsobu, jakým jsou její části připevněny, tyto části musí být složeny z materiálů, které lze snadno spojovat. . Bez levného způsobu, jak upevnit dva různé materiály k sobě, jednolitý design v podstatě vyžaduje, aby automobilka vyráběla auta z jedné třídy materiálů.

V reakci na tyto námitky návrháři zkoumají vesmírný rámec. V tomto provedení je konstrukce vozidla složena ve skutečnosti z mříže kovových kolejnic, podobných mostnímu příhradovému nosníku. Vozidlo se nespoléhá na konstrukční vlastnosti panelů karoserie a ve skutečnosti může být řízeno bez připevněných panelů. Tento design nefunguje dobře pro ocel, částečně proto, že složité ocelové kolejnice nejsou o tolik jednodušší na výrobu než složité ocelové panely karoserie. Mezi výrobci automobilů dnes panuje shoda v tom, že unibody je nejúčinnějším způsobem, jak vyrobit vozidlo pro masový trh z oceli.

Prostorový rám si však opět získává pozornost designérů pracujících s alternativními materiály, zejména hliníkem. Je snazší vyrobit složité kolejnice z hliníku než z oceli, protože na rozdíl od oceli lze hliník vytlačovat – tvarovat do složitých trubkových tvarů – v procesu podobném výrobě těstovin. Tyto extrudované duté kolejnice mohou být mnohem tužší než plné tyče ekvivalentní hmotnosti. Extruze se snadno přizpůsobí hromadné výrobě; již se ve velkém měřítku používá k výrobě konstrukčních tvarů, jako jsou okenní rámy a trubky. Bylo vyvinuto několik návrhů pro vozidla s hliníkovým prostorovým rámem, z nichž každý používá různé kombinace výlisků, odlitků a plechů. Zatímco porota je stále mimo, se správnou kombinací materiálů může prostorový rám jednoho dne zpochybnit unibody v běžné automobilové výrobě.

Je hliník cenově dostupný?

Hliníkové vozidlo založené na obou konstrukcích by nás přivedlo blíže k cíli postavit lehký automobil s relativně mírným nárůstem nákladů. Typická ocelová unibody váží těsně pod 600 liber, zatímco celohliníková unibody váží asi 325 liber a různé designy hliníkových prostorových rámů by vážily mezi 285 a 385 librami. Oba designy tedy mohly snížit hmotnost těla téměř na polovinu; lehčí motor, odpružení, převodovka a tak dále by mohly zdvojnásobit počet ušetřených liber. (Samozřejmě může být přidána hmotnost v jiných oblastech, aby se kompenzovaly nedostatky nového designu – například lehký vůz se nemůže spoléhat na své konstrukční součásti, aby chránily cestující v případě nehody, a tak bude muset použít další systémy. jako airbagy, které přidávají určitou váhu.)

Jak velké úspory paliva se dosáhne pouze odlehčením karoserie? Snížení hmotnosti vozidla o 300 liber může zvýšit spotřebu paliva až o 15 procent. To by zvýšilo spotřebu plynu u typického auta střední velikosti, jako je Ford Taurus, z přibližně 22 na přibližně 25 mil na galon a snížilo emise oxidu uhličitého (CO2) z přibližně 410 gramů CO2 na ujetou míli na přibližně 355. gramů na míli. Sekundární úspora hmotnosti by zdvojnásobila zlepšení spotřeby paliva a snížení emisí. Dramatičtější zlepšení spotřeby paliva by mělo za následek proporcionální snížení emisí CO2, ale to by vyžadovalo mnohem drastičtější opatření než pouhé odlehčení: například účinnější technologie motorů a pravděpodobně méně prostoru a méně vymožeností, než americký spotřebitel obvykle očekává.

Lehké hliníkové auto založené na jednom z těchto návrhů bude pravděpodobně o něco dražší než dnešní ocelové auto, když se vyrábí ve velkých objemech, podle analýzy nákladů provedené členy Laboratoře materiálových systémů na MIT. Při velmi nízkých objemech výroby (méně než 20 000 vozidel ročně) jsou hliníkové prostorové rámy ve skutečnosti levnější než ocelové unibody: nejlevnější konstrukce prostorového rámu by stála asi 4 500 dolarů, ve srovnání s 5 800 dolary za ocelové unibody a 7 200 dolary za hliníkové unibody .

Tyto objemy výroby jsou však pro vozy pro masový trh příliš nízké. Populární modely jako Ford Taurus se vyrábí v objemech 300 000 až 500 000 kusů. Dokonce i speciální vozy – luxusní vozy jako Lincoln Continental – mají produkci mezi 40 000 a 80 000. Aby bylo lehké vozidlo považováno za dostupné, musí být možné vyrobit levně ve velkém množství.

Při objemu výroby asi 100 000 je ocelová unibody nejlevnějším provedením s odhadovanou jednotkovou cenou 2 500 USD. Hliníkové prostorové rámy jsou o něco dražší – nejlevnější provedení stojí asi 2 800 dolarů – zatímco hliníkové unibody stojí asi 3 600 dolarů. U typičtějších výrobních sérií 300 000 klesnou náklady na ocelovou unibody na odhadovaných 1 400 USD a hliníková unibody se stává levnější než hliníkový prostorový rám (2 000 USD ve srovnání s 2 400 USD).

Měnící se nákladové profily těchto tří návrhů vyplývají z rozdílů v jejich výrobních procesech. Lisování kovů – proces, kterým se vyrábí ocelové i hliníkové unibody – je schopnější dosáhnout úspor z rozsahu než extruze. Výsledkem je, že jednotkové náklady obou druhů unibody klesají, protože jsou vyráběny ve větším množství; rozdíl v nákladech mezi nimi je z velké části vysvětlen rozdílem v ceně suroviny.

Prostorový rám má jiný vzor. Protože kapitálové náklady na vytlačování jsou mnohem nižší než náklady na lisování oceli, jsou prostorové rámy levnější než unibody při malých objemech výroby. Ale extrudované díly vyžadují konečnou úpravu a tepelné zpracování, což je časově náročné. Kromě toho rychlost, kterou mohou být tvarovány extrudované díly, je mnohem nižší než rychlost, kterou mohou být vyrobeny lisované díly. V důsledku toho jednotkové náklady neklesají tak dramaticky, když se objem výroby zvyšuje. Vyšší objemy výroby nakonec posunou ekonomiku ve prospěch unibody.

Vzhledem k tomu, že vozidlo s hliníkovou karoserií bude stát o 300 až 1 100 USD více než vozidlo s ocelovou karoserií, vynahradí zvýšení spotřeby paliva zvýšené náklady po dobu životnosti vozidla? Odpověď závisí na řadě faktorů: celkové hmotnosti (a ceně) vozidla, účinnosti jeho motoru a ceně paliva. Nárůst spotřeby paliva, který lze přičíst samotné hliníkové karoserii, by se však vyplatil pouze v případě, že by cena benzínu vzrostla. Pokud cena benzínu zůstane mezi 1,20 a 1,50 dolary za galon, peníze ušetřené za plyn by nestačily na pokrytí vyšších nákladů: náklady na životní cyklus hliníkové unibody vyrobené v objemech 300 000 by zůstaly asi o 300 dolarů vyšší. z ocelové unibody. Pokud by však cena benzinu vzrostla na 2,30 dolaru za galon, majitel vozu na bázi hliníku by se po celou dobu životnosti vozidla zlomil. Je rozumné si myslet, že za těchto okolností by spotřebitelé mohli být ochotni zaplatit vyšší počáteční náklady na automobil na bázi hliníku.

Přitažlivost plastů

Zastánci revolučního přístupu však zdůrazňují výhody plastů jako radikálnější lehké alternativy k oceli. Plasty jsou více než dvakrát lehčí než hliník a lze je tvarovat do mnohem širší palety tvarů. Zařízení používané k výrobě plastů navíc stojí mnohem méně než těžké lisovací zařízení potřebné k výrobě kovových dílů. Tyto vlastnosti přitahovaly zájem výrobců automobilů od 60. let minulého století.

Dnes průmysl začlenil plasty do různých použití; tvoří například interiérové ​​komponenty většiny automobilů, stejně jako kryty nárazníků a blatníky. Výrobci a konstruktéři také použili polymerní kompozity – plasty vyztužené skleněnými nebo uhlíkovými vlákny – v karoseriích závodních vozů a některých komerčně vyráběných vozidel. V 80. letech 20. století, kdy výrobci automobilů hledali nové způsoby, jak snížit hmotnost vozidel, začali mnozí v průmyslu zkoumat použití polymerních kompozitů jako náhradu oceli v karoseriích automobilů.

Stejně jako hliník mají i kompozitní materiály své nevýhody. Jednak jsou dražší než jiné automobilové materiály. Směs plastové pryskyřice stojí mezi 1 dolarem a 10 dolary za libru a ceny skleněných vláken začínají kolem 1 dolaru za libru. Polymerní kompozity ze skleněných vláken jsou cenově konkurenceschopné s hliníkem nebo ocelí pouze tehdy, když se používají v malých množstvích nebo ve složitých tvarech, jejichž tvarování z kovu je neúměrně drahé.

Kromě toho jsou běžné plasty mezi jednou třicetinou a jednou šedesátinou tužší než ocel, zatímco vyztužené plasty jsou asi z jedné patnáctiny tužší než ocel. Tradiční použití plastů v interiérech automobilů zachycuje výhody nízké hmotnosti a snadného tvarování, aniž by vyžadovaly vysoký stupeň tuhosti. Unibody však musí být tuhé, aby fungovaly efektivně. Konstrukční panely složené z vyztužených plastů proto musí být mnohem tlustší než jejich kovové protějšky, což kompenzuje sníženou hmotnost a ještě více zvyšuje náklady.

Kompozity z uhlíkových vláken přitáhly zájem průmyslu jako alternativa ke kompozitům ze skleněných vláken, protože jsou tužší. Panely složené z těchto materiálů mohou být vyrobeny tenčí – a tedy lehčí – než jejich protějšky vyztužené sklem. Kompozity z uhlíkových vláken jsou však neúměrně drahé: ceny uhlíkových vláken začínají na 20 dolarech za libru a dramaticky rostou se zvyšováním pevnosti a tuhosti vláken.

Výroba unibody na polymerní bázi je také obtížná. Přestože těla vyrobená z vyztužených kompozitů by vyžadovala pouze jednu třetinu dílů než běžná kovová těla, tyto díly by musely být vyrobeny tak, aby do sebe přesně zapadaly – něco, co dnes přesahuje stav techniky montáže. Vzhledem k tomu, že se plastová pryskyřice a uhlíková vlákna při ochlazování smršťují různou rychlostí, díly se musí mírně zkroutit a smrštit způsobem, který se kus od kusu nepředvídatelně liší. To není nic neobvyklého – ocel mění tvar, jak se ochlazuje, ale materiály jako ocel lze ohýbat a kroutit do tvaru. Například pracovníci montážní linky používají dřevěné paličky a dva po čtyřech, aby zajistili, že ocelové dveře auta správně visí a těsní, když jsou zavřené. Vyztužené plastové součásti nelze tímto způsobem deformovat – plast se dříve zlomí než ohne – takže neexistuje snadný způsob, jak kompenzovat drobné nedokonalosti ve způsobu, jakým díly lícují.

Konečně výroba cenově dostupného vozidla vyžaduje velkosériovou výrobu s objemy minimálně 30 000 kusů ročně a možná i řádově vyššími. Zatímco nestrukturální plastové součásti lze snadno vyrobit v tomto měřítku, technologie zpracování vyztužených plastů jsou vhodnější pro velikosti stovek nebo tisíců, nikoli statisíců. Nejlevnějším způsobem, jak přejít k hromadné výrobě polymerních materiálů, by bylo urychlit proces, vyrobit mnohem více dílů se stejným zařízením. Ale procesy spojené s výrobou a tvarováním vyztužených materiálů na bázi polymerů nejsou zvlášť vhodné pro tento druh přímého zvětšování.

Kritickým problémem je, že zpracování těchto druhů plastů je ze své podstaty pomalé. Díly vznikají tak, že se připraví směs ingrediencí a čeká se, až vychladnou nebo chemicky zreagují. U dílů o velikosti panelů karoserie automobilů může tento proces trvat minutu i déle. Pro srovnání, ocelové díly mohou být vyraženy za méně než 10 sekund. Je těžké najít způsoby, jak zvýšit rychlost chemických reakcí nebo rychlost přenosu tepla - pokud se plast ochladí příliš rychle, stane se křehkým, a pokud se chemické reakce urychlí, je obtížné je ovládat.

K výrobě velkého množství plastových dílů by tedy automobilky musely nakoupit více strojů a nastavit paralelní výrobní linky – kroky, které by více než kompenzovaly kapitálovou výhodu výroby plastů a zvýšily administrativní režii. Zatímco paralelní výrobní linky mohou teoreticky znít jako proveditelné, v praxi je velmi obtížné je koordinovat. V důsledku toho mají automobilky tendenci vyhýbat se procesům, které vyžadují více než dvě paralelní výrobní linky.

Ultralite=Ultranákladně

Kolik hmotnosti by mohla plastová unibody ušetřit a za jakou cenu? Nejradikálnějším polymerním systémem je Ultralite, koncepční vůz založený na kompozitech z uhlíkových vláken, který vyvinuli výzkumníci GM, kteří dostali mandát k dosažení co nejvyšší spotřeby plynu. Vůz, který byl vyroben ručně, obsahoval řadu technologií pro úsporu hmotnosti a paliva. Přestože vůz dokázal ujet více než 100 mil na galon, nelze jej považovat za prototyp vozidla pro masový trh: neobsahovalo prostorové nebo bezpečnostní prvky, které by většina spotřebitelů považovala za zásadní, a nikdy nebylo testováno na silnici nebo nárazu. . Přesto s hmotností 308 liber představuje dosud nejlehčí karoserii vyrobenou z polymerních materiálů.

Přestože Ultralite váží přibližně stejně jako hliníkový prostorový rám, jeho výroba ve velkých objemech by byla podstatně dražší. Například při výrobních objemech 100 000 kusů by každá unibody ve stylu Ultralite stála asi 6 400 USD. Tento odhad je založen na předpokladu, že ceny uhlíkových vláken zůstanou kolem 20 dolarů za libru. Zastánci polymerních materiálů tvrdili, že cena uhlíkových vláken bude s rostoucí poptávkou klesat. Ale i kdyby cena uhlíkových vláken klesla na 5 dolarů za libru – což je trend, který nepředpokládáme, protože výroba uhlíkových vláken není nutně přístupná úsporám z rozsahu – plastová unibody by stále stála 3 500 dolarů ve srovnání s 2 500 dolary za ocel. unibody a 2 800 USD za hliníkový prostorový rám při srovnatelných objemech výroby. Navíc při vyšších objemech výroby cena ocelové nebo hliníkové unibody výrazně klesne, zatímco cena unibody náročné na polymery klesne mnohem méně, což z ní dělá ještě méně ekonomicky výhodnou volbu.

Je nepravděpodobné, že by zvýšení spotřeby paliva, které lze přičíst samotnému tělu, vyrovnalo vyšší náklady na tělo na bázi polymeru. Při cenách 1,20 až 1,50 dolaru za galon benzínu by tělo Ultralite během svého životního cyklu stále stálo o nějakých 4 500 dolarů více než ocelové nebo hliníkové unibody. Ve skutečnosti by karoserie s intenzivním polymerem vyztužená uhlíkovými vlákny stále stála asi o 4 000 USD více než ocelová karoserie, i kdyby ceny benzínu vzrostly na 4,00 USD za galon, jak je tomu v Evropě.

Co teď dělají výrobci

Vzhledem ke stavu výrobního umění zaujímá automobilový průmysl postupný přístup k používání nových materiálů a postupně přijímá nové aplikace hliníku, polymerů a pokročilých ocelí. Ford například úzce spolupracuje s několika výrobci hliníku na projektu nazvaném Concept 2000 na výrobu 20 až 40 celohliníkových sedanů Taurus, který společnost nyní testuje a vyhodnocuje. Vozidlo, které využívá unibody design, je jen o několik set liber lehčí než jeho ocelový protějšek, a to především proto, že projektanti nezměnili pohonné ústrojí nebo zavěšení ani nepřepracovali vozidlo, aby dosáhli dalších sekundárních úspor hmotnosti. Projekt byl zamýšlen pouze jako test vyrobitelnosti celohliníkového vozu s cílem identifikovat změny v technologii tváření, které by byly potřeba k jeho výrobě. Zatím není jasné, zda Ford považuje experiment za úspěšný.

Alcoa a Audi spolupracovaly na Audi A8, luxusním sedanu založeném na hliníkovém prostorovém rámu, který se vyrábí v malých objemech a prodává se v Evropě. Velká část úspor hmotnosti dosažená použitím hliníku je eliminována doplňky, které mají zvýšit atraktivitu vozu na trhu vyšší třídy. Vozidlo však demonstruje životaschopnost konstrukce, která využívá hliníkové výlisky a odlitky a také tvářený plech použitý v panelech.

Automobilový průmysl se také pokouší vyvinout výrobní techniky pro nanášení plastů na sériově vyráběná vozidla (zejména na automobilové řady Saturn od GM), ale ani zde nejsou plastové komponenty kritickými konstrukčními prvky vozidla. Všechny Saturny například používají plastové panely karoserie k pokrytí ocelového prostorového rámu. Protože nemají žádnou konstrukční roli, nejsou panely vyrobeny z vyztužených kompozitů, ale z běžných plastů, kterých lze vyrobit ve statisícových množstvích. Výběr materiálu se řídí méně váhou než kosmetikou: plastové panely dodávají vozidlu charakteristický tvar a odolávají promáčknutí a poškrábání. Úspora hmotnosti dosažená použitím plastových panelů je ve skutečnosti alespoň částečně kompenzována potřebou použít více oceli v konstrukčních součástech pro udržení očekávané úrovně výkonu.

Výrobci automobilů zjistili, že s agresivním úsilím mohou nahradit ocel polymery v několika hlavních netradičních aplikacích, jako jsou střechy, kapoty, podlahové panely a kolébky motoru, ale mnozí také zjišťují, že náklady jsou příliš vysoké a úspora hmotnosti nevýrazná. GM také již řadu let experimentuje s kompozity ze skleněných vláken na panelech karoserie svých dodávek APV, ale nedávno dospěl k závěru, že tento materiál je prostě příliš drahý. Společnost plánuje návrat k používání oceli.

Zatímco pokračují v experimentech s polymery vyztuženými skelnými vlákny ve vozidlech pro specializovaný trh – dobře zavedená platforma pro inovace – zdá se, že výrobci automobilů se rozhodli, že tyto materiály nejsou užitečné v aplikacích s objemem výroby nad 80 000, protože při těchto objemech výhody neodůvodňují náklady. Navíc se zdá, že průmysl již používá plasty ve většině aplikací, které nejlépe vyhovují síle materiálu. Další náhrady oceli za plasty budou mnohem obtížnější, protože se jedná o použití, která těží konkrétně z vlastností kovů.

Dalším materiálem, který může hrát roli při postupné změně, je vysokopevnostní ocel. Tloušťka ocelových dílů používaných v automobilech je obvykle určena stupněm tuhosti, kterou vyžadují, ale asi ve 20 procentech aplikací je důležitou vlastností pevnost. Například nosník ve dveřích každého auta chrání cestující v případě nehody. Nové slitiny vysokopevnostní oceli jsou dvakrát až třikrát pevnější než konvenční uhlíková ocel, takže nosník vyrobený z nového materiálu by mohl vážit polovinu až třetinu toho, co nosník používaný dnes u dveří automobilů. Řada ocelářských společností se sídlem v různých zemích si najala Porsche Engineering Services, aby navrhla karoserii zahrnující všechny potenciální aplikace lehké oceli. Odhadují, že karoserie by mohla vážit o 10 až 20 procent méně než běžná ocelová unibody, a to za cenu až o 15 procent vyšší.

Program pro novou generaci vozidel mezitím zkoumá potenciální využití pokročilých ocelí, plastů a hliníku a také exotických a drahých látek, jako je hořčík a titan. V této rané fázi se výzkumníci snaží identifikovat technologie, které by mohly tvořit platformu pro cenově dostupné pokročilé vozidlo. Zdá se, že své úsilí zaměřují například na koncepci hybridního diesel-elektrického motoru a na hliník jako dominantní materiál pro konstrukční aplikace (ačkoli vozidlo bude nepochybně obsahovat řadu pokročilých materiálů pro jiné použití.) Ať už nebo Program se nakonec nepodaří vyvinout vozidlo, které je cenově dostupné – a zasvěcenci věří, že tomu tak nebude – toto úsilí poskytne automobilovému průmyslu cenné zkušenosti s novými materiály a technologiemi.

Soustředíme se na to, co umíme

Ať už průmysl přijme jakoukoli strategii, vozidlo vyrobené z lehkých materiálů bude jednoznačně stát více než dnešní konvenční auto. Spotřeba paliva těchto vozidel bude také záviset na mnohem více než na přechodu k lehkým materiálům; významné zisky si vyžádají změny v očekáváních spotřebitelů. Vzhledem k našim předpokladům o tom, jak by mělo být auto prostorné, jak rychle by mělo zrychlovat, jak rychle by mělo jet a jak pohodlně by se v něm mělo jezdit, je těžké udělat auto mnohem lehčí než, řekněme, celohliníkové. Taurus, který bude stále vozidlem, které si většina dnešních spotřebitelů chce koupit.

Nicméně přízrak superauta pronásleduje debatu o globálním oteplování způsobeném oxidem uhličitým a podněcuje veřejný tlak na vládu, aby nařídila radikálnější reformy. Pokud dokážeme vyrobit lepší tenisovou raketu z kevlaru, argument zní, proč bychom nemohli vyrobit lepší automobil ze stejného druhu materiálu? Jedna odpověď zní: ačkoli spotřebitelé mohou být ochotni zaplatit za své pokročilé kompozitové tenisové rakety třikrát tolik, je nepravděpodobné, že budou ochotni (nebo schopni) zaplatit úplně stejnou cenu za pokročilé kompozitové auto.

Superauto, jako je to, které si představuje Program pro novou generaci vozidel – takové, které dosáhne 80 mil na galon, zachovává si stejnou úroveň pohodlí a stojí stejně jako dnešní auto – je mimo naše možnosti dnes i pro blízkou budoucnost. Jakékoli dva z těchto tří cílů lze dnes dosáhnout, ale spojení všech tří dohromady bude vyžadovat velké technologické průlomy. Pro průmysl je tedy nepraktické zahodit dnešní automobilové designy a technologie a věnovat se této technologické chiméře.

Protože nemůžeme sériově vyrábět cenově dostupnou, ultralehkou karoserii na bázi polymeru, měli bychom se místo toho soustředit na to, co můžeme udělat. Můžeme například vyrobit hliníkové tělo, které funguje stejně dobře jako ocelová alternativa, ale stojí jen nepatrně více. Postupná aplikace širokého spektra technologií pokročilých materiálů, které jsou dnes k dispozici, může přinést skutečné výhody v oblasti účinnosti, užitečnosti a výkonu, aniž by vznikaly neúnosné náklady. Přestože jsou postupné strategie snižování hmotnosti vozidla relativně nevzrušující a neokoukané, jsou jediným důvěryhodným přístupem k zahájení přechodu na ekonomické vozidlo s nízkou spotřebou paliva.

skrýt