Журнал «Вокруг Света» №01 за 2009 год

Долой лишний вес!

Месяц назад в рамках этой рубрики мы говорили о моде на миниатюризацию, охватившую мировой автопром. Но ведь есть еще и другая мода — когда автомобили сбрасывают вес, не меняя при этом своих линейных размеров. Цель все та же — сэкономить на топливе, а вот методы совсем другие.

Борьбу с лишними килограммами (но не сантиметрами!) разработчики автомобилей ведут давно и с переменным успехом. Трудно сказать, что здесь первично, а что вторично. Обычно как только с помощью новых, весьма недешевых технологий удается уменьшить массу кузова и (или) двигателя, так в смежных КБ находятся очень-очень нужные устройства, без которых современный автомобиль, оказывается, просто немыслим. И все вновь возвращается на круги своя. К примеру, если взять отечественную «копейку» — ВАЗ-2101 — и снабдить ее полным комплектом современных опций (кондиционер, усилитель руля, эйрбеги, системы ABS и ESP, электростеклоподъемники, мощная аудио система с сабвуфером и т. д.), то динамика и экономичность машины заметно ухудшатся. Причина — «лишняя» масса.

Насколько вообще можно снижать массу, скажем, легкового автомобиля среднего класса? Специалисты считают: рациональный предел лежит в районе 500 килограммов. Более легкий 5-местный полноразмерный седан будет уже неустойчивым, сильный порыв бокового ветра просто сдует его с дороги. К тому же полная масса такого автомобиля будет меняться (в относительном выражении) от количества седоков: одного водителя массой около 80 килограммов или того же водителя и еще четырех таких же пассажиров плюс багаж. Не менять же каждый раз пружины подвески, сажая пассажиров!

Итак, кто кого? Кузовщики или прибористы? В последнее время все же появилась надежда на реальное уменьшение снаряженной массы. Европарламент постановил, что к 2012 году средний выброс СО2 на километр пробега не должен превышать 120 граммов. А за каждый лишний грамм с 2015 года автопроизводители будут платить по 95 евро с каждой машины. Более того, на 2020 год норматив планируют и вовсе ужесточить до 95 г/км! При чем тут масса авто? А все просто: граммы углекислого газа пропорциональны сожженному ископаемому топливу, а оно, в свою очередь, — весу автомобиля.

Но поскольку и через 10 лет многие, как нам кажется, не захотят ездить в тесных коробчонках на колесах, придется облегчать существующие полноразмерные кузова и мощные двигатели.

Робот вынимает готовую пластиковую деталь из литьевой машины (слева), чтобы отправить ее дальше, на склейку корпуса

Битва металлов

Производители алюминия, магния и стали борются нынче за автопром как за крупнейший рынок сбыта своей продукции. И небезуспешно. Так, 30 известных металлургических фирм объединились в консорциум и разрабатывают проект ULSAC (Ultra Light Steel Auto). Например, применение высокопрочных стальных сплавов и технологии гидроформования полых профилей позволило снизить вес дверей и капотов 18 моделей образца 1997 года на 27—32%, при этом стоимость изготовления сохранилась на прежнем уровне. А совсем недавно была продемонстрирована сверхлегкая дверь, весящая (без стекла и внутренних механизмов) всего… 10,47 килограмма, что на целых 42% легче традиционной конструкции! При той же прочности.

А колеса? Что же здесь можно противопоставить красивым, легким и прочным легкосплавным дискам? Оказывается, новые марки стали DP600 и DR600 позволяют уменьшить вес штампованного диска на 20%, так что теперь обод размера 6SJ x 15 весит всего 6,75 килограмма при сохранившейся стоимости, что лишь на 1250 граммов тяжелее более дорогого алюминиевого конкурента. Испытывают и биметаллический стальной диск, сваренный лазером из полос двух различных сортов стали по технологии Tailored Strip, который весит всего 5,3 килограмма, то есть легче алюминиевого.

Более того, современные автомобилестроители того и гляди вернутся к стальным бензобакам! Оказывается, пластиковые пропускают сквозь стенки около 18 граммов паров бензина в сутки, тогда как калифорнийские законодатели требуют не более 0,5 грамма! Тут и вспомнили о старом добром стальном баке, не пропускающем вообще ничего. Только вместо вредного свинца с коррозией теперь будет использоваться покрытие из цинка и никеля с тончайшей пластиковой оболочкой. Есть варианты и горячего алюминирования (к ним склоняются в Германии и Японии), и даже использования нержавейки.

А что же сам алюминий? Этот крылатый металл применяли в автомобиле (правда, спортивном) еще в 1899 году. Потом, в 1923 году, Лоуренс Померой построил машину, прошедшую 200 000 миль, прежде чем попасть в музей Ford. Но настоящую популярность алюминий получил вскоре после Второй мировой войны, благодаря Land Rover Defender. Правда, тогда еще не умели сваривать алюминиевые детали сложной формы, поэтому и обошлись плоскими панелями на заклепках.

Сегодня цельноалюминиевые кузова хотя и не стали массовым явлением, но доля этого металла в среднестатистическом автомобиле постоянно растет и достигла уже 160 килограммов. В автомобилях малого класса, где алюминий мог бы обеспечить расход топлива около 3 литров на 100 километров (это не фантастика, была уже такая версия Audi A2), широкому использованию металла с плотностью 2,68 г/см3 (против 7,87 у стали) мешает дороговизна технологий. А вот за вес Jaguar, Audi A8, Rolls-Royce Phantom стоит побороться всерьез, отдав часть освободившихся килограммов сервосистемам и электронике.

Суть этого каркаса в использовании профилей из прочных и особо прочных марок стали. При этом их стенки гораздо тоньше и легче, чем обычно

А можно попробовать совместить доселе несовместимое: в BMW 5-й серии, например, алюминиевый перед соединили со стальным кузовом, для чего пришлось решать проблему разности электрохимических потенциалов, приводящую к быстрой коррозии места стыка этих металлов. Кстати, такой симбиоз сегодня встречается часто. Машины подешевле ограничиваются алюминиевыми капотами и крышками багажников. Алюминиевые панели нередко скрываются под слоем металлика и на других авто, становясь неприятным сюрпризом для владельца в случае ДТП — ремонт влетает в копеечку.

Сколько же массы может сэкономить переход на алюминий в автомобиле среднего класса? По оценкам, вместо усредненных 1229 килограммов можно выйти на 785, то есть выигрыш составит около 36%. В пересчете на топливо это пара-тройка литров на сотню километров пробега. А нельзя ли пойти дальше и заменить алюминий магнием с плотностью всего 1,81 г/см3? В свое время в Volkswagen Lupo 3L уже была магниевая крышка багажника и титановые пружины подвески. Проблема тут не столько в стоимости металла, а в его «жадности» до кислорода. Например, магниевые колесные диски тщательно покрывают лаком, иначе они быстро превратятся в порошок окиси. (Похожие проблемы были и с алюминием, пока российские металлурги не придумали специальные коррозионностойкие сплавы, которыми успешно пользуется мировой автопром.) Поэтому магний пока применяют для деталей, где опасность окисления минимальна. Например, для каркаса торпедо Mini и Rolls-Royce. Последняя весит всего 7,6 килограмма и отливается единым «куском». А вот на BMW применили магний в блоке цилиндров. Новая рядная «шестерка» на четверть легче благодаря схеме «два в одном»: алюминиевая внутренняя часть с гильзами и постелями коренных подшипников окружена магниевым корпусом с водяной рубашкой и каналами для смазки. Здесь алюминий сопротивляется высоким термическим и механическим нагрузкам, а магний облегчает самую объемную часть мотора. Навесные агрегаты крепятся к магниевому корпусу алюминиевыми болтами. Правда, не граммов ради, а лишь из-за коррозионной проблемы на стыке магния и стали.

На первый взгляд ничего сложного: в форму закладывают алюминиевую сердцевину и заливают сплавом магния. А вот нюансы технологии производят впечатление: в форму массой около 60 тонн в течение 0,06 секунды впрыскивается магний под давлением 1000 бар! Алюминиевая сердцевина сжимается при этом магниевой оболочкой с усилием около 4000 тонн. Металл затвердевает всего за 10 секунд, еще 20 секунд идет охлаждение по специальной программе, исключающей растрескивание и, наконец, рука робота извлекает готовый блок цилиндров из половинок формы. Этот проект обошелся инвесторам в 100 миллионов евро, так что BMW вряд ли подешевеют. Впрочем, подобные же двигатели разработаны и на Audi, и знаете, сколько килограммов удалось сэкономить по сравнению с чугунным блоком? Двадцать три. С одной стороны, это вес полной канистры, с другой — так ли уж много на фоне тонны веса всего автомобиля?

1. Капот этого Rolls-Royce частично просто покрыт бесцветным лаком. Но и то, что скрыто под голубым металликом, — тоже алюминиевое!

2. Такой Plymouth должны были выпускать из бутылочного пластика. Но кризис спутал все карты…

Из пластиковых бутылок

А вы в курсе, что кузов современного авто можно сделать из пластиковых бутылок? Нет, это не сюжет для передачи «Умелые руки», речь идет об использовании полиэтилентерефталата в автостроении. До сих пор пластиковые кузова были доступны лишь суперкарам, где цена не имела значения. Дело в том, что необходимую прочность обеспечивали стекло- или углепластик. А из этого материала можно было изготавливать детали сложной формы лишь по принципу папье-маше: на болванку накладывали слой за слоем, промазывая весь «сэндвич» специальным клеем. Какая уж тут массовость — чисто ручная работа. Впрочем, прогресс не остановишь, и специалисты Daimler придумали, как сделать достаточно прочным удобный для литья полиэтилентерефталат. Для этого в форму закладывают туго натянутую паутину прочных нитей. Каркас из них оказывается внутри панели, а точнее, целой половинки кузова. Остается лишь склеить 4—12 составных частей, поставить внутрь мотор и сиденья, привернуть колеса... На изготовление уже окрашенного в массе кузова уходит 6,5 часа, тогда как норма для металлического аналога — 19 часов и 80—120 сборочных единиц.

Новая технология получила название LIMBT (Large Injection-Molded Body Technology). Однако если суть технологии и кажется простой, то лишь на бумаге, а на деле пришлось построить литьевую машину, развивающую усилие в 8000 тонн и весом более 900 тонн. Расплавленная масса впрыскивается в форму под давлением в 482 атмосферы, обтекая многочисленные подогреваемые «перемычки», препятствующие преждевременному остыванию. Проходит две минуты, и половинки формы по 200 тонн каждая освобождают готовую деталь для дальнейшего остывания уже на воздухе. И только тогда детали принимают окончательные форму и размер. Представляете, как сложно было рассчитать размеры формы, обеспечивающие конечную точность детали в ±0,5 миллиметра!

Далее специальный клей намертво соединяет половинки кузова за те же 2—3 минуты (длительность каждого процесса должна быть примерно одинаковой, иначе либо детали будут накапливаться, либо оборудование простаивать). Результаты краш-теста обнадеживают: даже при –20 °С клей и детали выдержали. Кстати, оказалось, что и с точки зрения безопасности армированный пластик гораздо лучше стали, поскольку поглощает кинетическую энергию не просто за счет деформации, но и расслоения материала, растяжения и обрыва волокон.

Интересно, что, несмотря на огромные размеры литьевых машин и форм, общая стоимость организации производства самых сложных (из 12 деталей) кузовов по технологии LIMBT оценивается в 23 миллиона долларов, тогда как подготовка к серии стального кузова стоит несколько сотен миллионов! К тому же площадь, занимаемая заводом, сокращается в четыре раза, а его цена — в три. Не нужно ни штампового, ни сварочного, ни окрасочного, ни гальванического производств. Экономисты подсчитали: такая технология делает рентабельным выпуск автомобилей от 10 000 штук в год. И если бы не общий кризис автопрома, то пластмассовые автомобили уже, возможно, бегали бы по улицам…

Chrysler (будучи еще в связке с Daimler) собирался производить таким способом полноразмерные автомобили на основе концептов Plymouth Pronto Spider и Dodge Intrepid ESX II. По предварительным расчетам себестоимость машин могла снизиться на 80%! Кроме того, полиэтилентерефталат гораздо экономичнее металла в утилизации: переплавка требует меньше энергии. Но теперь неясна судьба самого концерна, так что легких «авто из бутылок» придется подождать. Возможно, первыми ласточками станут модели на топливных элементах: для них вывели почти линейную зависимость. Снизили массу вдвое — вдвое уменьшилась необходимая мощность силового агрегата, вдвое упала и общая стоимость авто. Но это уже тема для другой статьи.

Алексей Воробьев-Обухов