SEMINARSKA NALOGA - Novosti v avtomobilski industriji

 

| uvod | avtomobili danes | varnost | tehnične novosti v razvoju motorjev | globalizacija | REVOZ Novo Mesto | literatura |

 

AVTOMOBILSKA INDUSTRIJA DANES

Pogonski agregati, ki jih namenjajo novim avtomobilom, že dolgo niso doživeli revolucionarnih sprememb. Njihov nenehen razvoj, ki mu sledimo zadnja leta, je omogočen predvsem z razvojem elektronike in deloma tudi novih snovi. To pogojuje njihovo večjo učinkovitost, večjo ekološko sprejemljivost in druge pridobitve. Čeprav se kot pravi pogonski agregati avtomobilov prihodnosti čedalje bolj kažejo razni hibridni pogoni, elektromotorji, ki za delovanje uporabljajo energijo različnih virov (tudi gorljivih celic), bodo motorji klasične zasnove kljub temu najverjetneje še dolgo poganjali večino izdelkov, ki človeku zagotavljajo mobilnost.

Večventilska tehnika, ki je v osemdesetih letih postala skoraj modna muha in domena zmogljivejših avtomobilov, je skladno s tem postala zaščitni znak razvojne prodornosti proizvajalcev, ki to tehnologijo namenjajo tudi marketinškim prijemom. Tako je oznaka 16V postala nekakšen hi-fi. Toda za vsakdanjo rabo avtomobilov, namenjenih predvsem tistim, ki si želijo neobremenjeno zagotavljanje mobilnosti, sta bila dva ventila na valj popolnoma dovolj. Tudi z njima je bilo namreč možno doseči večjo vrednost motornega navora pri manjši hitrosti vrtenja motorja. Netežavna je bila tudi njihova ekološka sprejemljivost. Toda zdi se, da bo večventilska tehnika končno dobila večjo veljavo tudi po tej plati.

Ekološka sprejemljivost avtomobilov je zadnja leta čedalje bolj povezana s težo. Ob tem so proizvajalci spoznali, da pomeni večventilska tehnika, ki omogoča večje zmogljivosti pri manjši delovni prostornini, tudi prihranek pri teži. Torej manjši pogonski agregati s tehnologijo, ki jim omogoča doseganje večje moči ob uporabi zmogljivejšega motornega elektronskega upravljanja, v seštevku pomenijo manjšo porabo goriva in s tem povezano večjo ekološko sprejemljivost. Razvoj tovrstnih motorjev naj bi se v prihodnje usmeril v razvoj materialov in lažjih snovi, kot sta npr. aluminij in magnezij ter njune zlitine. Hkrati bodo morali biti materiali in strojni deli takšni, da bodo omogočali manjša trenja. V tej smeri bodo deležni sprememb tudi glave motorjev, čela batov in batni obročki. Predvsem zgornji batni obroček bo moral učinkoviteje tesniti ob manjšem trenju ob steno valja. Z bolj dovršeno elektroniko se bo izboljšalo zgorevanje in učinkovitost katalizatorjev izpušnih plinov. Te bodo morali izboljšati predvsem glede učinkovitejšega nevtraliziranja nezaželjenih in strupenih izpušnih plinov in časa, ki ga potrebujejo za dosego delovne temperature.

Ob čedalje bolj razviti elektroniki bodo večji razmah gotovo doživeli tudi bencinski pogonski agregati z neposrednim (direktnim) vbrizgom goriva. Tehnologija, ki jo zdaj najbolje obvladata japonska izdelovalca Mitsubishi in Toyota, bo kmalu postala tudi zaščitni znak evropskih proizvajalcev avtomobilov. Pri Renaultu so že napovedali, da naj bi njihov tovrstni pogonski agregat ugledal luč sveta na začetku naslednjega desetletja. Zaradi svojega prepričanja, da bo usodo ekološke sprejemljivosti avtomobilov prihodnosti v marsičem določala teža vozila, že bolj ali manj odkrito razvijajo popolnoma nov dvotaktni pogonski agregat. Trivaljnik naj bi dosegal popolnoma primerljivo moč z velikimi bencinskimi šestvaljniki. Še posebej veliko pozornost namenjajo razvoju posebnega sistema vbrizga goriva in predhodno komprimiranega zraka v zgorevalni prostor. Največja težava takšnega dvotaktnega motorja je poleg zagotavljanja ekoloških norm umirjeno in kultivirano delovanje. Pri francoskem Renaultu bodo ob spoznanju, da večventilska tehnika pomeni prihranek pri teži motorja, namenili manjšim pogonskim agregatom za doseganje večjih zmogljivosti sistem pnevmatskega vodenja ventilov. Gre za tehnologijo, ki je po mnenju številnih strokovnjakov zagotavljala Renaultu tolikšno premoč med ponudniki pogonskih agregatov v formuli 1 (pred umikom iz tekmovanj ob koncu prejšnje sezone).

Ekološko sprejemljivost in učinkovitejše delovanje motorjev bodo v prihodnje zagotavljale tudi nove tehnike načrtovanja in preizkušanja pogonskih agregatov. Pri tem bodo veliko težo prevzeli računalniški sistemi CAD.

Vse našteto pa velja tudi za dieselske pogonske agregate, ki s tehnologijo direktnega vbrizga goriva in turbinskih polnilnikov s spremenljivo geometrijo lopatic, tehnologijo skupnega voda (common rail) ter seveda še nedavno neslutenimi možnostmi sodobne elektronike postajajo po kultiviranosti in zmogljivostih povsem primerljivi z bencinskimi agregati. Njihova slabost je večja teža, toda uporaba keramike in odpornih, a lahkih magnezijevih in aluminijevih zlitin, tudi njim na široko odpira vrata v svet prihodnosti.

Na splošno gledano v bližnji prihodnosti velikih revolucionarnih sprememb v avtomobilski industriji ni pričakovati, toda pod plaščem klasičnih tehničnih rešitev se že zdaj dogajajo prave majhne revolucije.

UPORABA LAHKIH MATERIALOV
Avtomobil je tipičen primer raznolike uporabe jekla, ki predstavlja okoli dve tretjini teže avtomobila. Poleg litih sestavnih delov ter delov, izdelanih z odrezovanjem, ima jeklena pločevina glavno vlogo pri izdelavi velikoserijskih osebnih avtomobilih. Poleg raznolikih mehanskih lastnosti predstavlja tudi dobra obdelovalnost in ugodna cena odločilen argument za uporabo jekla. Tudi ponovna uporaba (recikliranje) jeklenih izdelkov ni problematična.

Vsem tem ugodnim lastnostim navkljub pa dobiva jeklo v zadnjih letih konkurenco v lahkih kovinah, zlasti aluminiju in magneziju. Če je bila še pred nekaj leti zelo majhna izbira visoko zmogljivih motorjev, izdelanih iz aluminijevih zlitin, si danes modernega pogonskega agregata brez uporabe aluminija v bloku in glavi motorja sploh ne moremo več predstavljati.

Aluminij
Uporaba aluminija in aluminijevih zlitin je primerna predvsem zaradi manjše mase izdelkov in s tem povezane porabe goriva ter onesnaženosti okolja. Zaradi manjše gostote aluminija lahko zmanjšamo celotno maso vozila do 100 kg oziroma prihranimo od 0,3 do 1 liter/100 km. Poleg tega lahko vse aluminijeve izdelke in sestavne dele popolnoma recikliramo, pri čemer porabimo le 5% v prvotno izdelavo vložene energije.

Vendar pa je aluminij kot material dražji od jekla, prav tako pa lahko tudi obdelovalni postopki, kot npr. globoki vlek ali točkovno varjenje, pri nepravilnem prehodu iz običajnih tehnik obdelave (razvitih za obdelavo jekla), povzročijo precejšen dvig stroškov. Področje uporabe aluminijevih zlitin v avtomobilski industriji postaja vedno bolj široko:

  • Manj zahtevni izdelki, kot npr. ohišja menjalnikov in volanskih mehanizmov, razni pokrovi, nosilci in oljne kadi, platišča in ročna dvigala, ki so izdelani iz aluminijevih zlitin z različnimi postopki litja.

  • Stranske (bočne) ojačitve v vratih so večinoma še vedno izdelane iz jeklenih cevi in pločevine, vendar pa je možno s posebnim oblikovanjem, povezanim z iztiskovanjem (ekstrudiranje), aluminijastim profilom povečati odpornostni moment ob hkratnem zmanjšanju mase. Takšen element prevzame nase (brez upognitve) bistveno več deformacijske energije od jeklene cevi.

Slika 1: Stopnja prevzemanja deformacijske energije jeklenega in alu profila

Vodila sprednjih sedežev so narejena s posebnimi postopki ekstrudiranja aluminija, tako da pri morebitnem trku vozila sedeža ne more iztrgati, ker se aluminijasti profili med seboj zagozdijo.

  • Spaceframe koncept: konstrukcija prostorskega ogrodja (rešetke) karoserije, ki je sestavljena iz ekstrudiranih aluminijastih profilov in stičišč iz aluminijevih zlitin in ki daje izredno trdno, stabilno potniško celico. Uporaba teh sestavnih delov je v avtomobilski industriji postala dokončno velikoserijska v Audiju A8, kjer so inženirji dokazali, da je aluminij obvladljiv (mehanska obdelava) tudi kot material za izdelavo modernih karoserij.

  • Blok motorja lahko z uporabo aluminijevih zlitin pridobi tako na zmanjšanju mase (40-60% v primerjavi s standardnim materialom, to je lamelarno sivo litino), kakor tudi pri manjši porabi olja, boljši toplotni prevodnosti, kompaktnosti in spremenjeni akustičnosti. Problem se pojavi pri obdelavi notranjih sten bloka (kjer drsi bat). Lamelarna siva litina s primerno honano strukturo zagotavlja dobro drsenje bata oz. batnega obročka po steni valja, medtem ko so aluminijeve zlitine brez posebnih ukrepov nagnjene k razjedanju (abrazivni koroziji). To težavo odpravimo z nalitjem lamel sive litine na notranje stene aluminijastega bloka motorja. S tem postopkom je v Evropi izdelanih 90% motornih blokov iz aluminija.

Slika 2: Na stene valja nalite lamele sive litine

Drug način je uporaba nadevtektične Al-Si zlitine (17% Si), ki pri nizkotlačnem litju tvori trd silicijev izloček (trdote 1000 HV), kar površinsko utrdi zgornjo plast osnovnega materiala -majhna obraba (slika 3a). Ta postopek je v uporabi le v Nemčiji pri proizvodnji 8 in 12 valjnih motorjev (okoli 60.000 letno) za avtomobile visokega razreda, saj je cena izdelave precej višja.

Tretja možnost pa je galvanski nanos disperzijskega sloja Ni-SiC (industrijsko ime nikasil) v debelini od 50 do 80 đmm na osnovni material, to je aluminijevo zlitino (slika 3b). S kasnejšo obdelavo (honanje) dobimo primerno gladko površino. Tudi tovrstne obloge se uporabljajo pretežno v Nemčiji -trenutna proizvodnja znaša okoli 90.000 motorjev letno.

Slika 3a: nadevtektična Al-SI legura

Slika 3b: disperzijska plast Ni-SiC, nanešena na osnovni material (AL zlitina)

Spodnja tabela prikazuje delež motorjev, izdelanih iz aluminijevih zlitin, glede na celotno proizvodnjo motorjev v Evropi v letu 1994 (osebna vozila):

Država

Skupaj

ALU motorji

Odstotek

Nemčija

3.691.000

154.000

4

Francija

2.870.000

1.442.000

50

Španija

1.640.000

0

0

Velika Britanija

1.525.000

255.000

17

Italija

1.239.000

52.000

4

Švedska

282.000

166.000

59

Ostali

460.000

0

0

Skupaj

11.778.000

2.069.000

18

Magnezij
V letih po 2. svetovni vojni, zlasti v 60. in 70. letih, je uporaba tlačno litih magnezijevih delov v motornih vozilih dosegla višek z vgradnjo ohišja motorja in menjalnika v znamenitega VW hrošča. Sredi 70. let je pričela poraba magnezijevih zlitin zaradi hitro naraščajočih cen legur, ki so jih povzročili omejena konkurenčnost proizvodnih virov in problemi zaradi korozije, znatno upadati. Vendar pa je v osemdesetih letih prišlo do nekaterih ključnih odkritij na tem področju in podlaga za široko proizvodnjo magnezija in njegovih zlitin (legiranje) je bila ustvarjena. Razvite so bile zelo čiste in visoko korozijsko obstojne magnezijeve zlitine.
Potencial za uporabo magnezija, zlasti za tlačno lite izdelke, je v proizvodnji motornih vozil danes mnogo večji kot kdajkoli prej - področja so sledeča:

  • Magnezijeve zlitine z visoko razteznostjo so uporabne za platišča (zlitina AM60), volanske obroče (Toyota) in okvirje sedežev (Mercedes Benz). Pri Toyoti so konec 80. let razvili vakuumsko podprto tlačno litje za izdelavo volanskih obročev, kjer lahko s strogo kontrolo poroznosti povečajo raztezek in elastičnost magnezijeve zlitine za več kot 16%. S doseganjem visoke elastičnosti brez izgube ostalih mehanskih lastnosti, lahko magnezijeve zlitine uporabimo za celo vrsto avtomobilskih delov s strogimi varnostnimi zahtevami. Prav tako konec 80. let so pri Mercedes Benzu razvili dve novi magnezijevi zlitini AM20 in AM50, ki so ju uporabili za litje sestavnih delov sedeža pri modelu 500 SEL roadster. Zaradi visoke stopnje prožnosti so te zlitine idealne za litje notranjih sestavnih delov, ki nudijo ob trikrat manjši teži (glede na jeklo) visoko varnost potnikom.

  • Tlačno liti izdelki z večjo površino, npr. okvirji za armaturne plošče (razviti konec 80. let pri Audiju za model V8), nudijo poleg manjše mase (do 50%), vibracij in hrupa tudi dobro toplotno prevodnost, možnost vgradnje sistema zračnih blazin, večjo fleksibilnost pri nadaljnem opremljanju izdelka (izboljšani styling) ter nenazadnje konkurenčne proizvodne stroške.

  • Izdelki iz magnezija v krmilnih drogovih, kakor tudi v ohišjih ključavnic volana, sistemih zračnih blazin in številnih drugih aplikacijah, pomenijo precejšen prihranek na masi, precej pa pripomorejo tudi k varnosti in akustičnosti.

  • Magnezij se v zadnjem času uporablja tudi kot nadomestilo za jeklene izdelke večjih površin, npr. okvirje vrat, pokrove prtljažnika, okvirje sončnih streh, ojačitve hladilnikov... Z novimi postopki litja, ki omogočajo izdelavo tankostenskih odlitkov, ter magnezijevimi zlitinami z izboljšanimi lastnostmi (korozijska obstojnost...) se to področje uporabe hitro širi.

  • Pogonski deli in komponente motorja: na prvem področju je uporaba magnezijevih zlitin stara že več kot 40 let (ohišja menjalnika pri VW hrošču), danes pa gre razvoj naprej tudi na področje avtomatskih menjalnikov. Tlačno uliti izdelki v enem kosu, npr. pogonske konzole (Jeep Cherokee, Chrysler) blažijo vibracije in hrup, ki jih povzroča motor. Kljub veliki konkurenčnosti ostalih materialov s podobnimi lastnostmi (aluminij, umetne mase...) pa se lahke magnezijeve zlitine uporabljajo tudi za izdelavo pokrovov glave motorja in sicer v lakirani ali nelakirani obliki.

Uporaba tlačno litih izdelkov iz magnezijevih zlitin se v avtomobilski industriji nezadržno širi. Po ocenah bi naj bilo leta 2000 v sestavnih delih motornih vozil uporabljenih okoli 130.000 ton magnezijevih zlitin. Magnezijeve zlitine so se izkazale kot cenovno ugodne, po drugi strani pa je njihova uporaba omogočila izboljševanje vozil s strani varnosti in zmogljivosti.

Tabela prikazuje napoved uporabe magnezija v izdelavi motornih vozil (v 1000 tonah).

Leto

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

ZDA

12.3

17.2

20.0

26.0

36.3

47.5

51.6

59.3

68.2

78.5

Evropa

6.3

6.4

5.4

6.4

7.4

10.6

13.4

16.8

21.0

26.1

Japonska

1.5

1.4

1.8

3.0

5.0

6.8

9.1

12.3

16.6

22.4

Ostali

5.0

4.9

5.0

5.0

5.2

5.4

5.6

6.0

6.6

7.3

SKUPAJ

25.1

29.9

32.2

38.4

53.9

69.8

79.7

94.4

112.4

134.3