Faza II: Potențial ușor pentru un vehicul comercial ușor

inițiativa

figura 1.

Figura 2. Defalcarea LCV în funcție de greutate

Figura 3. Evaluarea ideilor de design ușoare

Figura 4. Exemple de potențial ușor de proiectare pentru piesele motorului și ale transmisiei. (Sursa: Hirschvogel Automotive Group, GMH, Saarstahl, EZM, Linamar Seissenschmidt (LSF), SONA BLW Group)

Figura 5. Idei de proiectare ușoare bazate pe selecția materialelor (Sursa: fka pentru Faza II a Inițiativei de forjare ușoară)

Inițiativa de forjare ușoară din Germania continuă cu faza II, în care un vehicul utilitar ușor este demontat și piesele sale componente adecvate sunt examinate pentru a reduce greutatea prin forjare, selectarea materialelor și parametrii de proiectare.

Pentru o mașină de călători de dimensiuni medii, forjarea permite o reducere a greutății de 42 kg a pieselor de tren și a șasiului (a se vedea articolul Inițiativa de forjare ușoară din numărul din aprilie 2016 al FORGE), dar cât de mult se poate economisi într-un vehicul utilitar ușor ) care cântărește 2.394 kg? Inițiativa de forjare ușoară a discutat această problemă, iar investigațiile sale au arătat că o economie de greutate potențială de 99 kg poate fi identificată prin utilizarea forjării, a materialelor din oțel alternative sau a conceptelor de design ușor.

Faza I: Autoturisme

Inițiativa de forjare ușoară a fost formată în 2013 de 15 companii de forjare și nouă companii siderurgice sub auspiciile Asociației germane de forjare (IMU) și a Institutului siderurgic VDEh. În prima fază, a fost analizată o mașină de călători de dimensiuni medii și a fost identificat un potențial ușor de proiectare de 42 kg pentru componentele din grupul de propulsie și șasiu. Pe baza interesului extraordinar pe care l-au primit rezultatele de la clienți și determinat de o cooperare intensivă în cadrul celor două industrii participante, a fost luată o decizie de a lansa Faza II în 2015 pentru a se concentra pe potențialul ușor de proiectare a pieselor forjate într-un LCV. Faza II a Inițiativei de forjare ușoară reunește 17 companii de forjare, 10 producători de oțel și un furnizor de servicii de inginerie.

Faza II: Vehicul comercial ușor

În timpul celei de-a doua faze a inițiativei, un LCV a fost analizat cu scopul de a-l face mai ușor utilizând componente forjate. Spre deosebire de autoturisme, greutatea vehiculelor LCV continuă să crească de la o generație la alta. Cu toate acestea, obiectivele privind scăderea emisiilor de CO2 la autoturisme se aplică, de asemenea, vehiculelor cu vehicule grele. De asemenea, trebuie remarcat faptul că costul total de proprietate este mai critic în vehiculele comerciale decât în ​​autoturisme, astfel încât reducerea greutății care duce la un consum redus de combustibil are un impact mai mare asupra deciziilor de cumpărare. În cele din urmă, greutatea mai mică a vehiculului înseamnă că poate fi transportată o sarcină utilă mai mare, care este un factor în decizia de cumpărare a unui proprietar de vehicul comercial.

În 2013, în Uniunea Europeană au fost vândute 1,44 milioane de vehicule grele (greutatea brută a vehiculului de până la 3,5 tone). Aici, legislația impune o reducere a emisiilor de CO2 de 13% pentru a ajunge la o valoare de CO2 de 182 g/km până în anul 2020. Vehiculul ales pentru această analiză a potențialului de proiectare ușoară este foarte reprezentativ pentru această clasă. Vehiculul are un motor diesel de 2,1 litri cu patru cilindri, cu o putere de 120 kW, o transmisie manuală cu șase trepte și tracțiune spate, reprezentând astfel configurația cea mai vândută. Bilanțul total de masă pentru sistemul de propulsie și șasiu, caroserie, interior și electronice, precum și spectrul proceselor de fabricație aplicate sunt prezentate în Figura 2.

Am folosit aceeași procedură ca în Faza I pentru a genera idei de potențial de reducere a greutății. După ce am găsit un vehicul adecvat pentru studiile noastre de fază II, am achiziționat unul second-hand (vechi de 12 luni, citirea contorului de 23.000 km). Vehiculul a fost apoi demontat. Membrii grupului nostru au analizat toate cele 2.536 de părți și au făcut brainstorming cu câteva idei de design ușoare pe parcursul a două ateliere. Ideile au fost clasificate în funcție de potențialul de reducere a greutății, posibilul impact asupra costurilor de fabricație și, în cele din urmă, în funcție de nivelul de dificultate de implementare.

Trei grupuri de idei pentru un potențial de design ușor

În total, au fost generate 535 de idei pentru un potențial de proiectare ușoară pentru piesele realizate din material lung laminat (forje, șuruburi, piulițe, tuburi sau arcuri). Cu datele de clasificare atribuite fiecărei idei, a fost generată cu ușurință o prezentare generală pentru o prioritate semnificativă a sugestiilor de proiectare ușoare. Ideile au fost grupate în trei grupuri într-un grafic de portofoliu (Figura 3). Pe axa orizontală, ideile au fost plasate cu impact asupra costului versus potențialul de realizare (cu un coeficient de ponderare de 2: 1). Pe axa verticală este afișată cantitatea de economii posibile de greutate.

Primul grup de idei (Grupul A din Figura 3) este „Câștiguri rapide”. Aceste idei ar trebui urmărite într-un ritm prioritar. Acestea oferă o scădere a greutății cu o creștere mică sau deloc a costurilor și prezintă doar puține sau deloc dificultăți în implementare. Inițiativa de forjare ușoară, cu toate acestea, dorește să sublinieze că constatările sale nu trebuie deloc înțelese ca o critică a producătorului vehiculului sau a proiectanților săi. Mai degrabă, acestea sunt menite ca sugestii pentru a aplica tehnici și tehnologii moderne de forjare și materiale (în special soluții moderne de oțel) pentru a sprijini megatendența designului ușor.

Grupul B din Figura 3 cuprinde idei care oferă potențial de reducere a greutății la un cost crescut și necesită eforturi mai mari de implementare. Trebuie remarcat faptul că aceste eforturi trebuie comparate temeinic cu alte opțiuni de reducere a greutății într-un vehicul care domină în prezent titlurile (CFRP, oțeluri din tablă, materiale plastice). Forjarea este o tehnologie dovedită și poate oferi un cost mai mic de reducere a greutății pe kilogram decât multe alte metode de fabricație - dacă i se acordă atenția adecvată (care este unul dintre obiectivele principale ale Inițiativei de forjare ușoară).

Grupa C din Figura 3 este clasa „Nuci rezistente”. Ideile din acest grup necesită mai mult cost și efort pentru o acțiune de design ușoară.

Economii totale posibile

Pentru întregul LCV, economiile totale de greutate de 99 kg au fost identificate pe baza potențialului de reducere a greutății care poate fi realizat prin forjare, materiale alternative sau concepte de proiectare. Potențialul ușor de proiectare pe oțel ajunge la 65 kg. Potențialul ușor prin utilizarea metalelor neferoase ar putea contribui cu încă 34 kg, deoarece acest vehicul prezintă un raport mai mare de soluții pe bază de fier (de exemplu, piese din fontă) decât autoturismul analizat în faza I.

Implementarea tuturor celor mai bune propuneri de reducere a greutății ar însemna că greutatea trenului de propulsie și a șasiului din acest vehicul ar putea fi redusă cu 11,7%.

Îndepărtarea materialului inutil

Multe idei de design ușoare au fost detaliate în modelele CAD, comparând ideea nouă cu componenta originală. Acest lucru permite un calcul comparativ precis al reducerii greutății. Unele idei ușoare au fost simulate în programele FEA pentru a le confirma validitatea. Similar fazei I, reducerea greutății a fost generată în principal prin îndepărtarea materialului inutil, utilizând astfel posibilitățile de modelare a tehnologiei de forjare într-o măsură mai mare.

În al doilea rând, oțelurile noi de înaltă performanță au permis proiectarea ușoară. Pentru componentele selectate, utilizarea aliajelor de aluminiu pentru înlocuirea componentelor din fontă sau tablă de oțel a permis reduceri semnificative ale greutății. Validitatea economică a acestor idei, ca în toate cazurile, trebuie evaluată în detaliu. În cele din urmă, unele idei conceptuale ar putea spori potențialul de reducere a greutății în LCV. Spectrul larg al acestor idei poate fi accesat în raportul complet al Inițiativei de forjare ușoară disponibil la www.lightweightforging.com.

Oțeluri mai puternice pentru transmisii mai ușoare

Întregul domeniu al tehnologiei auto necesită un design ușor. Prin urmare, Inițiativa de forjare ușoară a considerat că merită să exploreze relația dintre costul crescut al oțelurilor cu performanțe superioare și efectul lor posibil asupra reducerii greutății transmisiilor. Pentru a face acest lucru, a fost comandat un studiu de proiectare a transmisiei la Institutul de Inginerie a Produselor (IPEK) din Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Datele pentru transmisia manuală a vehiculului LCV au luat în considerare încărcătura flancului dinților, sarcina dintelui-rădăcină, capacitatea de transfer a cuplului de reducere și oboseala arborelui din oțelul de carburare mediu aliat utilizat. Pe baza valorilor fixe de intrare (puterea motorului, cuplul și turația vehiculului) și a topologiei transmisiei, este acum posibil să se modifice rezistența la picurare și rezistența la oboseală a dinților. În funcție de creșterea acestor proprietăți de rezistență, modelul poate prezice economii în greutatea și dimensiunea sistemului (Figura 5). Dimensiunea redusă a roților dințate și a arborilor este luată în considerare direct. Un pas suplimentar de program calculează efectele secundare ale greutății carcaselor de transmisie de dimensiuni reduse.

Pentru a compara acum costul de reducere a greutății pe bază de oțel cu o posibilă pierdere în greutate, parametrii de rezistență pentru un oțel aliat mai mare au fost introduși în modelul de transmisie, ceea ce a dus la o economie de greutate estimată de 2,45 kg. Dacă transmisia manuală ar fi fost realizată din oțel foarte aliajat, ar fi necesar să comutați aproximativ 21 kg de arbori și roți dințate pe același oțel. Cu toate acestea, acest oțel este mai scump.

Dacă presupunem că modelul nostru este corect și greutatea de intrare a componentelor forjate scade cu cantitatea prevăzută (2,45 kg), creșterea costului total pentru designul ușor este de doar 2 euro. Astfel, se poate realiza o economie de greutate de 2,45 kg la un cost crescut de mai puțin de 1 euro per kg de greutate economisită. Economisirea greutății prin utilizarea oțelurilor cu performanțe mai ridicate în aplicațiile de transmisie este o măsură eficientă din punct de vedere al costurilor. Acest lucru nu se aplică doar transmisiei în sine, ci și tuturor sistemelor în care se angrenează angrenajele (diferențiale, cutii de transfer etc.). În plus, modelul de transmisie prezice că se poate aștepta la o reducere suplimentară a greutății cu valori de rezistență chiar mai mari.

Soluții economice de reducere a greutății

Inițiativa de forjare ușoară a demonstrat pe două vehicule diferite că tehnologia modernă de forjare și materialele de forjare, în special oțelurile de înaltă rezistență, pot contribui semnificativ la soluții economice de reducere a greutății în industria auto. În a doua fază, importanța și eficacitatea oțelului de înaltă calitate în aplicațiile de transmisie au fost examinate mai intens.

O cooperativă finanțată federal (10 instituții de cercetare și 60 de parteneri industriali), proiectul Lightweight Forging Initiative, care a început în mai 2015, cu o durată anticipată de trei ani, va oferi un potențial de proiectare și mai ușor în viitor. O perspectivă cheie va rămâne întotdeauna adevărată: numai printr-o comunicare bună se poate realiza o combinație optimă de proiectare a componentelor, materiale și tehnologie de fabricație pentru a asigura dezvoltarea soluțiilor ușoare în producția de masă la un cost competitiv de proiectare ușoară.

rezumat

Inițiativa de forjare ușoară a demonstrat, în timpul fazei I, un potențial ușor de proiectare de 42 kg în grupul de propulsie și șasiu al unui autoturism de dimensiuni medii. Această acțiune de succes a fost continuată în faza II pe segmentul vehiculelor cu vehicule grele. Un vehicul a fost demontat și toate componentele au fost documentate. Material, forjare și idei conceptuale ușoare de proiectare au fost generate în ateliere practice. În plus, costul reducerii greutății prin utilizarea oțelurilor de transmisie mai puternice a fost cuantificat într-un studiu de proiectare a transmisiei.