Німецька ініціатива легкої ковки

Фаза II: Легкий потенціал для легкого комерційного автомобіля

Фігура 1.

Малюнок 2. Розподіл LCV за вагою

Малюнок 3. Оцінка легких дизайнерських ідей

Малюнок 4. Приклади легкого конструктивного потенціалу деталей двигуна та трансмісії. (Джерело: Hirschvogel Automotive Group, GMH, Saarstahl, EZM, Linamar Seissenschmidt (LSF), SONA BLW Group)

Малюнок 5. Легкі дизайнерські ідеї, засновані на виборі матеріалу (Джерело: fka для Фази II Ініціативи легкого кування)

Німецька ініціатива легкої ковки продовжує свою фазу II, в якій легкий комерційний автомобіль демонтується, а його відповідні складові частини досліджуються для економії ваги шляхом кування, вибору матеріалу та конструктивних параметрів.

Для середнього пасажирського автомобіля ковка дозволяє зменшити вагу на 42 кг силової установки та деталей шасі (див. Статтю Ініціативи легкої ковки у квітні 2016 року у випуску FORGE), але скільки можна заощадити на легкому комерційному автомобілі (LCV) ), що важить 2394 кг? Ініціатива легкої ковки обговорювала цю проблему, і її дослідження показали, що потенційну економію ваги в 99 кг можна визначити за допомогою кування, альтернативних сталевих матеріалів або концепцій полегшеного дизайну.

Фаза I: Легкові автомобілі

Ініціатива легкого кування була сформована в 2013 році 15 ковальськими та дев'ятьма сталеливарними компаніями під егідою Німецької ковальської асоціації (IMU) та Інституту сталі VDEh. Під час першого етапу було проаналізовано середній пасажирський автомобіль та виявлено легкий конструктивний потенціал у 42 кг для компонентів силової установки та шасі. Виходячи з величезного інтересу до результатів, отриманих від замовників та обумовлених інтенсивним співробітництвом у двох галузях, що беруть участь, було прийнято рішення розпочати ІІ етап у 2015 році, щоб зосередитись на полегшеному конструктивному потенціалі поковок в LCV. Фаза II Ініціативи легкого кування об'єднує 17 ковальських компаній, 10 виробників сталі та одного постачальника технічних послуг.

Фаза II: Легкий комерційний автомобіль

Під час другої фази ініціативи було проаналізовано LCV з метою зробити його легшим за допомогою кованих деталей. На відміну від автомобілів, вага легкових автомобілів все ще продовжує зростати від одного покоління до наступного. Однак цілі щодо зменшення викидів CO2 в автомобілях також застосовуються до легкових автомобілів. Слід також зазначити, що загальна вартість володіння є більш важливою для комерційних автомобілів, ніж для автомобілів, тому зменшення ваги, що призводить до зменшення споживання палива, має більший вплив на рішення про придбання. Нарешті, менша вага транспортного засобу означає перевезення більшого корисного навантаження, що є чинником рішення про придбання власника комерційного автомобіля.

У 2013 році в Європейському Союзі було продано 1,44 млн. Легкових автомобілів (загальна вага автомобіля до 3,5 т). Тут законодавство вимагає зниження викидів СО2 на 13%, щоб до 2020 року дорівнювати значенню СО2 182 г/км. Автомобіль, обраний для цього легкого аналізу проектного потенціалу, є дуже репрезентативним для цього класу. Автомобіль має 2,1-літровий чотирициліндровий дизельний двигун потужністю 120 кВт, механічну шестиступінчасту коробку передач та задній привід, що представляє найбільш продавану конфігурацію. Загальний баланс маси для силового агрегату та шасі, кузова, салону та електроніки, а також спектр застосовуваних виробничих процесів наведено на рисунку 2.

Ми використовували ту саму процедуру, що і на фазі I, щоб генерувати ідеї щодо полегшення потенціалу. Знайшовши відповідний автомобіль для наших досліджень фази II, ми придбали секонд-хенд (вік 12 місяців, показник одометра 23000 км). Потім транспортний засіб демонтували. Члени нашої групи проаналізували всі 2536 частин та обмірковували кілька легких дизайнерських ідей протягом двох семінарів. Ідеї класифікували за потенціалом зменшення ваги, можливим впливом на виробничу вартість і, нарешті, за рівнем складності впровадження.

Три групи ідей для легкого дизайнерського потенціалу

Загалом для деталей, виготовлених із рулонного довгого матеріалу (поковок, болтів, гайок, труб або пружин), було створено 535 ідей щодо легкого конструктивного потенціалу. Завдяки класифікаційним даним, віднесеним до кожної ідеї, було легко сформовано огляд значущого пріоритетного визначення легких дизайнерських пропозицій. Ідеї були згруповані у три групи на портфельній діаграмі (рис. 3). На горизонтальній осі ідеї розміщені з урахуванням витрат у порівнянні з потенціалом реалізації (з ваговим коефіцієнтом 2: 1). На вертикальній осі показано розмір можливої економії ваги.

Перша група ідей (Група А на малюнку 3) - це "Швидкі перемоги". Ці ідеї слід здійснювати у пріоритетному темпі. Вони пропонують зменшення ваги при незначному збільшенні витрат або зовсім не збільшують їх, і створюють лише незначні або відсутність труднощів у реалізації. Однак Ініціатива легкої ковки хоче підкреслити, що її висновки зовсім не слід розуміти як критику виробника автомобіля або його дизайнерів. Швидше, вони призначені як пропозиції щодо застосування сучасних технологій та технологій кування та матеріалів (особливо сучасних сталевих рішень) для підтримки мегатрену легкої конструкції.

Група B на малюнку 3 охоплює ідеї, які пропонують потенціал зменшення ваги за більших витрат і вимагають більших зусиль щодо впровадження. Слід зазначити, що ці зусилля потрібно ретельно порівняти з іншими варіантами зменшення ваги в транспортному засобі, які в даний час домінують у заголовках (CFRP, сталеві металеві сталі, пластмаси). Кування є перевіреною технологією і може запропонувати кращі витрати на зниження ваги за кілограм, ніж багато інших методів виготовлення - якщо їй приділити належну увагу (що є однією з основних цілей Ініціативи легкого кування).

Група С на малюнку 3 - це клас “Жорстких горіхів”. Ідеї цієї групи вимагають більших витрат і зусиль для полегшення дизайнерських дій.

Загальна можлива економія

Для всього LCV було визначено загальну економію ваги в 99 кг на основі потенціалу економії ваги, який може бути досягнутий завдяки куванню, альтернативним матеріалам або дизайнерським концепціям. Легкий конструктивний потенціал на основі сталі досягає 65 кг. Легкий потенціал використання кольорових металів може надати ще 34 кг, оскільки цей транспортний засіб демонструє вищий коефіцієнт розчинів на основі заліза (наприклад, чавунних деталей), ніж легковий автомобіль, проаналізований на фазі I.

Впровадження всіх найкращих пропозицій щодо полегшення може означати, що вага силової установки та шасі в цьому транспортному засобі може бути зменшена на 11,7%.

Видалення непотрібного матеріалу

Багато легких дизайнерських ідей було детально розроблено в моделях САПР, порівняно нову ідею з оригінальним компонентом. Це дозволяє порівняно точно розрахувати зменшення ваги. Деякі легкі ідеї були змодельовані в програмах ЗЕД, щоб підтвердити їх справедливість. Подібно до фази I, зменшення ваги в основному було спричинене видаленням непотрібного матеріалу, таким чином, більшою мірою використовуючи можливості формування технології кування.

По-друге, нові високоефективні сталі забезпечили легкі конструкції. Для окремих компонентів використання алюмінієвих сплавів для заміни деталей із чавуну або листової сталі дозволило помітне зниження ваги. Економічну обґрунтованість цих ідей, як і у всіх випадках, потрібно ретельно оцінити. Нарешті, деякі концептуальні ідеї можуть збільшити полегшуючий потенціал LCV. Широкий спектр цих ідей можна отримати в повному звіті Ініціативи легкого кування, доступному на www.lightweightforging.com.

Міцніші сталі для легших передач

Вся галузь автомобільних технологій потребує легкого дизайну. Тому Ініціатива легкої ковки вважає за доцільне дослідити взаємозв'язок між збільшенням вартості високоефективних сталей та їх можливим впливом на зменшення ваги передач. З цією метою в Інституті технології виробництва (IPEK) Технологічного інституту Карлсруе (KIT) було замовлено дослідження конструкції трансмісії.

Дані для механічної коробки передач LCV враховували навантаження на бокові зуби, навантаження на корінь зуба, здатність до передачі крутного моменту, що стискається, і втому стовбура використовуваної середньолегованої вуглецевої сталі. Виходячи з фіксованих вхідних значень (потужності двигуна, крутного моменту та швидкості автомобіля) та топології трансмісії, тепер можна змінювати опір ямкам та втомну міцність кореня зуба. Залежно від збільшення цих міцнісних властивостей, модель може передбачити економію маси та розміру системи (рис. 5). Зменшений розмір зубчастих коліс і валів безпосередньо враховується. На додатковому етапі програми розраховуються вторинні ефекти ваги зменшених розмірів корпусів трансмісії.

Для порівняння витрат на зниження ваги на основі сталі та можливої втрати ваги в даний момент параметри міцності для високолегованої сталі були введені в модель трансмісії, що призвело до прогнозованої економії ваги на 2,45 кг. Якби механічна коробка передач була виготовлена з високолегованої сталі, потрібно було б переключити близько 21 кг валів та шестірні на ту саму сталь. Однак ця сталь дорожча.

Якщо ми вважаємо, що наша модель є точною, а вхідна вага кованих деталей падає на передбачувану величину (2,45 кг), то загальне збільшення вартості для легкої конструкції становить лише 2 євро. Таким чином, економія ваги в 2,45 кг може бути досягнута при збільшенні вартості менше 1 євро за кг збереженої ваги. Економія ваги за рахунок використання високоефективних сталей у трансмісійних програмах є економічно вигідним заходом полегшення. Це стосується не тільки самої трансмісії, але й усіх систем, де передачі сітчасті (диференціали, коробки передач тощо). Крім того, модель трансмісії передбачає, що можна очікувати подальшого зниження ваги при ще вищих значеннях міцності.

Економічні рішення для зменшення ваги

Ініціатива легкої ковки продемонструвала на двох різних транспортних засобах, що сучасні технології кування та ковальські матеріали, особливо високоміцні сталі, можуть суттєво сприяти економічним рішенням зменшення ваги в автомобільній промисловості. На другому етапі важливість та ефективність високоякісної сталі в трансмісійних процесах була більш інтенсивно досліджена.

Проект "Ініціатива легкого кування", який фінансується федеральним кооперативом (10 дослідницьких установ та 60 промислових партнерів), який розпочався у травні 2015 року передбачуваною тривалістю у три роки, дасть ще більший потенціал легкого дизайну в майбутньому. Одне ключове розуміння завжди залишатиметься вірним: Тільки завдяки хорошому спілкуванню можна досягти оптимального поєднання конструкції компонентів, матеріалів та технології виготовлення, щоб забезпечити розробку легких рішень у масовому виробництві за конкурентної вартості легкої конструкції.

Резюме

Протягом І фази Ініціатива легкого кування продемонструвала легкий конструктивний потенціал 42 кг у силовому агрегаті та шасі легкового автомобіля середнього розміру. Цю успішну діяльність було продовжено на фазі II у сегменті легкових автомобілів. Транспортний засіб демонтували, а всі компоненти задокументували. Матеріали, кування та концептуальні легкі дизайнерські ідеї були сформовані в практичних майстернях. Крім того, вартість зменшення ваги за рахунок використання міцніших трансмісійних сталей була кількісно визначена в дослідженні конструкції трансмісії.