En praktisk vej til letvægtsbiler

Bilen er den afgørende teknologiske artefakt i det tyvende århundrede. Dens fortrolighed modsiger imidlertid dens kompleksitet. Det er ingen ringe bedrift at designe en bil, der er hurtig og kraftfuld, men alligevel komfortabel og sikker - og stadig overkommelig. Tag nogle få flere begrænsninger i betragtning - holdbarhed, nem reparation, plads nok til et par børn og familiehunden og en rigelig strømforsyning til de elektriske ruder, aircondition, cd-afspiller og opvarmede sæder - og udfordringen bliver klar . Netop fordi bilen er blevet en integreret del af vores liv, etablerer forbrugernes forventninger et sæt formidable og ofte modstridende designmål.

I løbet af de sidste 25 år har bilproducenter stået over for et stigende pres for også at inkorporere miljømål i deres design. Især forbrugere og den føderale regering har presset på for forbedringer i brændstoføkonomien som en måde at spare olie på og kontrollere forurening. Bilindustrien har reageret: Benzinforbruget for den gennemsnitlige nye bil steg fra 14,2 til 28,2 miles per gallon mellem 1974 og 1995.

Nu stiger det offentlige pres for at forbedre brændstoføkonomien igen, til dels på grund af bekymring over udsigten til globale klimaændringer. (Biler står for omkring en fjerdedel af kuldioxidemissionerne, hvilket er en væsentlig bidragyder til drivhuseffekten.) Nøglen til at forbedre et køretøjs brændstoføkonomi er vægtreduktion: jo mindre et køretøj er, jo mindre kraft kræver det at accelerere og jo mindre energi til at holde en fast hastighed. Traditionelt har bilindustrien reduceret vægten primært ved nedskæring, en strategi, der har formået at reducere vægten af ​​en typisk bil fra 3.500 pund til 2.500 pund i løbet af de sidste 20 år. I dag har den strategi nået sine grænser. Væsentlige forbedringer vil kun være mulige gennem en ny tilgang: at gøre bilens karrosseri af letvægtsmaterialer i stedet for grundlæggende kulstofstål.

Selvom kroppen kun tegner sig for omkring en tredjedel af vægten af ​​en bil, er reduktion af kroppens vægt en forudsætning for den lette, brændstofeffektive bil. En bil med en lettere krop kan bruge en lettere motor, en mindre massiv affjedring og en mindre kompliceret struktur. Disse sekundære vægtbesparelser kan groft fordoble fordelene: For hver 10 pounds, der spares ved at reducere vægten af ​​kroppen, kan yderligere 10 pounds spares ved at reducere andre dele af bilen.

Hvad mere er, mange nye teknologier designet til at forbedre brændstoføkonomien er kun mulige for biler, der er væsentligt lettere end i dag. Bilmotorer skal for eksempel balancere målene om effektivitet (energi pr. tilbagelagt distance) og kraft (den kraft, der er nødvendig for at accelerere bilen). Højeffektive forbrændingsmotorer, elektriske motorer eller hybridmotorer, der kombinerer de to, er alle langt mindre kraftfulde end konventionelle motorer og vil kun opnå et sammenligneligt niveau af ydeevne med et meget lettere køretøj. At reducere kroppens masse er afgørende for at skabe en synergi mellem letvægt og nye motorteknologier.

I 1993 foreslog et meget indflydelsesrigt papir af energianalytiker Amory Lovins fra Rocky Mountain Institute, at store bilproducenter (eller nogen andre med spidsfindigheden) kunne bruge eksisterende materialer og teknologier til at producere et ultralet, meget brændstofeffektivt køretøj. Superbilen, han forestillede sig, ville inkorporere letvægtsplastik, computerstyret kontrol og et hybridkraftværk - et kraftsystem, der ville kombinere en traditionel varmemotor og en elektrisk motor, som et moderne lokomotiv. Den ville veje omkring 1.000 pounds og nå godt over 150 miles per gallon, men den ville bevare sikkerheds- og bekvemmelighedsfunktionerne i nutidens bil.

Lovins påpegede med rette, at de materialer og teknologier, der ville gøre en superbil mulig, grundlæggende er uforenelige med de design-, fremstillings- og organisatoriske processer, som bilindustrien er struktureret omkring. Han argumenterede derfor for, at kun en revolution i industrien ville føre til en superbil; bestræbelser på at forbedre brændstoføkonomien og ydeevnen gennem den gradvise indførelse af nye materialer og teknologier ville koste for meget og give for lidt.

Superbil-konceptet tiltrak stor opmærksomhed blandt miljøforkæmpere, bilindustriens ledere og politiske beslutningstagere og hjalp endda med at inspirere en usædvanlig alliance - selvom dets mål falder noget under Lovins'. I 1994 gik amerikanske bilfirmaer og den føderale regering sammen om at lancere programmet for en ny generation af køretøjer, et aggressivt forsknings- og udviklingsprojekt, hvis mål er at producere en bil, der opfylder en brændstoføkonomisk standard, der er tre gange højere end nutidens 27,5 miles gallon, og det tilbyder ydeevnen og bekvemmeligheden som en konventionel bil - til samme pris. Ved at kombinere ressourcerne fra de nationale laboratorier og de store amerikanske bilproducenter håber PNGV-forskere at udvikle en prototypekøretøj inden for 10 år og at masseproducere og markedsføre den inden for 20.

Spørgsmålet er ikke, om der kan bygges et ultralet køretøj med revolutionerende forbedringer i brændstoføkonomi. Bilproducenter ved allerede, at det kan. Spørgsmålet er, om sådan en bil kan gøres overkommelig, og hvilke former for ændringer i bilindustrien vil være nødvendige for at bringe os tættere på det mål. Især bilproducenter og tilhængere af superbiler diskuterer omkostningerne og fordelene ved to klasser af materialer, der kunne tjene som letvægtserstatninger for stål i køretøjskarosserier: aluminium, som kan anvendes med kun trinvise ændringer i industriens design- og fremstillingsprocesser; og plastik, som ikke kan.

Aluminiums plusser og minusser

Et letmetal 45 procent så tæt som konventionelt stål, aluminium har været brugt som et vigtigt strukturelt materiale i luftfartsindustrien i mange år. Selvom det er dyrt, sælges aluminiumplader for omkring $1,50 per pund, sammenlignet med omkring 30 cents per pund for stålplade-forskere i bilindustrien er begyndt at undersøge muligheden for at erstatte aluminium med stål i køretøjskarosserier.

En af de vigtigste fordele ved at skifte til aluminium sammenlignet med andre letvægtsmaterialer er, at det kan formes ved hjælp af mange af de teknikker, der allerede anvendes til fremstilling af biler af stål. Således kunne industrien fortsætte med at bruge meget af sit eksisterende udstyr. Og design til aluminium er ikke drastisk forskelligt fra design til stål - en vigtig fordel i en industri, hvor ingeniører er tilbageholdende med at eksperimentere med relativt uprøvede materialer.

Det faktum, at bilkarosserier i dag ikke stort set er aluminium, tyder selvfølgelig på, at materialet også har ulemper. Udover at være dyrere end stål, er aluminium kun omkring en tredjedel så stivt - en afgørende begrænsning i bildesign. Stivheden kan øges noget ved at ændre designets geometri (buede former er stivere end flade), men det er problematisk i en branche, hvor form og stil er vigtige salgsbegreber. En nemmere løsning er at gøre flade aluminiumspaneler-skærme, hætter og døre tykkere end stålpaneler for at sikre, at de yder lige så godt. Dette medfører dog højere materialeomkostninger og opvejer vægtfordelen til en vis grad.

Et andet problem er den høje elektriske ledningsevne af aluminium, som gør punktsvejsning vanskelig. Punktsvejsning er standardmetoden til samling af bilkarosserier i stål. De to dele, der forbindes, klemmes fast mellem to elektroder, og der tilføres elektrisk strøm, hvorved de to dele opvarmes i kontaktpunktet, hvilket fører til diffusionsbinding. (Metallet smelter faktisk ikke, da dette ville reducere materialets ydeevne og føre til korrosion og delefejl.)

Fordi aluminium leder varme bedre end stål, kræver det meget mere elektricitet og større elektroder for at gøre metallet varmt nok til at binde. Og fordi elektroderne forbliver i kontakt med aluminiumet længere, mens strømmen påføres, er der større sandsynlighed for, at aluminiumsatomer diffunderer ind i elektroden, hvilket forkorter dens levetid. Aluminiumskøretøjer vil sandsynligvis derfor stole på alternative monteringsteknikker, herunder sømsvejsning (hvor en strimmel af smeltet metal påføres mere eller mindre som lim), klæbemidler og mekaniske fastgørelsesmidler.

Unibody versus Space Frame

Udfordringen for bilindustrien er, hvordan man designer en aluminiumsbil for at fange materialets fordele og minimere ulemperne. Der er to konkurrerende muligheder: et unibody, en forkortelse for unitized body, det design, der bruges til stålbiler; eller et space-frame design, i det væsentlige en stor truss struktur dækket med en tynd hud.

I et unibody er køretøjets karrosseripaneler sat sammen for at danne en skalstruktur. Dette gør effektiv brug af den høje stivhed af karrosseripanelerne. Selvom aluminium ikke er så stift som stål, vil unibody-designet fungere godt med dette materiale, hvis panelerne er lavet tykke nok og der anvendes passende sammenføjningsteknikker.

Unibody-designet giver dog to relaterede problemer. For det første er det relativt vanskeligt (og derfor dyrt) at lave komplekse overflader, såsom udskæringer eller kunstfærdige kurver, af relativt stive metalkroppe. Hvis designere forsøger at omgå dette problem ved at bruge materialer, der er lettere at forme, opstår det andet problem: fordi unibody'et får det meste af sin strukturelle ydeevne fra den måde, dets dele er fastgjort på, skal disse dele være sammensat af materialer, der let kan forbindes . Uden en billig måde at fastgøre to forskellige materialer til hinanden, kræver unibody-designet i det væsentlige, at bilproducenten fremstiller biler ved hjælp af en enkelt klasse af materialer.

Som svar på disse indvendinger udforsker designere rumrammen. I dette design er køretøjsstrukturen i realiteten sammensat af et gitter af metalskinner, der ligner en brostol. Køretøjet er ikke afhængigt af karrosseripaneler for strukturel ydeevne og kan faktisk køres uden påsat paneler. Dette design fungerer ikke godt til stål, til dels fordi komplekse stålskinner ikke er så meget nemmere at lave end komplekse stålkarosseripaneler. I dag er konsensus blandt bilproducenter, at unibody er den mest effektive måde at fremstille et massemarkedskøretøj af stål.

Rumrammen får dog fornyet opmærksomhed fra designere, der arbejder med alternative materialer, især aluminium. Det er nemmere at lave komplekse skinner af aluminium end stål, fordi aluminium, i modsætning til stål, kan ekstruderes-formet til komplekse rørformede former - i en proces, der ligner pastafremstilling. Disse ekstruderede, hule skinner kan være langt stivere end massive stænger med tilsvarende vægt. Ekstrudering er let tilpasset til masseproduktion; det bruges allerede i stor skala til fremstilling af konstruktionsformer som vinduesrammer og rør. Der er udviklet adskillige designs til rumrammekøretøjer i aluminium, som hver bruger forskellige kombinationer af ekstruderinger, støbegods og metalplader. Mens juryen stadig er ude, kan rumrammen med den rigtige kombination af materialer en dag udfordre unibody'et i almindelig bilproduktion.

Er aluminium overkommeligt?

Et aluminiumskøretøj baseret på begge design ville bringe os tættere på målet om at bygge en letvægtsbil til en relativt moderat stigning i omkostningerne. Et typisk stål unibody vejer lige under 600 pounds, mens et unibody helt i aluminium vejer omkring 325 pounds og forskellige aluminium space-frames designs ville veje mellem 285 og 385 pounds. Således kunne begge designs halvere vægten af ​​kroppen næsten; en lettere motor, affjedring, transmission og så videre kunne fordoble antallet af sparede pund. (Selvfølgelig kan der tilføjes vægt på andre områder for at kompensere for manglerne ved det nye design - for eksempel kan en letvægtsbil ikke stole på dens strukturelle komponenter for at beskytte passagererne i tilfælde af et styrt og bliver derfor nødt til at anvende yderligere systemer , ligesom airbags, der tilføjer en vis vægt.)

Hvor mange brændstofbesparelser genereres der ved at lette kroppen alene? At reducere køretøjets vægt med 300 pund kan øge brændstoføkonomien med så meget som 15 procent. Dette ville øge gaskilometeret for en typisk mellemstor bil, såsom Ford Taurus, fra omkring 22 til omkring 25 miles per gallon, og reducere kuldioxid (CO2)-emissioner fra omkring 410 gram CO2 pr. kørt kilometer til omkring 355 gram per mil. Sekundære vægtbesparelser ville fordoble forbedringen i brændstoføkonomien og reduktionen i emissioner. Mere dramatiske forbedringer i brændstoføkonomien ville resultere i forholdsmæssige fald i CO2-emissioner, men disse ville kræve meget mere drastiske foranstaltninger end blot letvægtning: mere effektive motorteknologier, for eksempel, og sandsynligvis mindre plads og færre bekvemmeligheder, end den amerikanske forbruger typisk forventer.

En letvægts aluminiumsbil baseret på et af disse designs vil sandsynligvis være noget dyrere end nutidens stålbil, når den produceres i store mængder, ifølge omkostningsanalyser fra medlemmer af Materials Systems Laboratory ved MIT. Ved meget lave produktionsmængder (mindre end 20.000 køretøjer pr. år) er aluminiumsrumsrammer faktisk billigere end et stål unibody: det billigste rumrammedesign ville koste omkring $4.500 sammenlignet med $5.800 for et stål unibody og $7.200 for et aluminium unibody .

Disse produktionsmængder er dog alt for lave til massemarkedskøretøjer. Populære modeller som Ford Taurus produceres i mængder på 300.000 til 500.000. Selv nichebiler - luksusbiler som Lincoln Continental - har en produktion på mellem 40.000 og 80.000. For at blive betragtet som overkommelig skal et letvægtskøretøj kunne fremstilles billigt i store mængder.

Ved produktionsmængder på omkring 100.000 er stål-unibody det billigste design, til en anslået enhedspris på $2.500. Rumrammer i aluminium er en smule dyrere - det billigste design koster omkring 2.800 $ - mens unibody'et i aluminium koster omkring 3.600 $. For mere typiske produktionsserier på 300.000, falder prisen på stål unibody til en anslået $1.400, og aluminium unibody bliver billigere end aluminium space frame ($2.000 sammenlignet med $2.400).

De skiftende omkostningsprofiler for de tre designs skyldes forskelle i deres fremstillingsprocesser. Metalstempling - den proces, hvorved både stål og aluminium unibodies fremstilles - er bedre i stand til at opnå stordriftsfordele end ekstrudering. Som følge heraf falder enhedsomkostningerne for begge typer unibodies, da de produceres i større mængde; omkostningsforskellen mellem dem forklares i høj grad af forskellen i prisen på råvaren.

Rumrammen følger et andet mønster. Fordi kapitalomkostningerne ved ekstrudering er langt lavere end ved stålstempling, er rumrammer billigere end unibodies ved lave produktionsvolumener. Men ekstruderede dele kræver efterbehandling og varmebehandling, hvilket er tidskrævende. Ydermere er den hastighed, hvormed ekstruderede dele kan dannes, langt langsommere end den hastighed, hvormed udstansede dele kan fremstilles. Som følge heraf falder enhedsomkostningerne ikke så dramatisk, når produktionsmængderne stiger. Højere produktionsmængder flytter i sidste ende økonomien til fordel for unibody.

I betragtning af, at et køretøj med et aluminiumskarosseri kommer til at koste $300 til $1.100 mere end et køretøj med et stålkarosseri, vil stigninger i brændstoføkonomi opveje de øgede omkostninger i løbet af køretøjets levetid? Svaret afhænger af en række faktorer: køretøjets samlede vægt (og omkostninger), motorens effektivitet og brændstofprisen. Men den stigning i brændstoføkonomien, der kan tilskrives aluminiumshuset alene, ville kun betale sig selv, hvis prisen på benzin skulle stige. Hvis prisen på benzin forbliver mellem $1,20 og $1,50 pr. gallon, ville de penge, der spares på gas, ikke være nok til at kompensere for de højere omkostninger: livscyklusomkostningerne for et aluminium unibody produceret i volumener på 300.000 vil forblive omkring $300 mere end det af et stål unibody. Men hvis prisen på benzin steg til 2,30 $ pr. gallon, ville ejeren af ​​den aluminiumsbaserede bil gå i stykker i løbet af køretøjets levetid. Det er rimeligt at tro, at forbrugerne under disse omstændigheder kan være villige til at betale de højere forhåndsomkostninger for en aluminiumsbaseret bil.

Plasts appel

Fortalere for den revolutionære tilgang understreger dog fordelene ved plast som et mere radikalt letvægtsalternativ til stål. Plast er mere end dobbelt så let som aluminium og kan formes til en meget bredere vifte af former. Desuden koster det udstyr, der bruges til at fremstille plast, meget mindre end det tunge stanseudstyr, der kræves for at fremstille metaldele. Disse kvaliteter har tiltrukket bilproducenters interesse siden 1960'erne.

I dag har industrien inkorporeret plast i en række forskellige anvendelser; de udgør f.eks. de indvendige komponenter i de fleste biler samt kofangerafdækninger og skærme. Producenter og designere har også brugt polymere kompositter - plastik forstærket med enten glas- eller kulfiber - i karrosserierne af racerbiler og nogle kommercielt producerede køretøjer. I 1980'erne, da bilproducenter ledte efter nye måder at reducere køretøjets masse på, begyndte mange i industrien at undersøge brugen af ​​polymere kompositter til erstatning for stål i bilkarosserier.

Ligesom aluminium har kompositmaterialer deres ulemper. For det første er de dyrere end andre bilmaterialer. Plastharpiksblandingen koster mellem $1 og $10 pr. pund, og glasfiberpriserne starter omkring $1 pr. pund. Glasfiberpolymerkompositter er kun priskonkurrencedygtige med aluminium eller stål, når de bruges i små mængder eller i komplekse former, der er uoverkommeligt dyre at danne af metal.

Derudover er almindelig plast mellem en tredivtedel og en tresindstyvendedel så stiv som stål, mens forstærket plast er omkring en femtendedel så stiv som stål. De traditionelle anvendelser af plast i bilinteriør fanger fordelene ved let vægt og let formation uden at kræve en høj grad af stivhed. Unibodies skal dog være stive for at fungere effektivt. Strukturelle paneler sammensat af forstærket plast skal derfor være meget tykkere end deres metalmodstykker, hvilket opvejer den reducerede vægt og øger omkostningerne yderligere.

Kulfiberkompositter har tiltrukket industriens interesse som et alternativ til glasfiberkompositter, fordi de er stivere. Paneler sammensat af disse materialer kan gøres tyndere - og dermed lettere - end deres glasforstærkede modstykker. Kulfiberkompositter er dog uoverkommeligt dyre: Kulfiberpriserne starter ved $20 pr. pund og stiger dramatisk med stigninger i fiberstyrke og stivhed.

Polymerbaserede unibodies er også vanskelige at fremstille. Selvom kroppe lavet af forstærkede kompositter kun ville kræve en tredjedel så mange dele som konventionelle metallegemer, skulle disse dele laves til at passe sammen nøjagtigt - noget, der ligger uden for den nuværende monteringsteknik. Da plastikharpiks og kulfibre trækker sig sammen med forskellige hastigheder, når de afkøles, er delene bundet til at deformeres og krympe lidt på måder, der varierer uforudsigeligt fra stykke til stykke. Det er ikke usædvanligt - stål ændrer form, når det køler, men materialer som stål kan bøjes og snos i form. For eksempel bruger samlebåndsarbejdere træhammere og to-til-fire for at sikre, at bildøre af stål hænger ordentligt og forsegler, når de er lukkede. Forstærkede plastikkomponenter kan ikke deformeres på denne måde - plastik vil gå i stykker hurtigere end bøje - så der er ingen nem måde at kompensere for små ufuldkommenheder i den måde, dele passer på.

Endelig kræver produktion af et overkommeligt køretøj produktion i stor skala, med mængder på mindst 30.000 enheder om året og muligvis en størrelsesorden højere. Mens ikke-strukturelle plastkomponenter nemt kan fremstilles i denne skala, er forarbejdningsteknologier til forstærket plast bedre egnet til partistørrelser på hundreder eller tusinder i stedet for hundredtusinder. Den billigste måde at skifte til masseproduktion af polymere materialer på ville være at fremskynde processen og lave mange flere dele med det samme udstyr. Men de processer, der er involveret i fremstilling og formning af forstærkede polymerbaserede materialer, er ikke særligt modtagelige for denne form for ligetil opskalering.

Det kritiske problem er, at forarbejdning af denne slags plastik i sagens natur er langsom. Delene dannes ved at tilberede en blanding af ingredienser og vente på, at de afkøles eller reagerer kemisk. For dele på størrelse med bilkarosseripaneler kan denne proces tage et minut eller mere. Til sammenligning kan ståldele stemples på mindre end 10 sekunder. Det er svært at finde måder at øge hastigheden af ​​kemiske reaktioner eller varmeoverførselshastigheden - hvis plastik afkøles for hurtigt, bliver det skørt, og hvis kemiske reaktioner fremskyndes, bliver de svære at kontrollere.

For at fremstille et stort antal plastdele, så ville bilproducenter være nødt til at købe flere maskiner og oprette parallelle produktionslinjer - trin, der ville mere end opveje kapitalfordelen ved plastproduktion og øge de administrative omkostninger. Selvom parallelle produktionslinjer kan lyde gennemførlige i teorien, er de meget vanskelige at koordinere i praksis. Som et resultat har bilproducenter haft en tendens til at undgå processer, der kræver mere end to parallelle produktionslinjer.

Ultralite=Ultrakost

Hvor meget vægt kan et plastik unibody spare, og til hvilken pris? Det mest radikale polymersystem er Ultralite, en konceptbil baseret på kulfiberkompositter, der blev udviklet af GM-forskere, der fik mandat til at opnå den højest mulige gaskilometer. Bilen, som blev bygget i hånden, inkorporerede en række vægt- og brændstofbesparende teknologier. Selvom bilen var i stand til at køre mere end 100 miles per gallon, kan den ikke betragtes som en prototype til et massemarkedskøretøj: den indeholdt ikke de plads- eller sikkerhedsfunktioner, som de fleste forbrugere ville betragte som væsentlige og blev aldrig vej- eller kollisionstestet . Ikke desto mindre repræsenterer den med 308 pund den letteste autokasse, der endnu er bygget af polymermaterialer.

Selvom Ultralite vejer omtrent det samme som en aluminiumsramme, ville den koste betydeligt mere at producere i store mængder. Ved produktionsmængder på 100.000, for eksempel, ville hver Ultralite-stil unibody koste omkring $6.400. Dette estimat er baseret på den antagelse, at kulfiberpriserne vil forblive på omkring $20 pr. pund. Tilhængere af polymere materialer har hævdet, at prisen på kulfibre vil falde, når efterspørgslen stiger. Men selv hvis prisen på kulfibre faldt til $5 pr. pund - en tendens, vi ikke forudser, da produktionen af ​​kulfiber ikke nødvendigvis er egnet til stordriftsfordele - ville plastiklegemet stadig koste $3.500 sammenlignet med $2.500 for et stål unibody og $2.800 for en aluminiumsramme med sammenlignelige produktionsvolumener. Desuden vil prisen på et stål eller aluminium unibody falde betydeligt ved højere produktionsvolumener, mens prisen på et polymerintensivt unibody vil falde meget mindre, hvilket gør det til et endnu mindre økonomisk forsvarligt valg.

Det er usandsynligt, at stigningen i brændstoføkonomi, som kan tilskrives kroppen alene, ville kompensere for de højere omkostninger ved et polymerbaseret karosseri. Til priser på $1,20 til $1,50 pr. gallon benzin, ville Ultralite-kroppen stadig koste omkring $4.500 mere end enten et stål- eller aluminium-unibody over dets livscyklus. Faktisk ville kulfiberforstærkede polymerintensive karosserier stadig koste omkring $4.000 mere end stålkroppe, selvom benzinpriserne steg til $4,00 pr. gallon, som det er tilfældet i Europa.

Hvad producenter gør nu

I lyset af produktionskunstens tilstand har bilindustrien taget en trinvis tilgang til brugen af ​​nye materialer og gradvist vedtaget nye anvendelser af aluminium, polymerer og avanceret stål. For eksempel arbejder Ford tæt sammen med flere aluminiumsvirksomheder om et projekt kaldet Concept 2000, der skal producere 20 til 40 Taurus-sedaner helt i aluminium, som virksomheden nu tester og evaluerer. Køretøjet, som bruger et unibody-design, er kun et par hundrede pund lettere end dets stålmodstykke, hovedsagelig fordi projektingeniørerne ikke ændrede drivlinjen eller affjedringen eller redesignede køretøjet for at opnå andre sekundære vægtbesparelser. Projektet var kun tænkt som en test af fremstillingsevnen af ​​en bil helt i aluminium med det formål at identificere de ændringer i formningsteknologien, der ville være nødvendige for at producere den. Det er endnu ikke klart, om Ford betragter eksperimentet som vellykket.

Alcoa og Audi har samarbejdet om Audi A8, en luksussedan baseret på en aluminiumsramme, der produceres i lave mængder og markedsføres i Europa. En stor del af vægtbesparelserne opnået ved brugen af ​​aluminium ophæves af udstyr, der skal øge bilens tiltrækningskraft på et avanceret marked. Køretøjet demonstrerer dog levedygtigheden af ​​et design, der anvender aluminiumsekstruderinger og støbegods samt den smedede plade, der bruges i panelerne.

Bilindustrien forsøger også at udvikle produktionsteknikker til at sætte plast på masseproducerede køretøjer (især GM's Saturn-billinjer), men selv her er plastikkomponenterne ikke kritiske strukturelle elementer i køretøjet. Alle Saturner bruger for eksempel plastikpaneler til at dække en stålramme. Fordi de ikke har nogen strukturel rolle, er panelerne ikke lavet af forstærkede kompositter, men af ​​almindelig plast, som kan produceres i mængder på hundredtusindvis. Materialevalget er mindre styret af vægthensyn end af kosmetik: Plastpaneler giver køretøjet dens karakteristiske form og modstår buler og ridser. Faktisk er vægtbesparelsen opnået ved brug af plastpaneler i det mindste delvist opvejet af behovet for at bruge mere stål i strukturelle komponenter for at opretholde det forventede ydeevneniveau.

Bilproducenter har fundet ud af, at de med en aggressiv indsats kan erstatte polymerer med stål i en håndfuld store utraditionelle anvendelser, såsom tage, hætter, gulvpander og motorvugger, men mange opdager også, at omkostningerne er for høje, og vægtbesparelser uimponerende. GM har også eksperimenteret med glasfiberkompositter på karrosseripanelerne på sine APV-varevogne i en årrække, men konkluderede for nylig, at materialet bare er for dyrt. Virksomheden planlægger at vende tilbage til at bruge stål.

Mens de fortsætter med at eksperimentere med glasfiberforstærkede polymerer i nichemarkedskøretøjer - en veletableret platform for innovation - bilproducenter ser ud til at have besluttet, at disse materialer ikke er nyttige i applikationer med produktionsvolumener over 80.000, fordi fordelene ved disse mængder ikke retfærdiggøre omkostningerne. Desuden ser det ud til, at industrien allerede bruger plast i de fleste af de applikationer, der passer bedst til materialets styrker. Yderligere erstatninger af plast til stål vil være meget sværere at opnå, fordi det er de anvendelser, der specifikt udnytter metallernes egenskaber.

Et andet materiale, der kan spille en rolle i trinvis ændring, er højstyrkestål. Tykkelsen af ​​ståldele, der bruges i biler, bestemmes normalt af graden af ​​stivhed, de kræver, men i omkring 20 procent af anvendelserne er den vigtige egenskab styrke. For eksempel beskytter en bjælke i hver bildør passagererne i tilfælde af et styrt. Nye højstyrke stållegeringer er to til tre gange så stærke som konventionelt kulstofstål, så en bjælke lavet af det nye materiale kan veje en halv til en tredjedel så meget som den bjælke, der bruges i bildøre i dag. En række stålvirksomheder baseret i forskellige lande har hyret Porsche Engineering Services til at komme med et karosseridesign, der inkorporerer alle de potentielle anvendelser af letvægtsstål. De anslår, at kroppen kunne veje 10 til 20 procent mindre end et konventionelt stål unibody, til en pris op til 15 procent højere.

Programmet for en ny generation af køretøjer undersøger i mellemtiden de potentielle anvendelser af avanceret stål, plastik og aluminium, såvel som eksotiske og dyre stoffer som magnesium og titanium. På dette tidlige stadium forsøger forskere at identificere de teknologier, der kan udgøre platformen for et overkommeligt avanceret køretøj. De ser ud til at fokusere deres indsats på konceptet med en hybrid diesel-elektrisk motor, for eksempel, og på aluminium som det dominerende materiale til strukturelle applikationer (selvom køretøjet utvivlsomt vil inkorporere en række avancerede materialer til andre formål). ikke programmet i sidste ende lykkes med at udvikle et køretøj, der er overkommeligt - og der er rumbling, som insidere tror, ​​det ikke vil - indsatsen vil give bilindustrien værdifuld erfaring med nye materialer og teknologier.

Koncentrerer os om, hvad vi kan

Uanset hvilken strategi industrien vælger, vil et køretøj lavet af letvægtsmaterialer klart koste mere end nutidens konventionelle bil. Brændstoføkonomien af ​​disse køretøjer kommer også til at afhænge af meget mere end skiftet til letvægtsmaterialer; væsentlige gevinster vil kræve ændringer i forbrugernes forventninger. I betragtning af vores antagelser om, hvor rummelig en bil skal være, hvor hurtigt den skal accelerere, hvor hurtigt den skal køre, og hvor behagelig den skal være at køre i, er det svært at gøre en bil meget lettere end f.eks. Tyren, der stadig vil være et køretøj, de fleste af nutidens forbrugere ønsker at købe.

Ikke desto mindre hjemsøger superbilens spøgelse debatten om kuldioxid-induceret global opvarmning og nærer offentligt pres for at regeringen skal beordre mere radikale reformer. Hvis vi kan lave en bedre tennisketcher ud af Kevlar, lyder argumentet, hvorfor kan vi så ikke lave en bedre bil ud af samme slags materiale? Et svar er: Selvom forbrugerne kan være villige til at betale tre gange så meget for deres avancerede komposit-tennisketchere, er de usandsynligt villige (eller i stand til) at betale helt den samme prispræmie for en avanceret kompositbil.

En superbil som den, som programmet for en ny generation af køretøjer forestiller sig - en, der opnår 80 miles per gallon, opretholder det samme bekvemmelighedsniveau og koster det samme som nutidens bil - er uden for vores muligheder i dag og i den nærmeste fremtid. Enhver to af disse tre mål kan nås i dag, men at sætte alle tre sammen vil kræve store teknologiske gennembrud. Det er derfor upraktisk for industrien at forkaste nutidens bildesign og teknologi for at forfølge denne teknologiske kimær.

Fordi vi ikke kan masseproducere et prisbilligt, ultralet polymerbaseret køretøjskarosseri, bør vi i stedet koncentrere os om, hvad vi kan gøre. For eksempel kan vi lave et aluminiumshus, der yder lige så godt som stålalternativet, men som kun koster marginalt mere. Den gradvise anvendelse af det brede spektrum af avancerede materialeteknologier, der er tilgængelige i dag, kan give reelle fordele i effektivitet, anvendelighed og ydeevne uden at pådrage sig uholdbare omkostninger. Selvom det er relativt uspændende og uglamorøst, er trinvise strategier for vægtreduktion af køretøjer den eneste troværdige tilgang til at begynde overgangen til et økonomisk, brændstofeffektivt køretøj.

skjule