Los materiales ligeros transforman el diseño automotriz del futuro

¿Qué permite a los automóviles viajar más lejos en el camino de la conservación de energía y la reducción de emisiones?Desde el nacimiento del Modelo T de Ford hasta los prósperos vehículos de nueva energía de hoyEn este artículo se centra en la ligereza de los vehículos, examinando los roles del acero, el aluminio, el aluminio y el acero.y plásticos en el diseño de carrocerías de automóviles mientras se analizan los materiales y tecnologías de procesamiento relacionados.

En la ola de continua innovación tecnológica automotriz, los materiales juegan un papel crucial.Solo mediante técnicas de procesamiento sofisticadas se pueden transformar materiales en componentes funcionales para automóvilesPara mejorar la funcionalidad de los componentes y mejorar la eficiencia de combustible, se utiliza un motor de combustión interna.La demanda de la industria de materiales avanzados continúa creciendo, impulsando el surgimiento de nuevas soluciones de materiales.

Según los primeros datos de la encuesta de la Asociación de Fabricantes de Automóviles de Japón (JAMA), la proporción de composición de los materiales de automóviles ha sufrido cambios desde la crisis del petróleo.Materiales de acero, incluidas las placas de aceroEn el sector del acero estructural, del acero inoxidable y del hierro fundido, la proporción ha disminuido ligeramente, pasando de aproximadamente el 80% a aproximadamente el 70%.El acero sigue siendo el material dominante en la fabricación de automóvilesMientras tanto, el uso de aluminio y plásticos ha mostrado una tendencia al alza, con aluminio y otros metales no ferrosos representando alrededor del 8%, y los plásticos alcanzando niveles similares.Aunque los datos de JAMA sólo se extienden a 2001En la actualidad, según las estimaciones de la industria, los plásticos constituyen casi el 10% de los materiales para automóviles.obtenido principalmente mediante la sustitución del acero tradicional por alternativas de aluminio y plástico.

Por lo tanto, el acero, el aluminio y los plásticos forman los tres pilares de los materiales estructurales del automóvil.Vidrio de seguridad para parabrisasLa aplicación integral de estos materiales hace posible los automóviles modernos.Mientras que el desarrollo automotriz impulsa simultáneamente la optimización de los materiales existentes y la investigación de nuevos.

Durante la década de 1980, los materiales cerámicos ganaron atención como el "tercer material" después de los metales y los plásticos, principalmente debido a su resistencia superior a altas temperaturas en comparación con las aleaciones metálicas.Una innovación innovadora surgió en 1985 cuando el modelo Fairlady Z de Nissan incorporó un rotor de turbocompresor cerámico de nitruro de silicioCon una densidad de tan sólo 3,2 g/cm3, significativamente inferior a la de la aleación Inconel (8).5 g/cm3) comúnmente utilizado para las palas de las turbinas en ese momento, este material redujo sustancialmente el peso del rotor y mejoró la capacidad de respuesta del motor.

Las válvulas cerámicas de motores de nitruro de silicio también se sometieron a una extensa investigación y alcanzaron las etapas de prueba de prototipos.La tecnología de molienda de este material de alta dureza, un control de calidad particularmente rentable, se convirtió en un reto técnico crítico.La cerámica también desempeña un papel vital en aplicaciones medioambientales: cerámica de zirconio en sensores de oxígeno de vehículos de gasolina, cerámica de cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, cerámica de cerámica de cerámica, etc.Cerámica de cordierita en sustratos de convertidores catalíticos, y cerámicas de carburo de silicio en filtros de partículas diésel (DPF) para la purificación de gases de escape.

Los DPF, implementados por primera vez en el Peugeot 607 de 2000, capturan las partículas (PM) de los gases de escape del diésel utilizando estructuras de panal de miel con paredes porosas.Esta tecnología requiere un control preciso de las dimensiones de los microporos y técnicas avanzadas de procesamiento de panal de mielUna unidad DPF típica de un vehículo de pasajeros pesa entre 3 y 6 kg, lo que inevitablemente aumenta el peso total del vehículo.

El objetivo principal de la ligereza de los vehículos es reducir el consumo de combustible y mejorar el rendimiento dinámico.Las mejoras en la eficiencia del combustible se han vuelto particularmente críticasExisten múltiples enfoques para lograr un menor consumo de combustible, incluida la optimización de la combustión del motor, la reducción de las pérdidas de fricción, la mejora de la eficiencia de la transmisión de potencia, la mejora de la eficiencia de los motores y la mejora de la eficiencia de los motores.disminución de la resistencia aerodinámica y de rodamientoEn el caso de los automóviles, la reducción del peso de la carrocería es una de las medidas más importantes, ya que la carrocería es el componente más pesado del vehículo.El peso ligero de la carrocería resulta esencial para el ahorro de combustiblePara los vehículos eléctricos, la reducción de peso amplía además el alcance de conducción.

Considere un sedán de pasajeros de 2,0 litros con un peso de 1,214 kg: su carrocería de acero pesa 343 kg, que comprende una carrocería en blanco de 261 kg (marco estructural) más 82 kg para puertas y capó.la carrocería representa aproximadamente el 30% del peso total del vehículoEn comparación, el motor pesa 141 kg, incluido un bloque de cilindros de hierro fundido de 41 kg.La sustitución de este material por aluminio reduce el peso en 15 kg. Un ejemplo clásico de sustitución de materiales para el ligero.

La miniaturización de los componentes ofrece otro importante enfoque de ligereza: la reducción de los tamaños de los componentes del motor y de la bodega no solo amplía el espacio de la cabina, sino que también aumenta las zonas de amortiguación de choque,mejorar la seguridad en caso de colisiónLa miniaturización también mejora la flexibilidad del diseño del cuerpo.Un vehículo ligero contemporáneo (peso de frenado 718 kg) tiene una carrocería de 206 kg que mantiene una relación de peso de carrocería/vehículo similar a la del 2Se trata de un sedán de 0,0 litros (véase el cuadro 1).

Las carrocerías de automóviles representan algunas de las estructuras de vehículos más grandes y complejas, lo que las convierte en objetivos principales para el ligero.El diseño de la carrocería debe satisfacer múltiples requisitos de rendimiento, incluida la resistencia, rigidez, durabilidad, resistencia a la corrosión, NVH (ruido, vibración y dureza) y seguridad contra choques, sin comprometerse con los esfuerzos de reducción de peso.

El acero de alta resistencia (HSS, por sus siglas en inglés) sirve como un material de ligereza crucial. Al aumentar la resistencia del acero, los fabricantes pueden reducir el uso del material sin sacrificar el rendimiento estructural.Aceros de alta resistencia avanzada (AHSS) ◄ incluidos los aceros de doble fase (DP)En la industria automotriz, las aplicaciones de los aceros de fase compleja (CP) y martensíticos (MS) se están extendiendo cada vez más.Estos materiales ofrecen una mayor resistencia y una mejor formabilidad para materiales más ligeros, estructuras corporales más seguras.

El último modelo de un fabricante de automóviles emplea un amplio sistema AHSS para reducir el peso corporal en un 15% al tiempo que mejora la rigidez y la seguridad de choque.El acero formado en caliente también comúnmente refuerza componentes estructurales críticos como pilares A y pilares B para mejorar la resistencia al choque.

Las aleaciones de aluminio proporcionan otra importante solución de ligereza. Con una densidad de aproximadamente un tercio de la del acero, la sustitución de aluminio reduce significativamente el peso corporal.La excelente formabilidad y resistencia a la corrosión del aluminio facilitan los procesos de fabricaciónLas aplicaciones actuales abarcan paneles de carrocería, componentes estructurales, sistemas de suspensión y partes del motor.

El Audi A8 ejemplifica la construcción de la carrocería de aluminio completo, logrando aproximadamente una reducción del peso del 40% en comparación con los cuerpos convencionales de acero.El Model S de Tesla también utiliza ampliamente el aluminio para reducir el peso y ampliar el rango.

Los plásticos y los compuestos ofrecen vías adicionales de ligereza. Su densidad sustancialmente más baja en comparación con los metales permite un ahorro significativo de peso.Mientras que la excelente flexibilidad del diseño y la resistencia a la corrosión se adaptan a los componentes de forma complejaLas aplicaciones actuales incluyen parachoques, guardabarros, paneles de acabado de puertas y paneles de instrumentos.

Los compuestos de fibra de carbono son materiales ligeros de alto rendimiento con una resistencia y rigidez excepcionales.su uso en vehículos de primera calidad como el BMW i3 e i8 continúa expandiéndose.

• Aceros de mayor resistencia y de mayor ductilidad:La próxima generación de AHSS permitirá estructuras de cuerpo más ligeras y seguras.
• Las aleaciones de aluminio de bajo coste:El avance de las tecnologías de producción ampliará las aplicaciones del aluminio.
• Compuestos de alto rendimiento:La fibra de carbono y materiales similares serán adoptados más ampliamente.
• Híbridos de varios materiales:Los futuros cuerpos combinarán materiales para optimizar el peso ligero.

La reducción de peso de los automóviles constituye un desafío de ingeniería sistemático que requiere avances coordinados en materiales, diseño y fabricación.Los vehículos del futuro serán más ligeros., más eficiente y más sostenible desde el punto de vista medioambiental.