Zmniejszanie masy komponentów samochodów ciężarowych poprzez użycie stali AHSS

Dla wielu kierowców ciężarówek redukcja masy pojazdu jest istotna nie tyle ze względu na oszczędność paliwa, co całkowity koszt i wydajność transportu: możliwość uzyskania wyższych przychodów dzięki przewożeniu większych ładunków – bez przekraczania dopuszczalnych limitów masy. Niektóre elementy ciężarówek, wytwarzane początkowo z tradycyjnej stali węglowej, następnie z lekkiego aluminium, a nawet polimerów wzmocnionych włóknem węglowym (CFRP), są teraz dobrymi kandydatami do produkcji z bardziej ekonomicznych i trwałych zaawansowanych stali wysokowytrzymałych (AHSS).

Podążając za liderami branży motoryzacyjnej w zakresie redukcji masy pojazdów

Zakres zastosowań AHSS i UHSS (stali ultrawytrzymałych) w samochodach rośnie niemal za każdym razem, gdy na rynek wprowadzany jest nowy lub ulepszony model. Niektóre z zastosowań AHSS/UHSS mają na celu spełnienie bardziej rygorystycznych norm bezpieczeństwa. Jednak głównym powodem jest dążenie do redukcji masy, a przykłady motoryzacyjne dostarczają pewnych wskazówek co do możliwości zmniejszenia masy samochodów ciężarowych.

Ochrona pakietu akumulatorów UHSS do elektrycznych samochodów ciężarowych

Aby osiągnąć globalnie uzgodnione cele klimatyczne, wszystkie ciężarówki – w tym duże ciężarówki jeżdżące na długich trasach – będą ostatecznie musiały wykorzystywać akumulatory elektryczne, ogniwa paliwowe lub spalanie wodoru. Jednak zanim ciężarówki elektryczne wejdą do powszechnego użycia, branża transportu ciężarowego (przynajmniej w USA) musi opracować normy zderzeniowe dla zestawów akumulatorów.

Problem polega na tym, że nie ma znanej normy dotyczącej testowania trwałości zestawu akumulatorów (do ciężkich samochodów ciężarowych), takiego jak test zderzeniowy pojazdu, ani też normy dotyczącej sposobu ochrony zestawu. W idealnej sytuacji akumulatory byłyby obudowane szynami ramy i chronione przed przejeżdżającymi pojazdami, bez dodatkowej konstrukcji i ciężaru, ale nie wydaje się to wykonalne przy dzisiejszych cyklach pracy i wymaganej pojemności akumulatorów.

NACFE (Północnoamerykańska Rada ds. Wydajności Transportu Towarowego)

Producenci OEM samochodów ciężarowych mogą bazować na niektórych przełomowych pracach przeprowadzonych w branży motoryzacyjnej, która wprowadziła już normy ochrony akumulatorów pojazdów elektrycznych. Dzisiejsze pojazdy elektryczne są wyposażone w obudowy akumulatorów (podstawy, klatki lub ramy), które w innowacyjny sposób wykorzystują lekkie aluminium lub stal AHSS.

Najtrudniejszym standardem bezpieczeństwa zderzeniowego dla samochodów elektrycznych jest test zderzenia bocznego ze słupem. Konieczne jest uwzględnienie takich czynników jak duża masa akumulatorów pojazdów elektrycznych, ich duże rozmiary oraz odporność na kolizje, zapobiegająca pożarom ogniw akumulatora wywołanym przez niestabilność termiczną.

Projektanci samochodów elektrycznych sprostali tym wyzwaniom, umieszczając akumulatory pod podłogą kabiny pasażerskiej, co sprawia, że obudowa jest ważnym, wielofunkcyjnym elementem konstrukcyjnym nadwozia. Z kolei firma SSAB zaproponowała koncepcję projektową do pojazdów elektrycznych, która obejmuje m.in. propozycję lekkiej obudowy akumulatora z pochłaniającymi energię belkami progowymi, przenoszącymi energię poprzecznicami podłogowymi i formowaną na zimno na rolkach 3D strukturą wsporczą akumulatorów ze stali martenzytycznej Docol® 1700 MPa. Rama wokół podstawy akumulatora pojazdu elektrycznego nie tylko chroni pakiet przed uderzeniami: jest także konstrukcją stabilizującą, zapewniającą sztywność skrętną… i inspirację dla przyszłych projektów ciężarówek elektrycznych.

ciężarówka elektryczna

Stale Docol® AHSS na obudowy akumulatorów pojazdów elektrycznych, ogniwa paliwowe i magazyny wodoru

Wykres: potencjalne gatunki stali AHSS na obudowy akumulatorów pojazdów elektrycznych, ogniwa paliwowe i magazyny wodoru
Potencjalne klasy AHSS do zastosowań oznaczone ciemnoszarym tłem. Żółty tekst oznacza gatunki aktualnie opracowywane.

Ramy podwozi samochodów ciężarowych i szyny ramy wykonane z UHSS

Dla projektantów ram samochodów ciężarowych najważniejsze są wytrzymałość, sztywność i właściwości zmęczeniowe materiału – ponieważ podwozie ciężarówki jest stale narażone na obciążenia udarowe i skręcanie.

Tradycyjna podstawowa rama klasy 8 (USA) to konstrukcja stalowa wykonana ze stali 120 ksi (827 MPa). Wykonanie ramy ciężarówki z, na przykład, walcowanej na zimno stali martenzytycznej Docol® 1100M 160 ksi (1100 MPa) pozwala producentom samochodów ciężarowych zmniejszyć grubość stali i obniżyć masę o 90 kg.

Aby uzyskać dodatkowe redukcje masy, projektanci ciężarówek badają możliwość dostosowania grubości stali na całej długości szyny ramy, aby optymalnie wykorzystać właściwości AHSS tam, gdzie jest to potrzebne. Mogą również przeprowadzać analizę kosztów i korzyści w odniesieniu do jeszcze mocniejszych stali UHSS, na przykład walcowanej na gorąco, formowanej na zimno stali Docol® 1200M.

NACFE donosi, że jeden z producentów samochodów ciężarowych przestał ostatnio oferować aluminiowe szyny ramy, prawdopodobnie z powodu niskiej trwałości. Jeden z uczestników badania NACFE poinformował: „[Aluminiowe szyny ramy] nie ulegają zmęczeniu, one zawodzą katastrofalnie”. (Raport zaufania NACFE: Redukowanie masy 2021.)

W raporcie zauważono, że aluminium jest podatne na uginanie, ponieważ ma niższy moduł sprężystości (sztywność) w porównaniu ze stalą, co wyklucza możliwość stosowania aluminiowych szyn ramy w ciężarówkach przewożących ładunki o dużej masie, jak np. cysterny.

Zwiększanie trwałości belek poprzecznych samochodów ciężarowych

Lekkie aluminiowe belki poprzeczne zyskują na popularności, jednak wielu producentów OEM samochodów ciężarowych ma te same obawy dotyczące aluminiowych belek poprzecznych, co w przypadku ram aluminiowych: mianowicie brak długoterminowej trwałości aluminium, jeśli chodzi o sztywność, skręcanie i zmęczenie. Stale AHSS mogą okazać się trwalszą i bardziej ekonomiczną alternatywą dla belek poprzecznych samochodów ciężarowych.

Stale Docol® AHSS do ram i podwozi samochodów ciężarowych

Wykres: potencjalne gatunki stali AHSS na ramy i podwozia ciężarówek
Potencjalne klasy AHSS do zastosowań oznaczone ciemnoszarym tłem. Żółty tekst oznacza gatunki aktualnie opracowywane.

Lekkie kabiny samochodów ciężarowych z AHSS

Nawet te firmy przewozowe (zajmujące się przewozem ładunków masowych), dla których masa pojazdu ma największe znaczenie, nie chcą skracać miejsc sypialnych: zapewnienie zatrudnionym kierowcom wygodnego „domu z dala od domu” jest po prostu zbyt ważne.

Z drugiej strony, jeśli chodzi o właścicieli-operatorów, jeden z administratorów floty ujął to w ten sposób: „Lekkość przekłada się bezpośrednio na przychód (efektywność frachtu)… Zatrudniam właścicieli-operatorów tylko z ciągnikami, które ważą mniej niż 16 000 funtów (7260 kg).”

Tak czy inaczej – czy zatrudnia się firmowych kierowców, czy wynajmuje właścicieli-operatorów – jasne jest, że utrzymywanie ciężaru kabiny sypialnej w ryzach jest kluczowe, zwłaszcza że miejsca sypialne stale rosną, jak w przypadku kabin typu „condo” lub „high rise”.

Raport NACFE wskazuje: „Dzięki wielu innowacjom w stali istnieje znaczny potencjał zmniejszenia masy przy jednoczesnym utrzymaniu wspólnego łańcucha dostaw”.

rama kabiny

Rama kabiny.

Stale Docol® AHSS do kabin samochodów ciężarowych

Wykres: potencjalne gatunki stali AHSS na kabiny ciężarówek

Potencjalne klasy AHSS do zastosowań oznaczone ciemnoszarym tłem. Żółty tekst oznacza gatunki aktualnie opracowywane.

Zwiększone bezpieczeństwo dzięki zderzakom do samochodów ciężarowych i osłonom przeciwnajazdowym ze stali AHSS

Projektanci ciężarówek zauważają, że producenci OEM samochodów i ich bezpośredni dostawcy zaczynają projektować i wdrażać ultrawytrzymałą stal w systemach zderzaków. Gatunki stali UHSS takie jak stale do hartowania w procesie tłoczenia Docol® PHS 1500 i PHS 2000 pomagają w tworzeniu lekkich, ekonomicznych zderzaków o wysokiej odporności na zderzenia.

Lekkie zbiorniki sprężonego powietrza do hamulców samochodów ciężarowych

Zbiorniki aluminiowe mogą być do 14 kg lżejsze niż konwencjonalne zbiorniki ze stali miękkiej. Ale zaawansowane stale wysokowytrzymałe mogą dorównać masie aluminium przy znacznie niższych kosztach.

Łączenie zbiorników powietrza do samochodów ciężarowych z belkami poprzecznymi

Firma Volvo zbudowała samochód ciężarowy typu „proof of concept” z aluminiowym zbiornikiem powietrza zintegrowanym z belką poprzeczną. W podobny sposób można wykorzystać stal AHSS Docol®, która jest nie tylko bardziej ekonomiczna niż aluminium, ale zawiera również równoważnik CO2 stali z recyklingu, mimo że jest wykonana w dużej mierze z pierwotnej rudy żelaza.

Zmniejszenie kosztów formowania owiewek dachowych do ciągników

Owiewki dachowe sprawiają, że ciągnik z naczepą jest bardziej aerodynamiczny, a przez to bardziej efektywny paliwowo. Jednak przejście na materiały takie jak aluminium lub formowane wtryskowo tworzywa sztuczne może być finansowo nieosiągalne dla stosunkowo niskonakładowego rynku samochodów ciężarowych klasy 8.

NACFE informuje: „Duża forma wtryskowa do produkcji owiewek dachowych może kosztować ponad 1 mln USD, a narzędzie do tłoczenia aluminiowych paneli karoserii może kosztować 1,5 mln USD”. Bardziej ekonomiczna stal AHSS, formowana przy pomocy sprzętu, który producent OEM już prawdopodobnie posiada, może być lepszym sposobem na obniżenie masy owiewek dachowych.

Zwiększenie trwałości siodła ciągnika dzięki AHSS

Siodła do ciągników tradycyjnie są elementem o dużej wytrzymałości, przeznaczonym do częstego zaczepiania i odczepiania przyczep. NACFE zauważa, że aluminium może nie być najlepszym wyborem do produkcji siodeł, ponieważ „… często zdarza się, że sworzeń królewski uderza niecentrycznie, powodując uszkodzenie (aluminiowych) gardzieli lub ramp… Są one (także) tak drogie w porównaniu do tłoczonych i odlewanych modeli stalowych, (że) ogólny wskaźnik akceptacji jest bardzo niski.”

Potencjalne stale AHSS do produkcji tłoczonych siodeł ciągnika obejmują gatunki martenzytyczne Docol®.

Ekonomiczne, lekkie koła do samochodów ciężarowych

W ostatnich latach zarówno producenci felg stalowych, jak i aluminiowych z powodzeniem zredukowali masę swoich produktów. Zwiększając poziom wytrzymałości poprzez zastosowanie gatunków stali, które są łatwo formowane na zimno w rozciągnięte krawędzie kołnierzy i mają wysoki współczynnik rozszerzalności otworów, producenci felg stalowych mogą uzyskać dodatkową redukcję masy w atrakcyjnych cenach.

Potencjalne gatunki stali AHSS Docol® walcowanej na gorąco do produkcji felg obejmują HR800CP, HR800HER i HR600FB.

Konstrukcje tablicy przyrządów

Aluminium zastąpiło niektóre konstrukcje tablic przyrządów, ale oczywiście przy wyższych kosztach. Przejście na stal AHSS, na przykład walcowane na zimno blachy i rury precyzyjne Docol® CR600DP, może zapewnić producentom OEM samochodów ciężarowych przewagę konkurencyjną wynikającą z obniżenia zarówno cen, jak i masy.

Lekkie części do samochodów ciężarowych w atrakcyjnych cenach

Stale AHSS i UHSS, oprócz wytrzymałości, lekkości i atrakcyjnej ceny w porównaniu z aluminium i CFRP, mogą być często kształtowane przy użyciu sprzętu do formowania na zimno, z którego już korzystają producenci OEM samochodów ciężarowych – przy stosunkowo niewielkich ulepszeniach narzędzi. Jak już wspomniano, stale AHSS/UHSS marki Docol® są również niezwykle wydajne pod względem emisji CO2.

Chcesz wykorzystać wiedzę przemysłu motoryzacyjnego o redukcji masy poprzez zastosowanie stali AHSS/UHSS? Jeśli tak, to skontaktuj się z najbliższym przedstawicielem Docol®. Klienci dbający o efektywność frachtu będą Ci wdzięczni.

Powiązane dokumenty

180