تیتانیم ؛ فلز لوکس صنعت خودروسازی!

تیتانیوم و چالش کاهش وزن خودرو

همگی ما می دانیم که کاهش وزن خودروهای امروزی، یکی از اصلی ترین دغدغه های شرکت های بزرگ خودروسازی است. با این کار به کاهش مصرف سوخت و افزایش شتاب خودرو کمک به سزایی کرد.

شاید ساده ترین استراتژی که برای این کار به ذهن برسد، کوچک تر شدن اندازه آن ها است که وزن آن ها را کاهش می دهد. اما این مورد خود مشکلی برای فضای سرنشینان خودرو ایجاد می کند.

راه حل دیگر، استفاده از فلزات سبکی مانند تیتانیوم است. اما باز هم چالشی دیگر به نام «هزینه تمام شده» ایجاد می کند که سبب سر به فلک کشیدن قیمت خودرو می شود!

تیتانیوم در ساخت تعداد زیادی از اجزای خودرو مورد استفاده قرار می گیرد، از جمله:

• فنرهای سوپاپ
• سیستم اگزوز
• سوپاپ ها
• اتصالات تعلیق
• بازوهای راکر
• میله های پیچشی
• فنرهای معلق
• چرخ ها
• میله های اتصال
• اتصال دهنده های با استحکام بالا
• دیسک های کلاچ و محفظه جعبه دنده
• پیستون های کولیس ترمز

به دنبال استفاده از تیتانیوم در موتور خودرو باشید!

به طور کلی ادعا شده است که یک درصد کاهش وزن اتوموبیل باعث 0.7 درصد کاهش مصرف سوخت می شود. تحقیقات نشان داده است که کاهش وزن قسمت های متحرک موتور در دستیابی به بهبود مصرف سوخت موثرتر است. یعنی در صورت استفاده از آلیاژهای تیتانیوم، بهتر است که به دنبال آلیاژهایی مناسب برای طراحی اجزای موتور خودرو باشیم تا بدنه آن!

دانسیته اغلب آلیاژهای تیتانیوم حدود 60 درصد فولادهای مورد استفاده در ساخت قطعات خودرو است. همچنین مدول الاستیک این آلیاژها نیز در حدود 50 درصد این فولادهاست. با این حال جایگزینی مستقیم قطعات فولادی به وسیله تیتانیوم بهترین روش برای حل این مسئله نیست!

جالب است بدانید اگر این جایگزینی در عمل اتفاق بیفتد، کاهش فوری وزن تا حداقل 40 درصد اتفاق می افتد! اما مشکل اصلی این آلیاژها برای کاربردهایی است که سفتی (Stiffness) بالا مد نظر باشد.

با این حال استحکام ویژه، چقرمگی و خستگی آلیاژهای تیتانیوم کاملا قابل مقایسه با آلیاژهای فولاد و آلومینیوم است. جدول زیر مقایسه ای میان چهار آلیاژ مهندسی مورد استفاده در خودروسازی انجام داده است:

طراحی فنر تیتانیومی

بین آلیاژهای مهندسی، تیتانیوم با استحکام، چگالی و مدول خاص خود برای ساخت فنر ایده آل است. کلید طراحی موفق فنر، بهینه سازی و صرفه جویی در وزن و فضا است. فنرهای تیتانیومی که به درستی طراحی شده باشند، به طور معمول می توانند سه چهارم ارتفاع و 60 تا 70 درصد از وزن فنرهای فولادی سابق را کاهش دهند. از این رو مدت هاست که در صنایع هوافضا، از فنرهای آلیاژی تیتانیوم در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود.

اما تیتانیوم چگونه چنین شرایط رقابتی ای را پدید می آورد؟

اگر سیم پیچ فنر تحت بار فشاری باشد، دو معادله مکانیکی معروف حاکم است. این معادلات پارامترهای وزن (weight) و انحراف (deflection) را تعریف می کنند:

در اولین معادله برای به دست آوردن وزن فنر، بار L و نرخ فنر R توسط طراح برای کاربرد مورد نظر مشخص می شوند. مدول برشی و چگالی کم تیتانیوم در صورت و تنش مجاز بالای آن در مخرج قرار می گیرد. بنابراین هنگام استفاده از تیتانیوم وزن فنر به حداقل می رسد.

در معادله دوم، مدول برشی کم تیتانیوم در مخرج است. بنابراین انحراف افزایش می یابد. در نتیجه ممکن است تعداد سیم پیچ های فعال فنر کاهش یابد. این موضوع به نوبه خود اجازه کاهش ارتفاع آزاد فنر را بین 50-80 درصد به فنرهای فولادی می دهد. البته کاهش وزن و فرکانس طبیعی بالاتر فنر نیز سبب کاهش ارتفاع می شوند.

آلیاژهای بتا ؛ گزینه ای مناسب برای ساخت قطعات تیتانیمی

فنرهای تیتانیوم را می توان با فرایند سیم پیچی (Coiling) سرد یا گرم تولید کرد. همواره عملیات شات پینینگ (shotpinning) پس از تولید این سیم پیچ ها اجرا می شود. برای تولید فنر، آلیاژهای تیتانیوم بتا گزینه های زیادی را برای انتخاب ترکیب و خواص نهایی به طراحان اتوموبیل ارائه می دهد.

منبع

www.azom.com