Điều gì cho phép ô tô đi xa hơn trên con đường bảo tồn năng lượng và giảm phát thải? Câu trả lời có thể nằm trong ba vật liệu chính cấu thành nên các phương tiện hiện đại. Từ sự ra đời của Model T của Ford cho đến các phương tiện năng lượng mới đang phát triển mạnh mẽ ngày nay, sự đổi mới vật liệu vẫn là động lực cốt lõi của sự tiến bộ trong ngành công nghiệp ô tô. Bài viết này tập trung vào việc giảm trọng lượng xe, xem xét vai trò của thép, nhôm và nhựa trong thiết kế thân xe ô tô đồng thời phân tích các vật liệu và công nghệ xử lý liên quan.
Trong làn sóng đổi mới công nghệ ô tô liên tục, vật liệu đóng một vai trò quan trọng. Là nền tảng của sản xuất, chỉ thông qua các kỹ thuật xử lý tinh vi, vật liệu mới có thể được chuyển đổi thành các bộ phận ô tô chức năng. Một chiếc xe động cơ đốt trong thông thường thường bao gồm hàng chục nghìn bộ phận. Để tăng cường chức năng của các bộ phận và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, nhu cầu về vật liệu tiên tiến của ngành tiếp tục tăng, thúc đẩy sự xuất hiện của các giải pháp vật liệu mới.
Theo dữ liệu khảo sát ban đầu từ Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản (JAMA), tỷ lệ thành phần của vật liệu ô tô đã trải qua những thay đổi kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ. Vật liệu thép — bao gồm tấm thép, thép kết cấu, thép không gỉ và gang — đã chứng kiến tỷ lệ của chúng giảm nhẹ từ khoảng 80% xuống còn khoảng 70%. Tuy nhiên, thép vẫn là vật liệu chủ đạo trong sản xuất ô tô. Trong khi đó, việc sử dụng nhôm và nhựa đã cho thấy xu hướng tăng lên, với nhôm và các kim loại màu khác chiếm khoảng 8% và nhựa đạt mức tương tự. Mặc dù dữ liệu của JAMA chỉ kéo dài đến năm 2001, nhưng ước tính của ngành cho thấy nhựa hiện chiếm gần 10% vật liệu ô tô. Sự thay đổi trong thành phần vật liệu này chủ yếu bắt nguồn từ các cân nhắc về giảm trọng lượng, chủ yếu đạt được bằng cách thay thế thép truyền thống bằng các lựa chọn thay thế nhôm và nhựa.
Do đó, thép, nhôm và nhựa tạo thành ba trụ cột của vật liệu kết cấu ô tô. Tất nhiên, thành phần xe mở rộng ra ngoài ba vật liệu này — cao su cho lốp xe, kính an toàn cho kính chắn gió, gốm cho cảm biến và bạch kim cho bộ chuyển đổi xúc tác đều đóng vai trò là các thành phần thiết yếu. Việc ứng dụng toàn diện các vật liệu này làm cho ô tô hiện đại trở nên khả thi, trong khi sự phát triển của ô tô đồng thời thúc đẩy việc tối ưu hóa các vật liệu hiện có và nghiên cứu các vật liệu mới.
Trong những năm 1980, vật liệu gốm đã thu hút sự chú ý như là "vật liệu thứ ba" sau kim loại và nhựa, chủ yếu là do khả năng chịu nhiệt độ cao vượt trội so với hợp kim kim loại. Một sự đổi mới đột phá đã xuất hiện vào năm 1985 khi mẫu Fairlady Z của Nissan kết hợp một rôto bộ tăng áp bằng gốm silicon nitride. Với mật độ chỉ 3,2g/cm³ — thấp hơn đáng kể so với hợp kim Inconel (8,5g/cm³) thường được sử dụng cho cánh tuabin vào thời điểm đó — vật liệu này đã giảm đáng kể trọng lượng rôto và cải thiện khả năng phản ứng của động cơ.
Các van động cơ bằng gốm silicon nitride cũng trải qua quá trình nghiên cứu sâu rộng và đạt đến các giai đoạn thử nghiệm nguyên mẫu. Công nghệ mài cho vật liệu có độ cứng cao này — đặc biệt là kiểm soát chất lượng hiệu quả về chi phí — nổi lên như một thách thức kỹ thuật quan trọng, một lần nữa nhấn mạnh tầm quan trọng của các kỹ thuật xử lý vật liệu. Gốm cũng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng môi trường: gốm zirconia trong cảm biến oxy của xe chạy bằng xăng, gốm cordierite trong chất nền bộ chuyển đổi xúc tác và gốm silicon carbide trong bộ lọc hạt diesel (DPF) để làm sạch khí thải.
DPF, lần đầu tiên được triển khai trong Peugeot 607 năm 2000, thu giữ các hạt vật chất (PM) từ khí thải diesel bằng cách sử dụng các cấu trúc hình tổ ong với các thành tường xốp. Công nghệ này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác kích thước lỗ chân lông và các kỹ thuật xử lý hình tổ ong tiên tiến. Một bộ DPF xe chở khách điển hình nặng 3-6 kg, chắc chắn làm tăng tổng trọng lượng xe.
Giảm trọng lượng xe chủ yếu nhằm mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu và tăng cường hiệu suất động học. Dưới áp lực môi trường ngày càng tăng, việc cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu đã trở nên đặc biệt quan trọng. Nhiều phương pháp tiếp cận tồn tại để đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn — bao gồm tối ưu hóa quá trình đốt động cơ, giảm tổn thất ma sát, cải thiện hiệu quả truyền động, giảm lực cản khí động học và lực cản lăn, và giảm trọng lượng xe. Trong số này, giảm trọng lượng là một trong những biện pháp quan trọng nhất. Vì thân xe là bộ phận nặng nhất của xe, nên việc giảm trọng lượng thân xe chứng minh là rất cần thiết để tiết kiệm nhiên liệu. Đối với xe điện, việc giảm trọng lượng còn kéo dài phạm vi hoạt động.
Hãy xem xét một chiếc sedan chở khách 2.0 lít có trọng lượng không tải là 1.214 kg: thân xe bằng thép của nó nặng 343 kg, bao gồm 261 kg thân xe chưa sơn (khung kết cấu) cộng với 82 kg cho cửa và mui xe. Do đó, thân xe chiếm khoảng 30% tổng trọng lượng xe. Để so sánh, động cơ nặng 141 kg, bao gồm một khối xi lanh bằng gang nặng 41 kg. Thay thế điều này bằng nhôm làm giảm trọng lượng đi 15 kg — một ví dụ điển hình về việc thay thế vật liệu để giảm trọng lượng.
Việc thu nhỏ các bộ phận cung cấp một phương pháp giảm trọng lượng quan trọng khác. Việc giảm kích thước động cơ và các bộ phận khoang động cơ không chỉ mở rộng không gian cabin mà còn tăng các vùng đệm va chạm, cải thiện độ an toàn khi va chạm. Thu nhỏ cũng tăng cường tính linh hoạt trong thiết kế thân xe. Ví dụ, một chiếc xe nhẹ hiện đại (trọng lượng không tải 718 kg) có thân xe 206 kg — duy trì tỷ lệ trọng lượng thân xe trên xe tương tự như chiếc sedan 2.0 lít (xem Bảng 1).
| Loại xe | Trọng lượng không tải (kg) | Trọng lượng thân xe (kg) | Tỷ lệ trọng lượng thân xe |
|---|---|---|---|
| Sedan 2.0L | 1.214 | 343 | ~30% |
| Xe nhẹ | 718 | 206 | ~29% |
Thân xe ô tô đại diện cho một số cấu trúc xe lớn nhất và phức tạp nhất, khiến chúng trở thành mục tiêu hàng đầu để giảm trọng lượng. Thiết kế thân xe phải đáp ứng nhiều yêu cầu về hiệu suất — bao gồm độ bền, độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn, hiệu suất NVH (tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt) và an toàn khi va chạm — mà không ảnh hưởng đến nỗ lực giảm trọng lượng.
Thép cường độ cao (HSS) đóng vai trò là một vật liệu giảm trọng lượng quan trọng. Bằng cách tăng cường độ của thép, các nhà sản xuất có thể giảm việc sử dụng vật liệu mà không làm giảm hiệu suất kết cấu. Thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) — bao gồm thép hai pha (DP), biến dạng gây ra độ dẻo (TRIP), pha phức tạp (CP) và thép martensitic (MS) — có các ứng dụng ô tô ngày càng phổ biến. Các vật liệu này mang lại độ bền cao hơn và khả năng tạo hình tốt hơn cho các cấu trúc thân xe nhẹ hơn, an toàn hơn.
Mẫu xe mới nhất của một nhà sản xuất ô tô sử dụng AHSS rộng rãi để giảm trọng lượng thân xe đi 15% đồng thời cải thiện độ cứng và an toàn khi va chạm. Thép tạo hình nóng cũng thường gia cố các bộ phận kết cấu quan trọng như trụ A và trụ B để tăng cường khả năng chống va chạm.
Hợp kim nhôm cung cấp một giải pháp giảm trọng lượng quan trọng khác. Với mật độ bằng khoảng một phần ba so với thép, việc thay thế nhôm làm giảm đáng kể trọng lượng thân xe. Khả năng tạo hình và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của nhôm tạo điều kiện cho các quy trình sản xuất. Các ứng dụng hiện tại bao gồm tấm thân xe, các bộ phận kết cấu, hệ thống treo và các bộ phận động cơ.
Audi A8 là ví dụ về cấu trúc thân xe hoàn toàn bằng nhôm, đạt được mức giảm trọng lượng khoảng 40% so với thân xe bằng thép thông thường. Model S của Tesla cũng sử dụng nhôm rộng rãi để giảm trọng lượng và kéo dài phạm vi hoạt động.
Nhựa và vật liệu composite cung cấp các con đường giảm trọng lượng bổ sung. Mật độ thấp hơn đáng kể so với kim loại cho phép tiết kiệm trọng lượng đáng kể, trong khi tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời phù hợp với các bộ phận có hình dạng phức tạp. Các ứng dụng hiện tại bao gồm cản, chắn bùn, tấm ốp cửa và bảng điều khiển.
Vật liệu composite sợi carbon đại diện cho vật liệu nhẹ hiệu suất cao với độ bền và độ cứng đặc biệt. Mặc dù chi phí cao hơn, việc sử dụng chúng trong các loại xe cao cấp như i3 và i8 của BMW tiếp tục mở rộng.
Giảm trọng lượng ô tô cấu thành một thách thức kỹ thuật có hệ thống đòi hỏi những tiến bộ phối hợp trong vật liệu, thiết kế và sản xuất. Khi công nghệ tiến bộ, các phương tiện trong tương lai sẽ nhẹ hơn, hiệu quả hơn và bền vững hơn về mặt môi trường.
