Auto

Automotive design

De moderne auto is een complex technisch systeem dat subsystemen met specifieke ontwerpfuncties omvat. Sommige daarvan bestaan uit duizenden onderdelen die zijn voortgekomen uit doorbraken in de bestaande technologie of uit nieuwe technologieën, zoals elektronische computers, zeer sterke kunststoffen en nieuwe legeringen van staal en non-ferrometalen. Sommige subsystemen zijn ontstaan als gevolg van factoren zoals luchtverontreiniging, veiligheidswetgeving en concurrentie tussen fabrikanten over de hele wereld.

assenger cars have emerged as the primary means of family transportation, with an estimated 1.4 billion in operation worldwide. Ongeveer een kwart hiervan bevindt zich in de Verenigde Staten, waar jaarlijks meer dan drie biljoen mijl (bijna vijf biljoen kilometer) wordt afgelegd. In de afgelopen jaren hebben de Amerikanen honderden verschillende modellen aangeboden gekregen, waarvan ongeveer de helft van buitenlandse fabrikanten afkomstig is. Om te profiteren van hun eigen technologische vooruitgang, introduceren fabrikanten steeds vaker nieuwe ontwerpen. Met jaarlijks wereldwijd zo’n 70 miljoen nieuw gebouwde eenheden zijn de fabrikanten erin geslaagd de markt op te splitsen in vele zeer kleine segmenten die desondanks winstgevend blijven.

Nieuwe technische ontwikkelingen worden gezien als de sleutel tot succesvolle concurrentie. Onderzoeks- en ontwikkelingsingenieurs en wetenschappers zijn door alle autofabrikanten en -leveranciers in dienst genomen om de carrosserie, het chassis, de motor, de aandrijflijn, de regelsystemen, de veiligheidssystemen en de emissiecontrolesystemen te verbeteren.

Deze uitmuntende technische vooruitgang wordt niet bereikt zonder economische gevolgen. Volgens een studie van Ward’s Communications Incorporated zijn de gemiddelde kosten van een nieuwe Amerikaanse auto tussen 1980 en 2001 met 4.700 dollar gestegen (uitgedrukt in de waarde van de dollar in 2000) als gevolg van opgelegde veiligheids- en emissie-eisen (zoals de toevoeging van airbags en katalysatoren). Ook in de daaropvolgende jaren werden nieuwe voorschriften ingevoerd. De toevoeging van computertechnologie was een andere factor die de autoprijzen opdreef, die tussen 2009 en 2019 met 29 procent stegen. Dit komt bovenop de consumentenkosten in verband met technische verbeteringen van het brandstofrendement, die kunnen worden gecompenseerd door minder brandstof aan te schaffen.

Het ontwerp van voertuigen hangt in hoge mate af van het beoogde gebruik. Auto’s voor terreingebruik moeten duurzame, eenvoudige systemen zijn die goed bestand zijn tegen zware overbelasting en extreme bedrijfsomstandigheden. Omgekeerd vereisen produkten die bestemd zijn voor gebruik op hogesnelheids- en beperkt toegankelijke wegen meer comfortopties voor de passagiers, hogere motorprestaties en een geoptimaliseerd rijgedrag bij hoge snelheid en stabiliteit van het voertuig. De stabiliteit hangt voornamelijk af van de gewichtsverdeling tussen de voor- en achterwielen, de hoogte van het zwaartepunt en de positie ervan ten opzichte van het aërodynamische drukpunt van het voertuig, de kenmerken van de ophanging en de keuze van de wielen die voor de aandrijving worden gebruikt. De gewichtsverdeling hangt voornamelijk af van de plaats en de grootte van de motor. De gangbare praktijk van aan de voorzijde gemonteerde motoren maakt gebruik van de stabiliteit die met deze opstelling gemakkelijker kan worden bereikt. De ontwikkeling van aluminium motoren en nieuwe fabricageprocédés hebben het echter mogelijk gemaakt de motor achterin te plaatsen zonder dat dit ten koste gaat van de stabiliteit.

Carrosserie

De carrosserie-ontwerpen van auto’s worden vaak gecategoriseerd aan de hand van het aantal deuren, de plaatsing van de stoelen en de dakconstructie. Autodaken worden conventioneel ondersteund door pilaren aan elke kant van de carrosserie. Cabriomodellen met een stoffen kap die kan worden ingetrokken, zijn voor de stevigheid van de bovenkant van de carrosserie afhankelijk van de zuil aan de zijkant van de voorruit, aangezien de mechanismen van de cabriolet en de glasoppervlakken in wezen niet-structureel zijn. De glasoppervlakken zijn vergroot voor een beter zicht en om esthetische redenen.

De hoge kosten van nieuw fabrieksgereedschap maken het voor fabrikanten onpraktisch om elk jaar volledig nieuwe ontwerpen te produceren. Volledig nieuwe ontwerpen worden gewoonlijk geprogrammeerd in cycli van drie tot zes jaar, waarbij in de loop van de cyclus meestal kleine verfijningen worden aangebracht. In het verleden waren voor een volledig nieuw ontwerp soms wel vier jaar planning en de aanschaf van nieuw gereedschap nodig. Computerondersteund ontwerpen (CAD), testen met behulp van computersimulaties en computerondersteunde fabricagetechnieken (CAM) kunnen nu worden gebruikt om de benodigde tijd met 50% of meer te verminderen. Zie werktuigmachine: Computer-aided design and computer-aided manufacturing (CAD/CAM).

Automotive carrosserieën worden over het algemeen gevormd uit plaatstaal. Het staal wordt gelegeerd met verschillende elementen om het beter in staat te stellen in diepere uitsparingen te worden gevormd zonder dat het rimpelt of scheurt in de fabricagepersen. Staal wordt gebruikt vanwege de algemene beschikbaarheid, lage kosten en goede verwerkbaarheid. Voor bepaalde toepassingen worden echter andere materialen gebruikt, zoals aluminium, glasvezel en met koolstofvezel versterkte kunststof, vanwege hun speciale eigenschappen. Polyamide, polyester, polystyreen, polypropyleen en ethyleen kunststoffen zijn geformuleerd voor grotere taaiheid, deukbestendigheid en weerstand tegen brosse vervorming. Deze materialen worden gebruikt voor carrosseriedelen. Het gereedschap voor kunststof onderdelen kost over het algemeen minder en vergt minder tijd om te ontwikkelen dan dat voor stalen onderdelen en kan daarom door ontwerpers tegen lagere kosten worden aangepast.

Om de carrosserieën tegen corrosieve elementen te beschermen en hun sterkte en uiterlijk te behouden, worden speciale grondverf- en verfprocédés gebruikt. De carrosserieën worden eerst ondergedompeld in reinigingsbaden om olie en andere vreemde stoffen te verwijderen. Daarna ondergaan zij een opeenvolging van dompel- en spuitcycli. Email en acryllak zijn beide courant in gebruik. Elektrodepositie van de gespoten verf, een proces waarbij de verfspuit een elektrostatische lading krijgt en vervolgens door een hoge spanning wordt aangetrokken tot het oppervlak, helpt ervoor te zorgen dat een gelijkmatige laag wordt aangebracht en dat moeilijk bereikbare plaatsen worden bedekt. Ovens met transportbanden worden gebruikt om het droogproces in de fabriek te versnellen. Gegalvaniseerd staal met een beschermende zinklaag en corrosiebestendig roestvrij staal worden gebruikt in carrosseriedelen die meer kans lopen te corroderen.