Automobil

Projektowanie samochodów

Nowoczesny samochód jest złożonym systemem technicznym wykorzystującym podsystemy o określonych funkcjach. Niektóre z nich składają się z tysięcy części składowych, które powstały w wyniku przełomu w istniejącej technologii lub w wyniku zastosowania nowych technologii, takich jak komputery elektroniczne, wysokowytrzymałe tworzywa sztuczne oraz nowe stopy stali i metali nieżelaznych. Niektóre podsystemy powstały w wyniku działania takich czynników, jak zanieczyszczenie powietrza, przepisy bezpieczeństwa i konkurencja między producentami na całym świecie.

Samochody osobowe stały się podstawowym środkiem transportu rodzinnego, a ich liczbę szacuje się na 1,4 miliarda na całym świecie. Około jedna czwarta z nich znajduje się w Stanach Zjednoczonych, gdzie każdego roku przejeżdża się ponad trzy biliony mil (prawie pięć bilionów kilometrów). W ostatnich latach Amerykanom zaoferowano setki różnych modeli, z których około połowa pochodzi od zagranicznych producentów. Aby wykorzystać swoje własne osiągnięcia technologiczne, producenci coraz częściej wprowadzają nowe konstrukcje. Przy około 70 milionach nowych egzemplarzy budowanych każdego roku na całym świecie, producentom udało się podzielić rynek na wiele bardzo małych segmentów, które mimo to pozostają rentowne.

Nowe osiągnięcia techniczne są uznawane za klucz do skutecznej konkurencji. Inżynierowie i naukowcy zajmujący się badaniami i rozwojem zostali zatrudnieni przez wszystkich producentów i dostawców samochodów w celu ulepszenia nadwozia, podwozia, silnika, układu napędowego, systemów kontroli, systemów bezpieczeństwa i systemów kontroli emisji.

Te wybitne osiągnięcia techniczne nie są dokonywane bez konsekwencji ekonomicznych. Według badań przeprowadzonych przez Ward’s Communications Incorporated, średni koszt nowego amerykańskiego samochodu wzrósł o 4 700 USD (w przeliczeniu na wartość dolara w 2000 r.) w latach 1980-2001 z powodu obowiązkowych wymogów bezpieczeństwa i kontroli emisji (takich jak dodanie poduszek powietrznych i katalizatorów). W kolejnych latach nadal wprowadzano nowe wymagania. Dodanie technologii komputerowej było kolejnym czynnikiem wpływającym na wzrost cen samochodów, które wzrosły o 29 procent w latach 2009-2019. Jest to dodatek do kosztów konsumenckich związanych z poprawą inżynierii w zakresie oszczędności paliwa, które mogą zostać zrównoważone przez zmniejszone zakupy paliwa.

Projekt pojazdu zależy w dużej mierze od jego przeznaczenia. Samochody przeznaczone do użytku terenowego muszą być trwałymi, prostymi systemami o wysokiej odporności na poważne przeciążenia i skrajne warunki eksploatacji. Z drugiej strony, produkty przeznaczone do jazdy z dużą prędkością i na drogach o ograniczonym dostępie wymagają większej liczby opcji zwiększających komfort pasażerów, wyższych osiągów silnika oraz zoptymalizowanego prowadzenia i stabilności pojazdu przy dużych prędkościach. Stabilność zależy przede wszystkim od rozkładu masy pomiędzy przednimi i tylnymi kołami, wysokości środka ciężkości i jego położenia względem aerodynamicznego środka nacisku pojazdu, charakterystyki zawieszenia oraz wyboru kół wykorzystywanych do napędu. Rozkład masy zależy przede wszystkim od położenia i wielkości silnika. Powszechnie stosowane silniki montowane z przodu wykorzystują stabilność, którą łatwiej jest osiągnąć przy takim układzie. Rozwój silników aluminiowych i nowych procesów produkcyjnych umożliwił jednak umieszczenie silnika z tyłu, bez konieczności pogorszenia stabilności.

Nadwozie

Projekty nadwozi samochodów są często kategoryzowane według liczby drzwi, rozmieszczenia siedzeń i konstrukcji dachu. Dachy samochodów są konwencjonalnie wsparte na słupkach po każdej stronie nadwozia. Modele kabrioletów ze składanym dachem z tkaniny opierają się na słupku z boku przedniej szyby w celu zapewnienia wytrzymałości górnej części nadwozia, ponieważ mechanizmy kabrioletów i powierzchnie szklane są zasadniczo pozbawione konstrukcji. Powierzchnie szklane zostały zwiększone dla poprawy widoczności i ze względów estetycznych.

Wysokie koszty nowych narzędzi fabrycznych sprawiają, że dla producentów niepraktyczne jest produkowanie całkowicie nowych projektów każdego roku. Całkowicie nowe konstrukcje są zazwyczaj programowane w cyklach trzy- lub sześcioletnich, z niewielkimi udoskonaleniami pojawiającymi się w trakcie cyklu. W przeszłości potrzeba było aż czterech lat planowania i zakupu nowych narzędzi, aby stworzyć całkowicie nową konstrukcję. Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD), testowanie przy użyciu symulacji komputerowych oraz techniki wytwarzania wspomaganego komputerowo (CAM) mogą być obecnie stosowane w celu skrócenia tego czasu o 50 procent lub więcej. Patrz: obrabiarka: Projektowanie wspomagane komputerowo i wytwarzanie wspomagane komputerowo (CAD/CAM).

Nadwozia samochodów są zazwyczaj formowane z blachy stalowej. Stal jest stopowa z różnymi elementami, aby poprawić jej zdolność do formowania w głębsze wgłębienia bez marszczenia lub rozdarcia w prasach produkcyjnych. Stal jest używana ze względu na jej ogólną dostępność, niski koszt i dobrą obrabialność. Jednak do niektórych zastosowań, ze względu na swoje specjalne właściwości, stosuje się inne materiały, takie jak aluminium, włókno szklane i tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym. Tworzywa poliamidowe, poliestrowe, polistyrenowe, polipropylenowe i etylenowe zostały opracowane w celu uzyskania większej wytrzymałości, odporności na wgniecenia i kruche odkształcenia. Materiały te są stosowane do produkcji paneli nadwozia. Oprzyrządowanie do elementów z tworzyw sztucznych kosztuje na ogół mniej i wymaga mniej czasu na opracowanie niż oprzyrządowanie do elementów stalowych, dlatego projektanci mogą je zmieniać mniejszym kosztem.

Aby chronić nadwozia przed czynnikami korozyjnymi oraz zachować ich wytrzymałość i wygląd, stosuje się specjalne procesy gruntowania i malowania. Korpusy są najpierw zanurzane w kąpielach czyszczących w celu usunięcia oleju i innych obcych substancji. Następnie przechodzą przez kolejne cykle zanurzania i natryskiwania. Powszechnie stosowane są zarówno emalia, jak i lakier akrylowy. Elektrodepozycja natryskiwanej farby, proces, w którym natrysk farby otrzymuje ładunek elektrostatyczny, a następnie jest przyciągany do powierzchni przez wysokie napięcie, pomaga zapewnić, że równomierna warstwa jest nakładana i że trudno dostępne obszary są pokryte. W celu przyspieszenia procesu suszenia w fabryce stosowane są piece z liniami transportowymi. Stal galwanizowana z ochronną powłoką cynkową oraz odporna na korozję stal nierdzewna są stosowane w miejscach karoserii, które są bardziej narażone na korozję.