تولید خودرو از جنس کربن

هنگامی که شرکت خودروسازی پورشه (Porsche AG) در اشتوتگارت آلمان تصمیم گرفت خودروی اسپرت فوق سبک خود را عرضه کند از تجربه به کارگیری کامپوزیت های الیاف کربن در خودروهای مسابقه ای همچون GT۱ و لامانس (Le Mans) بهره فراوانی برد تا بتواند این فن آوری را با فرایند تولید خودروهای شهری در هم آمیزد. نتیجه این عمل، خودروی پورشه کاررا جی تی (Carrera GT) است، خودریی ۲ نفره با موتور نیمه قوی و سقف دو تکه ی تاشو که قدرت، سرعت و احساس خودروهای مسابقه را تداعی می کند.

پشت اتاق سر نشین این خودرو یک موتور ۷/۵ لیتری ۱۰ V و گیربکس دستی ۶ سرعته قرار دارد که قادر است کاررا را در عرض ۹/۹ ثانیه از سرعت صفر به سرعت ۲۰۰ کیلومتر در ساعت برساند. هدف از طراحی این خودرو، دستیابی به دینامیک جاده ایی بهینه بوده است که طبق تعریف پورشه عبارتست از "بیشترین میزان کاهش وزن، پایین ترین حد ممکن مرکز ثقل و حداکثر استحکام".

این سازنده خودرو برای رسیدن به این اهداف، مجدانه به مواد سبک و به ویژه الیاف کربن روی آورده است. کربن نه فقط برای تامین استحکام و سفتی و کاهش وزن، بلکه همچنین برای ظاهر مناسبش به کار گرفته می شود. شاسی، درها، رکاب، میل فرمان، در صندوق بار، درپوش قسمت موتور، سینی زیر خودرو، کنسول وسط و صندلی های این خودرو همه از کامپوزیت اپوکسی / کربن (با کمی آرامید) ساخته می شوند که این امر در مقایسه با مواد معمولی حدود ۴۰ درصد کاهش وزن به همراه دارد. این خودرو به تعداد محدودی تولید شده و به عنوان طرحی که تنها یک بار اجرا می شود، جانشینی نخواهد داشت. تولید کاررا سکوی پرشی برای پورشه خواهد بود تا بتواند طرح های خودرویی آینده خود را تکمیل کند.

ستون فقرات اپوکسی / کربنی
گام اساسی تکامل این خودرو، طراحی شاسی منحصر به فرد آن است. کاررا نخستین خودرویی است که از شاسی یکپارچه الیاف کربنی بهره می برد. مایکل هوشلر(Michael Holscher) مدیر پروژه کاررا می گوید: "این شاسی یکپارچه با محفظه موتور که در فرهنگ واژگان خودروهای مسابقه، شاسی rolling نامیده می شود، ستون فقرات خودرو محسوب می شود. این سازه تمام بارهای سازه ای از جمله بارهای چرخ ها، بارهای ناشی از تصادفات و … و همچنین وزن تمام اجزای داخلی و خارجی را تحمل می کند".

این شاسی، سازه ای ساندویچی از الیاف کربن بافته با مغزی لانه زنبوری از جنس کاغذ آرامیدی نامکس (Nomex) است که ضخامت بدنه و جهت الیاف در آن با توجه به شرایط بارگذاری تغییر می کند. به طور کلی در ساخت این خودرو حدود ۱۰۰۰ قطعه پیش آغشته به کار گرفته می شود. سفتی کاررا به عنوان یک خودروی روباز که سقف آن هیچ عنصر سازه ای ندارد شدیدا به آرایشات قطعات داخلی بستگی دارد، هر چه جای در کوچک تر باشد بدنه سفت تر است. در هر حال برای حفظ ابعاد رکاب (بخشی از شاسی که از دو طرف زیر در قرار دارد) به گونه ای که از نظر راحتی و دسترسی سرنشین مناسب باشد و سفتی قطعه فدا نشود، چندین لایه به ستون های جلو وعقب بدنه اضافه شده است. برای افزایش ایمنی، هنگام قالب گیری سازه ستون جلویی خودرو یک لوله فولادی درون بدنه قرار داده شده است.

اجزای مختلف سیستم محرکه خودرو از طریق ۲۰۰ نقطه به محفظه موتور متصل می شوند. بنابراین به کارگیری شاسی یکپارچه اپوکسی / کربنی از نظر یکپارچگی قطعات یک برتری محسوب می شود. این امر به پورشه آزادی عمل می دهد تا در نقاط اتصال، لایه ها را طوری طراحی کند که از لایه لایه شدن یا ایجاد تنش های غیر ضروری جلوگیری شود. لزوم کم بودن تغییرات ابعادی، یکی از دلایل حذف محفظه آلومینیومی بود. CTE آلومینیومی با مواد به کار رفته در اجزایی که به این محفظه متصل می شوند سازگاری ندارد. علاوه بر این، محفظه آلومینیومی به تعدادی صفحه و قلاب نیاز دارد که باعث افزایش وزن، دشواری ساخت و ایجاد سر و صدا و لرزش می شوند. در محفظه کربنی، قطعات آلومینیومی ریخته گری، درون سازه محفظه موتور قالب گیری می شوند. وزن این محفظه موتور حدود۴/۲۰ کیلوگرم است و کل شاسی تنها حدود ۱۰۰ کیلو گرم وزن دارد.

در طراحی این محفظه موتور، بارهای سازه ای نیز مد نظر قرار گرفته اند ولی نکات قابل توجه دیگر عبارتند از گرما، چرخه حرارتی از موتور به خارج و مقاومت در برابر روغن، گرد و خاک و رطوبت برای بیش از ۲۰ سال. مقایسه ای بین محفظه کامپوزیتی را با رعایت تکات ایمنی به گونه ای به شاسی متصل کند که کل مجموعه به عنوان یک واحد سازهای یکپارچه، چنان سختی پیچشی و خمشی را فراهم می کند که پیش از این در خودروهای روباز مشاهده نشده است. امتیاز این کاربرد نوین الیاف کربن در ساخت شاسی یکپارچه و مخفظه موتوربه عنوان اختراع برای پورشه ثبت شده است با توجه به گرمای موتور رزین سایکوم (Cycom ۹۷۷)۹۷۷ با دمای کاری ۱۷۷ درجه سانتی گراد برای پیش آغشته کردن الیاف انتخاب و در مغزی لانه زنبوری نیز آلومینیوم جایگزین نامکس شد. با توجه به وجود یک موتور ۶۱۲ اسب بخاری در فضایی کوچک، لزوم عوامل فعال و غیر فعال کنترل دما همانند پروانه خنک کننده و عایق کردن مناطق نزدیک لوله اگزوز روشن است.

آیرودینامیک
یکی از نکات مهم در طراحی خودروهای مسابقه، نیروهای آیرودینامیکی برا (lift) و پسا drag)) است . در حد سرعت ۳۳۰ کیلومتر در ساعت کاررا، نیروهای آیرودینامیکی برا می توانند به طور قابل توجهی پایداری خودرو را کاهش دهند. برای فراهم کردن نیروی رو به پایین کافی بدون اثر منفی بر ضریب کشش خودرو، پورشه بر پایه سال ها تجربه خود، یک سینی از جنس کامپوزیت الیاف کربن برای زیر خودرو و طراحی و با آزمایش در تونل باد آن را بهینه کرده است. این سینی به شاسی، محفظه موتور و … پیچ می شود و دارای پخش کننده هوا، کانال تهویه و باله های هوایی است. این مجموعه (شامل سینی زیر خودرو، لوله های هوایی و … ) به گونه ای طراحی شده است که نه فقط نیروی قوی رو به پایین (۴۰۰۰ نیوتن) را تضمین کند بلکه این نیرو را نسبت۷۰ ۳۰ بین محور های جلو و عقب توزیع کند.

درون و برون خودرو
به استثنای سپرهای جلو و عقب و تعدادی قطعات کوچک دیگر، تمام صفحات بیرونی بدنه از جمله درها، در صندوق بار، در پوش قسمت موتور و سقف دو تکه کاررا از الیاف کربن ساخته می شود. درها، درپوش قسمت موتور و در صندوق بار سازه های ساندویچی هستند ولی اغلب صفحات دیگر بدنه، چند لایه هایی یکپارچه با ضخامت ۲/۱ میلی متری هستند. تا جای ممکن صفحات بدنه با یکدیگر یکپارچه شده اند تا وزن کاهش یابد، برای مثال گلگیرهای جلو و صندوق بار (که در قسمت جلوی خودرو قرار دارد) با هم ترکیب شده اند. در مقایسه با وزن اغلب سقف های تا شوی الیاف شیشه ای، هر قطعه از سقف اپوکسی / کربن دو تکه ای این خودرو تنها ۴/۲ کیلوگرم وزن دارد.

درون کاررا علاوه بر سبکی، از زیبایی الیاف کربن نیز بهره می برد. اتاق موتور که حداقل برای پورشه به اندازه داخل خودرو مهم است با یک لایه مشبک شفاف از جنس کامپوزیت الیاف کربن بافته پوشاننده می شود. در اتاق خودرو نیز کنسول از الیاف کربن ساخته شده است ولی با منیزیم پوشش داده شده است. اجزای سازه ای صندلی ها نیز از جنس کامپوزیت کربنی است. نه فقط در صندلی ها بلکه در روکش در و داشبورد، برای جلوگیری از خرد شدن صفحات و پخش شدن آتها هنگام تصادف، از لایه های کولار (الیاف آرامید) بین لایه های الیاف کربن بافته استفاده شده است. این صندلی های تنها نصف صندلی های استاندارد پورشه و تنها ۳/۱۰ کیلوگرم وزن دارند.

اغلب قطعات کامپوزیتی کاررا با به کارگیری اتو کلاو و الیاف پیش آغشته ساخته می شوند. فرایندی که با توجه به سال ها تولید خودروی مسابقه، پورشه با آن آشنایی کامل دارد. قطعات به طریق دستی لایه چینی می شوند و در دمای ۱۸۰ درجه سانتی گراد و فشار ۶۰۰ کیلو پاسکال به مدت چهار ساعت پخت می شوند. تنها چند قطعه از جمله بخش های کناری جلو و بخش مرکزی پشت بدنه به خاطر شکل خاصشان به روش تزریق رزین (RTM) قالب گیری می شوند. قطعات RTM در دمای ۱۲۰ درجه سانتی گراد و فشار ۵/۱ ۱ مگاپاسگال به مدت ۱۵ تا ۳۰ دقیقه پخت می شوند.

برای دستیابی به حجم تولید ۳ خودرو در روز، قطعات خودرو بسته به نوع قطعه در ۶ تا ۶۰ قالب ساخته می شوند.