هنگامی كه شركت خودروسازی پورشه (Porsche AG) در اشتوتگارت آلمان تصمیم گرفت خودروی اسپرت فوق سبك خود را عرضه كند از تجربه به كارگیری كامپوزیت های الیاف كربن در خودروهای مسابقه ای همچون GT1 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 كاررا جی تی (Carrera GT) است، خودریی 2 نفره با موتور نیمه قوی و سقف دو تكه ی تاشو كه قدرت، سرعت و احساس خودروهای مسابقه را تداعی می كند.
پشت اتاق سر نشین این خودرو یك موتور 7/5 لیتری 10-V و گیربكس دستی 6 سرعته قرار دارد كه قادر است كاررا را در عرض 9/9 ثانیه از سرعت صفر به سرعت 200 كیلومتر در ساعت برساند. هدف از طراحی این خودرو، دستیابی به دینامیك جاده ایی بهینه بوده است كه طبق تعریف پورشه عبارتست از "بیشترین میزان كاهش وزن، پایین ترین حد ممكن مركز ثقل و حداكثر استحكام".
این سازنده خودرو برای رسیدن به این اهداف، مجدانه به مواد سبك و به ویژه الیاف كربن روی آورده است. كربن نه فقط برای تامین استحكام و سفتی و كاهش وزن، بلكه همچنین برای ظاهر مناسبش به كار گرفته می شود. شاسی، درها، ركاب، میل فرمان، در صندوق بار، درپوش قسمت موتور، سینی زیر خودرو، كنسول وسط و صندلی های این خودرو همه از كامپوزیت اپوكسی / كربن (با كمی آرامید) ساخته می شوند كه این امر در مقایسه با مواد معمولی حدود 40 درصد كاهش وزن به همراه دارد. این خودرو به تعداد محدودی تولید شده و به عنوان طرحی كه تنها یك بار اجرا می شود، جانشینی نخواهد داشت. تولید كاررا سكوی پرشی برای پورشه خواهد بود تا بتواند طرح های خودرویی آینده خود را تكمیل كند.
ستون فقرات اپوكسی / كربنی
گام اساسی تكامل این خودرو، طراحی شاسی منحصر به فرد آن است. كاررا نخستین خودرویی است كه از شاسی یكپارچه الیاف كربنی بهره می برد. مایكل هوشلر(Michael Holscher) مدیر پروژه كاررا می گوید: "این شاسی یكپارچه با محفظه موتور كه 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 كند".
این شاسی، سازه ای ساندویچی از الیاف كربن بافته با مغزی لانه زنبوری از جنس كاغذ آرامیدی نامكس (Nomex) است كه ضخامت بدنه و جهت الیاف در آن با توجه به شرایط بارگذاری تغییر می كند. به طور كلی در ساخت این خودرو حدود 1000 قطعه پیش آغشته به كار گرفته می شود. سفتی كاررا به عنوان یك خودروی روباز كه سقف آن هیچ عنصر سازه ای ندارد شدیدا به آرایشات قطعات داخلی بستگی دارد، هر چه جای در كوچك تر باشد بدنه سفت تر است. در هر حال برای حفظ ابعاد ركاب (بخشی از شاسی كه از دو طرف زیر در قرار دارد) به گونه ای كه 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 یك لوله فولادی درون بدنه قرار داده شده است.
اجزای مختلف سیستم محركه خودرو از طریق 200 نقطه به محفظه موتور متصل می شوند. بنابراین به كارگیری شاسی یكپارچه اپوكسی / كربنی از نظر یكپارچگی قطعات یك برتری محسوب می شود. این امر به پورشه آزادی عمل می دهد تا در نقاط اتصال، لایه ها را طوری طراحی كند كه از لایه لایه شدن یا ایجاد تنش های غیر ضروری جلوگیری شود. لزوم كم بودن تغییرات ابعادی، یكی از دلایل حذف محفظه آلومینیومی بود. CTEآلومینیومی با مواد به كار رفته در اجزایی كه به این محفظه متصل می شوند سازگاری ندارد. علاوه بر این، محفظه آلومینیومی به تعدادی صفحه و قلاب نیاز دارد كه باعث افزایش وزن، دشواری ساخت و ایجاد سر و صدا و لرزش می شوند. در محفظه كربنی، قطعات آلومینیومی ریخته گری، درون سازه محفظه موتور قالب گیری می شوند. وزن این محفظه موتور حدود4/20 كیلوگرم است و كل شاسی تنها حدود 100 كیلو گرم وزن دارد.
در طراحی این محفظه موتور، بارهای سازه ای نیز مد نظر قرار گرفته اند ولی نكات قابل توجه دیگر عبارتند از گرما، چرخه حرارتی از موتور به خارج و مقاومت در برابر روغن، گرد و خاك و رطوبت برای بیش از 20 سال. مقایسه ای بین محفظه كامپوزیتی را با رعایت تكات ایمنی به گونه ای به شاسی متصل كند كه كل مجموعه به عنوان یك واحد سازهای یكپارچه، چنان سختی پیچشی و خمشی را فراهم می كند كه پیش از این در خودروهای روباز مشاهده نشده است. امتیاز این كاربرد نوین الیاف كربن در ساخت شاسی یكپارچه و مخفظه موتوربه عنوان اختراع برای پورشه ثبت شده است با توجه به گرمای موتور رزین سایكوم (Cycom 977)977
با دمای كاری 177 درجه سانتی گراد برای پیش آغشته كردن الیاف انتخاب و در مغزی لانه زنبوری نیز آلومینیوم جایگزین نامكس شد. با توجه به وجود یك موتور 612 اسب بخاری در فضایی كوچك، لزوم عوامل فعال و غیر فعال كنترل دما همانند پروانه خنك كننده و عایق كردن مناطق نزدیك لوله اگزوز روشن است.
آیرودینامیك
یكی از نكات مهم در طراحی خودروهای مسابقه، نیروهای آیرودینامیكی برا (lift) و پسا drag)) است . در حد سرعت 330 كیلومتر در ساعت كاررا، نیروهای آیرودینامیكی برا می توانند به طور قابل توجهی پایداری خودرو را كاهش دهند. برای فراهم كردن نیروی رو به پایین كافی بدون اثر منفی بر ضریب كشش خودرو، پورشه بر پایه سال ها تجربه خود، یك سینی از جنس كامپوزیت الیاف كربن برای زیر خودرو و طراحی و با آزمایش در تونل باد آن را بهینه كرده است. این سینی به شاسی، محفظه موتور و ... پیچ می شود و دارای پخش كننده هوا، كانال تهویه و باله های هوایی است. این مجموعه (شامل سینی زیر خودرو، لوله های هوایی و ... ) به گونه ای طراحی شده است كه نه فقط نیروی قوی رو به پایین (4000 نیوتن) را تضمین كند بلكه این نیرو را نسبت70-30 بین محور های جلو و عقب توزیع كند.
درون و برون خودرو
به استثنای سپرهای جلو و عقب و تعدادی قطعات كوچك دیگر، تمام صفحات بیرونی بدنه از جمله درها، در صندوق بار، در پوش قسمت موتور و سقف دو تكه كاررا از الیاف كربن ساخته می شود. درها، درپوش قسمت موتور و در صندوق بار سازه های ساندویچی هستند ولی اغلب صفحات دیگر بدنه، چند لایه هایی یكپارچه با ضخامت 2/1 میلی متری هستند. تا جای ممكن صفحات بدنه با یكدیگر یكپارچه شده اند تا وزن كاهش یابد، برای مثال گلگیرهای جلو و صندوق بار (كه در قسمت جلوی خودرو قرار دارد) با هم تركیب شده اند. در مقایسه با وزن اغلب سقف های تا شوی الیاف شیشه ای، هر قطعه از سقف اپوكسی / كربن دو تكه ای این خودرو تنها 4/2 كیلوگرم وزن دارد.
درون كاررا علاوه بر سبكی، از زیبایی الیاف كربن نیز بهره می برد. اتاق موتور كه حداقل برای پورشه به اندازه داخل خودرو مهم است با یك لایه مشبك شفاف از جنس كامپوزیت الیاف كربن بافته پوشاننده می شود. در اتاق خودرو نیز كنسول از الیاف كربن ساخته شده است ولی با منیزیم پوشش داده شده است. اجزای سازه ای صندلی ها نیز از جنس كامپوزیت كربنی است. نه فقط در صندلی ها بلكه در روكش در و داشبورد، برای جلوگیری از خرد شدن صفحات و پخش شدن آتها هنگام تصادف، از لایه های كولار (الیاف آرامید) بین لایه های الیاف كربن بافته استفاده شده است. این صندلی های تنها نصف صندلی های استاندارد پورشه و تنها 3/10 كیلوگرم وزن دارند.
اغلب قطعات كامپوزیتی كاررا با به كارگیری اتو كلاو و الیاف پیش آغشته ساخته می شوند. فرایندی كه با توجه به سال ها تولید خودروی مسابقه، پورشه با آن آشنایی كامل دارد. قطعات به طریق دستی لایه چینی می شوند و در دمای 180 درجه سانتی گراد و فشار 600 كیلو پاسكال به مدت چهار ساعت پخت می شوند. تنها چند قطعه از جمله بخش های كناری جلو و بخش مركزی پشت بدنه به خاطر شكل خاصشان به روش تزریق رزین (RTM) قالب گیری می شوند. قطعات RTM در دمای 120 درجه سانتی گراد و فشار 5/1-1 مگاپاسگال به مدت 15 تا 30 دقیقه پخت می شوند.
برای دستیابی به حجم تولید 3 خودرو در روز، قطعات خودرو بسته به نوع قطعه در 6 تا 60 قالب ساخته می شوند.
منبع: نشریه كامپوزیت- موسسه كامپوزیت ایران
پشت اتاق سر نشین این خودرو یك موتور 7/5 لیتری 10-V و گیربكس دستی 6 سرعته قرار دارد كه قادر است كاررا را در عرض 9/9 ثانیه از سرعت صفر به سرعت 200 كیلومتر در ساعت برساند. هدف از طراحی این خودرو، دستیابی به دینامیك جاده ایی بهینه بوده است كه طبق تعریف پورشه عبارتست از "بیشترین میزان كاهش وزن، پایین ترین حد ممكن مركز ثقل و حداكثر استحكام".
این سازنده خودرو برای رسیدن به این اهداف، مجدانه به مواد سبك و به ویژه الیاف كربن روی آورده است. كربن نه فقط برای تامین استحكام و سفتی و كاهش وزن، بلكه همچنین برای ظاهر مناسبش به كار گرفته می شود. شاسی، درها، ركاب، میل فرمان، در صندوق بار، درپوش قسمت موتور، سینی زیر خودرو، كنسول وسط و صندلی های این خودرو همه از كامپوزیت اپوكسی / كربن (با كمی آرامید) ساخته می شوند كه این امر در مقایسه با مواد معمولی حدود 40 درصد كاهش وزن به همراه دارد. این خودرو به تعداد محدودی تولید شده و به عنوان طرحی كه تنها یك بار اجرا می شود، جانشینی نخواهد داشت. تولید كاررا سكوی پرشی برای پورشه خواهد بود تا بتواند طرح های خودرویی آینده خود را تكمیل كند.
ستون فقرات اپوكسی / كربنی
گام اساسی تكامل این خودرو، طراحی شاسی منحصر به فرد آن است. كاررا نخستین خودرویی است كه از شاسی یكپارچه الیاف كربنی بهره می برد. مایكل هوشلر(Michael Holscher) مدیر پروژه كاررا می گوید: "این شاسی یكپارچه با محفظه موتور كه 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 كند".
این شاسی، سازه ای ساندویچی از الیاف كربن بافته با مغزی لانه زنبوری از جنس كاغذ آرامیدی نامكس (Nomex) است كه ضخامت بدنه و جهت الیاف در آن با توجه به شرایط بارگذاری تغییر می كند. به طور كلی در ساخت این خودرو حدود 1000 قطعه پیش آغشته به كار گرفته می شود. سفتی كاررا به عنوان یك خودروی روباز كه سقف آن هیچ عنصر سازه ای ندارد شدیدا به آرایشات قطعات داخلی بستگی دارد، هر چه جای در كوچك تر باشد بدنه سفت تر است. در هر حال برای حفظ ابعاد ركاب (بخشی از شاسی كه از دو طرف زیر در قرار دارد) به گونه ای كه 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 یك لوله فولادی درون بدنه قرار داده شده است.
اجزای مختلف سیستم محركه خودرو از طریق 200 نقطه به محفظه موتور متصل می شوند. بنابراین به كارگیری شاسی یكپارچه اپوكسی / كربنی از نظر یكپارچگی قطعات یك برتری محسوب می شود. این امر به پورشه آزادی عمل می دهد تا در نقاط اتصال، لایه ها را طوری طراحی كند كه از لایه لایه شدن یا ایجاد تنش های غیر ضروری جلوگیری شود. لزوم كم بودن تغییرات ابعادی، یكی از دلایل حذف محفظه آلومینیومی بود. CTEآلومینیومی با مواد به كار رفته در اجزایی كه به این محفظه متصل می شوند سازگاری ندارد. علاوه بر این، محفظه آلومینیومی به تعدادی صفحه و قلاب نیاز دارد كه باعث افزایش وزن، دشواری ساخت و ایجاد سر و صدا و لرزش می شوند. در محفظه كربنی، قطعات آلومینیومی ریخته گری، درون سازه محفظه موتور قالب گیری می شوند. وزن این محفظه موتور حدود4/20 كیلوگرم است و كل شاسی تنها حدود 100 كیلو گرم وزن دارد.
در طراحی این محفظه موتور، بارهای سازه ای نیز مد نظر قرار گرفته اند ولی نكات قابل توجه دیگر عبارتند از گرما، چرخه حرارتی از موتور به خارج و مقاومت در برابر روغن، گرد و خاك و رطوبت برای بیش از 20 سال. مقایسه ای بین محفظه كامپوزیتی را با رعایت تكات ایمنی به گونه ای به شاسی متصل كند كه كل مجموعه به عنوان یك واحد سازهای یكپارچه، چنان سختی پیچشی و خمشی را فراهم می كند كه پیش از این در خودروهای روباز مشاهده نشده است. امتیاز این كاربرد نوین الیاف كربن در ساخت شاسی یكپارچه و مخفظه موتوربه عنوان اختراع برای پورشه ثبت شده است با توجه به گرمای موتور رزین سایكوم (Cycom 977)977
با دمای كاری 177 درجه سانتی گراد برای پیش آغشته كردن الیاف انتخاب و در مغزی لانه زنبوری نیز آلومینیوم جایگزین نامكس شد. با توجه به وجود یك موتور 612 اسب بخاری در فضایی كوچك، لزوم عوامل فعال و غیر فعال كنترل دما همانند پروانه خنك كننده و عایق كردن مناطق نزدیك لوله اگزوز روشن است.
آیرودینامیك
یكی از نكات مهم در طراحی خودروهای مسابقه، نیروهای آیرودینامیكی برا (lift) و پسا drag)) است . در حد سرعت 330 كیلومتر در ساعت كاررا، نیروهای آیرودینامیكی برا می توانند به طور قابل توجهی پایداری خودرو را كاهش دهند. برای فراهم كردن نیروی رو به پایین كافی بدون اثر منفی بر ضریب كشش خودرو، پورشه بر پایه سال ها تجربه خود، یك سینی از جنس كامپوزیت الیاف كربن برای زیر خودرو و طراحی و با آزمایش در تونل باد آن را بهینه كرده است. این سینی به شاسی، محفظه موتور و ... پیچ می شود و دارای پخش كننده هوا، كانال تهویه و باله های هوایی است. این مجموعه (شامل سینی زیر خودرو، لوله های هوایی و ... ) به گونه ای طراحی شده است كه نه فقط نیروی قوی رو به پایین (4000 نیوتن) را تضمین كند بلكه این نیرو را نسبت70-30 بین محور های جلو و عقب توزیع كند.
درون و برون خودرو
به استثنای سپرهای جلو و عقب و تعدادی قطعات كوچك دیگر، تمام صفحات بیرونی بدنه از جمله درها، در صندوق بار، در پوش قسمت موتور و سقف دو تكه كاررا از الیاف كربن ساخته می شود. درها، درپوش قسمت موتور و در صندوق بار سازه های ساندویچی هستند ولی اغلب صفحات دیگر بدنه، چند لایه هایی یكپارچه با ضخامت 2/1 میلی متری هستند. تا جای ممكن صفحات بدنه با یكدیگر یكپارچه شده اند تا وزن كاهش یابد، برای مثال گلگیرهای جلو و صندوق بار (كه در قسمت جلوی خودرو قرار دارد) با هم تركیب شده اند. در مقایسه با وزن اغلب سقف های تا شوی الیاف شیشه ای، هر قطعه از سقف اپوكسی / كربن دو تكه ای این خودرو تنها 4/2 كیلوگرم وزن دارد.
درون كاررا علاوه بر سبكی، از زیبایی الیاف كربن نیز بهره می برد. اتاق موتور كه حداقل برای پورشه به اندازه داخل خودرو مهم است با یك لایه مشبك شفاف از جنس كامپوزیت الیاف كربن بافته پوشاننده می شود. در اتاق خودرو نیز كنسول از الیاف كربن ساخته شده است ولی با منیزیم پوشش داده شده است. اجزای سازه ای صندلی ها نیز از جنس كامپوزیت كربنی است. نه فقط در صندلی ها بلكه در روكش در و داشبورد، برای جلوگیری از خرد شدن صفحات و پخش شدن آتها هنگام تصادف، از لایه های كولار (الیاف آرامید) بین لایه های الیاف كربن بافته استفاده شده است. این صندلی های تنها نصف صندلی های استاندارد پورشه و تنها 3/10 كیلوگرم وزن دارند.
اغلب قطعات كامپوزیتی كاررا با به كارگیری اتو كلاو و الیاف پیش آغشته ساخته می شوند. فرایندی كه با توجه به سال ها تولید خودروی مسابقه، پورشه با آن آشنایی كامل دارد. قطعات به طریق دستی لایه چینی می شوند و در دمای 180 درجه سانتی گراد و فشار 600 كیلو پاسكال به مدت چهار ساعت پخت می شوند. تنها چند قطعه از جمله بخش های كناری جلو و بخش مركزی پشت بدنه به خاطر شكل خاصشان به روش تزریق رزین (RTM) قالب گیری می شوند. قطعات RTM در دمای 120 درجه سانتی گراد و فشار 5/1-1 مگاپاسگال به مدت 15 تا 30 دقیقه پخت می شوند.
برای دستیابی به حجم تولید 3 خودرو در روز، قطعات خودرو بسته به نوع قطعه در 6 تا 60 قالب ساخته می شوند.
منبع: نشریه كامپوزیت- موسسه كامپوزیت ایران
