Thiết kế khung gầm của tương lai

Ngày 16/06/2011

Hướng tiếp cận các loại vật liệu mới sẽ đồng nghĩa với việc xe hơi trong tương lai có trọng lượng nhẹ hơn. Và đó là những thông tin tốt đẹp cho người tiêu dùng.

Audi đã thực hiện đúng theo nguyên lý này, nhất là trong quá trình chế tạo mẫu TT và A6. Ngoài ra, Q7 trong tương lai cũng có thể giảm tới 400kg trọng lượng so với bản hiện thời. Tất cả là nhờ việc sử dụng hàng loạt những vật liệu giống nhau, nhưng theo những cách thức khác nhau.
Giống như kết cấu của bộ xương người hay cấu tạo cánh của các loại côn trùng, thiên nhiên đã khéo léo đặt mọi thứ đúng chỗ, dùng đúng chất liệu và cho chúng thực hiện đúng chức năng, dường như không thừa, không thiếu dù một chi tiết nhỏ nhất. Audi cũng muốn ứng dụng sự linh hoạt và hợp lý của tự nhiên trong các sản phẩm khung gầm mình thiết kế.
Vốn được coi là hãng xe “chịu khó” ra đời hàng loạt sản phẩm ứng dụng rộng rãi vật liệu bằng nhôm, nhưng hướng tiếp cận các loại vật liệu của Audi cũng ngày càng thực dụng. Nếu A1 hoàn toàn bằng thép thì A6 đã có phần khung thép tráng nhôm. Mẫu TT có phần thân trước bằng nhôm nhưng chất liệu làm ra cửa xe, cửa hậu, sàn xe phía sau lại là thép. Thậm chí trên chiếc A8 - mẫu xe theo thiết kế ban đầu sẽ có phần khung xe hoàn toàn bằng nhôm thì cột trung tâm nối sàn xe với mái cũng đã được thép thay thế. Trong tương lai, phần khung xe của Audi sẽ là sự kết hợp của nhiều loại vật liệu khác nhau. Không chỉ riêng nhôm và thép, sợi các bon và ma-giê cũng được ứng dụng linh hoạt, ở những dạng khác nhau, từ dạng tấm, ép thành khuôn đến đúc và rèn.
Hiệu quả của cách kết hợp đa dạng này đã được chứng minh. Trong trung tâm thiết kế trọng lượng nhẹ của Audi (Audi’s Lightweight Design Centre) đặt tại Neckarsulm, có một bộ khung trơn của một nguyên mẫu saloon hạng nhỏ. Bộ khung này được tạo thành từ những tấm thép màu xanh da trời, những tấm nhôm bạc, chi tiết sợi các-bon và cả những bộ phận được ép khuôn hoặc đổ thành khuôn. So với bộ khung được làm bằng thép nén với kích cỡ tương tự, sự kết hợp này đã tiết kiệm được tới 100kg trọng lượng - tương đương 1/3.
Cũng theo Audi, một khung xe được làm nhẹ đi sẽ là yếu tố then chốt để "giảm cân" cho một chiếc xe. Nguyên lý này hình thành một chu trình phát triển khép kín: thân xe nhẹ nghĩa là giảm sức ì, do đó, lốp và phanh được thiết kế gọn hơn, hệ thống treo sẽ có những chi tiết nhỏ và mảnh. Nếu khung xe không phải gánh vác những thứ nặng nề, cồng kềnh thì nó lại tiếp tục được làm nhẹ đi nữa. Chu trình cứ thế tiếp diễn. Hệ quả kéo theo là, trên một chiếc xe đã trở nên gọn nhẹ thì năng lượng nó tiêu tốn cũng sẽ giảm bớt. Xe sẽ sở hữu một động cơ nhỏ hơn, hoặc tăng tốc nhanh hơn nếu vẫn giữ nguyên khối động cơ ấy. Dù thế nào thì kết quả mang lại cũng là một chiếc xe ngày một gọn gàng và mau lẹ. Điều đó khiến người tiêu dùng hài lòng.

Đây là một yếu tố quan trọng giúp quyết định loại vật liệu nào là tốt nhất cho mỗi bộ phận của thân xe. Sau khi lựa chọn vật liệu xong thì việc kết hợp chúng sao cho hợp lý nhất cũng lại cần một chu trình khép kín khác. Ban đầu, các chi tiết bộ phận hoặc cả cấu trúc được thiết kế và thử nghiệm trên máy vi tính, trước khi đưa vào chế tạo và thử nghiệm trên thực tế. Kết quả thu được sẽ là cơ sở để người ta tiếp tục tối ưu hóa trọng lượng cho các chi tiết bộ phận hoặc cả khung xe. Việc này sẽ đưa mọi thứ quay trở lại phòng thí nghiệm, các trung tâm nghiên cứu, rồi sau đó lại đem ra chế tạo và thử nghiệm trên thực tế... Chu trình chỉ kết thúc khi mọi thứ được các nhà thiết kế đánh giá là ổn thỏa.
Với loại vật liệu sợi các-bon, thời gian và chi phí chính là nguyên nhân khiến nó không được sử dụng ở những mẫu xe sản xuất với số lượng lớn. Nhưng ở xưởng sản xuất Lamborghini đặt tại San’Agata, người ta đã hé lộ tương lai của sản xuất khung gầm bằng chất liệu các-bon nhưng đã tiết kiệm được khá nhiều thời gian cũng như chi phí. Quá trình mang tên Forged Composite cho phép sợi các-bon được đúc thành chi tiết nhờ một cái khuôn bằng kim loại nóng thay cho loại nhựa dẻo nhiệt theo thông lệ.
Ở quy trình này, người ta đưa vào bên trong dụng cụ nén nhiệt một cuộn nhựa thông và sợi các-bon có kích thước bằng một cuộn sợi cotton thông thường. Chúng nhanh chóng được quay và nén nhiệt để tạo thành một chi tiết làm bằng sợi các-bon hoàn thiện, sau chưa đến 5 phút. Sử dụng cách này để tạo ra loại ống sợi các-bon cho chiếc Aventador chỉ mất có 1,5 giờ đồng hồ. Đó là cơ sở để có thể sản xuất các tấm ốp thân xe, tay đòn, hệ thống treo, các vành đúc.... bằng sợi các-bon mà không mất quá nhiều thời gian, và tương lai có thể ứng dụng trên các loạt sản phẩm với số lượng lớn.
Một số loại khung xe thông thường:
1. Body-on-Frame (khung rời, biệt lập với thân): Loại khung này trước đây được ứng dụng trên hầu hết các mẫu xe hơi, nhưng hiện tại chỉ còn tồn tại chủ yếu trên các mẫu xe bán tải và xe thương mại. Ưu điểm: Thiết kế và chế tạo dễ dàng, dễ cải tiến, một khung có thể ứng dụng cho nhiều mẫu xe khác nhau. Nhược điểm: Nặng nề và khả năng chịu va chạm kém loại khung liền khối.
2. Steel monocoque (khung thép liền khối/đơn nhất): Được sử dụng chủ yếu trong những mẫu xe sản xuất với số lượng lớn. Ưu điểm: Cứng vững, tạo hiệu quả không gian và chi phí thấp nếu sản xuất hàng loạt. Nhược điểm: Đầu tư ban đầu cao, không nhẹ như các loại vật liệu khác và việc sửa chữa sau va chạm phức tạp.
3. Space Frame (khung cấu trúc không gian): Ứng dụng trong các dòng sản phẩm của Caterham, Ariel, TVR, xe đua và nhiều siêu xe của những năm 1960, 1970. Ưu điểm: nhẹ và cứng. Nhược điểm: Đòi hỏi kĩ năng chế tạo cao và rất khó thực hiện tự động hóa.
4. Extrude, boned aluminium (khung xương bằng nhôm dập): Sử dụng để chế tạo Lotus Elise và Evora cũng như dòng xe Aston Martin hiện tại. Ưu điểm: trọng lượng nhẹ, cứng chắc và cấu trúc linh hoạt. Nhược điểm: hạn chế về hiệu quả không gian.
5. Carbonfibre tub (khung dạng ống các bon): Ứng dụng trên mẫu Lamborghini Aventador, McLaren Mp4-12C. Ưu điểm: nhẹ và rất cứng chắc so với trọng lượng khiêm tốn. Nhược điểm: Cần nhiều chế tạo thủ công và chi phí sản xuất cao.
6. Backbone Chassic (khung xương sống): Các mẫu sử dụng loại khung xe này gồm Lotus Elan và Europa sản xuất những năm 1960 và Esprit. Ưu điểm: đơn giản và rẻ tiền hơn loại khung cấu trúc không gian, có thể ứng dụng trên các thân xe khác nhau. Nhược điểm: khả năng chống va chạm hông bị hạn chế.
7. Aluminium spaceframe/monocoque (khung nhôm không gian/liền khối): Ứng dụng trên thân xe Audi A8, R8, Jaguar XJ, XK. Ưu điểm: Nhẹ hơn khung thép liền khối, tạo hiệu quả không gian và có thể tái chế. Nhược điểm: chưa thể ứng dụng trên những mẫu sản xuất số lượng lớn, chi phí đầu tư phát triển cao.

Trungna (theo autonet)