ऑटोमोबाइल को ऊर्जा संरक्षण और उत्सर्जन में कमी के पथ पर आगे बढ़ने में क्या सक्षम बनाता है? इसका उत्तर तीन प्रमुख सामग्रियों में निहित हो सकता है जो आधुनिक वाहनों का निर्माण करती हैं। फोर्ड के मॉडल टी के जन्म से लेकर आज के संपन्न नई ऊर्जा वाहनों तक, भौतिक नवाचार ऑटोमोटिव उद्योग की प्रगति का मुख्य चालक बना हुआ है। यह लेख संबंधित सामग्रियों और प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों का विश्लेषण करते हुए ऑटोमोटिव बॉडी डिज़ाइन में स्टील, एल्यूमीनियम और प्लास्टिक की भूमिकाओं की जांच करते हुए वाहन के हल्के वजन पर केंद्रित है।
निरंतर ऑटोमोटिव तकनीकी नवाचार की लहर में, सामग्री एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। विनिर्माण की नींव के रूप में, केवल परिष्कृत प्रसंस्करण तकनीकों के माध्यम से सामग्रियों को कार्यात्मक ऑटोमोटिव घटकों में बदला जा सकता है। एक पारंपरिक आंतरिक दहन इंजन वाहन में आम तौर पर हजारों हिस्से होते हैं। घटक कार्यक्षमता को बढ़ाने और ईंधन दक्षता में सुधार करने के लिए, उद्योग की उन्नत सामग्रियों की मांग लगातार बढ़ रही है, जिससे नए सामग्री समाधानों का उदय हो रहा है।
जापान ऑटोमोबाइल मैन्युफैक्चरर्स एसोसिएशन (JAMA) के शुरुआती सर्वेक्षण आंकड़ों के अनुसार, तेल संकट के बाद से ऑटोमोटिव सामग्रियों के संरचना अनुपात में बदलाव आया है। स्टील सामग्री - जिसमें स्टील प्लेट, संरचनात्मक स्टील, स्टेनलेस स्टील और कच्चा लोहा शामिल हैं - का अनुपात लगभग 80% से थोड़ा कम होकर लगभग 70% हो गया है। फिर भी, ऑटोमोबाइल विनिर्माण में स्टील प्रमुख सामग्री बनी हुई है। इस बीच, एल्युमीनियम और प्लास्टिक के उपयोग में वृद्धि देखी गई है, जिसमें एल्युमीनियम और अन्य अलौह धातुओं की हिस्सेदारी लगभग 8% है, और प्लास्टिक भी समान स्तर पर पहुंच गया है। हालाँकि JAMA का डेटा केवल 2001 तक फैला हुआ है, उद्योग का अनुमान है कि प्लास्टिक अब ऑटोमोटिव सामग्री का लगभग 10% है। सामग्री संरचना में यह बदलाव काफी हद तक हल्के वजन के विचारों से उत्पन्न होता है, जो मुख्य रूप से पारंपरिक स्टील को एल्यूमीनियम और प्लास्टिक विकल्पों के साथ प्रतिस्थापित करके प्राप्त किया जाता है।
इस प्रकार, स्टील, एल्यूमीनियम और प्लास्टिक ऑटोमोटिव संरचनात्मक सामग्रियों के तीन स्तंभ बनाते हैं। बेशक, वाहन की संरचना इन तीन सामग्रियों से परे फैली हुई है - टायर के लिए रबर, विंडशील्ड के लिए सुरक्षा ग्लास, सेंसर के लिए सिरेमिक, और उत्प्रेरक कन्वर्टर्स के लिए प्लैटिनम सभी आवश्यक घटकों के रूप में काम करते हैं। इन सामग्रियों का व्यापक अनुप्रयोग आधुनिक ऑटोमोबाइल को संभव बनाता है, जबकि ऑटोमोटिव विकास एक साथ मौजूदा सामग्रियों के अनुकूलन और नए के अनुसंधान को संचालित करता है।
1980 के दशक के दौरान, सिरेमिक सामग्रियों ने धातुओं और प्लास्टिक के बाद "तीसरी सामग्री" के रूप में ध्यान आकर्षित किया, मुख्य रूप से धातु मिश्र धातुओं की तुलना में उनके बेहतर उच्च तापमान प्रतिरोध के कारण। 1985 में एक अभूतपूर्व नवाचार सामने आया जब निसान के फेयरलेडी जेड मॉडल में एक सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक टर्बोचार्जर रोटर शामिल किया गया। केवल 3.2 ग्राम/सेमी³ के घनत्व के साथ - उस समय टरबाइन ब्लेड के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले इनकोनेल मिश्र धातु (8.5 ग्राम/सेमी³) से काफी कम - इस सामग्री ने रोटर वजन को काफी हद तक कम कर दिया और इंजन प्रतिक्रिया में सुधार किया।
सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक इंजन वाल्वों पर भी व्यापक शोध हुआ और वे प्रोटोटाइप परीक्षण चरणों तक पहुंचे। इस उच्च कठोरता वाली सामग्री के लिए पीसने की तकनीक - विशेष रूप से लागत प्रभावी गुणवत्ता नियंत्रण - एक महत्वपूर्ण तकनीकी चुनौती के रूप में उभरी, जिसने सामग्री प्रसंस्करण तकनीकों के महत्व को फिर से उजागर किया। सिरेमिक पर्यावरणीय अनुप्रयोगों में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं: गैसोलीन वाहन ऑक्सीजन सेंसर में ज़िरकोनिया सिरेमिक, उत्प्रेरक कनवर्टर सब्सट्रेट्स में कॉर्डिएराइट सिरेमिक, और निकास शुद्धि के लिए डीजल पार्टिकुलेट फिल्टर (डीपीएफ) में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक।
डीपीएफ, जिसे पहली बार 2000 प्यूज़ो 607 में लागू किया गया था, छिद्रपूर्ण दीवारों के साथ छत्ते संरचनाओं का उपयोग करके डीजल निकास से पार्टिकुलेट मैटर (पीएम) को पकड़ता है। इस तकनीक के लिए माइक्रोपोर आयामों और उन्नत छत्ते प्रसंस्करण तकनीकों के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। एक सामान्य यात्री वाहन डीपीएफ इकाई का वजन 3-6 किलोग्राम होता है, जिससे वाहन का कुल वजन अनिवार्य रूप से बढ़ जाता है।
वाहन हल्केपन का मुख्य उद्देश्य ईंधन की खपत को कम करना और गतिशील प्रदर्शन को बढ़ाना है। बढ़ते पर्यावरणीय दबाव के तहत, ईंधन दक्षता में सुधार विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो गया है। कम ईंधन खपत प्राप्त करने के लिए कई दृष्टिकोण मौजूद हैं - जिनमें इंजन दहन को अनुकूलित करना, घर्षण हानि को कम करना, बिजली पारेषण दक्षता में सुधार करना, वायुगतिकीय और रोलिंग प्रतिरोध को कम करना और वाहन के वजन को कम करना शामिल है। इनमें से, लाइटवेटिंग सबसे महत्वपूर्ण उपायों में से एक है। चूंकि बॉडी वाहन का सबसे भारी घटक है, इसलिए ईंधन की बचत के लिए बॉडी को हल्का बनाना आवश्यक साबित होता है। इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए, वजन घटाने से ड्राइविंग रेंज भी बढ़ जाती है।
1,214 किलोग्राम वजन वाली 2.0-लीटर यात्री सेडान पर विचार करें: इसकी स्टील बॉडी का वजन 343 किलोग्राम है, जिसमें 261 किलोग्राम बॉडी-इन-व्हाइट (स्ट्रक्चरल फ्रेम) और दरवाजे और हुड के लिए 82 किलोग्राम वजन शामिल है। इस प्रकार, शरीर कुल वाहन वजन का लगभग 30% प्रतिनिधित्व करता है। तुलनात्मक रूप से, इंजन का वजन 141 किलोग्राम है, जिसमें 41 किलोग्राम कच्चा लोहा सिलेंडर ब्लॉक भी शामिल है। इसे एल्युमीनियम से बदलने से वजन 15 किलोग्राम कम हो जाता है - हल्के वजन के लिए सामग्री प्रतिस्थापन का एक उत्कृष्ट उदाहरण।
घटक लघुकरण एक और महत्वपूर्ण हल्कापन दृष्टिकोण प्रदान करता है। इंजन और इंजन बे घटक के आकार को कम करने से न केवल केबिन स्थान का विस्तार होता है, बल्कि क्रैश बफर जोन भी बढ़ता है, जिससे टकराव सुरक्षा में सुधार होता है। लघुकरण शरीर के डिज़ाइन लचीलेपन को भी बढ़ाता है। उदाहरण के लिए, एक समकालीन हल्के वाहन (वजन 718 किलोग्राम) में 206 किलोग्राम की बॉडी होती है - जो 2.0-लीटर सेडान के समान बॉडी-टू-व्हीकल वजन अनुपात बनाए रखती है (तालिका 1 देखें)।
| वाहन का प्रकार | वजन पर अंकुश (किग्रा) | शरीर का वजन (किलो) | शारीरिक वजन अनुपात |
|---|---|---|---|
| 2.0L सेडान | 1,214 | 343 | ~30% |
| हल्का वाहन | 718 | 206 | ~29% |
ऑटोमोटिव निकाय कुछ सबसे बड़े और सबसे जटिल वाहन संरचनाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो उन्हें हल्के वजन के लिए प्रमुख लक्ष्य बनाते हैं। वजन घटाने के प्रयासों से समझौता किए बिना, बॉडी डिज़ाइन को कई प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए - जिसमें ताकत, कठोरता, स्थायित्व, संक्षारण प्रतिरोध, एनवीएच (शोर, कंपन और कठोरता) प्रदर्शन और दुर्घटना सुरक्षा शामिल है।
उच्च शक्ति वाला स्टील (एचएसएस) एक महत्वपूर्ण हल्के वजन वाली सामग्री के रूप में कार्य करता है। स्टील की ताकत बढ़ाकर, निर्माता संरचनात्मक प्रदर्शन से समझौता किए बिना सामग्री के उपयोग को कम कर सकते हैं। उन्नत उच्च-शक्ति स्टील्स (एएचएसएस) - जिसमें दोहरे चरण (डीपी), परिवर्तन-प्रेरित प्लास्टिसिटी (टीआरआईपी), कॉम्प्लेक्स-चरण (सीपी), और मार्टेंसिटिक (एमएस) स्टील्स शामिल हैं - तेजी से व्यापक ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों की सुविधा प्रदान करते हैं। ये सामग्रियां हल्के, सुरक्षित शरीर संरचनाओं के लिए उच्च शक्ति और बेहतर निर्माण क्षमता प्रदान करती हैं।
एक ऑटोमेकर का नवीनतम मॉडल कठोरता और दुर्घटना सुरक्षा में सुधार करते हुए शरीर के वजन को 15% तक कम करने के लिए व्यापक एएचएसएस का उपयोग करता है। गर्म-निर्मित स्टील आमतौर पर दुर्घटना प्रतिरोध को बढ़ाने के लिए ए-पिलर और बी-पिलर जैसे महत्वपूर्ण संरचनात्मक घटकों को मजबूत करता है।
एल्यूमीनियम मिश्र धातु एक और महत्वपूर्ण हल्कापन समाधान प्रदान करते हैं। स्टील के लगभग एक-तिहाई घनत्व के साथ, एल्यूमीनियम प्रतिस्थापन से शरीर का वजन काफी कम हो जाता है। एल्युमीनियम की उत्कृष्ट संरचना और संक्षारण प्रतिरोध विनिर्माण प्रक्रियाओं को सुविधाजनक बनाता है। वर्तमान अनुप्रयोग बॉडी पैनल, संरचनात्मक घटकों, सस्पेंशन सिस्टम और इंजन भागों तक फैले हुए हैं।
ऑडी A8 पूर्ण-एल्यूमीनियम बॉडी निर्माण का उदाहरण है, जो पारंपरिक स्टील बॉडी की तुलना में लगभग 40% वजन कम करता है। टेस्ला का मॉडल एस भी वजन कम करने और रेंज बढ़ाने के लिए एल्यूमीनियम का बड़े पैमाने पर उपयोग करता है।
प्लास्टिक और कंपोजिट अतिरिक्त हल्के वजन वाले रास्ते प्रदान करते हैं। धातुओं की तुलना में उनका काफी कम घनत्व महत्वपूर्ण वजन बचत को सक्षम बनाता है, जबकि उत्कृष्ट डिजाइन लचीलापन और संक्षारण प्रतिरोध जटिल आकार के घटकों के लिए उपयुक्त है। वर्तमान अनुप्रयोगों में बंपर, फेंडर, डोर ट्रिम पैनल और इंस्ट्रूमेंट पैनल शामिल हैं।
कार्बन फाइबर कंपोजिट असाधारण ताकत और कठोरता के साथ उच्च प्रदर्शन वाली हल्की सामग्री का प्रतिनिधित्व करते हैं। अधिक लागत के बावजूद, बीएमडब्ल्यू के i3 और i8 जैसे प्रीमियम वाहनों में उनका उपयोग बढ़ रहा है।
ऑटोमोटिव लाइटवेटिंग एक व्यवस्थित इंजीनियरिंग चुनौती है जिसके लिए सामग्री, डिजाइन और विनिर्माण में समन्वित प्रगति की आवश्यकता होती है। जैसे-जैसे प्रौद्योगिकियां आगे बढ़ेंगी, भविष्य के वाहन हल्के, अधिक कुशल और पर्यावरण की दृष्टि से अधिक टिकाऊ हो जाएंगे।
