چه سرنوشتی در انتظار رینگ های فیبر کربن خواهد بود؟

ظاهراً تکنولوژی پیشرفته ساختِ رینگ های فیبر کربن رفته رفته در حالِ تبدیل شدن به روشی متداول در صنعت اتومبیل است.در اوایل دهه 70 میلادی، کمپانی فرانسوی میشلن برای خودروی رالی سیتروئن که بر پایه مدل SM ساخته شده بود رینگ هایی تولید کرد که ترکیبی از الیاف شیشه و رِزین بودند. اولین خودرویی که به این رینگ ها مجهز شده بود توانست برنده اولین مسابقه در رالی سال 1971 مراکش شود. اما از سال 1972، سیتروئن رینگ های ساخته شده از الیاف شیشه و رِزین را به عنوان یک آپشن برای خریداران مدل خیابانی سیتروئن SM عرضه می کرد.

در دهه 80 میلادی، دوج و کَرول شِلبی (Carroll Shelby) برای ساخت شلبی CSX با هم همکاری کردند. نسخه نهایی این خودرو که مدل 1989 بوده و با نام CSX-VNT شناخته میشد، از رینگ هایی بهره مند بود که ساختاری ترکیبی داشتند و “فایبِر رایدز” (Fiberrides) نام داشتند. همانند رینگ های سیتروئن SM که پیش از آن توسط میشلن ساخته شده بود، در ساخت رینگ های فایبِر رایدز نیز از الیاف شیشه استفاده شده بود.

اما اگر چندین سال جلوتر برویم، در سال 2013 کمپانی سوئدی تولیدکننده ابرخودرو یعنی کوئنیگزگ عرضه خودروهای فوق سریعش را با رینگ های فیبر کربنی یکپارچه آغاز کرد. درست است که این رینگ های فیبر کربن بسیار زیبا و جذاب هستند، اما باید بدانید 4 عدد از آنها چیزی در حدود 40 هزار دلار قیمت دارند که تقریباً دو برابر قیمت پایه تویوتا کمری 2018 است! البته چنین رقمی برای ابرخودرویی با برچسب قیمتی 2 میلیون دلار چندان هم زیاد نیست.

فیبر کربن می تواند در محدوده دمایی گسترده ای در مقابل شکنندگی و تغییر فرم مقاومت کند. اما میزان این مقاومت به کربن وابسته نیست، بلکه به ترکیب شیمیایی که آن را احاطه می کند به نام اِپوکسی (epoxy) بستگی دارد.

در حال حاضر، فقط پورشه است که رینگ های فیبر کربنِ یکپارچه برای خودروهایش تولید می کند و فقط یک کمپانی به نام “کربن رِوُلوشِن” (Carbon Revolution) وجود دارد که برای خودروهای تولید انبوه رینگ های فیبر کربن تولید می کند. فورد GT، موستانگ GT350R و چندین مدل از خودروسازان دیگر از رینگ های فیبر کربنی شرکت کربن رِوُلوشِن بهره می برند. البته چندین کمپانی نیز وجود دارند که رینگ های هیبریدی (ترکیبی از کربن و آلیاژ) را تولید کرده و در بازار لوازم یدکی اتومبیل به فروش می رسانند. اما شرکت کربن رِوُلوشِن برنامه های بزرگی برای آینده دارد: این کمپانی می گوید که امسال ده ها هزار رینگ فیبر کربنی یکپارچه تولید خواهد کرد، اما تصمیم دارد با ورود به دهه آتی این رقم را به صدها هزار (یا شاید هم چندین میلیون) برساند.

برِت گاس (Brett Gass)، یکی از بنیان گذاران کربن رِوُلوشِن اینطور می گوید: “ما پروژه ای داریم که در مورد تولید رینگ فیبر کربنی 22 اینچی برای یک خودروی شاسی بلندِ آفرودی تخصصی است. ما برای ده ها هزار دستگاه خودرو رینگ فیبر کربن تولید خواهیم کرد و به این ترتیب برنامه های گسترده ای پیش رو خواهیم داشت.”

مایک فلوید (Mike Floyd)، سردبیر نشریه “مجله اتومبیل” (Automobile Magazine)، امسال در نمایشگاه خودروی ژنو مطلع شد که شرکت کربن رِوُلوشِن در حال همکاری با فراری برای تولید رینگ های مدل 488 پیستا (Pista) است. اِدواردو روسی (Edoardo Rossi)، مدیر بازاریابی محصول برای فراری 488 پیستا، در مورد همکاری با کربن رِوُلوشِن می گوید: “ظاهر و طراحی رینگ ها برای فراری بسیار حائز اهمیت است. پره های این رینگ ها بر خلاف رینگ های فیبر کربن معمولی ضخیم نیستند، بلکه بسیار نازک و ظریف هستند که این کار را کمی پیچیده می کند. پس از آن با همکاری یکدیگر پوشش داخلی سفید رنگِ رینگ ها را انجام دادیم. این پوشش سفید رنگ که برگرفته از هوافضا است، از رینگ ها در مقابل حرارت ترمزها محافظت می کند.”

مزایای رینگ های فیبر کربن

درست است که وزنِ کم مزیت اصلی رینگ های ساخته شده از مواد ترکیبی (به خصوص فیبر کربن) به حساب می آید، اما این نوع رینگ ها در زمینه کاهش صدا و لرزش نیز موثر هستند. رینگ های فلزی که شامل رینگ های فولادی و آلومینیومی می شود، مقادیر قابل توجهی از صدا، لرزش و ضربه را از سطح مسیر به واسطه سیستم تعلیق به ساختار خودرو انتقال می دهند. اما رینگ های فیبر کربن در جذب این موارد بهتر عمل می کنند و به این ترتیب در همان ابتدا جلوی انتقال آنها به خودرو گرفته می شود. به همین دلیل، خودروسازان با استفاده از رینگ های فیبر کربن می توانند خودروهایی تولید کنند که کابین ساکت تر و آرام تری داشته باشند (بدون اینکه مجبور باشند عایق بندی صوتی زیادی برای خودروی مورد نظر تعبیه کنند).

برِت گاس درباره رینگ های فیبر کربن می گوید: “فقط وزن سبک و سختی فیبر کربن از مزایای این نوع رینگ ها نیست، بلکه خاصیت جذب در فیبر کربن واقعاً تاثیر بسزایی در کاهش لرزش های وارده به اتاق خودرو دارد. خصوصاً این موضوع بیشتر در خودروهای برقی لوکس مشخص می شود، چرا که این نوع خودروها صدای سیستم انتقال قدرت، اگزوز و مواردی از این قبیل را ندارند.”

علاوه بر موارد ذکر شده، وزن کمترِ رینگ ها سبب می شود موتور و ترمز فشار کمتری را تحمل کنند و به این ترتیب، شتاب گیری و قدرت ترمزگیری خودرو بهبود پیدا می کند. همچنین رینگ های فیبر کربن باعث کاهش اثر ژیروسکوپی می شوند. اثر ژیروسکوپی (Gyroscopic Effect) باعث می شود یک شی در حال چرخش در مقابل تغییرِ محورِ چرخش مقاومت کند. به این ترتیب، فرمان در ابتدای چرخش حساسیت بیشتری پیدا کرده و کنترل بهتری را در اختیار راننده قرار خواهد داد. به اضافه، استفاده از رینگ های فیبر کربن سبب می شود وزنِ فنربندی نشده برای هر چهار چرخ کاهش پیدا کند. در اینجا لازم است اشاره ای مختصر به وزنِ فنربندی شده (sprung weight)، وزنِ فنربندی نشده (unsprung weight) و تفاوت این دو اصطلاح داشته باشیم:

• وزنِ فنربندی شده به وزنی گفته می شود که بر روی فنرها در یک سیستم تعلیق اعمال می شود که شامل شاسی، موتور، جعبه دنده، بدنه و مواردی از این قبیل می شود
• وزنِ فنربندی نشده هنگام عبور خودرو از ناهمواری ها همراه با چرخ ها به سمت بالا و پایین حرکت می کند. بنابر این، وزنِ فنربندی نشده شامل رینگ ها، لاستیک ها، متعلقات ترمز، دیفرانسیل و همه اجزایی می شود که مستقیماً به چرخ متصل هستند

در نهایت مزیت های ذکر شده سبب می شود فشار موجود بر روی سیستم تعلیق کاهش پیدا کند که نتیجه آن سواری نرم تر و قابلیت های دینامیکی بهتر است.

 

در هر زمینه ای که رینگ های فیبر کربن باعث بهبود عملکرد خودرو می شوند، سبب بالا رفتن راندمان و افزایش کارایی آن نیز می شوند. دلیل این امر در قوانین فیزیک خلاصه می شود: این رینگ ها خودروی شما را قادر می سازد تا با مصرف انرژی کمتر، میزان کار برابر و حتی بیشتر انجام دهد. البته هدف از استفاده از رینگ های فیبر کربن در خودروهای مختلف با هم فرق دارد: به طور مثال، هدف از کاهش وزن یک خودروی هیبرید یا برقی افزایش حداکثر سرعت آن یا دست یابی به رکورد بهتر در پیست نخواهد بود، بلکه هدف افزایش بُرد خودروی مورد نظر است. زمانی که چرخ خودرو جرم کمتری دارد، فشار کمتری بر خودرو وارد می شود، چرا که هر بار هنگام شتاب گیری لازم نیست جرم زیادی به چرخش درآمده و هنگام ترمزگیری چرخش آن متوقف شود. در نتیجه، میزان انرژی تلف شده در هر بار شتاب گیری و یا ترمزگیری کاهش می یابد و این بدین معنی است که با هر بار شارژ یا با هر باک، می توانید مسافت بیشتری را پیمایش کنید.

و اما مشکلات رینگ های فیبر کربن چیست؟

تا اینجا به این نتیجه رسیدیم که استفاده از رینگ های فیبر کربن در یک خودرو، مزیت هایی دارد که عبارتند از:

• افزایش عملکرد خودرو
• کاهش مصرف سوخت
• بهبود کیفیت سواری
• کاهش صداهای اضافی در خودرو

با این حساب، به نظر می رسد این رینگ ها عالی هستند، اما چرا همه خودروسازان از آنها استفاده نمی کنند و برای استفاده از آنها دچار ترس، شک و تردید می شوند؟ دو دلیل برای این موضوع وجود دارد: قیمت بالا و باورهای غلط.

در حال حاضر، می توانید در بازار لوازم یدکی خودرو با پرداخت مبلغی در حدود 12 هزار دلار، صاحب 4 عدد رینگ فیبر کربن ساخت کمپانی کربن رِوُلوشِن شوید. درست است که این مبلغ در مقایسه با رینگ های آلیاژی گران قیمتی که به صورت سفارشی ساخته می شوند رقابتی محسوب می شود، اما هنوز هم قیمت رینگ های فیبر کربن بالا است و نمی توانید با 1000 دلار صاحب 4 عدد از آنها شوید. اما با مرور زمان، آمار تولید این رینگ ها بالا خواهد رفت و بازار آنها رقابتی خواهد شد که نتیجه آن کاهش قیمت این نوع رینگ خواهد بود.

برِت گاس می گوید: “در حال حاضر، تکنولوژی ساخت رینگ های فیبر کربن چندان پیشرفته نیست. این تکنولوژی در شرایط فعلی هزینه زیادی داشته و هنوز در مرحله کسب تجربیات جدید هستیم. زمانی می توانیم بگوییم در این تکنولوژی پیشرفت کرده ایم که وارد نسل سوم آن شویم، یعنی زمانی که بتوانیم از نظر قیمت با رینگ های آلیاژی رقابت کنیم و رینگ های تولیدی فیبر کربن از همه نظر بهترین باشند. در چنین شرایطی، رینگ های فیبر کربن می توانند تهدیدی جدی برای بازار رینگ های آلومینیومی باشند، البته این اتفاق در آینده نزدیک رخ خواهد داد. ما از نظر تولید فقط یک نسل با این هدف فاصله داریم که ممکن است تا دو یا سه سال دیگر محقق شود.”

برِت گاس مدعی است که تعداد تولید کنندگان رینگ های فیبر کربنِ یکپارچه حتی از تعداد تامین کنندگان سیستم هیبریدِ لافراری به نام کِرس (KERS) نیز کمتر است. به همین دلیل، گاس این تکنولوژی را “نادرترین تکنولوژی ساختِ قطعات سبک وزن در صنعت اتومبیل در حال حاضر” می نامد. اما دور از ذهن نیست که همین تکنولوژی نادر تا دهه آینده در همه جا حضور پیدا کرده و گسترش پیدا کند. به این ترتیب، رینگ های فیبر کربن دیگر تنها به خودروهای سوپر اسپرت محدود نخواهند شد، بلکه همه خودروها از این نوع رینگ بهره مند می شوند. البته برخی افراد باورهای غلطی را در مورد این نوع رینگ ها به وجود آورده اند که باید از بین بروند، چرا که می توانند مانعی بر سر راه پیشرفت این تکنولوژی باشند.

چه باورهای غلطی در مورد رینگ های فیبر کربن وجود دارد؟

کربن ضعیف است! کربن شکننده است! کربن قابل تعمیر نیست! رینگ های کربنی با افزایش دما و داغ شدن، آب می شوند! رینگ های فیبر کربن در سرما ترک می خورند! هوا از رینگ های فیبر کربن نشت می کند!

اینها فقط بخشی از باورهای غلطی هستند که در مورد رینگ های فیبر کربن وجود دارند و این باورها که به عنوان ایرادهای اساسی این نوع رینگ ها شناخته می شوند، بسیار گسترده بوده و می توان گفت بی شمار هستند. اما نکته جالب اینجاست که هیچکدام از آنها صحت ندارد! حداقل در شرایطی که رینگ مورد نظر به صورت اصولی تولید شده باشد. این باورهای غلط توسط تعدادی از تولیدکنندگان رینگ در بازار لوازم یدکی خودرو به وجود آمده است که اکثر آنها رینگ های هیبریدی دو یا سه تکه تولید می کردند، یعنی فقط دیواره داخلی رینگ از کربن ساخته شده بود و توپی و پره ها از جنس آلیاژ بودند. اما واقعیت این است که هیچکدام از این رینگ ها توسط تولیدکننده تجهیزات اصلی (OEM) مورد تست قرار نگرفته اند تا استاندارد بودنِ آنها برای استفاده خیابانی تایید شود (تولیدکننده تجهیزات اصلی اصطلاحاً شرکتی است که یک قطعه را به عنوان محصول اصلی شرکت تولید می ‌کند و این قطعه به عنوان مواد اولیه برای تولید یک محصول دیگر در شرکتی دیگر مورد استفاده قرار می‌ گیرد). این نوع رینگ های هیبریدی، کاملاً با رینگ های یکپارچه ای که توسط پورشه، کوئنیگزگ و کمپانی کربن رِوُلوشِن تولید شده و از همه نظر تست می شوند تفاوت دارند.

احتمال بروز اشکال در رینگ های هیبریدی کربنی / آلیاژی که به صورت چند تکه بوده و از ترکیب مواد مختلف ساخته شده اند نسبت به رینگ های یکپارچه معمولی بیشتر است، صرف نظر از اینکه رینگ یکپارچه مورد نظر از نوع آلیاژی بوده و یا از فیبر کربن ساخته شده باشد. در رینگ های هیبریدی که از ترکیب آلیاژ و فیبر کربن ساخته می شوند، قسمت رویه رینگ از جنس آلیاژ بوده و جداره داخلی از جنس فیبر کربن است. قسمت رویه باید به جداره داخلی متصل شود که معمولاً این کار توسط پیچ انجام می شود. در این نوع رینگ ها، احتمال بروز مشکل برای این پیچ ها وجود دارد که در نهایت سبب می شود اتصال قسمت رویه و جداره داخلی سست شود. اما موضوع به همین جا ختم نمی شود، چرا که وقتی قسمت رویه که از جنس آلومینیوم بوده را به جداره داخلی که از جنس فیبر کربن است متصل می کنید، احتمال پیچ خوردگی و تابیدن وجود دارد که می تواند سبب ایجاد تنش های داخلی در رینگ شده و آن را دچار مشکل کند.

البته مشکلاتی که در مورد رینگ های هیبریدی عنوان کردیم بدین معنی نیست که این نوع رینگ ها کلاً خوب نبوده و یا به طور ذاتی مشکل دارند. در واقع، برخی از تولیدکنندگان رینگ های هیبریدی نمونه هایی را تولید می کنند که نه تنها از نظر کیفیت در حدِ رینگ های استاندارد آلیاژی هستند، بلکه برخی از آنها از نظر سختی، دوام و استقامت از نمونه های آلیاژی نیز برتر هستند. به طور مثال می توان به دو مورد زیر اشاره کرد:

• کمپانی آلمانی کاربو تِک (Carbo Tech) – این کمپانی تامین کننده رینگ های کربنی هیبریدی برای بی ام و و رولزرویس بوده و در برخی مدل های خیابانی مک لارن که بدنه و شاسی یکپارچه از جنس کربن دارند هم از تولیدات همین کمپانی استفاده شده است
• کمپانی بین المللی جِریک (Geric)

یکی از خودروهایی که می توانید آن را با رینگ های هیبریدی سفارش دهید، بی ام و M4 جی تی اِس است که در زمینه قابلیت های دینامیکی و پرفورمنس شهرت زیادی دارد.

اما از نظر تعمیر، باید بدانید که امکان صیقل دادن، پرداخت کردن و اضافه کردنِ روکش جدید به رینگ های فیبر کربن وجود دارد، صرف نظر از اینکه رینگ مورد نظر یکپارچه بوده و یا هیبریدی باشد. اما برای اینکه بتوان این نوع رینگ ها را تعمیر کرد، یک شرط وجود دارد: همانطور که پیش از این نیز اشاره کردیم، این نوع رینگ ها توسط لایه ای شیمیایی به نام اِپوکسی احاطه شده اند. اگر آسیب وارد شده به رینگ فقط این لایه را از بین برده باشد، امکان تعمیر رینگ وجود دارد، اما اگر آسیب وارده عمیق بوده و به فیبر کربن رسیده باشد، دیگر امکان تعمیر وجود نخواهد داشت. مسلماً یکی از دلایل شایع در ایجاد خراش در رینگ، برخورد آن با جدول هنگام پارک کردن است. در حقیقت، رینگ های فیبر کربن از نظر قابلیت تعمیر با رینگ های آلیاژی فرق چندانی ندارند. صرف نظر از اینکه رینگ از چه نوع ماده ای ساخته شده است، اگر آسیب جدی به آن وارد شده و یا بیش از حد تاب بردارد، دیگر نمی توان آن را طوری تعمیر کرد که استقامت و سختی اولیه اش را داشته باشد.

 

 

یکی از نگرانی های موجود در این زمینه، این است که آیا فیبر کربن می تواند دمای خیلی بالا را تحمل کند یا خیر؟ باید بگوییم که این نگرانی اشتباه نبوده و منطقی است، اما مشکل این است که دیدگاه غلطی در این خصوص وجود دارد. قابلیت فیبر کربن در تحمل دماهای مختلف بدون اینکه خاصیت شکنندگی پیدا کرده یا تغییر فرم دهد به خودِ فیبر کربن بستگی ندارد، بلکه به لایه ای که آن را احاطه کرده به نام اِپوکسی وابسته است. به همین دلیل، شرکت هایی همچون کربن رِوُلوشِن در این حوزه تحقیقات زیادی انجام داده اند و به فرمول شیمیایی اختصاصی خود دست یافته اند که به طور مثال می توان به لایه ای اشاره کرد که کربن رِوُلوشِن برای قسمت داخلی رینگ استفاده می کند تا اِپوکسی از آسیبِ ناشی از گرمای ترمز مصون بماند. به این ترتیب، این رینگ ها می توانند هم در مناطق بسیار سرد و هم در گرمای شدید مورد استفاده قرار بگیرند بدون اینکه هیچ مشکلی برای آنها پیش بیاید. در غیر اینصورت، فورد هیچ وقت از رینگ فیبر کربن در خودرویی همچون فورد GT استفاده نمی کرد.

وضعیت رینگ های فیبر کربن در حال حاضر و نگاهی به آینده این نوع رینگ ها

رینگ های سفارشی که پورشه برای مدل 911 توربو S سری اِکسکلوسیو (Exclusive Series) در نظر گرفته است، یک رینگ یکپارچه است که توسط بافتنِ کربن تولید شده است. ساختن این رینگ به حدی پیچیده و حساس است که پورشه تصمیم گرفت بزرگترین ماشین بافندگی مدورِ جهان را تولید کند تا توسط آن کربن به شکل رینگ بافته شود. علاوه بر این، تصمیمی که فورد مبنی بر استفاده از رینگ های کمپانی کربن رِوُلوشِن در موستانگ GT350R و مدل GT گرفته است، نشان می دهد که رینگ های یکپارچه فیبر کربن ارزش پرداخت قیمت های چندین هزار دلاری را دارند.

طراحی رینگ های یکپارچه فیبر کربن طوری است که امکان استفاده از قابلیت های مختلفی را در آینده برای این رینگ ها فراهم می کند که به عنوان مثال می توان به قابلیت هوشمندسازی رینگ اشاره کرد.

برِت گاس در این زمینه می گوید: “کارهای مختلفی را می توان با رینگ های فیبر کربن و در حین تولید آنها انجام داد. می توان داخل این رینگ ها، سیم ها و سنسورهای مختلفی را قرار داد که این موضوع باعث می شود استفاده از طیف وسیعی از قابلیت ها و تکنولوژی ها در وسایل نقلیه امکان پذیر شود.” در واقع، هم اکنون تمامی رینگ های ساخت کمپانی کربن رِوُلوشِن به یک تراشه RFID مجهز هستند که به منظور ردیابی و کنترل کیفی در پروسه تولید از آن استفاده می شود (سامانه بازشناسی با امواج رادیویی یا همان RFID، نوعی سامانه شناسایی بی سیم است که می تواند توسط یک بازخوان، با یک تَگ که به کالایی متصل است تبادل اطلاعات داشته باشد).

 

 

علاوه بر اینکه می توان انواع سنسورهای مختلف از جمله سنسورهای تشخیص فشار و دما را مستقیماً داخل رینگ های فیبر کربن تعبیه کرد، به لطف بهره مندی از روشِ ساختی منحصر به فرد، می توان رینگ هایی با طرح ها و اشکال هندسی جدید به تولید رساند.

برِت گاس، یکی از بنیان گذاران کربن رِوُلوشِن اینطور می گوید: “مثال مشابهی که می توان به آن اشاره کرد، جریانی است که برای دوچرخه های ساخته شده از فیبر کربن اتفاق افتاد. نمونه های اولیه دوچرخه های خیابانی و کوهستانی که ساختار آنها از جنس فیبر کربن بود، به دلیل فرم ساده ای که داشتند، پس از رنگ شدن تفاوتی با دوچرخه های فلزی نداشته و امکان تشخیص این دو از همدیگر وجود نداشت. اما پس از اینکه تکنولوژی فیبر کربن از مرحله تولید به مرحله طراحی صنعتی نیز گسترش پیدا کرد، می توانستید از روی ساختار و شکل ظاهری یک دوچرخه تشخیص دهید که از فیبر کربن ساخته شده است. اما رینگ ها هنوز به این مرحله نرسیده اند. استودیوهای طراحی هنوز به رشد و بلوغ کافی در این زمینه دست پیدا نکرده اند. این مراکز طراحی هنوز به حد کافی از این تکنولوژی اطلاعات ندارند.”

پس از اینکه طراحان با پروسه تولید رینگ های فیبر کربن آشنا شوند، می توانند تغییراتی در سبک طراحی رینگ ها ایجاد کرده و اهدافی فراتر از زیبایی ظاهری را در طراحی یک رینگ مدنظر قرار دهند. اما اگر افرادی که در زمینه CFD تخصص دارند وارد حوزه رینگ های فیبر کربن شوند، امکان دارد رینگ های خودروهای معمولی از نظر تکنولوژی به خودروهای فرمول یک نزدیک شوند (دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD، یکی از شاخه ‌های مکانیک سیالات است که با استفاده از آنالیز عددی و الگوریتم ‌های عددی، مسائل مشتمل بر شاره ‌های سیالاتی را تجزیه و تحلیل می‌ کند).

در شرایطی که جهان با این مشکل دست و پنجه نرم می کند که میزان کربنِ موجود در اتمسفر را کاهش دهد (یا حداقل از میزانِ کربنی که ما وارد آن می کنیم کاسته شود)، کمی عجیب و طعنه آمیز است که یکی از عواملی که ما را در رسیدن به این هدف یاری می کند، خودِ کربن است.

 

منبع: نشریه آمریکایی “مجله اتومبیل” (Automobile Magazine)