کاربرد تکنولوژی فیبرکربن خودروهای مسابقه‌ای در خودروهای شهری

پورشه کرراجی تی
کررا جی تی یک خودروی رودستر دونفره با سقف دو تکه تاشو است که با موتوری قدرتمند، حس رانندگی خودروهای مسابقه‌ای پورشه را تداعی می‌کند. یک موتور ده سیلندر خورجینی (V10) به حجم 5.7 لیتر با قدرت 612 اسب بخار در قسمت عقب بدنه به همراه یک گیربکس شش سرعته دستی می‌تواند پورشه کررا جی‌تی را در مدت 3.6 ثانیه به سرعت 100 کیلومتر در ساعت و در عرض 9.9 ثانیه به سرعت 200 کیلومتر در ساعت برساند. این خودرو به نحوی طراحی شده است که بهترین دینامیک جاده‌ای را داشته باشد که طبق تعریف کمپانی پورشه، به عنوان حداکثر میزان کاهش وزن خودرو به همراه پایین ترین مرکز ثقل ممکن و حداکثر دوام و استحکام تفسیر شده است. در این خودرو اجزایی مانند شاسی، گلگیرها، درهای جانبی، در موتور، در محفظه بار، کفی خودرو، صندلی‌های یک تکه، داشبورد و کنسول وسط از کامپوزیت اپوکسی- کربن ساخته شده‌اند که با کمی ماده آرامید آمیخته شده ودر مقایسه با مواد و پلاستیک‌های متداول، حدود 40% کاهش وزن خودرو را به همراه دارد. این خودرو تا اواسط سال 2006 تنها در تعداد محدود هزار و 500 دستگاه ساخته و به عنوان یک سکوی پرش برای کمپانی پورشه تبدیل شد تا بتواند با یادگیری بیشتر، پروژه‌های خود را برای طراحی خودروهای آینده تکمیل نماید.

شاسی از جنس کربن- اپوکسی
تحول اساسی در خودروی پورشه کررا جی‌تی، طراحی منحصر به فرد شاسی پیچشی آن است. برای اولین بار شاسی Monocoque فیبرکربن در خودروی شهری کررا جی‌تی استفاده شده که فریم شیشه جلو و ساختار ستون‌های A وB  خودرو را به صورت یکپارچه درآورده است. قوای محرکه خودرو در محفظه موتور روی شاسی قرار گرفته که یک فریم یکپارچه را تشکیل داده و دارای استحکام پیچشی و خمشی بالایی است. 
مایکل هولشر مدیر پروژه کررا جی‌تی در خصوص این شاسی منحصر به فرد می‌گوید:
"ترکیب شاسی Monocoque و فریم موتور که در اصطلاح خودروهای مسابقه‌ای به عنوان شاسی Rolling شناخته و همانند ستون فقرات خودرو محسوب می‌گردد. این ساختار کلیه بارهای سازه‌ای از قبیل وزن چرخ‌ها، بار تصادفات و نیروی عکس‌العمل کمربند ایمنی و واکنش‌های قوای محرکه خودرو را تحمل نموده و وزن کلیه اجزای داخلی و خارجی خودرو را پشتیبانی می‌کند این ساختار علاوه بر رسیدن به هدف شباهت GT به خودروهای مسابقه‌ای، باعث عایق‌بندی لرزش‌های موتور نیز می‌گردد. الزامات کاربردی شاسی به همراه چندین لایه ورق فیبرکربن وضعیت بارگذاری پیچیده‌ای را ایجاد نموده‌اند که نیاز به تحلیل‌های دینامیکی و استاتیکی جزئی دارد. تیم مهندسی شرکت پورشه، برای طراحی بهینه شاسی یک تکه (Monocoque) و محفظه موتور GT از نرم افزار LS-Dyna محصول شرکت فناوری نرم افزاری لیورمور (LSTC) در کالیفرنیا استفاده کرده‌اند. نرم افزار LS-Dyna یک برنامه تحلیل دینامیکی عنصری محدود (FEA) است که توسط خودروسازان بزرگ برای تست توانایی مواد فیبری چند لایه در برخوردهای پیچیده، تعیین نقطه بهینه برخورد و تشخیص جهت الیاف کربنی به کار می‌رود. شاسی کررا جی‌تی یک سازه لایه لایه از فیبرکربن بافته شده از جنس Cycom 977/6 و Cycom 759F است که توسط شرکت مواد مهندسی Cytec در وست پاترسون نیوجرسی ساخته شده و دارای یک لایه داخلی لانه زنبوری از جنس کاغذ آرامید نومکس (Nomex Aramid) محصول شرکت سیستم‌های فیبری پیشرفته دوپونت (DAFS) در ریچموند آمریکا می‌باشد. ضخامت ورق و جهت الیاف بستگی به شرایط بارگذاری دارند و به طور کلی در فرایند ساخت این شاسی، حدود هزار قطعه کربن به کار گرفته می‌شود که در نواحی با تنش بالا، بیشتر از ده لایه ورق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سقف باز یک خودروی رودستر، به این معنی است که سقف ثابتی وجود ندارد، لذا ایمنی خودروی Carrera GT بستگی به قسمت ورودی کابین خودرو دارد و هر چه محفظه در جانبی خودرو کوچک‌تر باشد، شاسی عملکرد بهتر و مستحکم تری دارد. برای حفظ ابعاد رکاب‌ها که تا زیر دربهای جانبی امتداد یافته و به منظور راحتی سوار شدن راننده و دسترسی مناسب سرنشین کناری، چند لایه از فیبرکربن بین ستون‌های جلو و عقب خودرو اضافه شده و درون آن‌ها نیز یک لوله فولادی برای افزایش استحکام تعبیه شده است. بیشتر از 200 نقطه در محفظه موتور وجود دارد که قطعات قوای محرکه به آنها متصل شده‌اند، لذا کاربرد شاسی فیبرکربن – اپوکسی به کمپانی پورشه این آزادی عمل را در طراحی داده است تا در نقاط پرتنش محفظه موتور از چندین لایه فیبرکربن استفاده نماید. یکی از دلایلی که شاسی فریم فضایی آلومینیومی از طراحی این خودرو حذف شد، نیاز به تلرانس‌های دقیق بود. همچنین آلومینیوم با مواد دیگر سازگاری ندارد و از طرف دیگر نیز به براکت‌های زیادی برای اتصال به بدنه نیاز دارد که باعث افزایش وزن خودرو و بالا رفتن میزان سرو صدای اضافی و لرزش (NVH) می‌شود.

 نقاط اتصال روی شاسی کربنی توسط ماشین فرزکاری CNC پنج محوری، به طور دقیق ماشین‌کاری می‌شوند. وزن محفظه موتور تنها 20.4 کیلوگرم و وزن کل شاسی یک تکه خودرو فقط 100 کیلوگرم است. علاوه بر الزامات تحمل بارها و فشارهای بالا، شاسی خودرو باید مقاومت حرارتی مناسبی داشته و تا 20 سال در مقابل روغن موتور، رطوبت و گرد و خاک مقاوم باشد. محفظه موتور کامپوزیتی خودرو توسط پیچ و مهره‌های آلومینیومی به شاسی فیبرکربن- اپوکسی آن متصل می‌گردد. برای افزایش مقاومت حرارتی از رزین Cycom 977 استفاده شده که تا 177 درجه سانتیگراد تحمل گرما را دارد و برای مغزی داخلی لانه زنبوری آن، Nomex جایگزین آلومینیوم شده است.

بهبود خواص آیرودینامیکی و نیروهای رو به پایین
یکی از نکات اساسی در طراحی خودروهای مسابقه‌ای، خواص آیرودینامیکی مانند نیروی برا (Lift) و پسا (Drag) است. در زمانی که خودروی کررا جی‌تی با حداکثر سرعت 330 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند، نیروهای آیرودینامیکی رو به بالا یا همان Lift باعث کاهش پایداری خودرو می‌شوند. برای افزایش نیروهای رو به پایین (Downforce) برای غلبه بر نیروهای Lift بدون تأثیر منفی بر ضریب درگ (Cd) خودرو، پورشه بر اساس سال‌ها تجربه خود در مسابقات اتومبیل‌رانی، یک پوشش فیبرکربنی برای زیر خودرو طراحی نموده و آن را با آزمایشات متعدد در تونل باد، بهینه سازی کرده است. این پوشش کربنی توسط پیچ به شاسی، محفظه موتور و فریم ضد تصادف فولادی جلوی خودرو نصب شده است و شامل دیفیوزرها برای پخش کردن هوا، مسیرهای تهویه و تیغه ها و پره های عبور هوا می‌شود. این سیستم به همراه باله یا اسپویلر قابل تنظیم اتوماتیک عقب خودرو، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که نه تنها نیروی رو به پایین حدود چهار هزار نیوتن در قسمت عقب بدنه خودرو فراهم می‌کند، بلکه باعث توزیع بهینه نیرو به نسبت 70/30 در محورهای جلو و عقب خودرو می‌شود.

طراحی خارجی و داخلی خودرو
غیر از سپرهای جلو، عقب و قطعات کوچک دیگر، کلیه پنل‌های بیرونی بدنه پورشه Carrera GT شامل درهای جانبی، در محفظه موتور، در محفظه بار و سقف دو تکه آن از جنس فیبرکربن لایه لایه یا ساندویچی هستند، ولی سایر اجزای بدنه از ورق‌های چند لایه یکپارچه به ضخامت 1.2 میلیمتر ساخته شده و برای کاهش وزن خودرو، برخی از قطعات بدنه با هم به صورت یکپارچه طراحی شده‌اند. مثلاً گلگیرهای جلو و محفظه بار جلوی خودرو به صورت یک تکه ساخته شده است. سقف دو تکه فیبرکربن – اپوکسی خودرو نیز با وزن کمتر از سقف‌های از جنس فایبرگلاس، تنها 2.4 کیلوگرم وزن دارد. همچنین درون کابین خودرو قطعاتی ماند کنسول وسط از فیبرکربن استفاده شده که علاوه بر سبک بودن، به کابین خودرو زیبایی بخشیده است. کنسول میانی این خودرو که از جنس فیبرکربن است، با لایه‌ای از منیزیم پوشانده شده تا ظاهری براق به آن ببخشد. همچنین سازه صندلی‌های یک تکه خودرو و رودری‌ها از فیبرکربن ساخته شده که برای اولین بار در یک خودروی شهری به کار رفته است. صندلی‌های خودرو تنها 10.3 کیلوگرم وزن دارند که نصف وزن صندلی‌های استاندارد خودروهای پورشه است. برای جلوگیری از ورقه و لایه لایه شدن قطعات کربن در حین تصادفات و جلوگیری از خرد شدن آن‌ها، از ماده‌ای به نام کولار (Kevlar) یا فیبر آرامید ساخت شرکت دوپونت بین الیاف کربن استفاده شده است. لایه های فیبرکربن با دست فرم گرفته و تحت فشار شش بار و حرارت 180 درجه سانتی‌گراد به مدت چهار ساعت در کوره قرار می‌گیرند. قطعات بدنه و شاسی در شرکت ATR در شهر کولونلا ایتالیا و کنسول و درموتور در شرکت Carbotech در شهر سالزبورگ اتریش ساخته می‌شوند. خودروی پورشه کررا جی‌تی در آلمان قیمتی معادل 390 هزار یورو دارد که در آمریکا تا 440 هزار دلار فرارتر رفته که سودآوری بالایی برای کمپانی پورشه داشته و این نیز یکی از اهداف این شرکت بوده است.