Все, что вы когда-либо хотели знать об алюминии (квадратная труба из мягкой стали)

Алюминий используется везде, где требуется либо лёгкая конструкция, либо высокая тепло- и электропроводность. Типичный спортбайк имеет алюминиевый блок цилиндров, головку блока цилиндров и картер, а также сварное алюминиевое шасси и маятник. В двигателе ключевым элементом из алюминия являются поршни, которые благодаря хорошей теплопроводности способны выдерживать температуры сгорания, значительно превышающие температуру плавления. Колёса, радиаторы охлаждающей жидкости и масла, ручные рычаги и их кронштейны, верхняя и (часто) нижняя коронки вилок, верхние трубы вилок (в вилках USD), тормозные суппорты и главные цилиндры также изготовлены из алюминия.

Мы все с восхищением смотрели на алюминиевое шасси, сварные швы которого напоминают легендарную стопку фишек для покера. Некоторые из этих шасси и маятников, например, у двухтактных гоночных мотоциклов Aprilia 250, представляют собой изящные произведения искусства.

Алюминий можно легировать и подвергать термической обработке до прочности, превышающей прочность мягкой стали (прочность на разрыв 60 000 фунтов на кв. дюйм), однако большинство сплавов легко и быстро обрабатываются. Алюминий также можно лить, ковать или прессовать (именно так изготавливаются некоторые боковые балки шасси). Высокая теплопроводность алюминия обуславливает высокую силу тока при его сварке, а горячий металл необходимо защищать от кислорода воздуха с помощью инертного газа (TIG или спиральной дуговой сварки).

Хотя для получения алюминия из бокситовой руды требуется большое количество электроэнергии, после того как он перерабатывается в металлическую форму, его переработка обходится недорого, и он не ржавеет, как сталь.

Первые производители мотоциклетных двигателей быстро перешли на новый тогда металл для картеров, которые в противном случае пришлось бы отливать из чугуна, весившего почти в три раза больше. Чистый алюминий очень мягкий — я помню, как мать злилась на отца, когда тот использовал её пароварку из сплава 1100 в качестве импровизированной ловушки для шариков: её дно покрылось ямками.

Вскоре была обнаружена повышенная прочность простого сплава с медью, и именно этот сплав пионер автомобилестроения У.О. Бентли использовал в своих экспериментальных алюминиевых поршнях до Первой мировой войны. В ходе последовательных испытаний с доминировавшим тогда чугунным поршнем первые алюминиевые поршни Бентли сразу же показали рост мощности. Они работали холоднее, меньше нагревали поступающую топливовоздушную смесь и лучше сохраняли её плотность. Сегодня алюминиевые поршни повсеместно используются в автомобильных и мотоциклетных двигателях.

До появления Boeing 787, армированного углепластиком, авиационный авиалайнер был известен тем, что почти каждый пустой самолёт на 60% состоял из алюминия. Если взглянуть на соотношение веса и прочности алюминия и стали, это на первый взгляд кажется странным. Да, алюминий весит всего 35% от веса стали по сравнению с аналогичным показателем, но высокопрочные стали как минимум в три раза прочнее высокопрочного алюминия. Почему бы не строить самолёты из тонкой стали?

Всё дело сводилось к сопротивлению изгибу эквивалентных конструкций из алюминия и стали. Если взять алюминиевые и стальные трубы одинакового веса на фут и уменьшить толщину стенки, стальная труба прогнётся первой, поскольку её материал, будучи всего втрое толще алюминия, обладает гораздо меньшей способностью к самоупрочнению.

В 1970-х я работал с производителем рам Фрэнком Камиллиери. Когда я спросил его, почему мы не используем стальные трубы большего диаметра и с более тонкими стенками для создания более лёгких и жёстких рам, он ответил: «Когда это делаешь, приходится добавлять много материала, например, на крепления двигателя, чтобы они не трескались, так что экономия веса сводится на нет».

Kawasaki впервые применила алюминиевые маятники на своих заводских мотоциклах класса MX в начале 1970-х; другие последовали её примеру. Затем, в 1980 году, Yamaha поставила Кенни Робертса на двухтактный мотоцикл класса GP 500 с рамой из экструдированной алюминиевой трубы квадратного сечения. Потребовалось множество конструкторских экспериментов, но в конечном итоге, благодаря идеям испанского инженера Антонио Кобаса, рамы класса GP от Yamaha эволюционировали в привычные нам сегодня большие двойные алюминиевые балки.

Конечно, существуют и другие удачные шасси — например, «решётчатое» шасси Ducati из стальных труб и «кожа да кости» Джона Бриттена из углеволокна начала 1990-х. Но сегодня доминирующими стали шасси с двумя алюминиевыми балками. Я уверен, что работоспособное шасси можно сделать из формованной фанеры, при условии надёжных точек крепления и стандартной проверенной геометрии.

Ещё одно существенное различие между сталью и алюминием заключается в том, что у стали есть так называемый предел усталости: уровень рабочего напряжения, ниже которого срок службы детали практически бесконечен. У большинства алюминиевых сплавов предел усталости отсутствует, поэтому алюминиевые планёры самолётов «рассчитаны» на определённое количество часов эксплуатации. Ниже этого предела сталь прощает нам наши проступки, но алюминий запоминает все повреждения в виде невидимых внутренних усталостных повреждений.

Прекрасные шасси GP 1990-х годов никогда не могли стать основой для массового производства. Эти шасси состояли из деталей, сваренных из обработанных, штампованных и литых алюминиевых элементов. Это не только сложно, но и требует, чтобы все три сплава были свариваемыми друг с другом. Сварка стоит денег и времени, даже если её выполняют промышленные роботы.

Технология, сделавшая возможным создание современных лёгких четырёхтактных двигателей и литых шасси, основана на методах заливки форм с низкой турбулентностью, которые не захватывают плёнки оксида алюминия, мгновенно образующиеся на расплавленном алюминии. Такие плёнки образуют слабые зоны в металле, из-за чего раньше для достижения необходимой прочности требовалось значительно более толстое литьё. Литые детали, изготовленные по этим новым технологиям, могут быть довольно сложными, однако современные алюминиевые шасси можно собирать сварными швами, количество которых можно пересчитать по пальцам одной руки. По оценкам, новые методы литья позволяют снизить вес серийных мотоциклов на 13,5 кг и более.

Наряду с широким ассортиментом сталей алюминий — один из основных рабочих материалов человеческой цивилизации, но для современных мотоциклов он значит не только это. Это «мясная основа» мотоцикла, настолько распространённая, что мы едва ли видим её и осознаём, насколько сильно мы обязаны ей производительностью этой машины.


Время публикации: 20 июня 2019 г.