Allt du någonsin velat veta om aluminium (fyrkantsrör i mjukt stål)

Aluminium finns överallt där antingen lättviktsstruktur eller hög termisk och elektrisk ledningsförmåga krävs. En typisk sportmotorcykel har ett cylinderblock, topplock och vevhus i aluminium, plus ett svetsat chassi och svingarm i aluminium. Inuti motorn är den avgörande aluminiumapplikationen dess kolvar, som genom att leda värme så bra kan överleva exponering för förbränningstemperaturer långt över deras smältpunkt. Hjul, kylvätske- och oljekylare, handspakar och deras fästen, övre och (ofta) nedre gaffelkronor, övre gaffelrör (i USD-gafflar), bromsok och huvudcylindrar är likaledes av aluminium.

Vi har alla stirrat med beundran på ett aluminiumchassi vars svetsfogar liknar den mytomspunna fallna högen med pokermarker. Några av dessa chassin och svingarmar, som de på Aprilias tvåtakts 250-racermotorcyklar, är graciösa konstverk.

Aluminium kan legeras och värmebehandlas till hållfastheter som är högre än kolstål (60 000 psi draghållfasthet), men de flesta legeringar bearbetas snabbt och enkelt. Aluminium kan också gjutas, smidas eller extruderas (vilket är hur vissa chassisbalkar tillverkas). Aluminiums höga värmeledningsförmåga gör att svetsningen kräver mycket strömstyrka, och den heta metallen måste skyddas från atmosfäriskt syre genom inert gasskydd (TIG eller heli-arc).

Även om aluminium kräver stora mängder elektricitet för att utvinna ur sin bauxitmalm, kostar det lite att återvinna när det väl finns i metallisk form och går inte förlorat genom rost, som stål kan göra.

Tidiga tillverkare av motorcykelmotorer anammade snabbt den då nya metallen för vevhus, som annars skulle ha varit tvungna att vara av gjutjärn och väga nästan tre gånger mer. Ren aluminium är väldigt mjuk – jag minns min mors ilska över att min pappa använde sin dubbelpanna i 1 100-legering som en improviserad BB-fälla: Dess botten blev en massa gropar.

Den ökade styrkan hos en enkel legering med koppar upptäcktes snart, och det var en sådan legering som bilpionjären WO Bentley använde i sina experimentella aluminiumkolvar före första världskriget. I två tester mot de då dominerande gjutjärnskolvarna ökade Bentleys första försök med aluminiumkolvar omedelbart effekten. De gick svalare, värmde den inkommande bränsle-luftblandningen mindre och bevarade mer av dess densitet. Idag används aluminiumkolvar universellt i bil- och motorcykelmotorer.

Fram till Boeings kolfiberförstärkta plastplan 787 kom, var det ett grundläggande faktum inom flygbranschen att nästan alla flygplans tomvikt bestod av 60 procent aluminium. Om man tittar på de relativa vikterna och hållfastheterna hos aluminium och stål, verkar detta till en början märkligt. Ja, aluminium väger bara 35 procent så mycket som stål, volym för volym, men höghållfasta stål är minst tre gånger starkare än höghållfasta aluminium. Varför inte bygga flygplan av tunt stål?

Det handlade om motståndet mot buckling hos motsvarande konstruktioner av aluminium och stål. Om vi ​​börjar med aluminium- och stålrör med samma vikt per fot, och minskar väggtjockleken, bucklar sig stålröret först eftersom dess material, som bara är en tredjedel så tjockt som aluminiumet, har mycket mindre självsträvande förmåga.

Under 1970-talet arbetade jag med rambyggaren Frank Camillieri. När jag frågade honom varför vi inte använde stålrör med större diameter och tunnare väggar för att tillverka lättare och styvare ramar, sa han: "När man gör det märker man att man måste lägga till en massa material till saker som motorfästen för att förhindra att de spricker, så att viktbesparingen försvinner."

Kawasaki använde först aluminiumsvingarmar på sina fabriksmonterade MX-motorcyklar i början av 1970-talet; de andra följde efter. År 1980 satte Yamaha Kenny Roberts på en 500 tvåtakts GP-motorcykel vars ram var tillverkad av fyrkantiga extruderade aluminiumrör. Mycket designexperiment var nödvändigt, men så småningom, med hjälp av idéerna från den spanske ingenjören Antonio Cobas, utvecklades Yamahas GP-vägramar till dagens välbekanta stora dubbla aluminiumbalkar.

Det finns säkerligen framgångsrika chassin av andra typer – till exempel Ducatis stålrörs-"trellis" och John Brittens "skin and bones"-chassi i kolfiber från början av 1990-talet. Men dubbla aluminiumbalkschassin har blivit dominerande idag. Jag är övertygad om att ett fungerande chassi skulle kunna tillverkas av gjuten plywood, förutsatt att det hade hållbara bultpunkter och den vanliga beprövade geometrin.

En annan betydande skillnad mellan stål och aluminium är att stål har det som kallas en utmattningsgräns: en arbetsspänningsnivå under vilken delens livslängd är i princip oändlig. De flesta aluminiumlegeringar saknar en utmattningsgräns, vilket är anledningen till att flygkroppar av aluminium "livslängds" för ett planerat antal timmars användning. Under denna gräns förlåter stål oss våra överträdelser, men aluminium minns alla förolämpningar i form av osynliga inre utmattningsskador.

De vackra GP-chassierna från 1990-talet kunde aldrig ha varit en grund för massproduktion. Dessa chassin bestod av delar som svetsats ihop av maskinbearbetade, pressade och gjutna aluminiumelement. Det är inte bara komplext, utan det kräver också att alla tre legeringar är ömsesidigt svetsbara. Svetsning kostar pengar och tid, även om det utförs av produktionsrobotar.

Tekniken som har möjliggjort dagens lätta fyrtaktsmotorer och gjutna chassin är lågturbulensfyllningsmetoder som inte drar med sig de aluminiumoxidfilmer som omedelbart bildas på smält aluminium. Sådana filmer bildar svaghetszoner i metallen som tidigare krävde att gjutgodset var mycket tjockare för att uppnå tillräcklig hållfasthet. Gjutna delar från dessa nya processer kan vara ganska komplexa, men dagens aluminiumchassin kan monteras med svetsar som kan räknas på ena sidan. Det uppskattas att de nya gjutmetoderna sparar 14 kg eller mer vikt i produktionsmotorcyklar.

Tillsammans med den stora variationen av stål är aluminium en grundläggande arbetshäst i den mänskliga civilisationen, men det är mer än så för moderna motorcyklar. Det är själva kärnan i en motorcykel, så allestädes närvarande att vi knappt ser den eller inser hur mycket av maskinens prestanda vi har att tacka den för.


Publiceringstid: 20 juni 2019