Всичко, което някога сте искали да знаете за алуминия (квадратна тръба от мека стомана)

Алуминият е навсякъде, където се изисква или лека конструкция, или висока топло- и електрическа проводимост. Типичният спортен мотоциклет има алуминиев цилиндров блок, глава и картери, плюс заварено алуминиево шаси и люлеещо се рамо. В рамките на двигателя решаващото приложение на алуминия са неговите бутала, които, като провеждат топлина толкова добре, са в състояние да оцелеят при излагане на температури на горене, далеч над тяхната точка на топене. Колелата, охладителната течност и маслените радиатори, ръчните лостове и техните скоби, горната и (често) долната корона на вилицата, горните тръби на вилицата (в USD вилки), спирачните апарати и главните цилиндри са също алуминиеви.

Всички сме се взирали с възхищение в алуминиево шаси, чиито заварки приличат на легендарната паднала купчина чипове за покер. Някои от тези шасита и люлеещи се рамена, като тези на двутактовите 250 състезателни машини на Aprilia, са грациозни произведения на изкуството.

Алуминият може да бъде легиран и термично обработен до здравина, по-голяма от тази на меката стомана (60 000 psi на опън), но повечето сплави се обработват бързо и лесно. Алуминият може също да бъде лят, кован или екструдиран (както се правят някои странични греди на шасито). Високата топлопроводимост на алуминия кара неговото заваряване да изисква голям ампераж и горещият метал трябва да бъде защитен от атмосферния кислород чрез екраниране от инертен газ (TIG или хели-дъга).

Въпреки че алуминият изисква големи количества електроенергия, за да спечели от своята бокситна руда, след като съществува в метална форма, рециклирането му струва малко и не се губи от ръжда, както може да бъде стоманата.

Ранните производители на мотоциклетни двигатели бързо възприеха новия тогава метал за картерите, които иначе би трябвало да бъдат от чугун с тегло почти три пъти повече. Чистият алуминий е много мек – спомням си гнева на майка ми, когато баща ми използва нейния двоен котел от 1100 сплави като импровизиран BB капан: дъното му се превърна в маса от трапчинки.

Повишената здравина на простата сплав с мед скоро беше открита и именно такава сплав използва автомобилният пионер WO Bentley в своите експериментални алуминиеви бутала преди Първата световна война. При последователни тестове срещу доминиращите тогава чугунени бутала, алуминиевите бутала на Bentley от първия опит веднага увеличиха мощността. Те работеха по-хладно, нагряваха по-малко входящата гориво-въздушна смес и запазваха повече от нейната плътност. Днес алуминиевите бутала се използват универсално в автомобилни и мотоциклетни двигатели.

До появата на подсиления с въглеродни влакна пластмасов самолет 787 на Boeing беше основен факт за авиацията, че празното тегло на почти всеки самолет е 60 процента алуминий. Разглеждайки относителните тегла и здравина на алуминия и стоманата, това на пръв поглед изглежда странно. Да, алуминият тежи само 35 процента от стоманата, обем за обем, но стоманите с висока якост са поне три пъти по-здрави от алуминия с висока якост. Защо не построите самолети от тънка стомана?

Това се свежда до устойчивостта на изкълчване на еквивалентни конструкции от алуминий и стомана. Ако започнем с алуминиеви и стоманени тръби с еднакво тегло на фут и намалим дебелината на стената, стоманената тръба се изкривява първо, защото нейният материал, който е само една трета по-дебел от алуминия, има много по-малка способност за самозатягане.

През 70-те години работих с производителя на рамки Франк Камилиери. Когато го попитах защо не използваме стоманени тръби с по-голям диаметър и по-тънки стени, за да направим по-леки и по-твърди рамки, той каза: „Когато направите това, установявате, че трябва да добавите куп материали, като например опори на двигателя пазете ги от напукване, така че спестяването на тегло да изчезне.“

Kawasaki за първи път използва алуминиеви люлеещи се рамена на своите фабрични мотоциклети MX в началото на 1970 г.; останалите последваха примера. След това през 1980 г. Yamaha постави Кени Робъртс на 500 двутактов мотоциклет GP, чиято рамка беше изработена от екструдирана алуминиева тръба с квадратно сечение. Необходими бяха много експерименти с дизайна, но в крайна сметка, използвайки идеите на испанския инженер Антонио Кобас, рамките на Yamaha GP за шосейни състезания се превърнаха в познатите големи двойни алуминиеви греди днес.

Със сигурност има успешни шасита от други типове – стоманенотръбната „решетка“ на Ducati например и шасито от въглеродни влакна „кожа и кости“ на Джон Бритън от началото на 90-те години. Но шаситата с две алуминиеви греди са станали доминиращи днес. Убеден съм, че работещо шаси може да бъде направено от формован шперплат, при условие че има издръжливи точки на болтове и обичайната доказана геометрия.

Друга съществена разлика между стоманата и алуминия е, че стоманата има това, което се нарича граница на умора: ниво на работно напрежение, под което животът на частта е по същество безкраен. Повечето алуминиеви сплави нямат граница на умора, поради което алуминиевите самолетни конструкции са „животни“ за планиран брой часове употреба. Под тази граница стоманата ни прощава грешките, но алуминият помни всички обиди под формата на невидими вътрешни повреди от умора.

Красивото шаси на GP от 90-те години никога не би могло да бъде основа за масово производство. Тези шасита се състоят от части, заварени заедно от обработени, пресовани и ляти алуминиеви елементи. Това не само е сложно, но изисква и трите сплави да могат взаимно да се заваряват. Заваряването струва пари и време, дори ако се извършва от производствени роботи.

Технологията, която направи възможни днешните леки четиритактови двигатели и ляти шасита, са методи за пълнене на матрицата с ниска турбулентност, които не увличат филмите от алуминиев оксид, които моментално се образуват върху разтопения алуминий. Такива филми образуват зони на слабост в метала, които в миналото изискваха отливките да бъдат много по-дебели, за да се постигне подходяща здравина. Отливките от тези нови процеси могат да бъдат доста сложни, но днешното алуминиево шаси може да бъде сглобено със заварки, които се броят на едната ръка. Изчислено е, че новите методи за отливане спестяват 30 или повече килограма тегло в производствените мотоциклети.

Заедно с голямото разнообразие от стомани, алуминият е основен работен кон на човешката цивилизация, но е нещо повече от това за съвременните мотоциклети. Това е месото на мотоциклета, толкова вездесъщо, че едва го виждаме или признаваме колко голяма част от представянето на машината дължим на него.


Време на публикуване: 20 юни 2019 г