CC BY
3718 ИННОВАЦИИ
Результативность автомобильных инноваций и их реализации
Прогресс в любой сфере деятельности невозможен без маркетингового анализа перспектив развития общества с его насущными потребностями, выстраивания соответствующей стратегии исследований, появления ноу-хау, проведения инновационных разработок и их реализации в современных образцах технических объектов. В статье представлен анализ реализации исследований и разработок в современном электромобилестроении
М.И. Гречиков1
ВИНИТИ РАН, канд. техн. наук, viniti@mach.ru
В.А. Грушников2
ВИНИТИ РАН, канд. техн. наук, viniti@mach04.ru
1 заведующий отделением, Москва, Россия
2
2 старший научный сотрудник, Москва, Россия
Для цитирования: Гречиков М.И., Грушников В.А. Результативность автомобильных инноваций и их реализации // Компетентность / Competency (Russia). — 2020. — № 5. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10504
ключевые слова
автомобилестроение, тенденции развития, инновации, результаты реализации
лектромобилизация становится одной из ведущих, быстро набирающих темпы тенденций современного автомобилестроения. Наиболее наглядно это просматривается на примере азиатской волны ее распространения [1]. Сегодня лидером потребления электромобилей является Китай. В 2017 году здесь было приобретено 600 тысяч электромобилей (на 74 % больше, чем в предыдущем), что составляет половину объема мировых продаж. Самой массовой остается модель Emgrand EV300 V электромобиля автомобильной компании Geely из китайского Ханчжоу. Не отстает по продажам и Япония, несмотря на более консервативные предпочтения своих пользователей.
На основе анализа покупательской способности жителей государств Юго-Восточной Азии консалтинговое агентство Germany Trade & Invest прогнозировало спрос на приобретение новых электромобилей в ближайшее время. Согласно полученным данным, в среднем, 37 % потенциальных покупателей готовы приобрести электромобиль: в Сингапуре — 23 %, Вьетнаме — 33 %, Малайзии — 37 %, Индонезии — 41 %, Таиланде — 44 %, на Филиппинах — 46 %.
Сегодня электроприводом оборудованы не только легковые автомобили, но и электрифицированные коммерческие автомобильные колесные транспортные средства — автобусы и даже тяжелые грузовики [2]. Электромобильная концепция помогла концерну Deutsche Post DHL не только улучшить экологическую ситуацию в густонаселенных мегаполисах, но и сократить эксплуатационные расходы своего автопарка, в том числе от 60 до 70 % на топливо. Не удивительно,
что электрифицированным приводом в грузовых автомобилях активно заинтересовались и немецкий концерн Daimler с тягачом Mercedes eActros с пробегом на электротяге в 170 км, и старейшая в стране автомобильная компания MAN (Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg), и знаменитый шведский машиностроительный концерн Volvo (по 200 км пробега последние).
Массовое внедрение экологически чистого электротранспорта сдерживается лишь ограниченным запасом автономного хода из-за недостаточной энергоемкости аккумуляторных батарей и продолжительности их зарядки. Однако успешное решение этих проблем при создании опытного североамериканского легкового автомобиля Tesla Semi с литий-ионной аккумуляторной батареей энергоемкостью более 1000 кВт-ч, обеспечивающей запас хода 640...800 км с зарядкой до 80 % емкости всего за 30 мин, вселяет оптимизм.
Проблема № 1
Успешность электромобилизации зависит от качества универсального привода для гибридных и электромобилей [3]. Недавно сотрудники BorgWarner1 сообщили о запуске в серийное производство первого инновационного универсального электромеханического модуля привода автотранспортных средств с гибридным и чисто электрическим приводом. Новый модуль увеличивает время энергоэффективной эксплуатации с помощью усовершенствованной технологии управления трансмиссией, электродвигателем/генератором и инвертором в общем компактном корпусе-картере.
ИННОВАЦИИ 1S
Растущая урбанизация, все более строгие нормы выбросов и принципы устойчивого развития остаются движущими тенденциями в электрификации. Согласно данным аналитической компании исследования рынка Information Handling Services (США) продажи гибридных транспортных средств в 2017 году составили 3 %, чистых электромобилей — 1 % от общего объема мировых продаж, а к 2023-му они прогнозируются до 24 % с общим объемом парка до 5 %.
Коммерческий автомобиль с расширенной функцией гибридного привода является эффективной и экологически безопасной альтернативой колесному транспортному средству с традиционным приводом [4]. Хотя легковые автомобили с электрическим приводом уже имеют пробег в 500 км, достаточный при повседневных поездках, для классического 40-тонного грузовика все еще требуется значительное улучшение плотности накопления энергии и снижение ее удельного потребления. Компании Wabco2 удалось расширить функциональность гибридного привода коммерческого автомобильного подвижного состава, создав комбинацию тягача с традиционным двигателем внутреннего сгорания и прицепа с электроприводом, получившую название E-Trailer. Использующийся здесь электропривод становится накопителем электроэнергии, генерируемой в процессе рекуперативного торможения. Это обеспечивает значительную экономию топлива и соответствующее сокращение выбросов вредных веществ с одновременным увеличением автономной дальности хода.
Высокоинтегрированный электропривод легкового автомобиля продолжает оставаться целью разработок многих автопроизводителей [5]. Если раньше электропривод состоял из отдельных силовых агрегатов, то сегодня требуются современные компактные устройства со значительно более высокой удельной мощностью. Недавно сотрудники немецкого подразделения FEV3 сообщили о преимуществах вы-
сокоинтегрированного электропривода легкового автомобиля с пиковой мощностью 230 кВт, в котором преобразователь, электродвигатель и коробка передач объединены в общем корпусе-картере. В оптимальном конструктивно-технологическом исполнении это должна быть энергоэффективная, регулируемая по параметрам электропитания укороченная машина с компактным облегченным медным статором, короткозамкнутым ротором и многофазным инвертором адаптивного регулирования оборотов, что, наряду с другими новшествами, позволяет повысить энергоэффективность привода на 50 % по сравнению с традиционными.
С учетом прогнозируемого ежегодного объема продаж электромобилей по всему миру к 2030 году в количестве 30 млн единиц понятен интерес к подобным агрегатам.
Высокоскоростной электропривод для автомобилей следующего поколения позволяет решать комплекс проблем, главное — значительно снижать затраты на изготовление и эксплуатацию электрифицированных силовых агрегатов [6]. Исследовательской транснациональной корпорацией AVL разработана энергоэффективная интегрированная система батарейного электропривода. Сейчас она проходит испытания на электромобилях Tesla, Mercedes-Benz EQC и Jaguar I-Pace. Эти электромобили обладают дальностью автономного хода более 400 км, хорошей разгонной динамикой и энергоемкостью аккумуляторных батарей.
Правительственные инициативы, экологический имидж, а также запросы клиентов на новейшие высокотехнологичные продукты стимулируют спрос на батарейные электромобили в Европе и во всем мире.
Тем не менее, большинство допускаемых к эксплуатации новых легковых и грузовых автомобилей продолжает оснащаться как дизельными двигателями, так и двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Основным техническим препятствием по-прежнему оста-
1 шведский филиал североамериканского поставщика автокомпонентов и запчастей
для мобильной колесной и гусеничной техники
2 североамериканский поставщик электронных систем торможения, устойчивости, подвески
и автоматики трансмиссии
для грузовых автомобилей большой
грузоподъемности
3 FEV — транснациональная компания, производитель силовых агрегатов
и других компонентов транспортных средств
Автомобильная цифровизация [Automotive digitalization]
ется короткий пробег на одной зарядке аккумуляторной батареи. Для его преодоления предпринимаются разные меры конструкторско-техно-логических воздействий, среди которых лидируют усовершенствованные энергоаккумуляторные системы, их постоянная подпитка передачей энергии по релейным сетям, индуктивным способом и применение водородной топливной энергетики. Проведенный в Университете Эрлангена-Нюрнбер-га (Германия) комплексный анализ позволил ранжировать вклад каждой в решение столь актуальной проблемы [7]. Выяснилось, что в сегменте грузовых автомобилей, особенно тяжелых (на которые как раз приходится большая абсолютная часть выбросов вредных веществ), увеличилась доля аккумуляторного подвижного состава на водородных топливных элементах, что привело к существенному снижению удельной стоимости эксплуатации, увеличению пробега.
Сталь — всему голова
Несмотря на расширение доли композиционных материалов, полимеров и алюминия, основным конструкционным материалом как обычных, так и электрифицированных колесных транспортных средств продолжает оставаться сталь. Спрос на ее потребление в электромобиле, как ожидается, может увеличиться [8]. Это заключение сделано по результатам исследования, проведенного научно-исследовательским институтом Хандельсблатта (Германия). Будущее принадлежит инновационным высоко-и сверхвысокопрочным маркам стали, одновременно легким и прочным, технологичным в обработке и экономичным. Не случайно новая модель электромобиля BMW в 2021 году будет в большой степени состоять из стали и легких сплавов. Тесла в своей третьей модели также поддерживает преимущество стали над алюминием и титаном.
На эту тенденцию европейская сталелитейная промышленность реагирует поставкой облегченной стали, технологичной в обработке, структурно однородной, хорошо совместимой с другими материалами. По данным Всемирной федерации стали Worldsteel, в ближайшей перспективе масса автомобиля, в том числе с электроприводом, может снизиться на 25...39 %, что позволит уменьшить выбросы парниковых газов за весь срок его службы от 3 до 4,5 т.
Изделия из стали в электродвигателе и приводе также являются приоритетными. Так называемая неориентированная электротехническая сталь используется в электродвигателях — для чистого электромобиля — в массовом выражении от 40 до 100 кг. Таким образом, спрос на этот магнитомягкий материал в одной только Европе может составить более 1 млн т/г. Производители стали планируют сделать электрические листы прочнее и тоньше, тем самым уменьшая массу электродвигателя. Специальные сплавы с повышенным содержанием кремния и алюминия также снижают тепловые потери в электродвигателе при перемагничи-вании до 30 %.
ИННОВАЦИИ 21
Поскольку аккумуляторный модуль составляет до 40 % массы электромобиля, для него очень важен выбор материала. Как показали исследования, новейшие марки стали в три-четыре раза прочнее обычных, устойчивы к деформации при авариях, поэтому успешно решают проблемы безопасности. Кроме того, сталь обладает преимуществами по сравнению с алюминием или углеродом, поскольку ее можно производить с меньшими затратами энергии, а затем подвергать дальнейшей обработке и окончательной переработке без потери качества.
К 2025 году в странах Евросоюза может быть продано более 14 млн электромобилей, что играет важнейшую роль в востребованности стали, продолжающей доминировать в ассортименте конструкционных материалов из-за своей экономической эффективности, устойчивости и безопасности.
Новые вопросы
В то же время европейские страны столкнулись с негативными последствиями электромобилизации [9]. Так, немецкий автомобилестроительный концерн Volkswagen опасается, что глобальная трансформация машиностроительного комплекса, обслуживающего автомобильную промышленность, приведет к ускоренной автоматизации роботизированного производства, следствием чего станет не только резкий рост производительности труда, но и значительное высвобождение рабочей силы. Лишь в федеральной земле Нижняя Саксония в ближайшее время прогнозируется высвобождение 120 тысяч занятых на этих производствах.
Не является бесспорной и вторая стабильная тенденция последнего десятилетия — автоматизация автомобильного роботизированного подвижного состава [10]. Наряду с широко бытующим мнением, что водитель в недалеком будущем станет не нужен, а обслуживающий человека автомобиль-робот может встречать его перед дверью дома, доставлять к месту назначения и даже перемещаться по сту-
пенькам входной лестницы, существует и другое. Несмотря на успешные эксперименты городского такси-робота компании Uber, автоматизированных автономных грузовых автопоездов, перемещающихся в колонне по автострадам североамериканских штатов Колорадо, Невада, Калифорния и Техас, а также по специально выделенной полосе автомагистрали № 9 между немецкими городами Нюрнберг и Мюнхен, число противников роботизации сохраняется.
Даже юридическая проработка нормативных документов, и главного из них — международного стандарта SAE J3016 с пятым уровнем автоматизации, не сокращает число сомневающихся в успехе бизнес-модели роботизированного автомобиля. К ним, в числе многих, принадлежит член правления Volkswagen Томас Седран, заявивший в марте 2019 года, что из-за высоких затрат на реализацию эта проблема не является актуальной. Больший оптимизм по этому поводу испытывают руководители и сотрудники Массачу-сетского технологического института и автомобилестроительной компании General Motors (США), добившиеся в экспериментах по эксплуатации такси-робота значительного снижения стоимости перевозок.
Это достижение в полной мере корреспондируется с концепцией интеллектуальных мегаполисов и позволяет реализовывать более энергоэффективную стратегию использования колесного подвижного состава, способную повысить степень его загрузки с нынешних 35...40 % до 85 % и уровень полезного использования парковочных мест стоянки. В рамках этой стратегии важна согласованность каждого компонента системы — от суперкомпьютеров интеллектуальной инфраструктуры автомобиля до комбинированной электронной системы управления. По данным немецкого автокомпонентного концерна ZF, уже сегодня бортовой процессор современного высокоинтеллектуального автомобиля, начиная с четвертой ступени автоматизации, выполняет до 600 млрд/с расчетных
22 ИННОВАЦИИ
Статья поступила в редакцию 8.03.2020
Список литературы
1. Die Asean-Staaten wagen die Elektromobilität, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 2, pp. 11-12.
2. Burkert A. Elektroantrieb im Nutzfahrzeug, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 6, pp. 6-7.
3. Nafari A., Mazoyer S. All-in-one-Antrieb für Hybrid-und Elektrofahrzeuge, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 6, pp. 88-91.
4. Heseding J., Schünenmann G., Dieckmann T. Nutzfahrzeugtrailer mit Hybridfunktion, ATZ: Automobiltechn. Z, 2019,
v. 121, no. 5, pp. 38-40.
5. Janssen P., Hellenbroich G., Lahey H.-P. Hochintegrierte elektrische Antriebsachse für Pkw, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 4, pp. 66-69.
6. Deiml M., Eriksson T., Schneck M., Tan-Kim A. Hochdrehende E-Antriebseinheit für nachsste Fahrzeuggeneration, ATZ: Automobiltechnische Zeitschrift, 2019, v. 121, no. 6. pp. 42-43, 46.
7. Franke J., Weigelt M., Bican P. M., Batz K. Analyse der Reichweitenpotenziale elektrischer Fahrzeugantriebe, ATZ: Automobiltechnische Zeitschrift, 2019, v. 121, no. 5, pp. 84-85, 88.
8. Stahl spielt auch in Zukunft eine zentrale Rolle in der Elektromobilität, Stahl und Eisen, 2019, v. 139, no. 4, pp. 72-73.
9. Burkert A. Die Elektromobilität krempelt Deutschland um, ATZ extra, Elektromobilität, 2019,
pp. 15-20.
10. Roboterautos — Tabubruch einer Branche, ATZ: Automobiltechn. Z, 2019, v. 121, no. 6, pp. 8-13.
11. Fuchs R., Tamuta T., Moreillon M. Lenkfunktionen für automatisiertes Fahren, ATZ: Automobiltechn. Z, 2019, v. 121, no. 6, pp. 26-31.
12. Winlelhake U. Herausforderungen bei der digitalen Transformation der Automobilindustrie, ATZ: Automobiltechnische Zeitschrift, 2019, v. 121, no. 7-8, pp. 36, 42.
операций, а Tesla даже больше. Повышенной энергоэффективности и автономности хода добились немецкие производители из компании Mover для своего городского мини-автомобиля e.GO и французской EasyMile — для EZ10.
Особого внимания заслуживает программа совершенствования функций рулевого управления автоматизированного автомобиля [11]. Безопасность и принятие правильных решений системами автоматического, в том числе рулевого, управления имеют решающее значение для реализации автомобильных колесных транспортных средств на рынке продаж.
В настоящее время автопроизводители основное внимание сосредоточили на оптимизации функций рулевого управления, главным образом за счет использования инновационных электроусилителей, более эффективных, чем гидравлические и традиционные электромеханические. Ярким примером оптимизации комбинированной системы рулевого управления является инновационная разработка японского поставщика современных автокомпонентов Jtekt с функцией распознавания положения руки водителя на рулевом колесе, позволяющая оценивать интенсивность приложения к нему крутящего момента по контролю сигналов датчиков регистрации отслеживаемых параметров вплоть до тактильных усилий.
Цифровизация отрасли
В последние несколько лет обозначилась относительно новая тенденция, вызванная ростом цифровизации в автомобилестроении [12]. Так, постоянный представитель немецкого отделения транснациональной информационно-технологической корпорации IBM оценил изменения в автомобилестроении и на автомобильном транспорте, связанные с циф-ровизацией и ее основными трендами: электрификацией и автоматизацией. Уже сегодня в современно оснащенном колесном транспортном средстве присутствуют более 100 электронных
устройств управления и более 20 км электрокабельных коммуникаций для реализации многочисленных функций цифровых информационных технологий. На повестке дня стоит задача объединения этих устройств в технологический комплекс, обеспечивающий быстрое и понятное считывание регистрируемой полезной информации и технологичную замену всего комплекса или отдельных модулей.
Приведенные примеры инновационных разработок отражают многогранность аспектов исследований и реализации их результатов главным образом зарубежных представителей автомобилестроительной отрасли машиностроения. Но и российские лидеры — КамАЗ и АвтоВАЗ, используя современные инструменты цифрового проектирования, успешно осуществляют диверсификацию своей производственной программы на основе инновационных конструкторско-тех-нологических решений.
Примером ее успешной реализации может служить магистральный тягач КамАЗ-54901 с рамой из высокопрочных сталей, гипоидными мостами, новыми автоматизированной коробкой передач и рядным шестицилиндровым дизелем мощностью до 550 л.с. с межсервисным интервалом 150000 км, запускаемым нажатием кнопки и управляемым джойстиком. Эргономичная комфортабельная кабина внутренней высотой 1980 мм, шириной 2270 мм отличается ровным полом без трансмиссионного туннеля, оснащена новой панелью приборов с 10-дюймовым сенсорным монитором, укомплектована мультифункциональным рулевым колесом и комфортабельным регулируемым водительским креслом на пнев-моподвеске. Так что теперь не только Дакар наш.
АвтоВАЗ, в коммерческом сегменте сосредоточившись на своем лидере — моделях серии Largus, начал активное продвижение (даже в классе «Калины» спортивных модификаций) версий с электрифицированным приводом и универсала повышенной проходимости Granta Cross. ■
INNOVATION 23
Effectiveness of Motor-car Innovations. Realization
M.I. Grechikov1, VINITI RAS, Dr., viniti@mach.ru V.A. Grushnikov2, VINITI RAS, Dr., viniti@mach04.ru
1 Head of Department, Moscow, Russia
2 Senior Researcher, Moscow, Russia
Citation: Grechikov M.I., Grushnikov V.A. Effectiveness of Motor-car Innovations. Realization, Kompetentnost'/ Competency (Russia), 2020, no. 5, pp. 18-23.
Progress in any sphere of human activity is impossible without a marketing analysis of the prospects for the development of society with its urgent needs, building an appropriate research strategy, the emergence of know-how, innovative developments and their implementation in modern models of technical objects. Each of these stages is important, simply necessary, cannot replace the other, and without supplementing and continuing one with the other is not very effective, since it acquires value only by the totality of the implementation of the final product of practical use. After previous research in this area, trends were identified in the development of innovative technologies, developments, weddings and successful efforts of all participants in the framework of this process, implemented in 2019.
References
1. Die Asean-Staaten wagen die Elektromobilität, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 2, pp. 11-12.
2. Burkert A. Elektroantrieb im Nutzfahrzeug, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 6, pp. 6-7.
3. Nafari A., Mazoyer S. All-in-one-Antrieb für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 6, pp. 88-91.
4. Heseding J., Schünenmann G., Dieckmann T. Nutzfahrzeugtrailer mit Hybridfunktion, ATZ: Automobiltechn. Z, 2019, v. 121, no. 5, pp. 38-40.
5. Janssen P., Hellenbroich G., Lahey H.-P. Hochintegrierte elektrische Antriebsachse für Pkw, MTZ: Motortechn. Z, 2019, v. 80, no. 4, pp. 66-69.
6. Deiml M., Eriksson T., Schneck M., Tan-Kim A. Hochdrehende E-Antriebseinheit für nächsste Fahrzeuggeneration, ATZ: Automobiltechnische Zeitschrift, 2019, v. 121, no. 6. pp. 42-43, 46.
7. Franke J., Weigelt M., Bican P. M., Batz K. Analyse der Reichweitenpotenziale elektrischer Fahrzeugantriebe, ATZ: Automobiltechnische Zeitschrift, 2019, v. 121, no. 5, pp. 84-85, 88.
8. Stahl spielt auch in Zukunft eine zentrale Rolle in der Elektromobilität, Stahl und Eisen, 2019, v. 139, no. 4, pp. 72-73.
9. Burkert A. Die Elektromobilität krempelt Deutschland um, ATZ extra, Elektromobilität, 2019, pp. 15-20.
10. Roboterautos — Tabubruch einer Branche, ATZ: Automobiltechn. Z, 2019, v. 121, no. 6, pp. 8-13.
11. Fuchs R., Tamuta T., Moreillon M. Lenkfunktionen für automatisiertes Fahren, ATZ: Automobiltechn. Z, 2019, v. 121, no. 6, pp. 26-31.
12. Winlelhake U. Herausforderungen bei der digitalen Transformation der Automobilindustrie, ATZ: Automobiltechnische Zeitschrift, 2019, v. 121, no. 7-8, pp. 36, 42.
НОВАЯ КНИГА
Артес А.Э.
Инновационные технологии ковки и объемной штамповки
Монография. — М.: АСМС, 2020
В монографии сведены результаты научно-исследовательских работ, главным образом проведенных в МГТУ «СТАНКИН» за последний пятнадцатилетний период в содружестве с рядом отечественных предприятий машиностроения. Из всего многообразия технологических процессов обработки металлов давлением в книге представлена тематика исследований, охватывающая ресурсо- и энергосберегающие инновационные запатентованные технологии ковки, горячей и холодной объемной штамповки поковок.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, преподавателей, аспирантов, студентов вузов и техникумов. Книга включает в себя 24 патента, инициированных автором за последние 15 лет. По вопросам приобретения обращайтесь по адресу:
Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: info@asms.ru
DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10504
key words
automotive industry, development trends, innovations, sales results
