Kevytrakenteisten ajoneuvojen suunnittelu ja valmistus

Abstract

Ajoneuvon massan keventäminen on noussut keskeiseksi tavoitteeksi ajoneuvoteollisuudessa polttoainetalouden parantamisen, päästövähennysten ja sähköajoneuvojen toimintamatkan optimoinnin näkökulmasta. Tässä työssä tarkasteltiin ajoneuvojen mahdollista keventämistä kokonaisvaltaisesti. Työssä tutkittiin materiaalitekniikkaa, rakenteellista optimointia, tuotantoteknologiaa, turvallisuustekijöitä sekä näiden vaikutuksia ajoneuvon polttoainetehokkuuteen ja sähköautojen toimintasäteeseen.

Työn tavoitteena oli selvittää, miten eri materiaaliratkaisut, kuten alumiini, magnesium, hiilikuitu- ja lasikuitukomposiitit, soveltuvat ajoneuvorakenteiden keventämiseen, ja kuinka näiden hyödyntäminen voi vaikuttaa valmistusteknologioihin ja -prosessien vaatimuksiin. Työssä analysoitiin myös keventämisen vaikutuksia ajoneuvon rakenteelliseen lujuuteen ja törmäysturvallisuuteen. Työtä varten hyödynnettiin ajankohtaisia tieteellisiä julkaisuja sekä esimerkkejä ajoneuvovalmistajien käytännöistä.

Tärkeässä roolissa on myös ajoneuvorakenteiden optimointi ja FEM-analyysi, joiden avulla voitiin kohdentaa materiaalin käyttö tehokkaasti tärkeisiin komponentteihin ilman, että rakenteellinen suorituskyky heikkeni. Työssä käsiteltiin myös nykyaikaisia valmistusmenetelmiä, kuten kitkasekoitushitsausta, kuumamuovausta, liimausta ja 3D-tulostusta sekä näiden soveltuvuutta kevytrakenteiden toteuttamiseen sarjatuotannossa. Lisäksi tarkasteltiin keventämisen vaikutuksia polttoainetalouteen, kustannuksiin ja tuotannon teknisiin haasteisiin.

Työn tulokseksi saadaan kokonaiskuva siitä, millä tavoin ajoneuvojen massaa voidaan vähentää teknisesti ja tuotannollisesti järkevin keinoin turvallisuudesta tinkimättä. Opinnäytetyö tarjoaa taustatietoa ja teknisiä perusteita kevytrakenteiden suunnittelun ja valmistuksen tueksi erityisesti insinööritason suunnitteluprojekteihin.

Reducing vehicle mass has become a key objective in the automotive industry due to the need for improved fuel economy, reduced emissions, and extended driving range in electric vehicles. This thesis examines the design and manufacturing of lightweight vehicle structures, focusing on material technology, structural optimization, production technologies, safety precautions, and their impact on fuel efficiency and range in electric vehicles.

The aim of this work was to go through how various material solutions, such as aluminum, magnesium, and carbon- and glass-fiber composites, can be utilized in structural weight reduction, and how their use affects manufacturing technologies and process requirements. This work also analyzed the effects of light-weighting on structural strength and crash safety. The study is based on recent scientific publications and practical examples from the automotive industry.

Structural optimization and the use of FEM analysis play a crucial role in identifying opportunities to reduce material usage in critical components. The thesis also included and reviewed modern manufacturing methods such as friction stir welding, hot stamping, adhesive bonding, and 3D- printing, and evaluated their impact on the feasibility and scalability of lightweight structures in mass production. Additionally, the effects of vehicle mass reduction on fuel economy, as well as the related manufacturing costs and challenges, were analyzed.

The results of the thesis provide an overall understanding of how vehicle weight can be reduced through technically and industrially viable means without affecting safety negatively. The study offers technical background and design principles to support the engineering-level development of lightweight vehicle structures.