Новые материалы в современном автомобилестроении
Принципиальная задачка современных автоконцернов – понижение массы автомобиля. Дюралевые кузова уже достигнули уровня массового производства, хотя пока лишь на дорогих моделях (Ауди, Ягуар). Освоены и многие детали шасси из алюминия заместо стали, также более легкие составляющие. Но борьба с весом автомобиля длится и даже выходит на новый уровень в связи с ужесточением требований по экономичности и экологичности.
Алюминий в этой борьбе, естественно, занимает пока ведущее место. Конкретно «пока», потому что имеются и поболее симпатичные материалы с высочайшими механическими свойствами, но еще больше легкие. Освоением их в массовом производстве как раз и занимаются ведущие автомобилестроительные компании и производители компонент.
Неувязка понижения веса осложняется к тому же тем, что авто в силу беспристрастных обстоятельств становятся все более сложными и, соответственно, более томными. Новые легкие конструкционные материалы призваны восполнить по весу, в том числе, и новые узлы, и системы активной и пассивной безопасности, понижение уровня токсичности, также неизменное увеличение уровня комфорта.
Folkswagen Golf 1,6 Diesel 1988 года весил 920 кг. Гольф, стоящий на производстве в текущее время – 1320 кг. Но в этом нет ничего необычного. За последние 20 с излишним лет авто вообщем стали существенно тяжелее, невзирая на все более обширное применение алюминия, легких сплавов и пластмасс. Все новые и новые упомянутые выше системы находят применение в следующих моделях (в сопоставлении с прошлыми). К примеру, тот же самый Гольф 1988 года не имел в серийном выполнении ряда принципиальных узлов и компонент, таких как усилитель руля, кондюк, подушки безопасности, фильтр для улавливания жестких частиц при сгораниигорючего. Это, естественно, предназначает повышение веса автомобиля.
Все же, эксплуатационные свойства автомобилей повсевременно улучшаются, потому что движки становятся более действенными, кузова более аэ- родимамичными, коробки совершенствуются, понижается сопротивление качению шин.
Если современный Гольф удалось бы сделать в весе старенького (менее одной тонны), его средний расход горючего сократился бы приблизительно на 1,2 л/100 км.
Понижение массы автомобиля – дело не только лишь сложное, да и драгоценное, потому что связано с необходимостью внедрения новых, более легких, но довольно крепких материалов, которые обычно стоят дороже.
Реальное понижение веса может дать только «тотальный» поиск более легких заменителей практически для всех конструкционных материалов.
Заместо использования стекловолокна для усиления синтетических материалов отделки интерьера можно прибегнуть к натуральному волокнистому материалу, к примеру, к конопле либо к древесным отходам. Это может дать сравнимо маленькую экономию в весе (порядка 7 %), зато такие материалы имеют преимущество в процессе утилизации автомобиля.
Анализ указывает, что новые модели нередко все-же удается сделать легче собственных предшественников. К примеру, масса последнего Форд Fiesta на 25 кг меньше модели предшествующего поколения. Peugeot 508 2,0 HDi весит на 70 кг меньше заменяемой им модели 407 2,0 HDi, хотя и превосходит последнюю по габаритам.
Для автомобилей более дорогих и соответственно более обремененных различным оборудованием, понижение веса за счет легких материалов еще важнее. На модели Ауди А8 уже в 1994 году была использована так именуемая пространственная дюралевая рама (Aluminium Space Frame – ASF).
Компания Ягуар пошла еще далее: модель XJ 1999 года (7-ое поколение) чуть не вся изготовлена из алюминия (в сотрудничестве с канадским производителем алюминия – компанией Alcan).
На данный момент, более 10 лет спустя, Ягуар выпускает уже третью «полностью алюминиевую» модель в «большой» серии (купе и автомобиль с откидным верхом ХК). Эта разработка будет отчасти употребляться и в последующем Range Rover.
Есть примеры использования алюминия не настолько конструктивно. К примеру, в автомобилях Бмв 7-ой серии и Ауди А6 из алюминия делаются только отдельные большие детали, в то время как все другие остаются железными.
Для электромобилей и гибридов неувязка понижения веса является еще больше животрепещущей, потому что это связано с может быть допустимым весом батареи, от которой зависит припас хода.
А именно, кузов нового электромобиля Бмв i3 в значимой степени выполнен из углепластика. Это отдало возможность прирастить вес батареи на 250-350 кг. Практически кузов делается из синтетического материала, усиленного углево- локном. По терминологии Бмв новый материал назван CFRP – Carbon Fibre Reinforced Plastic.
Кузов из такового материала на 50 % легче железного и на 30 % легче дюралевого. Структурные элементы из нового материала могут просто комбинироваться с дюралевыми кузовными панелями либо металлизироваться.
До сего времени углеволокно применялось для легких спортивных моделей и для очень дорогих автомобилей. Причина ординарна. Процесс производства кузовных и иных моделей из углепластика либо с содержанием углепластика занимает много времени, а поэтому и дорог.
Но годы работы с этим материалом позволяют улучшать технологию производства деталей из него в направлении сокращения производственного времени. Это дает возможность организовать уже серийный выпуск и соответственно понизить стоимость.
Все это касалось в главном кузовных панелей, и тут уже практически все способности понижения веса исчерпаны. Очередь за компонентами и некими деталями шасси.
Компания ZF разработала заднюю подвеску для автомобилей малого класса, где упругим элементом является поперечная однолистовая рессора из синтетического материала, но не усиленная углеволокном. Рессора именуется Transverse Composite Leaf Spring и делает также функцию направляющего аппарата подвески. Такая подвеска может быть использована и для электромобилей.
Как понятно, широчайшее распространение получила подвеска типа Мак Ферсон, состоящая из 1-го блока, куда заходит и пружинная рессора, и амортизатор, и довольно массивные связующие и фиксирующие элементы. Вот их-то и стремятся облегчить.
Поначалу заместо стали применяли алюминий (на сравнимо дорогих моделях). На данный момент делаются пробы использовать композитные материалы, в том числе углеволокно. При всем этом экономия веса выходит достаточно значимой.
Так, стойка Мак Ферсон в сборе из углеволокна (для деталей, где это может быть) весит в 2 раза меньше, чем подобная стойка с применением алюминия.
В качестве усиливающих материалов используются не только лишь углепластики, да и стекловолокно, также композиция из этих материалов.
Материалы в автомобилестроении | Автомобильный справочник
Металлические изделия автомобилей с течением времени постепенно покрываются ржавчиной. Этот процесс называется коррозией. Для того, чтобы замедлить этот процесс, металлическим изделиям нужна защита от коррозии. Вот о том, из чего состоит защита от коррозии, мы и поговорим в этой […]
Термическая обработка металлов является неотъемлемой частью производственного процесса черной и цветной металлургии. В результате этого процесса металлы способны изменить свои характеристики до необходимых значений. Вот о том, из каких процессов состоит термическая обработка металлов, мы и поговорим в этой […]
Материалы в автомобилестроении > Термическая обработка металлов >Продолжая тему свойств неметаллических материалов, я решил выделить свойства пластмасс в отдельную статью. Вот о том, какими бывают свойства пластмасс, мы и поговорим в этой статье. Пластмассы представляют собой синтетические материалы, получаемые на основе органических и […]
Все материалы характеризуются электрической проводимостью или электропроводностью, которая обусловлена их природой , а также имеющимися в них носителями тока и подвижными электрическими зарядами. Вот о том, что представляют электрические свойства материалов, мы и поговорим в этой статье. […]
Материалы в автомобилестроении > Электрические свойства >Качество продукции играет важнейшую роль в деятельности любого предприятия, особенно металлургического. Важно, чтобы продукция соответствовала всем требованиям и обладала необходимыми для этого свойствами. Поэтому были разработаны стандарты — нормативные документы, определяющие общие технические и иные параметры металлов. Вот о […]
Группы материалов, используемые в настоящее время в промышленности, могут быть классифицированы по четырем категориям, каждая из которых включает ряд подгрупп: Металлы: кованые, штампованные, прокатные, листовые, литые, металлокерамика; Неметаллические неорганические материалы: керамические материалы, стекло; Неметаллические органические материалы: природные материалы, пластмассы […]
Материалы в автомобилестроении > Группы материалов >Железо и его сплавы, являются основными материалами, которые используются в машиностроении. Второе место среди конструкционных материалов прочно занимают алюминиевые сплавы. Все большее применение в автомобильной промышленности находят композиционные материалы. Их значение в современном машиностроении определяется в первую очередь особыми […]
Материалы в автомобилестроении > Материалы >Исследование сложного вещества начинается с попыток разложить его на более простые. Простейшая форма материи, в которой сохраняется определенная совокупность физических и химических свойств, называется химическим элементом. Химические элементы – это частицы вещества, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом […]
Материалы в автомобилестроении > Химические элементы >Конструкционные материалы в Автомобилестроении
Автомобильные детали изготавливаются из углеродистых, легированных, специальных сталей, чугунов различной структуры, цветных сплавов, отливаемых на различной основе. Соответственно при их восстановлении используются разнообразные ремонтные материалы. Выбор способов, технологических вариантов и режимов восстановления деталей непосредственно связан со знанием химического состава, структуры, механических, физических и технологических характеристик тех металлов и сплавов, из которых они изготовлены.
1. 1. Требования, предъявляемые к металлам и сплавам
В процессе эксплуатации автомобилей рабочие поверхности большинства, их деталей подвержены изнашиванию под влиянием сил трения, коррозионных воздействий и других причин. Кроме того, многие детали воспринимают при работе значительные динами чес кие нагрузки, возникающие при сгорании газов в камере сгорания цилиндров двигателей, из-за действия инерционных сил, при нарушении соосности сопряженных агрегатов, механизмов и деталей, в результате частотных колебаний, при торможении автомобиля, ударах колес о препятствия (неровности дороги) и по другим причинам. Многие детали воспринимают систематические переменные нагрузки и поэтому могут подвергаться усталостным разрушениям. К таким деталям в первую очередь следует отнести продольные балки и поперечины рам, рессорные листы» пружины подвески н полуоси и др.
Сопряженные рабочие поверхности автомобильных деталей подвержены различным видам механического и коррозионно-механического изнашивания, в частности абразивному и газоабразивному (клапаны, гильзы цилиндров и др.), усталостному (рабочие поверхности зубчатых венцов шестерен, подшипников качения и т. п.), окислительному (поршни, головки цилиндров, поршневые кольца и др.), изнашиванию при фреттинг-коррозии (рессорные листы), а также комбинированному воздействию перечисленных и других видов изнашивания (гильзы цилиндров, клапаны и др.).
В отношении смазки условия работы сопряжений деталей автомобиля не одинаковы. Лишь подшипники коленчатых валов (коренные и шатунные) работают при установившемся режиме в условиях гидродинамической смазки, работа некоторых деталей (например, подшипников распределительных валов) протекает на границе условий гидродинамической и полужидкостной смазок; большинство же деталей работает при граничной смазке. Таким образом, можно заключить, что соответственно характеру и величинам воспринимаемых нагрузок, видам трения и условиям смазки сопряжения узлов и агрегатов автомобилей работают в сложных условиях.
Особенности использования автомобилей не позволяют при разработке их конструкций с целью повышения надежности и увеличения ресурса идти по пути увеличения сечений, габаритных размеров и массы деталей. Поэтому к материалам, применяемым при их производстве и восстановлении, предъявляются высокие требования. Они должны надежно обеспечивать статическую и динамическую прочность изготовляемых из них деталей, гарантировать высокую износостойкость трущихся поверхностей, а в ряде случаев также температурную и коррозионную стойкость.
Указанным требованиям хорошо отвечают легированные стали. В нормализованном и особенно улучшенном состоянии они обеспечивают при ограниченных сечениях необходимую прочность изготовляемых из них деталей, а в результате химико-термической обработки с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском — высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей при больших удельных нагрузках. За счет соответствующего подбора легирующих компонентов у изготовляемых деталей достигаются пружинящие свойства, коррозионная стойкость, жаропрочность и другие специальные качества. В автомобилестроении широко распространены легированные стали при большом разнообразии используемых групп, марок и химического состава.
Однако нельзя не учитывать, что стоимость легированных сталей намного превышает стоимость качественных углеродистых сталей. Поэтому наряду с легированными при изготовлении автомобильных деталей применяются более дешевые низколегированные и качественные углеродистые стали. Они применяются во всех случаях, когда это не вызывает снижения надежности и ресурса соответствующих деталей, а следовательно, и тех агрегатов и узлов, в конструкцию которых они входят. Например, такие детали, как полуоси, шкворни поворотной цапфы, поршневые пальцы у грузовых тяжелых машин, изготовляются, как правило, из легированных сталей; у легковых автомобилей и грузовиков невысокой грузоподъемности для производства аналогичных деталей обычно используются качественные углеродистые стали марок сталь 40 и сталь 45 (при поверхностной закалке ТВЧ).
В качестве заготовок автомобильных деталей используются поковки, штамповки, черное и цветное литье. Первые два вида заготовок отличаются наиболее благоприятной структурой металла, а, следовательно, и наилучшими механическими свойствами изготовляемых из них деталей. Поэтому в конструкциях автомобилей кованых и штампованных деталей большинство. Исходным материалом для изготовления поковок и штамповок является металлопрокат. Однако из-за относительно высокой стоимости металлопроката и сложности операций обработки металлов давлением в тех случаях, когда нагрузки деталей ограничены, целесообразно вместо поковок использовать отливки (при изготовлении кронштейнов, педалей, корпусов и т. д.). При изготовлении деталей особенно сложной формы литье часто является единственно возможным способом изготовления заготовок (блоков двигателей, головок блока, картеров коробок передач, картеров редукторов и других деталей). Наиболее дешевым видом черного литья, но вместе с тем наименее прочным является чугун с пластинчатым графитом. Механические качества чугуна могут быть повышены за счет его модификации, легирования, специальной термической обработки. В связи с этим в автомобильной промышленности широко применяются чугуны с шаровидным графитом, легированные и ковкие чугуны. Ковкие чугуны обеспечивают наивысшие механические качества изготовляемых из них деталей, однако дороги и сложны по технологии их термической обработки. Чугуны с шаровидным графитом по своим механическим качествам приближаются к ковким, но значительно дешевле и проще по технологии изготовления заготовок. Поэтому в последние годы в автомобильной промышленности материал ряда деталей, прежде изготовлявшихся из ковкого чугуна, заменен на чугун с шаровидным графитом.
Для дальнейшего повышения динамических качеств автомобилей большое значение имеет максимально возможное снижение массы. Этому в значительной мере способствует изготовление автомобильных деталей из сплавов на алюминиевой, цинковой, магниевой основе, а также синтетических материалов, область применения которых с годами непрерывно увеличивается.
Для обеспечения высоких и стандартных качеств автомобильных деталей и одинаковых условий их обрабатываемости стали, чугуны и цветные металлы должны обладать постоянными механическими и технологическими свойствами, не меняющимися существенно в зависимости от партии или плавки. Поэтому при изготовлении ответственных деталей автомобилей часто применяют качественные углеродистые стали, в которых колебание содержания углерода ограничено до 0,05 % против 0,09 % в тестированных сталях. По этой же причине находят применение чугуны и цветные металлы заводских марок с несколько измененным процентным содержанием отдельных компонентов по отношению к стандартным маркам. В некоторых случаях в автомобилестроении находят применение марки легированных сталей и других металлов и сплавов, не предусмотренные ГОСТом.
Композиты и композитные (полимерные) материалы для автомобилестроения
Развитие автомобильной промышленности, повышение требований к качеству и безопасности используемых материалов требует создания и применения новых форм. Материалы из углеволокна наиболее полно отвечают современным требованиям, так как обладают рядом уникальных характеристик и демонстрируют наилучшее соотношение цены и качества.
Композитные материалы для автомобилей заметно потеснили на рынке привычный металл. Причём не только сталь, но и алюминиевые сплавы, которые до недавнего времени считались во всех отношениях лучшими. В настоящее время композиционные материалы используются при создании практически любого узла автомобиля. Выпускают даже концепт-кары, корпус которых целиком состоит из композитовКомпозиты в автомобилестроении
Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают:
• Силовые конструкции – силовые структуры дверей и сидений, защитные элементы днища.
• Элементы крепления бамперов и радиаторов.
• Декоративные элементы – декоративные панели салона, внешние декоративные панели.
• Крышки багажников, кузовные панели, тормозные диски, элементы кузова, термо- и звукоизоляцию.
Всё чаще кузова многих типов машин (в том числе тяжёлых грузовиков) полностью создаются из лёгких, прочных и недорогих углепластиков.
Углепластик в автомобилестроении
Композитные материалы для автомобилестроения – это в первую очередь продукция из углеродного волокна. Она используется в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объём его применения растёт. Наиболее важное преимущество углеволокна — небольшой вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Использование композитов в автомобилестроении позволяет снизить массу транспортного средства на 20-25%. За счёт этого заметно повышается эффективность работы двигателя и снижается расход горючего.
Углеродные волокна производят из синтетических и природных волокон на основе полимеров. В зависимости от режима обработки и исходного сырья получают материалы разной структуры и с разными свойствами. В этом заключается главное преимущество композитных материалов. Их можно создавать с изначально заданными свойствами под определённую задачу.
Карбон в автомобилестроении
По прочности карбон превосходит сталь (чёрный металлопрокат) в 12,5 раз. Когда мы говорим «карбон», то вспоминаем, конечно, капоты тюнинг-каров. Сейчас нет ни одной кузовной детали, которая не была бы сделана из карбона. Из него изготавливают не только капоты, но и крылья, бампера, двери и крыши. Факт экономии веса очевиден. Средний выигрыш в весе при замене капота на карбоновый составляет 8 кг. Впрочем, для многих главным будет тот факт, что карбоновые детали практически на любой машине выглядят очень стильно.
Углеродное волокно для автомобилей широко применяется в гоночной одежде. Это карбоновые шлемы, ботинки с карбоновыми вставками, перчатки, костюмы, защита спины и. т. д. Такая экипировка не только хорошо смотрится, но и повышает безопасность и снижает вес костюма (очень важно для шлема). Особой популярностью карбон пользуется у мотоциклистов. Самые продвинутые байкеры одевают себя в карбон с ног до головы.
Развитие технологии в автомобилестроении в первую очередь связано с развитием автоспорта. Наблюдая технический прогресс в области развития и применения композиционных материалов, можно уверенно сказать, что в ближайшем будущем появятся серийные автомобили с полностью композитным кузовом и многими узлами и агрегатами.
В Москве производством композитных материалов и конечных изделий для автомобилестроения занимаются компании, входящие в холдинг «Композит». Мы предлагаем одно- и двунаправленные, а также мультиаксиальные ткани, препреги, готовые изделия из композиционных материалов. Получить консультацию и заказать необходимое количество изделий вы можете по телефону +7 (495) 787-88-28.
Композиционные материалы в автомобилестроении | Автокомпоненты. Бизнес. Технологии. Сервис
Нанотехнологический центр композитов (ООО «НЦК») оказывает полный комплекс инжиниринговых услуг, включающих разработку технологий, проведение проектных работ, расчет и моделирование, разработку прототипов, испытания, выпуск малых серий, работы по подбору поставщиков оборудования и дальнейшему внедрению технологии на промышленных производствах. Центр также занимается производством оснасток и изделий из полимерных композиционных материалов для различных отраслей промышленности: энергетики, строительства, автомобилестроения, судостроения, телекоммуникаций и т.д. А также занимается запуском новых проектов в области производства изделий из полимерных композиционных материалов. Наноцентр проводит научно-исследовательские разработки по внедрению полимерных композитов для таких компаний, как «Росатом», ОАО «РЖД», ПАО «Газпром», ПАО «РусГидро».
ООО «НЦК» решает широкий круг задач в сфере производства изделий из композиционных материалов.
Производственный комплекс ООО «НЦК» расположен в одном из цехов бывшего завода АЗЛК и занимает площадь 15 000 кв. м. Это современное, хорошо оснащенное предприятие, здесь установлено более 40 единиц высокотехнологичного оборудования. В Наноцентре работают 200 специалистов из различных стран мира. Предприятие выполнило свыше 100 проектов, 20 уникальных разработок защищено патентами. ООО «НЦК» успешно реализует программу импортозамещения, 30% производимой продукции поставляется на экспорт.
У Наноцентра есть собственная лаборатория с 60 единицами современной измерительной техники, которая проводит широкий спектр климатических, механических, температурных, функциональных, специальных и других испытаний различных видов продукции.
Одним из основных видов деятельности НЦК являются разработка и производство автокомпонентов из полимерных композиционных материалов. В частности, центр производит детали интерьера для специализированной техники, накладки решетки радиатора для автобусов ПАЗ, элементы для тюнинга автомобилей Renault Duster, боксы для багажников на крышу.
Одним из самых успешных проектов НЦК стало участие в разработке и производстве электробуса MODULO C68E, созданного совместно с холдингом Evopro Group (Венгрия).
В 2016 году НЦК был удостоен премии Innovation awards в категории «Городской транспорт» на международной выставке в Париже JEC World 2016 за уникальное решение в создании несущего композитного кузова модульного исполнения для электробуса.
MODULO C68E – одна из версий электробуса из производственной линейки совместного предприятия НЦК и Evopro Group, которая включает модели вместимостью от 40 до 90 пассажиров с длиной кузова от 6,5 до 9,5 м. Их уникальность – в использовании несущего модульного композитного стеклопластикового кузова, серийное производство которого ведет НЦК. Модульная конструкция позволяет собирать из унифицированных секций автобусы различной длины, что позволяет снизить себестоимость производства.
«Ноу-хау автобусов СП НЦК-Evоpro – модульный кузов из полимерных композитов. Благодаря технологическим и конструкторским решениям вес MODULO на 30% меньше конкурентов. Малый вес – это не только значительные выгоды в ежедневной эксплуатации, но и снижение нагрузки на подвеску и дорожное полотно. Очевидно, что для российских реалий актуальны высочайшая стойкость композитов к коррозии и адаптация к климатическим условиям. В свою очередь, существенное снижение веса и количества используемых батарей делает автобус более конкурентоспособным по цене», – сказал генеральный директор ООО «НЦК» Михаил Столяров.
Применение композитов позволяет одновременно снизить вес автобуса на несколько тонн и уменьшить его габариты на 2–3 метра. Это делает электробус более маневренным, позволяя ему ездить по маршрутам, которые недоступны автобусам с большим радиусом поворота. За счет максимально эффективной компоновки электробусы MODULO вмещают больше пассажиров по сравнению с автобусами такой же длины. К концу 2017 года ожидаются успешное одобрение типа транспортного средства и организация натурных зимних испытаний другой модификации – MODULO C88, который при длине 9,5 м вмещает столько же пассажиров, что и 12-метровые модели электробусов производителей-конкурентов.
Спектр решений НЦК-Evopro охватывает основные варианты интеграции электрического общественного транспорта в инфраструктуру: это электробусы с ночной зарядкой длительностью 4 часа и запасом хода свыше 200 км; машины с зарядкой от троллейбусной контактной сети; с зарядкой с помощью пантографа. Использование этих решений снижает стоимость разработки и развития инфраструктуры городской транспортной сети. Все модели MODULO могут быть оснащены различными вариантами силовой установки.
«С 2016 года десятки электробусов MODULO интегрированы в транспортную сеть Будапешта. Фактические расходные данные эксплуатации модели С68Е по протоколу TÜV (SORT2): 0,62 кВт⋅ч/км, а по протоколу Будапештской транспортной компании: 0,65–0,75 кВт⋅ч/км. Это один из самых низких в мире показателей расхода энергии при эксплуатации электробусов», – отметил представитель Evopro Holding Пал Сираки.
В MODULO устанавливаются электродвигатели и система управления SIEMENS мощностью 160 кВт. Электробусы оснащены оборудованием от ведущих мировых и российских производителей. Использование производственной площадки НЦК в России в перспективе позволит достичь уровня локализации в 75–80%. Гарантийное и сервисное обслуживание электробусов осуществляется СП НЦК и Evopro Group. В сентябре 2017 года началось испытание электробуса MODULO на московских улицах.
Применение полимерных материалов в автомобилестроении
Современное автомобилестроение немыслимо без широкого применения полимерных материалов, которые позволяют снизить массу автомобилей, уменьшить трудоемкость их изготовления, материалоемкость, повысить надежность и безопасность, улучшить комфортабельность, повысить их конкурентоспособность. Применение полимерных материалов в автомобилях постоянно возрастает, особенно в развитых промышленных странах у наиболее успешных фирм, выпускающих обычные и специальные автомобили.
Полиуретаны, поливинилхлориды, полипропилены, полиэтилены и другие полимеры в чистом виде, а также в виде композиций и такие полимерные композиционные материалы (ПКМ), как стеклопластики, углепластики, органопластики и базальтопластики, находят применение в кузовах, несущих системах, элементах трансмиссий, ходовых частей и в силовой установке. На рис. 1 показаны возможности применения неармированных и армированных полимерных материалов в конструкции современного автомобиля.
В нагруженных элементах автомобилей (панелях кузовов, кабин и корпусов, упругих элементах систем подрессоривания, карданных валов, ободьев колес и других) широко применяются ПКМ. У нас в стране многоосные колесные машины высокой проходимости с элементами из ПКМ выпускались много лет и по количеству и массе используемых в них деталей из ПКМ не имеют себе равных в мире. Кафедра «Колесные машины» принимала активное участие в их создании. На рис. 2 представлена серийная колесная машина ЗИЛ-БАЗ-135 с кабиной, мотоотсеком и оперением из ПКМ, а на рис. 3 — плавающая колесная машина ЗИЛ-1Э5П с несущим (безрамным) корпусом из ПКМ (впервые в мире). Опыт создания из ПКМ многочисленных объектов (корпуса, кузова, рамы, кабины, рессоры, топливные баки, ободья колес и т. д.) показывают широкие возможности применения ПКМ в колесных машинах. Руководителями этих работ являлись профессор Цыбин B.C. и авторы данного учебного пособия.
Рис. 1. Возможности применения полимерных материалов в легковом автомобиле среднего класса: |
1 — стекло двери; 2 — зеркало наружное; 3 — брус пояса жесткости; 4 — дверь; 5 — внутренняя панель двери; 6 — капот; 7 — внутреннее зеркало; в — стеклоочиститель; 9 — прозрачная крышка вентиляционного люка; 10- крыша; 11,51 — спойлеры; 12 — крышка багажника; 13 — обтекатель; 14 — задние фонари; 15, 18 — детали задней панели кузова; 16, 52 — бамперы; 17, 25, 47 — противокоррозионные накладки; 19, 58 — крылья; 20 — топливный бак; 21 — рессора подвески; 22 — амортизатор подвески; 23 — грязезащитный фартук; 24 — подголовник; 26 — спинка сиденья; 28 — подушка сиденья; 30 — панель приборов; 31 — кожух рулевой колонки; 32 — рулевое колесо; 33 — кожух тоннеля пола; 34 — труба карданного вала; 35 — цилиндры гидроприводов; 36 — петля двери; 37 — картер сцепления и коробки передач; 38 — пружина подвески; 39 — шина; 40 — диск колеса; 41 — декоративный колпак; 42 — противокоррозионный вкладыш крыла; 43 — вал привода переднего колеса; 44 — рычаг независимой подвески колес; 45 — стабилизатор поперечной устойчивости; 46 — амортизатор бампера; 48 — противотуманная фара; 49 — блок-фара; 50 — рассеиватель блок-фары; 53 — передняя панель кузова; 54 — привод газораспределительного механизма; 55 — толкатели двигателя с нижним распределительным валом; 56 — корпус и крышка аккумулятора; 57 — корпус воздушного фильтра; 59 — впускной коллектор; 60 — шатуны; 61 — расширительный бачок; 62 — бачок омывателя
Рис. 2. Колесная машина ЗИЛ-БАЗ-135 с кабиной, облицовкой мотоотсека и оперением из полимерных композиционных материалов |
Рис. 3. Плавающая колесная машина ЭИЛ-135П с несущим (безрамным) корпусом из полимерных композиционных материалов |
Интерес к ПКМ чрезвычайно велик благодаря неисчерпаемой возможности вариаций их составов, многообразию полимеров и наполнителей, способам их модификации и взаимораспределения. Диапазоны физико-механических характеристик часто измеряются несколькими порядками величин, что наблюдается даже в пределах основной группы ПКМ — армированных пластиков (АП):
Плотность р, кг-м»3…………………………………………………………………………от 900 до 2200
Прочность при растяжении МПа от 1 до 1000
Модуль упругости при растяжении , ГПа………………от 0,01 до 1000
Коэффициент Пуассона v…………………………………………………………….от 0,15 до 0,5
Удельная ударная вязкость …………………………от 2,5 до 500
Температура эксплуатации °С…………………………………………от -270 до 400
Коэффициент теплопроводности ………………..от 0,8 до 1000
Удельное объемное электросопротивление …. от 10~2 до 1019
Диэлектрическая проницаемость ……………………………………….от 2 до 10
Тангенс угла диэлектрических потерь……………. …………………………..от 1 до 1000
Твердость НВ, МПа…………………………………………………………………………от 10 до 500
Фундаментальным принципом создания изделий из АП является разработка одновременно конструкции самого изделия и состава, структуры АП в зависимости от факторов внешнего воздействия на изделие (вид нагружения, уровень нагрузки, воздействие температуры, влаги и других факторов). Именно возможность каждый раз создавать (конструировать) АП, варьируя компоненты по свойствам, взаимодействию, схемам распределения, сделала правомерным употребление понятия «конструирование» в отношении АП.
Принципиальное отличие такого конструирования от традиционного конструирования деталей и сборочных единиц заключается в том, что создателям АП приходится оперировать понятиями и величинами, принятыми в микромеханике материалов. Составными частями этого уровня являются армирующие наполнители, микронные соединительные слои матрицы, межфазные области и включения, невидимые невооруженным глазом, в виде пор, трещин, инородных фрагментов.
В учебном пособии излагаются основные положения создания нагруженных элементов конструкций колесных машин с применением АП.
Композиционные материалы
Основные понятия и определения
Ведущее положение среди композиционных материалов на основе синтетических полимеров занимают АП.
В науке о ПКМ (теоретическая систематизация, вывод общих закономерностей, математическое описание) еще кет строгого опреде-
Литье без давления различают и по механизму реакции полимеризации: радикальному, ионному или координационно-ионному. Все зависит от типа применяемого мономера, природы активного центра и механизма роста цепи. Практическими трудностями этого метода являются чувствительность полимеризационных смесей к ничтожным примесям различных веществ, разрушающих активные центры полимеризации.
К числу наиболее перспективных материалов, перерабатываемых данным методом, относятся полиамиды, поликрилаты, эфиры целлюлозы, полимеры аллиловых соединений и др.
При замешивании композиций для холодной полимеризации вводят растворенную в порции мономера навеску активатора, что обеспечивает отверждение изделий без подвода внешнего тепла. После этого непосредственно в форме протекают процессы набухания и растворения полимерных частиц, полимеризация мономера и формование изделия.
При выборе материала форм большое значение имеют условия протекания процесса полимеризации (холодная или горячая полимеризация). Для осуществления горячей полимеризации (140 °С) применяют формы из алюминиевых сплавов, для холодной (80 °С) формы из пластмасс, гипса, цемента, листового стекла, фанеры, картона. При изготовлении небольших изделий серийного и массового производств используют формы из стали или медных сплавов с обязательным хромированием и полировкой рабочих поверхностей. Особенностью форм из пластмасс является тот факт, что они могут быть жесткими или эластичными (с жестким ограждением).
Формы для получения сложных по конфигурации изделий делают разборными (при серийном производстве) или цельными разового использования (при единичном производстве).
Занимательное материаловедение: из чего можно сделать автомобиль
Инженеры крупных автомобильных компаний активно внедряют и используют экологичные материалы, причем применение некоторых из них весьма неожиданно. Ну а мы решили вспомнить, что необычного применяли при выпуске автомобилей ранее.Основным материалом для производства автомобиля является сталь. Действительно, ведь стали обладают достаточной конструкционной прочностью, небольшой ценой, а также могут использоваться в разных технологических процессах: они легко штампуются или свариваются. Но у сталей есть и недостатки. Главный из них – низкая стойкость к коррозии, что вынуждает конструкторов применять для защиты кузова специальные защитные покрытия. Кроме того, стальная деталь имеет большую массу. Поэтому в конструкции автомобилей нашли широкое применение алюминиевые сплавы, пластмассы и композитные материалы.
Это обусловлено стремлением снизить уязвимость кузовов автомобилей к коррозии, а также уменьшить общую массу автомобиля, что благоприятно влияет на экономичность и управляемость. Тем не менее листовые стали не сдают свои позиции, так как стоимость алюминиевых, а уж тем более композитных материалов гораздо выше. На крупных автомобильных заводах за сутки может перерабатываться свыше 1 000 тонн листовых сталей, которые идут на изготовление широкого ассортимента автомобильных деталей. Но давайте взглянем на другие материалы, которые могли бы заменить сталь в производстве автомобилей.
Дерево
Начать наш обзор справедливо с дерева. Этот материал стоял у истоков автомобилестроения и до массового применения стали широко использовался в автомобилях. Деревянные доски или просто фанера часто шли на применение в кузовах легковых автомобилей, грузовиков, автобусов и прочих утилитарных конструкциях.
Отдельно стоит сказать о роскошных автомобилях – богатые владельцы обращались к кузовным ателье, в которых творили поистине произведения искусства. Панели кузовов выполнялись из лакированного дерева ценных пород, а салон обшивался дорогим сафьяном или шелком.
Особняком здесь стоит уникальная Hispano-Suiza Н6С, построенная в 1924 году гонщиком Андре Дюбоннэ. Ее двигатель с несколькими карбюраторами рабочим объемом почти в 8 литров развивал 200 л.с., но для настоящего гоночного автомобиля был нужен легкий кузов. Дефицитных в те годы легких сплавов магния или алюминия Дюбоннэ не достал, а потому обратился в авиастроительную компанию Nieport с просьбой постройки легкого кузова.
Машина, впоследствии ставшая известной под именем Tulipwood, имела набранный из 20-миллиметровых шпангоутов каркас, на который с помощью медных заклепок крепились планки разных длины и ширины, изготовленные, вопреки имени, из древесины красного дерева махагони, в то время как древесина тюльпанного дерева очень плохо гнется и склонна к раскалыванию, что не позволяет применять ее в строительстве кузовов.
После установки всех деталей машину покрыли несколькими слоями лака и отполировали. Вся нижняя часть рамы для улучшения обтекаемости и защиты от ударов была закрыта алюминиевым кожухом. Сзади для лучшей развесовки разместили 175-литровый бензобак.
Андре Дюбоннэ поучаствовал на своей «деревяшке» в одной гонке – Тарга Флорио, где финишировал в итоге седьмым. После гонки он оставил автомобиль для повседневных поездок, а позднее тот попал в Америку и сохранился до наших дней в одном из калифорнийских автомобильных музеев.
Во время Второй мировой войны вся сталь уходила на нужды фронта, и большинство автомобилей стало оснащаться простыми деревянными кузовами типа фаэтон или универсал. Серийное производство автомобилей с деревянными кузовами продолжалось и после войны, особенно массово это явление получило развитие в Америке. И если в Европе и СССР к 50-м годам парк автомобилей имел стальные кузова, то американские автомобилисты не могли избавиться от привычки ездить на деревянной машине. Панели кузовов кабриолетов выполняли из красного дерева и лакировали, но в 60-е годы от деревянного кузова, который имел свойство рассыхаться, был пожароопасен и попросту небезопасен, стали отказываться. А впоследствии вплоть до 80-х годов на многих американских универсалах и джипах имелась виниловая графика с отделкой «под дерево».
Такие машины особенно популярны благодаря американским фильмам 80-90-х годов, где граждане Штатов путешествовали по стране на универсалах. Сейчас ясеневые рамы используют для своих машин англичане из фирмы Morgan, да в одном из поколений Корвета использовали древесину бальсы в днище, но полноценного автомобиля, выполненного целиком из дерева, современная промышленность уже не выпускает.
Splinter
В 2007 году американский энтузиаст Джо Хармон представил на тюнинг-шоу в Эссене среднемоторный суперкар Splinter, к постройке которого он приступил еще будучи студентом. На постройку суперкара ушло пять лет, причем все строилось своими силами и средствами. Кузов среднемоторной «Щепки» создан из древесины вишни и бальсы, а за спиной водителя разместился семилитровый двигатель V8 от Chevrolet Corvette, развивающий свыше 700 л.с. Из металла также сделаны и коробка передач, усилители кузова, амортизаторы, рычаги задней подвески и тормоза. А вот передняя подвеска получила деревянные (!) рычаги, а металлического в колесах – только алюминиевые ступицы и обода. В результате масса двухместного автомобиля достигла 1 360 кг, а по заявлениям авторов максимальная скорость Splinter в теории может достигать 380 км/ч, однако испытания не проводились. Впрочем, для автора этого достаточно: машину он расценивает как воплощение своей детской мечты и даже не помышляет хотя бы о мелкосерийном производстве.
Бамбук
Отдельно расскажем о единственном концепт-каре, который применил в своей конструкции… бамбук. Автомобиль, получивший название Ford MA, был показан на выставке Индустриального дизайна в 2003 году. Имя было выбрано как заключение идей, заложенных в азиатской философии «пространство между» применительно к автомобилю, выражаемое в том, что Ford MA является средоточием между эмоциями, искусством и наукой. Разработанный на компьютере родстер, выдержанный в минималистичном стиле, использует в своей конструкции бамбук, алюминий и углепластик, а задние колеса приводит в движение электромотор, но создателями допускается и установка небольшого бензинового моторчика. Родстер ориентирован на молодых людей, которые хотят найти свежие интерпретации автомобилей. Кстати, в машине нет сварных швов: все элементы соединены между собой с помощью 364 титановых болтов, а это означает, что такие родстеры можно легко собирать дома как конструктор из почти 500 деталей.
Кожа
В разоренной послевоенной Европе начали возникать сложности c поиском замены дефицитной стали, которой с трудом хватало на грузовики и автобусы. Поэтому широкое распространение у автомобильных производителей получили простенькие и дешевые мотоколяски наподобие BMW Isetta и Messerschmitt Kabinroller, которые имели три колеса, двухтактный мотор и крошечные размеры. Впрочем, покупатели не жаловались – машина стоила совсем немного, а уж благодаря Изетте мы вообще сейчас знаем марку BMW.
В таких условиях чехи Франтишек и Моймир Странские реализовали свою собственную идею бюджетного трехколесного автомобиля для народа. Первый прототип был создан братьями в 1943 году, получил имя Oskar (акроним от чешского «osa kara» – буквально «тележка на оси») и имел трубчатую раму, обшитую алюминиевыми листами. Спереди у машины было два колеса, соединенных с помощью рулевой рейки, а на одно заднее приходился цепной привод от мотоциклетного мотора.
В серийное производство автомобиль был запущен в 1950 году и получил имя Velorex. Алюминиевые листы были в те годы стратегическим сырьем, и братьям пришлось срочно искать замену. Сталь не подходила: снабженный 250-кубовым двигателем от Явы Velorex 16/250 был очень ограничен в динамике, а стальной кузов сильно увеличивал массу машины, поэтому на раму натянули практичный и непромокаемый дерматин.
В разные годы 80 рабочих фабрики братьев Странских собирали до 400 автомобилей в год, а производство завершилось к 1973 году. Большинство Велорексов уходило в органы соцобеспечения, где полученные машины передавались людям с ограниченными возможностями. Переделанные в легкие грузовички, автомобили широко использовались как технологический транспорт на крупных промышленных предприятиях, а некоторое количество продавалось и в широком доступе. Благодаря своей простоте и неприхотливости машина пользовалась популярностью в сельской местности, ее охотно покупали агрономы и сельские врачи.
Velorex постоянно модернизировался, машина получала все более мощные двигатели. Например, выпускались модели с 175-, 250- и 350-кубовыми двигателями от Явы, а позднее появился динамостартер и гидропривод сцепления, облегчивший жизнь владельцев машины. Интересный факт: заднего хода как такового у Велорекса не существовало – чтобы поехать назад, нужно было остановить двигатель и запустить его так, чтобы коленчатый вал вращался в обратном направлении.
В современном автомире кожа, как видно, не слишком часто встречается на кузовах автомобилей: сейчас кузовные панели затягивают в нее только тюнинг-ателье по заказу своих клиентов.
Ткань
Но не кожей единой пользовались автомобильные конструкторы. Например, в середине 80-х годов в Белорусской академии художественных искусств была создана примитивная мотоколяска, в основу которой легла трубчатая рама, на которую натянули… ткань.
Вообще, ткань как таковая имеет место в конструкции кузовов и по сей день: стоит вспомнить любой автомобиль-кабриолет с мягким складным матерчатым верхом. Но то только верх, а другое – весь кузов. И из нее делали не только мотоколяски, а вполне себе крупные автомобили. Чего только стоит построенный безымянным механиком фирмы Chris-Craft Motor Boats из Сан-Франциско в 1937 году американский автомобиль-кемпер Himsl Zeppelin Roadliner. В качестве основы использовали лонжеронную раму от универсала Plymouth (история умалчивает, какого именно), куда прикрепили отдельный трубчатый каркас, обтянутый авиационной тканью – перкалью. Этот материал, хоть и достаточно прочный, все-таки потребовал металлических бамперов и рам-усилителей вокруг окон.
В салоне установили два дивана-кровати, столик и даже газовую плиту. После постройки автомобиль долгое время находился у местного врача, успешно пережил войну, и в 1968 году в окрестностях города Конкорд в штате Калифорния на машину наткнулись двое друзей-реставраторов – Арт Химсл и Эд Грин. Она была приведена в чувства и долгие годы служила друзьям передвижным офисом.
В 1999 году Химсл и Грин провели комплексную реставрацию машины. Древний карбюраторный двигатель Плимута отправили на свалку, а его место занял более мощный V8 от современного Chevrolet Camaro, тканевую обшивку заменили на поливолокно, которое применяют при строительстве легких самолетов, перешили салон и в довершение всего установили пневмоподвеску.
Говоря о тканевых автомобилях, нельзя не вспомнить о современном концепте родстера BMW, получившем имя GINA. По словам главного дизайнера проекта Криса Бэнгла – человека, создавшего современный стиль автомобилей баварской марки, – имя GINA – это аббревиатура от «Geometry and Functions In «N» Adaptions», то есть «возможность многочисленного изменения форм кузова».
При создании автомобиля разработчики задали несколько вопросов. Почему кузова автомобилей делаются обязательно из пластика или металлов? Может ли владелец настроить все в своей машине так, как хочется именно ему? Ответом на эти вопросы стала… натянутая на каркас кузова эластичная ткань, разработанная в американском подразделении BMW. Сам каркас представляет собой множество металлических трубок, которые могут перемещаться с помощью гидравлических приводов. Так, владелец может одним нажатием клавиши открывать/закрывать фары и щель на капоте для обозрения мотора и менять форму ребер на боковинах, а в салоне – настраивать подголовники или менять комбинацию приборов.
Конечно, перспектив серийного выпуска похожих на Джину автомобилей в ближайшем будущем нет, но конструкторы считают, что у таких тканевых кузовов большое будущее. По словам все того же Бэнгла, ткань может дать разработчикам меньшее количество ограничений в дизайне, позволяет придать кузову аэродинамически правильную форму и защитить внутренние узлы кузова, а возможно, и перевернуть представления о конструкции автомобиля. Ведь легким движением руки будущий покупатель сможет изменить форму кузовных деталей на ту, что больше всего подходит его запросам.
Конопля
Вообще ткани всегда интересовали конструкторов с точки зрения выпуска композитных материалов – ведь они легче и не поддаются коррозии, а их производство дешевле. В качестве основы использовались натуральные тканевые волокна, несколько слоев которых пропитывались эпоксидной смолой.
Первым в мире автомобилем с кузовом из композитов стал Soybean Car («Соевый автомобиль»), сконструированный как эксперимент компанией Ford и представленный в августе 1941 года. Также он известен под именем «Hemp body car» («Автомобиль с кузовом из конопли»). В качестве основы для машины использовали рамное шасси и силовой агрегат от седана Ford V8, а внешние панели выполнили из пластика, в котором наполнителями стали конопляное волокно и соевые бобы. Всего панелей было 14, и все они крепились к раме с помощью болтов, это позволило удержать массу машины на уровне 850 кг, что примерно на 35 процентов меньше, чем у прототипа. V-образную карбюраторную «восьмерку» перевели на питание биоэтанолом, полученным из всё той же конопли. Работы по автомобилю закончились после вступления США во Вторую мировую, а впоследствии автомобиль был уничтожен.
Натуральные волокна в качестве наполнителя будоражили умы конструкторов машин еще долгое время. Например, известный немецкий автомобиль Trabant имел кузов из композитного материала «дуропласт». Здесь наполнителем являлись отходы советского хлопкового производства – очёсы, которые заливались все той же эпоксидной смолой. Шутники советовали владельцам «Траби» остерегаться коз, свиней и гусениц, в ожидании того, что их «хлопковый пластик» мог быть попросту съеден. Тем не менее такой материал не гнил и обеспечивал небольшую массу машинке, снабженной двухтактным моторчиком в 25 л.с.
Но и это не было концом. В 2000 году компания Toyota представила концептуальный автомобиль Toyota ES3 – компактный городской автомобиль с алюминиевым кузовом, внешние панели которого выполнены из специального полимера TSOP (Toyota Super Olefin Polymer). Этот материал использует в качестве сырья лен, бамбук и даже… картофель и легко поддается переработке. Широкого распространения он так и не получил – наверняка из-за нежелания владельцев иметь машины из переработанной картошки.
Пластиковые бутылки
Впрочем, многие концерны искали способы применения новых композитных материалов в конструкции автомобилей, и сейчас создаются композиты, которые вполне могут частично заменить сталь на конвейере. Но все эти материалы создаются химиками и технологами специально, и их разработка влетает в копеечку. А вот специалисты концерна Chrysler еще в середине 90-х годов прошлого века придумали использовать в автомобильном производстве композитный материал, в основе которого – полиэтилентерефталат, из которого делают пластиковые бутылки.
Панели из полиэтилена обеспечивали кузову подходящую жесткость, при этом само производство материала – недорогое дело: он легко поддается формованию, и его даже не надо красить – пигмент необходимого цвета добавляется при производстве. Кроме того, по окончании срока службы кузов можно легко переработать.
Отрабатывать технологию крайслеровцы решили на крошечном хэтчбеке CCV, который был представлен на конкурсе концептуальных «народных» автомобилей для Китая (отсюда и аббревиатура CCV – China Concept Vehicle). Машина, чем-то похожая на Citroen 2CV, имела лонжеронную стальную раму, на которую навешивались панели из полиэтилена. В итоге китайцы отдали первое место одному из своих многочисленных брендов, а в Крайслере продолжили исследования.
В результате в 1998 году родился концептуальный родстер Plymouth Pronto, который имел легкую пространственную раму с прикрепленными к ней панелями из «бутылочного» пластика, но посетители и журналисты, узнав о материале, почти сразу высказывались о подобной затее негативно, и в итоге совет директоров отказался продлевать финансирование проекта, сославшись на его бесперспективность. Впрочем, в наши дни при изготовлении обивки сидений и отделки потолка новых пикапов Ford F-150 применяется волокно REPREVE, для изготовления которого используются переработанные пластиковые бутылки.
Фарфор
Этот хрупкий и легко бьющийся материал чаще встречается у нас на кухне, чем на кузовах автомобилей. Впрочем, сказав «автомобилей», мы погорячились. Компания Bugatti при содействии Королевской мануфактуры фарфора в Берлине (Konigliche Porzellan-Manufaktur) в 2011 году представила уникальную версию родстера Veyron Grand Sport под названием «L’Or Blanc» («Белое золото»). Построенный в единственном экземпляре автомобиль стоимостью 1 650 000 евро получил уникальную двухцветную окраску кузова с нанесенным фарфоровым орнаментом. Помимо него, фарфоровыми стали крышка бензобака и колпачки колесных дисков, а в салоне появились вставки на панели приборов и передней панели и небольшой фарфоровый ящик из того же материала. Каждую деталь, вплоть до колпачков, украшает слон, стоящий на задних лапах, – символ автомобилей Этторе Бугатти, который венчал решетку радиатора довоенных автомобилей. Кстати, еще одну статуэтку слона из фарфора высотой 30 сантиметров счастливый обладатель суперкара получил бесплатно, а вот коллекционерам редких вещей придется выложить почти 30 000 евро.
В наши дни производители всё больше задумываются о применении экологически чистых биоразлагаемых материалов в машинах. Не забыто и сырье, прошедшее переработку, что позволяет экономить, например, на алюминии и стали. Кроме того, стальные детали понемногу замещаются более дешевым пластиком, который легко заменить при повреждении, к тому же он легче и не ржавеет. Ну а большинство суперкаров, выпускающихся в наши дни, имеет кузова с применением высокопрочных композитных материалов, например, углепластика или кевлара.