8 (495) 988-61-60

Без выходных
Пн-Вск с 9-00 до 21-00

Современные материалы в автомобилестроении


Новые материалы в автомобилестроении

Новые материалы в автомобилестроении

Государева Надежда Семеновна

Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам  их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др.

 Основой конструкционных материалов стали металлические сплавы на основе железа,  меди, олова, свинца. Дальнейшее развитие техники, когда главным требованием, предъявляемым конструкционным материалам, стала высокая удельная прочность, предъявило новые требования. Широкое распространение получили малолегированные стали, алюминиевые, титановые и  магниевые сплавы, жаропрочные сплавы на никелевой и кобальтовой основах.

В настоящее время в автомобилестроении основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. Так в США средняя масса легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г – 1350 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются и в Европе.

Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.

Широкое применение в автомобилестроении получили новые композиционные материалы на основе углеродных волокон.

Материалы из углеволокнаобладают рядом уникальных характеристик и свойств и имеют наилучшее соотношение «цены и качества».Наиболее важное достоинство углеволокна — необычайно легкий вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия.

Углепластик (карбон) имеет невероятные свойства. По прочности он превосходит сталь в 12,5 раз.

В настоящие время материалы из углеволокна используются при создании практически любого узла автомобиля. Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают бамперы, обтекатели, спойлеры; элементов внутренней отделки салона автомобиля: торпеда, декоративные панели салона; элементов защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля.

Наряду с углепластиком в автомобилестроении используется такой композитный материал как стеклопластик. Его широко применяют в производстве внешних панелей кузовов (передних и задних) автобусов, троллейбусов, элементов внутреннего интерьера, элементов аэродинамических обводов, подкрылок, бамперов автомобилей, багажников на крышу, приборных панелей. Популярность применения стеклопластиков обусловлена его более высокими физико-механическими свойствами по сравнению с другими типами термопластов и пластмасс. Это и более высокая прочность и стойкость к образованию царапин; постоянность структуры материала при низких и высоких температурах; относительно небольшой вес стеклопластиковых изделий; стойкость к вибрационным нагрузкам и ударам.

Керамические композиты (керамокомпозиты)–имеют керамическую матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую арматуру.
Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь, свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее высокий уровень рабочих температур композиционных материалов. Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет высокий уровень прочностных свойств на сжатие.
Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику к металлическим материалам привели к разработке керметов, т. е. материалов, имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50 % - керамика, а остальное - металл). Более эффективным является введение в керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Наиболее часто для упрочнения керамики используются волок­на вольфрама, молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны по сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки, сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов.

Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации.
Поэтому в керамических композиционных материалов в качестве армирующих элементов часто используют керамические волокна. Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем: малое различие модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жаростойкость керамических волокон. Эффективными армирующими элементами керамического типа в композиционных материалах являются волокна карбида кремния, углеродные волокна. Матрицами в углекерамических материалах могут служить боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла.

Армированные композиты с керамической матрицей применяются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, а также составляющих броневых элементов. Композиты, наполненные микро- и наночастицами специальных добавок, используются в режущих кромках инструментов, в качестве износостойких материалов, а также материалов пломб в стоматологии.

Интерметаллиды – новый класс материалов (химические соединения металлов), которые по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30% ковалентной связи, что и определяет их физико-механические свойства: высокую  жаропрочность, низкую плотность и возгораемость в кислороде, высокую  износостойкость. Интерметаллидные сплавы называют материалами следующего поколения, так как этим сплавам присущ   эффект запоминания формы. Этот эффект  проявляется в том, что после придания образцу определенной формы при повышенной температуре ему придают новую форму пластической деформацией при более низкой температуре, а после нагрева исходная форма образца (детали) восстанавливается.

К настоящему времени известно более  100 сплавов с эффектом памяти формы. Однако из этого общего числа только интерметаллид  NiTi и сплавы с легирующими элементами на его основе нашли наибольшее практическое применение.

  Интерметаллид NiTi хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии.  Из него можно получать всевозможные полуфабрикаты: листы, ленту и фольгу различных толщин, прутки, проволоку разных сечений, трубы. Эти полуфабрикаты можно получать с различными температурами восстановления формы: от -100; -180 С до +60, +120 С. Кроме этого, никелид титана обладает высокой демпфирующей способностью, хорошей износо- и коррозионной стойкостью.

Основное применение интерметаллиды  NiTi  и сплавов на его основе связано с приборо- и машиностроением, медициной, а  интерметаллидных сплавов на основе соединений Ti3Al, TiAl и NiAl во вновь создаваемых образцах новой техники, в том числе ракетно-космической, авиационной, автомобильной и др.

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.

Композиционные материалы в автомобильной промышленности (обзор) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678.8:629.331

П.Н. Тимошков1, А.В. Хрулъков1, Л.Н. Язвенко1

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (обзор)

DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-7-7

Применение композиционных материалов осуществляется во все более широких масштабах. В автомобилестроении композиционные материалы используются уже много лет, и с каждым годом объем их применения растет. Если раньше ПКМ использовались в основном в качестве отделки салона и в деталях, не несущих значительных нагрузок, то в настоящее время полимеры стали применяться в крупногабаритных корпусных деталях, а зарубежные компании, такие как BMW, Ford, Mercedes, Audi, и вовсе изготавливают автомобили, кузов которых полностью состоит из композитов.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы (ПКМ), препреги, углепластики, стеклопластики, автомобильная промышленность, автомобили.

The use of composite materials is increasingly on a large scale. In the automotive industry composite materials has been used for many years, and every year the level of usage is increasing. If previously, PCM was mainly used as interior trim in the parts not bearing a significant load, but now the polymers were used in large-size details, and foreign companies such as BMW, Ford, Mercedes, Audi and it made the car body which consists entirely of composites.

Keywords: polymer composite materials (PCM), prepreg, carbon plastic, fiberglass, automotive industry, cars.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]

Введение

В последние годы функции полимерных материалов в любой отрасли промышленности несколько изменились. Еще в 60-х годах прошлого столетия, благодаря предложению начальника ВИАМ, члена-корреспондента Академии наук СССР Алексея Тихоновича Туманова, в Советском Союзе началось создание полноценного производства композиционных материалов [1]. Полимеры стали применять для все более и более ответственных деталей. Так, из них изготавливают все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, в то же время все чаще полимеры применяются для изготовления крупногабаритных корпусных деталей, несущих значительные нагрузки. В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) стали одними из основных конструкционных материалов [2] - перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях изготавливают из полимеров, занял бы не одну страницу: кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей.

Композиционные материалы можно без сомнения отнести к наиболее перспективным продуктам как современного, так и будущего промышленного производства. Во ФГУП «ВИАМ» разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», аналитический обзор выполнен в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы», раздел 13.2. «Конструкционные ПКМ» [3].

Материалы и методы в автомобилестроении

Композиционные материалы - это в первую очередь продукция из углеродного волокна, которая используется, например, в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем применения таких материалов растет. Наиболее важное преимущество углеволокна - небольшая плотность и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали ив 1,8 раза легче алюминия. Использование композитов в автомобилестроении позволяет снизить массу транспортного средства на 20-25%, за счет 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 композиционных материалов, которые можно создавать с изначально заданными свойствами под определенные цели [4-12].

Признанными лидерами в промышленном освоении композиционных материалов в автомобилестроении стали Япония и США.

Первое, что позаимствовали конструкторы и разработчики у легкомоторной авиации - это возможность формировать кузовные панели из композитов практически любой формы и размеров. Неудивительно, что стеклопластики и углепластики моментально нашли свое применение в строительстве болидов «Формулы-1».

Значительное снижение массы кузова (почти вдвое) давало немалые преимущества, но за рекордные показатели пришлось платить значительным удорожанием и усложнением технологии изготовления. Кузов из стеклопластика или углепластика приходилось формовать практически вручную, с постоянным и непрерывным контролем всех технологических операций. Брак не допускался, каждая из панелей была штучным товаром, что-либо восстановить или исправить после формовки уже невозможно. Конвейерная сборка, даже самых элитных моделей, была основой любого автомобильного завода, иначе затраты на производство не покрывались доходами от реализации автомобилей. Даже такие неоспоримые преимущества, как экономия топлива, улучшение динамических свойств машин, гарантия на отсутствие коррозии на 50 лет, не были настолько привлекательными в глазах покупателей, чтобы платить за новинку двойную цену.

Анализ и испытания армированных стекловолокном композиционных силовых элементов неожиданно показали, что в роли несущих элементов конструкции, призванных поглотить основную энергию удара, композиты значительно уступают металлу - как минимум в 2 раза. Можно было бы подвести итог - внедрение пластиков и пластмасс в конструкцию автомобиля не принесло желаемого эффекта и оставило основные доминирующие позиции за высококачественной сталью и легкими сплавами.

Возвращение разработчиков к применению композиционных материалов отмечено экспертами совсем недавно и совпало с появлением на рынке гибридных автомобилей и «чистых» электромобилей. Электрический привод в большинстве перспективных моделей подразумевает наличие значительной дополнительной массы электробатарей или топливных элементов. Ресурс, пробег и динамические качества

электромобилей жестко зависят от массы машины. При этом модели, рассчитанные на эксплуатацию в городских условиях, выполнены с высоко поднятым центром тяжести и маленьким расстоянием между осями. Небольшие габариты машины позволяют легко находить место для парковки и протискиваться в автомобильных пробках. Высокий центр тяжести приводит к склонности автомобиля к повышенной опрокидываемости. Композиционные материалы снижают массу конструкции практически до 30%, а тяжелые батареи, расположенные в максимально низком положении, смещают положение центра тяжести машины до гарантированно безопасного. В этом случае применение композиционных материалов дает ощутимый экономический эффект.

Изменились также технологии производства деталей из композитов. В настоящее время они изготавливаются (как и металлические узлы) на роботизированных линиях. Для упрощения монтажа в точках сопряжения с другими деталями при формовке узла запрессовываются металлические элементы крепежа. Такой способ позволяет применять сварку, болтовое и клепаное соединения. Любые колебания и знакопеременные нагрузки воспринимаются такими изделиями (так же как металлическими) без риска развития усталостных трещин и расслоения панелей [13].

Наблюдая технический прогресс в области развития и применения композиционных материалов, можно уверенно констатировать, что в ближайшем будущем появятся серийные автомобили с полностью композитным кузовом и многими узлами и агрегатами.

Рассмотрим каков прогноз развития применения ПКМ в автомобильной промышленности. Специалисты компании ШБ (штат Колорадо, США) прогнозируют, что применение полимеров в автомобилестроении будет расти (рис. 1).

2016 2020 2025 2030

Голы

Рис. 1. Прогноз применения углеродных композитов до 2030 г.

В настоящее время в среднестатистическом автомобиле содержится -200 кг того или иного вида пластических масс, но уже к 2020 г. этот показатель превысит отметку в 350 кг. Такие данные приводит аналитическая компания ИБ. Но еще больший прогресс ожидается в сегменте углепластиков - их применение к 2030 г. вырастет в 3 раза - с 3,4 до 9,8 тыс. тонн.

Специалисты компании ШБ также отмечают, что индустрия автомобилестроения является быстрорастущей и очень привлекательной отраслью для химической промышленности. Если в 2003 г. производство автомобилей составляло 56,9 млн автомобилей в год, то к 2020 г. этот показатель вырастет до 104,1 млн. Как и во многих других отраслях, рост данного рынка в основной своей массе будет обеспечен Китаем [14].

Применение в автомобилестроении деталей и узлов, производимых на основе полимерных и композиционных материалов, с каждым годом расширяется. В настоящее время в структуре сырья для автокомпонентов доля полимеров (в % от стоимости среднестатистического автомобиля) находится на третьем месте после металлов (рис. 2).

Применение пластиков при производстве технических изделий обеспечивает: снижение массы конструкции при ее высокой прочности; высокий уровень безопасности по электрической прочности - трекингостойкости и дугостойкости; высокий уровень стойкости к УФ излучению; возможность использования красителей для создания цветовой гаммы изделий.

10% Прочее

10% Цветные-металлы

Мстил (продукция

16« Пластик

Рис. 2. Материалы, используемые в автомобилестроении

Использование ПКМ в автомобиле позволяет снизить его массу на 15-30%, а снижение массы на 100 кг приводит к снижению расхода топлива на 0,5 л на каждые 100 км. Конечно, высокотехнологичные конструкционные полимеры не экономичнее стали или алюминиевого сплава и процесс формования деталей из полимеров длительнее, чем штамповка стального листа, однако им не требуется защита от коррозии.

По сравнению с американскими производителями автомобилей, у которых доля полимеров в общей массе среднего легкового автомобиля составляет 11-13%, в легковых автомобилях российского производства эта цифра всего 4-9% (рис. 3).

Модель

FIAT BrJvo

Vsjan Aimera Cliitfc

НМЛ'5

fort MondeoIV

Greift Wat Pmi

Kaiina

Uda

Priora

211}

Класс

Рис. 3. Весовое содержание полимеров в различных моделях автомобилей

Как утверждают эксперты, это обстоятельство обусловлено двумя основными факторами. С одной стороны, низкую долю полимерных комплектующих в условно современных моделях отечественных марок (Lada Kaiina, Lada Priora) можно объяснить достаточно консервативным подходом при разработке этих моделей. При разработке новых отечественных автомобилей дизайнеры и инженеры вынуждены учитывать как реальное состояние локального рынка автокомпонентов, так и технические возможности существующих автозаводов: не рекомендуется закладывать в проект нового крупносерийного автомобиля использование деталей и материалов, которые невозможно изготовить даже в будущем. Так, на небольшую долю полимеров в отечественных моделях косвенно влияет низкий технологический уровень развития индустрии пластиковых автокомпонентов. С другой стороны, производителям автокомпонентов невыгодно брать в серийное производство те или иные полимерные детали, если партия таких деталей будет ниже некоего экономически оправданного минимума, т. е. индустрия локальных автокомпонентов не получает должного стимула для развития в том числе и потому, что отечественный автопром не производит достаточно много автомобилей [15].

По сравнению с работниками отечественного автопрома зарубежные коллеги чувствуют себя более уверенно в этой области.

Компания BMW инвестировала 533 млн долл. в освоение промышленного производства модели электромобиля i3. Кузов нового электромобиля BMW i3 в значительной степени выполнен из углепластика, что дало возможность увеличить массу электрической батареи на 250-350 кг. Фактически кузов сделан из синтетического материала, усиленного углеволокном. Кузов из такого материала на 50% легче стального и на 30% - алюминиевого. Структурные элементы из нового материала могут легко комбинироваться с алюминиевыми кузовными панелями или металлизироваться (рис. 4) [16].

Рис. 4. Автомобиль марки BMW

В 2013 г. компания Ford представила легковую модель Fusion, которая оказалась на 25% легче своего серийного предшественника за счет применения углеволокна для силовых конструкций сидений, панели приборов и картера. В настоящее время концерн Ford совместно с химической компанией DowAksa и американским центром инноваций реализует крупный проект по созданию принципиально нового средства передвижения с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Идея основана на широком использовании в автомобиле углеродных волоконных композитов.

Первые позитивные результаты уже нашли отражение в модели Ford GT. Эксперты отмечают улучшенную управляемость и быстрый разгон машины, чего трудно добиться без придания отдельным компонентам повышенной гибкости и жесткости. Из углепластика изготовлен кузов. Колесные диски представлены специальными алюминиевыми сплавами. Это дало возможность снизить массу болида на 12%. Всего же концерн предполагает уменьшить массу крупногабаритных кроссоверов на 300 кг. Наноматериалы использованы в автомобильной краске, что предотвращает порчу поверхности от царапин и мелких сколов.

Углеродное волокно также применяет концерн Mercedes, детали из которого внедряются для замены стальных компонентов. Из них изготавливают корпуса моторов и несущей системы балочной конструкции. В обновленной серии модели SL65 Black Series благодаря нововведениям масса кара снизилась на -170 кг, что позволило повысить эффективность автомобиля в целом.

Специалисты автомобильного гиганта Audi также много внимания уделяют расширенному применению в своей продукции ПКМ. Так, в концерне намерены все пружины выполнять из особо прочных стекловолоконных полимеров. Новые разработки только этих компонентов приведут к снижению массы пружин на 40%, а машины - на 5 кг, соответственно уменьшится расход топлива. Помимо стекловолокна в изделиях будут применяться углеродные пластики и алюминиевые сплавы. В настоящее время новые конструкционные материалы проходят апробацию в деталях для средних седанов, но в скором времени из них предполагается изготавливать пружины для тяжелых грузовиков, работающих в условиях повышенных нагрузок. Такие материалы нуждаются в особой прочности, эластичности и жесткости. С этой задачей можно справиться с помощью скрученных стекловолокон, усиленных эпоксидной смолой и другими компонентами. Пружины из сложных высокотехнологичных ПКМ в отличие от стальных не подвержены коррозии, нейтральны к реагентам и химикатам, используемым на автомойках. Помимо этого, такие пружины экономичнее при изготовлении, так как процесс менее энергетически затратный. Для их выпуска не нужны большие мощности со сталеплавильными печами, а достаточно небольших цехов [17].

Научно-производственное объединение «Урал» (г. Челябинск, Россия) для завода «КамАЗ» поставляет 20 наименований деталей, выполненных из углепластика (рис. 5). Например, одной такой деталью является баллон высокого давления для автомобилей, работающий на газовом топливе. Таких баллонов на каждой машине шесть штук, они используются в системе торможения. В настоящее время основной проблемой при применении стальных экземпляров является то, что они ржавеют, а детали, изготовленные из композитов, будут по сути «вечными» [18].

Рис. 5. Композиционные материалы в автомобилестроении

В России выпускаются многоосные колесные машины высокой проходимости, такие как ЗИЛ-БАЗ-135 с кабиной, мотоотсеком и облицовкой из композиционных материалов и плавающая колесная машина ЗИЛ-1Э5П с несущим (безрамным) корпусом из композитов. Опыт создания из ПКМ многочисленных деталей: корпусов, кузовов, рам, кабин, рессор, топливных баков, ободьев колес и т. д. - доказывает широкие возможности применения композитов в колесных машинах [19].

В автомобиле нового поколения «Урал NEXT», производство которого началось в 2015 г., применены современные литьевые полимеры, имеющие высокие механические свойства и обеспечивающие технологичность производства, - полиамид (PA) и полидициклопентадиен (PDCPD) - см. таблицу. Применены пластики в основном российского производства. На организованном автозаводом «Урал» летом 2016 г. тест-драйве в условиях, максимально приближенных к реальным, его участники, помимо прочего, испытывали полимерный капот грузовика на прочность - ударяли по нему тяжелыми молотками несколько десятков раз, при этом ни малейшего следа деформации на капоте не возникло [20].

Доля ПКМ в отечественных автомобилях

Марка автомобиля Доля композитов в автомобилях, кг

Lada 94-98

Кировец К-744Р 150-160

КаМаЗ 40

Урал 40

Во ФГУП «ВИАМ» разработан углепластик ВКУ-45/3692 на основе равнопрочной углеродной ткани (арт. 3692) и стеклопластик ВПС-53/Т-25 на основе ткани типа Т-25 и эпоксидного связующего ВСЭ-34. Материалы предназначены для применения в конструкциях скоростной несущей системы вертолетов, а также могут использоваться для изготовления нагруженных частей автомобиля (корпус, кузов, рамы, рессоры).

Заключение

Композиционные материалы - самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная прочность, пластичность, термостойкость, малая плотность - эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы - дерево, металлы, камень. Композиты интенсивно входят в привычный мир каждого человека, их применение в автомобилестроении, авиастроении и других отраслях экономики с каждым годом увеличивается.

Таким образом, можно сделать вывод, что для продолжения дальнейшего успешного внедрения композиционных материалов в автомобилестроении необходимо решить несколько задач. Во-первых, сократить цикл изготовления деталей до нескольких минут, что позволит осуществлять их массовое производство и снизить количество необходимого оборудования. Во-вторых обеспечить их приемлемую рыночную стоимость, что связано как с решением первой задачи, так и со снижением стоимости исходных материалов. И наконец, необходимо создать современные автоматизированные производства, на которых будут работать специалисты по проектированию и разработке современных технологических процессов, а также по сопровождению конструкций из полимерных композитов на протяжении всего жизненного цикла - вплоть до утилизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H. В истории ВИАМ Петр Дементьев занимает особое место // Крылья Родины. 2017. №1. С.1-2.

2. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.

3. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

4. Каблов E.H. Материалы нового поколения - основа инноваций, технологического лидерства и национальной безопасности России // Интеллект & Технологии. 2016. №4. С. 41-46.

5. Каблов E.H. Материалы и технологии ВИАМ для «Авиадвигатель» // Пермские авиационные двигатели: информ. бюл. 2014. №31. С. 43-47.

6. Каблов E.H. О настоящем и будущем ВИАМ и отечественного материаловедения: интервью // Российская академия наук. 2015. 19 янв.

7. Каблов E.H. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. №1. С. 36-39.

8. Каблов E.H., Чурсова Л.В., Бабин А Н., Мухаметов P.P., Панина H.H. Разработки ФГУП «ВИАМ» в области расплавных связующих для полимерных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2. №2. С. 37-42.

9. Душин М.И., Хрульков A.B., Мухаметов P.P. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20-26.

10.Чурсова Л.В., Душин М.И., Хрульков A.B., Мухаметов P.P. Особенности технологии изготовления деталей из композиционных материалов методом пропитки под давлением // Композиционные материалы в авиакосмическом материаловедении: сб. тез. докл. межотрас. науч.-технич. конф. М.: ВИАМ, 2009. С. 17.

11.Хрульков A.B., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292-301.

12. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №4. Ст. 7. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 03.04.2017).

13.Vicari A. Will Carbon Fiber Find Widespread Use in the Automotive Industry? // Composites today. 2015. №3. P. 3-10.

14. Мирный M.M. Автомобили будущего будут на 75% из пластика // Композитный мир. 2015. №3. С. 5-10.

15. Мирный М.М. Автомобилестроение как драйвер спроса на полимерную продукцию // Информационно-аналитический справочник. 2014. С. 15-18.

16. BMW оригинальным образом оказались впереди по конструкции новой 7-серии. Хитрый ход Баварии // 1gai.ru: информационное издание [Электронный ресурс]. URL: http://www.1gai.ru/techno-cars/514689-bmw-originalnym-obrazom-okazaHs-vperedi-po-konstrukcii-novoy-7-serii.html (дата обращения: 17.04.2017).

17.Новые композитные материалы в автомобиле - применение конструкции // Ремонт Пежо: ремонт Пежо своими руками [Электронный ресурс]. URL: http://remontpeugeot.ru/avtozhizn/ novye-kompozitnye-materialy-v-avtomobile-primenenie-konstrukcii.html (дата обращения: 18.04.2017).

18. Кичигин A.C. Пластмассовая эволюция // Нефтехимия РФ. 2016. №2. С. 1-4.

19. Сабитов A.A. Применение в автомобилестроении композиционных материалов. Иркутск: Иркутский техникум машиностроения, 2016. С. 5-6.

20. Фурсова И. Кувалдой по капоту //Российская газета: офиц. сайт [Электронный ресурс]. URL: https://rg.ru/2016/05/26/avtoprom-budushchee-rynka-za-avtomobiliami-iz-polimerov.html (дата обращения: 18.04.2017).

Материалы в автомобилестроении | Автомобильный справочник

  Осаждения и покрытия используются, чтобы приспособить поверхностные свойства ком­понентов к особым требованиям, например, для обработки поверхности. Таким образом, возможно сделать так, чтобы компонент, вы­полненный из вязкого, дешевого материала, получил твердую износостойкую поверх­ность. Вот о том, в чем заключаются процессы […]

Материалы в автомобилестроении > Осаждения и покрытия >

  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 […]

Материалы в автомобилестроении > Коррозия и защита от коррозии >

  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 […]

Материалы в автомобилестроении > Свойства пластмасс >

  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 >

  Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.       Свойства металлов   Свойства металлов […]

Материалы в автомобилестроении > Свойства металлов >

  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 […]

Материалы в автомобилестроении > Стандарты EN по металлургии >

  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 >

Применение композиционных материалов в автомобилестроении

Применение композиционных материалов в автомобилестроении.

Иринчеева Е.В.,

ОГОБУ СПО ИТТриС г. Иркутск

Развитие автомобильной промышленности, повышение требований к качеству и безопасности используемых материалов требует создания и применения новых композиционных материалов. В настоящее время композиционные материалы используются при создании практически любого узла автомобиля. Есть даже концепт-кары, корпус которых целиком состоит из композиционных материалов. На основе композитов разработано большое количество конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам композиты обеспечивают изделию и конструкции высокую прочность, износостойкость, жесткость и в то же время легкость и малый вес. В настоящее время в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями. Компонентами композитов также являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители.

Что такое композиционные материалы?

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители).

Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают бамперы, обтекатели, спойлеры; элементы внутренней отделки салона автомобиля: декоративные панели салона; элементы защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля.

Отдельно надо сказать о материалах из углеродного волокна. Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Такие материалы используются в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем их применения значительно растет. Наиболее важное достоинство углеволокна — необычайно легкий вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Экономия горючего достигается путем снижения массы автомобиля, а также благодаря повышению эффективности работы двигателя.

Для повышения экономичности автомобиля на 0,0042 км/л необходимо снизить его массу приблизительно на 7 кг. Это означает, что для достижения контрольных цифр по расходу горючего только путем снижения массы автомобиля требовалось уменьшить ее за 7 лет приблизительно на 660 кг. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

В 1977 году фирма "Форд" сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый экземпляр такого автомобиля был создан в1979 году. В опытной модели "Форд LTD" 1979г. из углепластиков и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т.е. примерно наь33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т.е. примерно на 35%.

Начало применению углеродных волокон в нашей стране было положено Министерством среднего машиностроения СССР в 70-х годах прошлого века, но в настоящее время это производство, по сравнению с мировым, выглядит скромно - мощность существующих заводов Росатома составляет только 500 тонн углеродного волокна в год. Новое предприятие сможет производить продукции, сопоставимой по качеству с зарубежными аналогами, в 3 раза больше. Россия намерена в ближайшие годы завоевать ведущие позиции на мировом рынке композиционных материалов. В первом квартале 2013-го будет пущен в эксплуатацию завод по переработке углеродного волокна «Алабуга-Волокно», который является совместным проектом ХК «Композит» и госкорпорации «Росатом».

Композиционные материалы — самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная прочность, пластичность, термостойкость, малый вес — эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы — дерево, металлы, камень. Композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека, ведь из них создаются многие предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ. Также применяются композиционные материалы в автомобилестроении, авиастроении и других отраслях экономики. Автомобилестроение, наука и техника, современные космические технологии и авиастроение — далеко не полный список применения композиционных материалов. Благодаря своим улучшенным физическим свойствам, технологичности изготовления, а также универсальности в применении, композиты уже нашли свою нишу в производстве многих товаров народного потребления. Этот список постоянно расширяется, что определяет постоянное развитие и поиск новых решений в применении композиционных материалов.

Литература:

  1. Адаскин, А.М. Материаловедение (металлообработка) Текст: учебное пособие, серия начальное профессиональное образование / А.М.Адаскин, В.М.Зуев. – М.: Издательский центр Академия,2008. – 288 с

  2. Богодухов, С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах Текст: учебное пособие/ С.И.Богодухов, А.В.Синюхин, В.Ф.Гребенюк. – М.: Издательство Машиностроение, 2006 г.- 256 с.

  3. Заплатин, В.Н. Основы материаловедения (металлообработка) Текст: учебное пособие для НПО / В.Н. Заплатин, Ю.И. Сапожников, А.В. Дубов - Издательство: Академия, 2010 г., 256 с.

  4. Рогов, В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки Текст: Учебное пособие / В.А. Рогов, Г.Г. Позняк – ОИЦ «Академия», 2008. – 336 с.

  5. Стуканов, В.А. Автомобильные эксплуатационные материалы Текст: Учебное пособие. Лабораторный практикум / В.А. Стуканов - М.: ИД «ФОРУМ» ИНФРА-М, 2006.- 208 с.

Из чего изготавливают кузов автомобиля? Какие материалы используются при производстве?

Добрый день, сегодня мы расскажем о том, из чего изготавливают автомобильный кузов, какие материалы применяют при производстве, а также при помощи, каких технологий осуществляется этот важный процесс. Кроме того, узнаем, какие существуют основные разновидности металлов, пластика и прочих материалов, которые зачастую используются при производстве элементов кузова транспортного средства, а также рассмотрим, какими преимуществами с недостатками обладает то или иное сырье в отдельности каждого вида. В заключении мы поговорим о том, какой материал на сегодняшний день является самым востребованным у автопроизводителей, а также от чего зависит качество и долговечность готового кузова машины.



 

 КАК СОБИРАЮТ АВТОМОБИЛИ LEXUS И TOYOTA?


Кузов любого автомобиля играет роль несущей конструкцией, в котором использовано при производстве огромное многообразие различных материалов и комплектующих. Чтобы кузов машины отслужил свой срок службы надежно, а также качественно, необходимо понимать, как за ним правильно следить и эксплуатировать. Чтобы это понимать, нужно знать из чего изготовлена несущая конструкция транспортного средства, а также какая технология сварки и производства применялась. Благодаря этой информации, мы сможем без труда определить преимущества и недостатки того или иного типа кузова. 

Справочно заметим, что для изготовления кузова нужны сотни отдельно взятых запасных частей, компонентов и деталей, которые затем необходимо очень точно, а также грамотно соединить в единую конструкцию, которая будет объединять в себе все элементы транспортного средства. Чтобы изготовить прочный, при этом безопасный, легкий и по приемлемой стоимости кузов современного автомобиля, нужно постоянно искать различные компромиссы, а также новые технологии с материалами.

1. Изготовление кузова автомобиля из стали: преимущества и недостатки

Большинство кузовов автомобиля, а точнее его детали изготавливается из разных сортов стали, алюминиевых сплавов и даже пластмассы с добавлением стекловолокна. Но основным материалом на сегодняшний день все же выступает низкоуглеродистая листовая сталь с примерной толщиной в 0,7-2 миллиметра. Благодаря использованию тонкого листа стали, автопроизводителям удалось уменьшить общую массу транспортного средства и при этом увеличить жесткость кузова.



Высокая прочность кузова получается благодаря специальным свойствам и составу стали, а также его способностью к глубокой вытяжке, то есть можно изготавливать детали сложных форм. Кроме того, нельзя забывать, что новые технологии в сварке помогают получать высокотехнологичные соединения. Однако сталь обладает высокой плотностью и слабой коррозионной стойкостью, поэтому такой материал требует специальных дополнительных мероприятий для защиты от коррозии.


В процессе создания кузовов из стали, задача конструкторов заключается в том, чтобы наделить материал прочностью и обеспечить высокий уровень пассивной безопасности. Задача технологов заключается в правильном подборе состава стали, его сочетание с другими сплавами и компонентами, чтобы материал был хорошо штампуем. Задача же металлургов заключается в том, чтобы правильно отлить нужную по составу и качеству сталь. Справочно заметим, что ежегодно разрабатываются десятки новых сортов и марок стали, которые позволяют упростить производство, а также получить заданные специалистами свойства несущей конструкции транспортного средства.

Как правило, изготовление кузова происходит в несколько стадий производственного процесса. Первоначально происходит изготовление, а затем прокатка стальных листов, которые обладают разной толщиной. После этого листы подвергают штамповке для создания определенных деталей машино-комплекта. На заключительной стадии готовые отштампованные детали свариваются специальным методом и собираются в единый несущий узел, он же кузов. Справочно заметим, что почти вся сварка на автозаводах производится специальными высокоточными роботами.

Положительные стороны стали при производстве автомобильных кузовов:

- низкая стоимость материала в сравнении с другим сырьем;


- четко отработанная технология изготовления и утилизации материала;


- оптимальная ремонтопригодность готового кузова.


Отрицательные стороны стали при производстве автомобильных кузовов:


- высокая масса материала и готового кузова;


- в обязательном порядке рекомендуется антикоррозионная обработка для защиты от коррозии и ржавчины;


- потребность в специальной штамповке и большом количестве штампов для скрепления деталей;


- не высокий срок службы готового кузова.



Что касается негативных сторон при производстве кузова из стали, то благодаря постоянному совершенствованию технологий изготовления автомобильных деталей, а также процесса штамповки, данный материал становится наиболее оптимальным для автопроизводителей. На сегодняшний день, доля высокопрочных сталей в структуре кузова постоянно увеличивается. Сегодня большинство автопроизводителей применяют сверхвысокопрочные сплавы стали нового поколения. 

К таким видам материала относят такую марку стали, как TWIP, которая содержит большое количество марганца в своем составе, доля вещества может доходить до 25 процентов. Сталь такого типа обладает высокой пластичностью, устойчивостью к частым деформациям, благодаря чему материал можно подвергать относительному удлинению. Удлинение "ТВИП-стали" может происходит на 50-70 процентов, а пределом прочности служит показатель в 1450 МегаПаскаль. Для сравнения, прочность обычной стали составляет не более 250 МегаПаскаль, а высокопрочной до 600 МегаПаскаль.



 

 ЧТО ТАКОЕ КРУПНОУЗЛОВАЯ СБОРКА АВТОМОБИЛЕЙ?


2. Изготовление кузова автомобиля из алюминия: преимущества и недостатки

Что касается автомобильных кузовов из алюминиевых сплавов, то их стали производить совсем недавно, примерно около 15 лет назад, для промышленности это считается маленьким сроком. Как правило, алюминий в автомобилестроении применяют для изготовления отдельных частей кузова, реже всего целиком. В большинстве случаев алюминий используется для производства капотов, крыльев, дверей, крышки багажника, а также прочих элементов и деталей.



Автопроизводителями на сегодняшний день сплавы из алюминия используются в ограниченном количестве. Все это из-за того, что жесткость и прочность алюминиевых сплавов намного ниже, чем у той же стали. В связи с чем толщину деталей из этого материала производители увеличивают, поэтому значительного снижения массы готового кузова получить почти невозможно. Кроме того, такой параметр, как шумоизоляция у алюминиевых деталей также хуже, чем у элементов из стали, к тому же при производстве требуются более сложные процедуры, чтобы достичь оптимального акустического эффекта и добиться положительных характеристик кузова по этому показателю.

Что касается производственного процесса, на котором изготавливают готовый алюминиевый кузов, то он очень схож с ранее описанной процедурой создания несущей конструкции из стали. На первой стадии, детали из листа алюминия подвергают штамповке, а затем собираются в единый цельный узел. При сварке применяется аргон, детали соединяются при помощи специальных заклепок или клея. На завершающей стадии, основные участки будущего кузова подвергают точечной сварке, а затем к стальному каркасу, изготовленному из труб разного сечения, прикрепляются кузовные панели и машино-комплекты.

Положительные стороны алюминия при производстве автомобильных кузовов:

- появляется возможность производства кузовных элементов любой формы и сложности;


- масса готового алюминиевого кузова значительно легче стального, при равной прочности;


- материал легко подвергается обработке, процесс утилизации прост;


- высокая устойчивость к коррозии и ржавчине;


- низкая стоимость технологических процессов при производстве.


Отрицательные стороны алюминия при производстве автомобильных кузовов:

- высокая сложность ремонта деталей;


- при производстве используются дорогостоящие крепежи для соединения панелей;


- необходимость наличия специального высокоточного оборудования;


- намного дороже стали, в связи с высокими энергозатратами.



Алюминий обладает средней пластичностью и устойчивостью к разного рода деформациям. Такой материал не рекомендуется подвергать удлинению, в связи с тонкой номинальной толщиной. Пределом прочности алюминия служит показатель в 180-210 МегаПаскаль. Для сравнения, прочность стандартной стали составляет около 240-250 МегаПаскаль, а высокопрочной в районе 500-600 МегаПаскаль.

3. Изготовление кузова автомобиля из стеклопластика и пластмассы: преимущества и недостатки

Что касается производства кузова из стеклопластика, то имеется в виду такой материал, как волокнистый наполнитель, который специально пропитывается полимерными смолами. Как правило, материал такого вида используется для облегчения общей массы готового кузова. Самыми известными наполнителями, он же стеклопластик являются стеклоткань, кевлар и карбон.



Справочно заметим, что примерно 85 процентов пластмасс, которые применяются в автомобилестроении, приходятся на 5 основных видов материалов, такие как полиуретаны, поливинилхлориды, ABS-пластик, полипропилены и стеклопластики. Около 15 оставшихся процентов приходится на полиэтилены, полиакрилаты, полиамиды, поликрбонаты и прочие материалы.


Кроме того, из разных видов стеклопластика производят наружные панели кузовов, что в свою очередь обеспечивает значительное снижение массы готового транспортного средства. Например из полиуретана изготавливают подушки и спинки сидений, накладки противоударного типа и прочие компоненты. Буквально, как пару лет назад из стеклопластика начали в массовом порядке производить такие элементы кузова, как капоты, крылья, двери и крышки багажников.

Положительные стороны стеклопластика при производстве автомобильных кузовов:

- имея высокую прочность, деталь имеет небольшой вес;

- внешняя поверхность элементов обладает оптимальными декоративными параметрами;

- простота изготовления элементов, которые имеют сложную форму;

- имеется возможность производства деталей крупных размеров.


Отрицательные стороны стеклопластика при производстве автомобильных кузовов:


- сравнительно высокая цена на наполнители;

- высокие требования к точности форм, разметке и готовой детали;

- производство деталей осуществляется продолжительное время;

- высокая сложность в ремонте при повреждении деталей.



Справочно заметим, что довольно часто такие материалы, как поливинилхлориды используются для производства фасонных деталей, например рукояток, панелей приборов и прочие элементы. Зачастую поливинилхлориды применяют совместно с обивочными материалами, на примере разных тканей. Что касается полипропилена, то из него часто изготавливают корпуса фар, рулевые колонки, воздуховоды и прочие элементы. ABS-пластик используют для облицовки деталей, как интерьера, так и экстерьера автомобиля.



Видео: "Из чего изготавливают кузов автомобиля? Какие материалы используются при производстве?"


В заключении отметим, что автомобильная промышленность сегодня не стоит месте и старается развиваться лицом к покупателю, который хочет динамичную, экономичную, надежную, безопасную и при этом недорогую машину. Все это ведет автомобилестроение к тому, что в производстве транспортных средств применяются новые технологии и материалы, которые отвечают современным требованиям, а также стандартам.


БЛАГОДАРИМ ВАС ЗА ВНИМАНИЕ. ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА НАШИ НОВОСТИ. ДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ. 

Современное автомобилестроение — ликбез. Вводная часть / Habr


Автомобили интересны если не только лишь всем, то очень многим. По разным причинам.Заглянем в будущее
(В следующих нескольких абзацах — немного сухих тезисов, выгравированных шершавым языком научпопа)

В современном быстро меняющемся обществе мир автомобилестроения — один из локомотивов (не побоимся логической тавтологии) многих государственных экономик и, одновременно, «горнило техник наших дней».

Однако внимательный наблюдатель легко отметит некоторые разброд и шатания не только в огромном спектре мнений «о машинках», но даже и в самом понятийном аппарате, используемом в русскоязычном пространстве для любого общения на околоавтомобильную тематику.

«Доколе?!» — спросите вы. И будете правы — ситуацию необходимо исправлять.


Так сложилось, что автор около пяти лет проработал в немецком и европейском автомобилестроении в проектах, связанных с электромобильностью. Как и многое на нашей планете, изнутри эта вселенная выглядит несколько иначе, чем видится стороннему наблюдателю на первый взгляд.

Дальнейший текст — своеобразный итоговый конспект знаний и наблюдений, собранных автором из различных источников и из рабочего опыта.

В целях экономии времени всё будет шифром многое будет записываться тезисно — с само собой разумеющейся возможностью обсуждения написанного в комментариях.

Вроде бы всё.

Покатились! (привет, Гётеборг!)


0. Немного о «бортовом компьютере»


Граждане!

Пожалуйста, нигде и никогда в профессиональном общении не используйте определения "центральное управляющее устройство автомобиля", "бортовой компьютер автомобиля" или даже "центральный бортовой компьютер автомобиля"!

Причина сей просьбы банальна: такового устройства в подавляющем большинстве современных автомобилей с точки зрения архитектуры внутренних коммуникационных сетей попросту не существует.

По сути современное авто являет собой эдакую моторизированную компьютерную сеть с как минимум двадцатью специфическими микрокомпьютерами в своем составе. А в среднем — совсем даже с 30-40-50-60 членами сией сети.


Один из вариантов иллюстрации, представляющей обзорную структуру коммуникационных сетей автомобиля.
Таких картинок в сети — море, еслишто.

И устройство, показывающее вам всякие циферки и буковки в привычной для человеческого глаза форме, нередко совсем даже не является микрокомпьютером, первоочередным по важности для успешного передвижения транспортного средства из точки А в точку Б.

Называть же сей приборчик-визуализальчик «центральным бортовым компьютером» — это как именовать системный блок стационарного компьютера «процессором». В принципе можно, и даже вроде понятно — но слишком многих морально коробит.

Да, некоторые производители гордо именуют маленькое окошечко, расположенное за рулевой колонкой между тахометром и спидометром, высоким именем «бортовой компьютер» (на прошлой неделе, например, за этим занятием был замечен «Форд»).


Вот он, этот сеньор с гордыми амбициями

Но в повседневно-разработческой жизни никто такими высокими материями заморачиваться не будет, так как, как уже было сказано, компьютеров внутре — десятки.

И незачем выделять именно этот, хотя бы потому, что если он даже полностью устанет, мигнёт на прощание, отлючится и выпадет из гнезда на колени водителю — автомобиль всё так же продолжит своё движение, цинично игнорируя потерю.

Кстати, у VW этот же самый экранчик на немецком языке называется «Multifunktionsanzeige», что можно перевести как «многофункциональный дисплей» или «многофункциональная информационная панель» — и так оно будет честнее, как по мне.

1. Есть ECU, а есть ECU


Итак, в подавляющем большинстве профессиональных публикаций по автотематике под аббревиатурой «ECU» понимается «Electronic Control Unit» — общий термин для обозначения фактически любого управляющего устройства в автомобиле (помните, чуть повыше был дивный ряд в «30-40-50-60»? ;)

И очень-очень немногая часть публикаций, в которых речь идёт непосредственно о микропроцессорном блоке управления двигателем внутреннего сгорания, под таковой аббревиатурой будет воспринимать понятие «Engine Control Unit». И это обычно специально подчёркивается в начале публикации.

Мало того, иногда в переводе на русский язык аббревиатуру «ECU» начинают толковать как приснопамятный «бортовой компьютер», что уже вообще как-то некузяво.

Пример: статья 2017 года о знаменитых Миллере и Валасеке:

они представили подробный доклад с описанием техники взлома и опубликовали программный код для эксплойта автомобильного компьютера (ECU) с помощью передачи пакетов по шине Controller Area Network (CAN).
При этом в упомянутом докладе авторы много раз с разных сторон явно указывают, что «ECU» для них — это именно «еlectronic control unit», и этих юнитов в авто — туева хуча очень много (сами Миллер и Валасек, судя по всему для упрощения, просто называют красивой число 50).

Можете, кстати, при наличии интереса и внутреннего орфографически-грамматического дзена сами посмотреть на соответствующих форумах, какой вариант расшифровки полюбился горячим любителям чип-тюнинга в русскоязычном пространстве.

Поэтому, запомним: по умолчанию "ECU" = "Electronic Control Unit".

Ну, а на русском языке я бы эту сложносоставную материю предложил бы именовать как "ЭУУ" — "электронное управляющее устройство".

2. Automotive и automation


Лет так десять назад автор к своему некоторому удивлению осознал, что такие схожие слова "automotive" и "automation" обозначают вполне себе разные сферы человеческой деятельности.

Конечно же, исторически и логически между собой они имеют много общего — но всё-таки это разные миры.

Значит, закрепляем:

  • "Automotive" — это всё, что связано с автомобильной тематикой (непосредственные производители, их поставщики, производители всяческого-всяческого околоавтомобильного ПО, стандарты, регуляционные предписания и т.д., и т.п.).

  • "Automation" — это, как понятно из названия, всё, что связано с автоматизацией (производства в первую очередь, но не только) — то есть здесь и ТАУ, и конвеерные линии, и всяческие виды приводов, и IoT, и дигитализация, и прочее Industry 4.0, и все-все-все.

3. OEM & Automotive Supplier (Automobilzulieferer)


В автомобильном мире всё очень просто и не так, как в других мирах:
  • "ОЕМ" — непосредственно сами автопроизводители, которые выпускают автомобили: т.е. Toyota, VW, BMW, Daimler, Audi, Ford, Opel, Honda, AvtoVAZ и т.д.

  • "Automotive Supplier" (нем. "Automobilzulieferer") — все остальные, кто поставляет что-то для OEM.

Естественно, в обиходе говорится короче: "Supplier"/"Zulieferer".

Есть ещё такие градации, как «Tier-1 supplier», «Tier-2 supplier» и пирамида с Маслоум «пирамида поставщиков» («Zulieferpyramide»/«supply pyramid») в общем — но это уже классификационные частности.

4. Иногда все любят покороче


Человеческий мозг, как известно, крайне ленив стремится экономить ресурсы.

Этому правилу подчиняется и повседневная жизнь автомобильного мира: всем попросту лень каждый раз выговаривать и/или писать какие-нибудь длинные многослоговые названия, поэтому все стараются всё сокращать.

Это приводит к тому, что вместо длинных напыщенных названий, так же, как и в русском языке (внезапно!) радостно используются всяческие сокращения (всякие «AG» здесь опускаю по умолчанию).

Вместо "Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft" — "BMW" (даже «BMW AG» уже содержит ненужный хвост, поэтому его — вон!)

Вместо "Continental" — "Conti" (да-да, именно «Коньти» — привет печенькам «Киев-Коньти» из студенчества пятнадцатилетней давности!)

"Daimler" и так уже достаточно краток, его не трогают.

"Bosch" — тоже вполне краток.

"VW" — тут вообще без слов.

"VAG" — почти как "VW", только корпорация.

Вместо "Volvo Car Corporation" — "VCC" (и не забывайте, что "Volvo Trucks" — это вообще совсем отдельная корпорация ныне, хоть они на родине, конечно же, плотно соприкасаются рукавами).

Вместо "ZF Friedrichshafen" — "ZF".

Вместо "Siemens AG" — "SAG".

"Magna" — так и есть.

"Schaeffler" немцы могут написать как "Schäffler" — экономим знак, как-никак.

"Hyundai Mobis" — логично, что просто "Hyundai".

И так далее.

5. На пике внимания: электромобили


В дальнейшем, дабы обобщить текст, под определением «электромобили» будет так же, как и со стороны немецкого правительства, пониматься не только «чистое электроприводное решение», но и все варианты гибридных версий.

По сути и технически дальность поездки на электроприводе зависит в основном от ёмкости силовой батареи, а принципиального различия между «Приусом» и непрокачанной BMW i3 (привет, Boomburum !) — попросту нет.

Кстати, если вам интересно профессиональное мнение о состоянии электрических сетей, всяческим проблемам со стороны энергопоставок, и прочим темам низко-, средне- и высоко-напряжённым — то одним из лучших адресатов со свежайшей информацией будет на «Гиктаймз» и «Хабре» коллега idiv.


На сегодня прервёмся.

А напоследок хотелось бы напомнить/заметить, что в текущем сообществе:

  • товарищ parakhod обладает массой знаний по хитрым стендам моделирования для европейской автомобильной промышленности в частности — и embedded-разработке для оной промышленности в общем;

  • товарищ nad_oby в своё время до покупки их «Интелом» работал в «Mobileye» (компьютерное зрение) — но самое интересное ему, наверное, рассказывать низзя;

  • товарищ old_gamer недавно самоотверженно катался для всех на «Тесле» — и интересны апдейты, шо оно там, и как;

  • товарищ mrKron опубликовал немало статей, связанных одновременно с IoT и автомобильной тематикой;

  • товарищи ArturStepanov и MariyaVasina могли бы чего-нибудь эдакого написать со стороны BMW AG — но почему-то не пишут...

  • за вдохновение в стилистике написания статей отдельное спасибо товарищам Boomburum, Milfgard и Meklon! =D

Кого забыл упомянуть — не взыщите, к замечаниям и комментариям автор всячески открыт.

P.S. Заметьте, и ни слова о блокчейне!

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.

Новые материалы в автомобилестроение

«Легкость» автомобилей, достигаемая путем использования частей из магния может наряду с другими достоинствами увеличить скорость машины и улучшить сопротивление удару.
Понижение массы машины для увеличения эффективности использования топлива и понижения эмиссии, достигаемое путем изготовления соответствующих деталей из магниевых сплавов кажется гениальным.

Исследования организации Meridian Lightweight Technologies Inc., расположенной в городе Стретрой, недалеко от Онтарио в Канаде, показали, что магний – самый легкий структурный металл, он на 75 процентов легче стали и на 33 процента легче алюминия, что подтверждает возможность использования магниевых сплавов для изготовления деталей автомобилей.
По сравнению с алюминием, магний имеет более высокую удельную прочность, пластичность и ударную вязкость, заявили исследователи Содружества Автомобильных Материалов Соединенных Штатов на совещании консорциума по поводу автомобильных исследований в документе «Magnesium Vision 2020: североамериканская концепция внедрения магния в автомобилестроение».

В документе так же сообщается о том, что магний имеет лучшее демпфирование и сопротивление образованию вмятин, по сравнению со сталью и обладает большей прочностью, жесткостью, термостойкостью и теплопроводностью по сравнению с пластиком.
Инженеры Лотуса предложили свой дизайн кузова для проведения экспериментов в фонд энергетических исследований. Лотус предлагает технологии для осуществления старта исследований в 2017 году и для запуска в производство этих моделей к 2020 году. Данная конструкция кузовов, с использованием 16 процентов магния в составе материалов кузова, позволила уменьшить массу машины на 38 процентов.
В добавок к повышению экономии топлива и сокращению выбросов, свойства материала обеспечивают еще целый ряд других преимуществ. Согласно вышеупомянутому документу, они включают:
— уменьшение времени на разгон/торможение и улучшение рулевого управления на прямых участках и поворотах путем снижения веса передней части автомобиля и перемещения центра тяжести назад;

  • -минимизация скрипов и стуков благодаря тому, что из сплавов магния можно изготовить одну цельную часть вместо того, чтобы скреплять вместе отдельные мелкие части из стали, подвергая их трению между собой и вызывая тем самым вибрации, скрипы и другие негативные явления;
  • — уменьшение стоимости производства путем изготовления деталей из магния литьем, что гораздо дешевле производства идентичной детали из стали что удешевит даже производство авто прицепов.

Литье цельных деталей из магния требует меньших затрат чем изготовление идентичной детали из стали, состоящей из большого количества мелких штампованных частей, что требует наличия отдельных штампов для различных частей. К примеру, стальная приборная панель, состоящая из 30 отдельных деталей, требует наличия тридцати различных приспособлений для их изготовления, в то время как магниевая изготавливается путем литья при помощи всего лишь шести различных приспособлений.
Тем не менее, всего около 12-ти килограмм магниевых сплавов используются в данное время при производстве автомобилей в Соединенных Штатах, что составляет около 0,3 процента всех используемых при производстве автомобиля материалов.
Объяснением тому, что магний не так распространен в автомобилестроении, как другие материалы, служит его дороговизна.

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).


Смотрите также