Настоящее и будущее кузовных конструкционных материалов

В статье проводится рассмотрение вопроса эволюции технологий автомобильной промышленности и перспективу использования тех или иных кузовных материалов, производится анализ существующих кузовных материалов, выявление лучших позиций.

Ключевые слова: кузовные материалы, конструкционные материалы, сталь, алюминий,стеклопластик, пластмассы, композитные материалы,деформируемые магниевые сплавы, окружающая среда, безопасность, экология, сплавы, Mercedes-Benz, BMW, Audi, кузов автомобиля, принцип действия, изготовление, состав, преимущества, недостатки, технология, революционные технологии, ремонт, эволюция, будущее

Актуальность изучения вопроса материалов, применяемых в автомобильной промышленности для изготовления кузовов ТС (транспортных средств), обуславливается быстроразвивающимся прогрессом в области технических и химических наук, но вместе с тем, ухудшением экологической обстановки, связанным с нерациональным использованием природных ресурсов и материалов, нарушающих целостность окружающей среды.

Целью исследования является анализ существующих кузовных материалов, выявление положительных и отрицательных характеристик каждого и определение материала, который позволит увеличить грузоподъемность ТС, снизить его массу, что в последствие снизит и расход топлива, а следовательно, и выбросы в окружающую среду.

В настоящее время кузов современного легкового автомобиля выполняет функцию несущего элемента, в котором размещен салон и, к которому крепятся: трансмиссия, двигатель, механизмы управления, электро- и дополнительное оборудование.

Основные требования, предъявляемые к кузову, как к конструктивному элементу [1]:

 коррозионная стойкость и долговечность;

 сравнительно невысокая масса;

 жесткость;

 обеспечение возможности проведения ТО (техническое обслуживание) и ТР (технический ремонт) всех узлов автомобиля, удобство погрузки/выгрузки багажа;

 обеспечение достаточного уровня пассивной и активной безопасности;

 соответствие современным стандартам и тенденциям развития в дизайне.

В зависимости от силовой схемы автомобиль может быть рамным или безрамным (несущим): с несущим основанием или с несущим корпусом, и, так как такой кузов представляет собой взаимосвязанную конструкцию, то, в некоторых случаях, дополнительно к основным, он получает второстепенные (скрытые) повреждения в следствие ДТП (дорожно-транспортных происшествий) или иных случаев.

Также кузов может быть выполнен в трех объемах [2]:

 однообъемный — если отсеки для двигателя, водителя с пассажирами и багажа объединены воедино с кузовом. Такая компоновка соответствует пассажирским (автобусы, микроавтобусы) и грузопассажирским автомобилям;

 двухобъемный — имеет два отсека, где в одном расположен двигатель, а в другом — пассажиры и багаж. К такой компоновке относятся хэтчбек, универсал и кроссовер;

 трехобъемный — имеет три отсека, где в одном расположен двигатель, в другом — пассажиры, а в третьем — багаж. Это классическая компоновка, которой соответствуют седаны.

Несмотря на разнообразие компоновок, кузов легкового автомобиля имеет общие элементы [3]:

 передние и задние лонжероны — гасят колебания и обеспечивают жесткость конструкции;

 передний щит — разделяет моторный и пассажирский отсеки;

 крыша;

 задняя стойка;

 заднее крыло;

 багажная панель;

 средняя стойка — обеспечивает жесткость;

 пороги;

 центральный тоннель, где располагаются различные элементы (выхлопная труба, карданный вал и т. д.) — увеличивает жесткость;

 основание или днище;

 надколесная ниша.

Жесткость кузова — это свойство упруго сопротивляться внешним статическим и динамическим нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации автомобиля. Чем выше будет жесткость конструкции кузова, тем лучше станут управляемость и маневренность машины, в особенности при движении на высоких скоростях, также повысится комфортабельность (за счет снижения вибраций, отсутствия скрипов панелей и обивки салона и т. д.) [3].

Существует два параметра жесткости — на изгиб и на кручение. Изгиб –вид деформации, вследствие которого происходит искривление главной оси элемента. Связан с появлением изгибающих моментов в сечениях элементов. Прямой изгиб возникает в случаях, когда изгибающие моменты действуют в плоскости, проходящей через одну из центральных осей инерции сечения [4].

Если при прямом или косом изгибе в поперечном сечении элемента действует только изгибающий момент, то происходит чистый прямой или чистый косой изгиб. Если в поперечном сечении действует еще и поперечная сила, то происходит поперечный прямой или поперечный косой изгиб [4].

На кручение проверяют сопротивление при давлении в противоположных точках относительно его продольной оси, например, при диагональном вывешивании [4].

Жесткость кузова на кручение — характеризует прочность кузова, его долговечность, пассивную безопасность, оказывает влияние на управляемость, поэтому суперкары, имеющие в своей основе алюминиевую каркасно-панельную конструкцию или углепластиковый монокок (тип пространственной конструкции, в которой внешняя оболочка является основным и, как правило, единственным несущим элементом), обладают наибольшей степенью этой величины. Минимальной жесткостью кузова на кручение, обладают кабриолеты или рамные (не путать с пространственными рамами у спортивных автомобилей) внедорожники и пикапы. Величина измеряется в Нм/град, реже — в Кгм/рад [4].

На данный момент требования к автомобилям (эргономичность, динамические характеристики, экологичность, дизайн) ужесточаются. Для полной реализации улучшенной динамики ТС требуется разработка двигателей наиболее совершенной конструкции и уменьшении веса автомобиля [3].

Для облегчения веса ТС автопроизводители чаще используют сверхтвердые и борсодержащие стали (сплав железа с углеродом и другими элементами, в который в качестве легирующей добавки введен бор), что позволяет существенно уменьшать толщину металлических конструкций, следовательно, веса, при этом не теряя жесткости. Еще большая эффективность в снижении веса достигается путем использования алюминиевых сплавов, которые применяют при изготовлении навесных деталей и силовых элементов кузова многие автопроизводители [3].

Основные кузовные детали производят из стали, алюминиевых сплавов, пластмасс и композитных материалов. Причем основное предпочтение отдается низкоуглеродистой листовой стали толщиной 0,65 2 мм, что обусловлено ее высокой механической прочностью, недефицитностью, способностью к глубокой вытяжке (можно получать детали сложной формы), технологичностью соединения деталей сваркой [5].

Технология изготовления стальных кузовов относительно проста и давно отлажена. Производство осуществляется в несколько этапов: из стальных листов разной толщины штампуются отдельные детали, после чего они свариваются в узлы и при помощи сварки собираются в единое целое [6].

Главными недостатками данного материала являются слабая коррозионная стойкость и большой вес готовой конструкции. Поэтому автопроизводители экспериментируют с альтернативными кузовными материалами [6].

Ограничение в применении возникает из-за того, что прочность и жесткость алюминиевых сплавов ниже, чем у стали, поэтому толщину деталей приходится увеличивать и существенного снижения массы кузова получить не удается. Помимо этого, алюминиевые детали в большей степени, чем стали, проводят шум и вибрации, что требует проведения дополнительных, более сложных мероприятий для достижения нормативной акустической характеристики кузова.

Начальный этап изготовления алюминиевого кузова схож с изготовлением стального: вначале осуществляется поэлементная штамповка, затем проводится сборка в целую конструкцию [1].

Сам по себе данный материал стоит дороже стали и для ремонта деталей, изготовленных из него, требуется специализированное оборудование, что оказывает существенное влияние на окончательную стоимость автомобиля. Поэтому производство ТС с полностью алюминиевым кузовом могут позволить себе лишь немногие производители престижных моделей (характерный пример — представительский седан «А8» от компании «Audi») [5].

Большинство же представителей автоиндустрии идут на компромисс, прибегая к компоновке алюминиевых и стальных деталей (например, в модели «BMW Е60» 5-й серии вся передняя часть кузовного корпуса изготовлена из алюминия и сварена со стальным каркасом), но при этом необходимо обрабатывать панели специальным составом, который предотвращает развитие коррозии на стыке алюминиевых и стальных деталей [4].

Во второй половине ХХ века перспективным кузовным материалом считали пластик. Детали из него получаются легче алюминиевых, что дает возможность значительного облегчения веса ТС. Помимо этого, он долговечен, так как совсем не подвержен коррозии и технология производства деталей из него проста, пластику легко придать любую форму, не требуется ЛКП, так как с помощью применения специализированных добавок в его состав можно получить материал практически любого цвета [5].

Существенные воздействия на некоторые виды пластика оказывает температура воздуха (при минусовой температуре становятся очень хрупкими, а в жару чрезмерно мягкими). Минусами также является неэкологичность производства и сложность последующей утилизации, не способность материала выдерживать высокие нагрузки, не ремонтопригодность (при повреждении деталей ремонт дорог или невозможен). Со временем технологам удалось решить некоторые из этих проблем, но лишь отчасти. На сегодняшний день из пластика изготавливают лишь навесные элементы кузова — бамперы, молдинги, реже — крылья [1].

Композитные материалы имеют в своем составе два или более компонента, соединенных в единое целое. Многие из них получают путем спекания отдельных частиц, склеивания слоев разных материалов или армирования одного элемента волокнами другого, в итоге, материал соединяет в себе наилучшие свойства входящих в него материалов. Например, стеклопластик, где роль «скелета» выполняет стекловолокно (наиболее известными являются: карбон, стеклоткань, кевлар), а эпоксидная смола придает детали необходимую форму. Изделия, выполненные из композитов долговечны, эстетичны (часто их не подвергают окраске), экономичны (из них можно изготавливать крупные неразъемные модули). Их могут применять для изготовления несущих кузовов ТС (чаще суперкаров) — монококов, воспринимающих все нагрузки [1].

В процентном соотношении полиуретаны, поливинилхлориды, полипропилены, АБС-пластики, стеклопластики — составляют 80 % от общего числа пластмасс, применяемых в автомобилестроении, остальные 20 % приходится на полиэтилены, полиамиды, полиакрилаты, поликарбонаты.

По области применения [5]:

 стеклопластики — изготовление наружных панелей кузовов, что обеспечивает существенное уменьшение массы автомобиля;

 поливинилхлориды — изготовление многих фасонных деталей (щиты приборов, рукоятки) и обивочных материалов (ткани, маты).

 полипропилен — изготовление корпусов фар, рулевых колес, перегородок;

 АБС-пластики — изготовление различных облицовочных деталей.

Тем не менее, несмотря на сравнительно невысокую стоимость стеклопластика, в современных автомобилях чаще используется еще более легкое, жесткое и прочное углеволокно. Основными минусами данного материала являются дорогостоящее и трудоемкое производство кузовов, невозможность или сложность в проведении ремонта деталей, выполненных из композитов. Именно поэтому на «гражданских» моделях автомобилей подобные кузова практически не применяются. Их можно встретить преимущественно на суперкарах (таких как «Ferrari Enzo», где инженеры и технологи борются с каждым лишним граммом веса ТС и должны обеспечить безопасность пилота в случае аварийного происшествия, а также на «Lamborghini Aventador LP700», «Porsche Carrera GT», «Porsche 918 Spyder», «McLaren P1», «Alfa Romeo 4C») [7].

В «гражданских» моделях из углеволокна выполняются отдельные (наиболее значимые) панели кузова (например, у «ВМW МЗ» из него выполнена крыша, с одной стороны, композит придает ей необходимую прочность и жесткость, а с другой — значительно облегчает кузов и понижает центр тяжести автомобиля).

Примером гибридной конструкции кузова является «Mercedes-Benz CL», при его изготовлении применялись сталь (днище багажного отделения и каркас моторного отсека, и некоторые отдельные элементы каркаса), алюминий (ряд наружных панелей и деталей каркаса), пластик (крышку багажника и фронтальные крылья) и магний (каркасы дверей) [5].

При отсутствии ограничений финансовых возможностей автовладельца «брендовые» тюнинг-ателье («Liberty Walk», «Technical & Elegant», «Carrozzeria Zanas» и др.) готовы выполнить все детали кузова из композитных материалов, чаще — карбона. Высокая стоимость обусловлена сложностью и точностью работ (все должно быть рассчитано и выверено до десятых долей миллиметра) [8].

Наиболее часто композитные материалы применяют при изготовлении элементов аэродинамического обвеса — спойлеры, диффузоры, антикрылья.

При легком стайлинге из карбона (реже — кевлара) изготавливают корпуса боковых зеркал, лючки бензобаков, штатные спойлеры, дверные карты, дверные ручки, панели салона, ручки переключения скоростей, крышку блока цилиндров [6].

Новаторским решением в автомобилестроение стало использование мировыми производителями деталей из композитных материалов (колесные диски, тормозные диски, пружины амортизаторов, бензобаки) в серийном производстве, изготовление которых ранее считалось невозможным.

Ни один другой конструктивный элемент легкового автомобиля не содержит в себе столько разнообразных материалов (конструкционных, отделочных, изолирующих и др.), как его кузов. Рассмотрим основные преимущества и недостатки различных материалов (таблица 1).

Таблица 1

Сравнительная таблица кузовных материалов

На сегодняшний день перспективно успешными материалами, способными снизить массу ТС, заменить собой сталь и алюминий являются деформируемые магниевые сплавы. В процентном соотношении магний легче стали на 75 %, алюминия — на 35 %. Основным недостатком и ограничением его использования в автомобилестроительной отрасли является высокая стоимость и недостаточный технологический опыт в изготовлении заготовок и конечных изделий.

В текущий момент Германия реализует программу «Магний в автостроении», охватывающую комплекс НИР (научно-исследовательских работ, направленных на изучение и развитие технологий изготовления автомобильных деталей из деформируемых магниевых сплавов (марки: «AZ31», «AZ80»). Одной из наиболее вероятных областей применения данного материала — производство несущих элементов кузова. Основной задачей является определение способа соединения деталей между собой, а также с деталями из других материалов, вследствие чего были проведены исследования различных способов (пайка, лазерная сварка, соединение заклепками и винтами). Лидером соединений проведенных испытаний стал способ двухсторонней лазерной сварки были получены гладкие швы (без дефектов, отличающиеся высокой плотностью), прочность материала в зоне шва оказалась лишь на 7 % меньше, чем в зоне основного тела детали.

Революционным считается высокоэнтропийный сплав, разработанный учеными из Северной Каролины и Канады. В научных трудах он обозначается химической формулой — Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , так как пока не имеет названия. Его прочностные характеристики превосходят входящий в состав титан, а плотность не превышает плотность алюминия (2,67 г/м ³ против 2,7 г/м ³ ). Технология изготовления заключается в тщательном перемешивании, усреднении порошкообразных металлов (размер частиц — 12 нм), входящих в состав сплава и их последующим сплавлением диффузионным методом под избыточным давлением в 5,9 ГПа. Для крупномасштабного производства требуется упрощение метода изготовления и исключения дорогостоящего материала — скандия из состава (Al — 17 %, Li — 4 %, Mg — 7 %, Sc — 28 %, Ti — 44 %) [9].

Отрасль автомобильной промышленности продолжает развиваться на благо потребителям, создавая быстрые и в тоже время безопасные ТС. Динамика совершенствования конструкции автомобиля в будущем приведет к тому, что при производстве будут использоваться инновационные материалы. Приоритетом развития отрасли останется создание облегченных, комфортных, безопасных и экологичных ТС.

Литература:

1. Сайт «ТехАвтоПорт»: официальный сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://techautoport.ru/nesuschaya-sistema/kuzov-i-rama/kuzov-avtomobilya.html (дата обращения: 11.11.2021)
2. Сайт «Автомастер»: официальный сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://amastercar.ru/articles/body_of_car_3.shtml (дата обращения: 11.11.2021)
3. Кудрявцев, С. М. Основы проектирования, производства и материалы кузова современного автомобиля: монография / С. М. Кудрявцев [и др.]; под общей редакцией С. М. Кудрявцева. — Н. Новгород, 2010. — 236 с.
4. Феодосьев, В. И. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. — 10-е издание, перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 1999. — 592 с.
5. Сайт «АБСАвто»: официальный сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://abs-magazine.ru/article/avtomobili-stali-legche-a-legche-li-stal-ih-remont (дата обращения: 11.11.2021)
6. Пехальский, А. П. Устройство автомобилей: учебник для студ. Учреждений сред. проф. образования/ А. П. Пехальский, И. А. Пехальский. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 528 с.
7. Сайт «CarWow»: официальный сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://carwow.ru/iz-chego-delajut-kuzova-avtomobilej/ (дата обращения: 11.11.2021)
8. Сайт «Автосервис в Санкт-Петербурге»: официальный сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://clck.ru/dZExQ (дата обращения: 11.11.2021)
9. Рогов, В. А. Новые материалы в машиностроении: Учеб. пособие. — М.: РУДН, 2018. — 324 с.