X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Первые автомобили имели рамную конструкцию, которая сохранилась на грузовиках и нескольких моделях внедорожников до сегодняшнего дня. Также в первых автомобилях нередко использовали дерево при изготовлении деталей кузова.Революция произошла в 1920-х годах: в 1921-м была представлена Lancia Lambda с несущим кузовом. А в 1924 году был представлен Citroen B10 – первый массовый автомобиль Европы с цельностальным кузовом.

Рисунок 1 –Citroen B10 – первый массовый автомобиль Европы с цельностальным кузовом.

Подобный подход – цельностальной несущий кузов – существовал в автомобилестроении десятилетиями. Зачастую отход от привычной стали был вызван лишь двумя причинами: экономией, или желанием облегчить кузова. Случаи экономии были особенно актуальными после Второй Мировой Войны, когда промышленности недоставало стального проката. Это привело к необычным результатам в виде Land Rover Series 1 и Willys Jeep Station Wagon «Woodie» которые оснащались алюминиевыми и деревянными панелями кузова. Желание снизить вес привело к использованию сначала алюминиевых, а теперь и карбоновых кузовов. Но если ранее подобные случаи были редкостью, встречались в дорогих и специфических автомобилях, то теперь алюминий и карбон выходят на массовый рынок. Причина не только в стремлении добиться от автомобиля высоких показателей управляемости, но больше в маркетинге и в необходимости экономии топлива. А одним из путей снижения расхода топливаявляется снижение веса автомобиля.

Алюминий является одним из самых привлекательных материалов для создания кузова автомобиля: он легкий и не подвержен коррозии, а его производственный процесс (отливка, штамповка) несильно отличается от процесса производства стали. Первый алюминиевый автомобиль– это модель Audi A8, которая, начиная с первого поколения и до сегодня, выпускается с полностью алюминиевым кузовом.

Рисунок 2 –AudiA8 первого поколения.

Фирменное название Audi ASF расшифровывается как Audi Space Frame, т.е. «пространственная рама Ауди», что недалеко от истины – это несущий кузов, в котором не только панели, но и все усилители были сделаны из алюминия. Концепт Audi ASF был представлен в 1993 году, а уже в 1994-м начался серийный выпуск седана Audi A8 – первого в мире массового автомобиля с полностью алюминиевым кузовом. Уточнение об алюминиевом несущем кузове критически важно, ведь множество других автомобилей также используют алюминий. Но разница в том, что компания Audi производит несущий алюминиевый кузов, а многие автомобили используют лишь внешние панели, которые крепятся к раме или к основному стальному кузову.

Это было одной из основных проблем алюминия – фактически нужно было заново рассчитывать всю силовую структуру кузова, прорабатывать зоны деформации для алюминиевых деталей. Второй существенной проблемой алюминия является метод соединения различных деталей между собой. Так, алюминиевые детали можно сваривать, но только специальным методом и в среде инертных газов, либо с помощью лазерной сварки. Кроме тогоиспользуются заклепки, склеивание – это еще один способ соединения алюминиевых деталей. Плюс традиционные болты. Причем часто все способы соединения деталей используются в одном автомобиле. К примеру, в том же седане Audi A8 для соединения всех деталей кузова из 13 сортов алюминия, использовано 1847 заклепок, 632 винта, 202 точки сварки, 44 м клееных соединений, 25 м сварки в среде инертных газов, 6 м лазерной сварки.

Еще в 2003 году был выпущен Jaguar XJ с полностью алюминиевым несущим кузовом. Опыт оказался успешен, и нынешний Jaguar XJ также полностью алюминиевый. Мало того, опыт построения алюминиевых кузовов распространился и на другие автомобили группы Jaguar Land Rover: современный Range Rover; седан Jaguar XE.

Jaguar XE построен на новой модульной платформе iQ [Al], которая состоит из алюминиевого сплава RC5757 (алюминий + кремний + магний) на 70%, включая всю несущую структуру: салон, пол, усилители, передняя и задняя части. Сегодня Jaguar XE приводит статус «полностью алюминиевого авто» в класс D-premium. Но еще больше автомобилей с частично алюминиевыми кузовами – когда из алюминия не весь кузов, но достаточно большая его часть. К примеру, опыт Audi в работе с алюминием пригодился при создании Audi Q7 2-го поколения (алюминиевая передняя часть кузова; алюминий занимает около 41% в структуре кузова) и для родственных моделей Porsche (в новых Boxter и Cayman алюминий используется в разных частях кузова, его доля – 46%).

Даже подобный частично-алюминиевый кузов позволяет заметно облегчить автомобиль: к примеру, новый Audi Q7 сбросил 70 кг относительно предшественника. Но сравнимый по размерам и классу полностью алюминиевый Range Rover L405 полегчал на 420 кг, из которых 180 кг – на счету алюминиевого кузова.

Модели BMW i3 и BMW i8 перевернули мир. И здесь дело не только в приводе (электро или гибрид), не только в неформатном дизайне, но и в том, что это первые в мире крупносерийные автомобили с карбоновыми кузовами. Обе модели построены по схожей схеме: снизу расположена алюминиевая платформа Drive с двигателем, подвеской, блоком АКБ; сверху установлен карбоновый кузов Life с салоном, багажником, дверями; две половинки соединены между собой болтами. Интересно, что являясь одними из самых передовых автомобилей в мире, BMW i3 и BMW i8 фактически возвращают нас к истокам автомобилестроения – рамным конструкциям начала ХХ века.

Рисунок 3–Кузов BMWi3

BMW i3 является революцией в мире автомобилей: электропривод с возможностью подзарядки АКБ от встроенного ДВС−генератора; необычный кузов с распашными дверьми; повсеместное использование переработанных материалов; и, наконец, рамная алюминиево-карбоновая конструкция

В случае с BMW i-серии карбоновый кузов собирают из нескольких деталей, склеивая их между собой. В результате речь идет не о нескольких суперкарах с карбоновым кузовом типа «монокок», а о десятках тысяч серийных BMW i3, сопоставимых по цене с обычными «тройками» или «пятерками». При этом сложная алюминиево-карбоновая конструкция обеспечила необходимую жесткость и безопасность, а также существенно облегчила автомобиль, учитывая установку тяжелой АКБ.

Важно отметить, что «карбоновый автомобиль» компания BMW создает не сама, а в сотрудничестве с американской фирмой SGL Group. Изначально объем работ был оценен в 3 тыс. тонн, но недавно планы пересмотрены - теперь объем производства карбоновых деталей оценивается в 9,5 тыс. тонн ежегодно. А это означает, что немцы верят в карбон и будут развивать данное направление. Первый пример, после революционных BMW i3 и BMW i8, уже есть – новый седан BMW 7−серии G12.

Рисунок 4 – Кузов выполненный по технологии Carbon Core

Кузов BMW 7-серии G12 построен по принципу Carbon Core («Карбоновое ядро»): здесь карбоновые детали присутствуют в различных усилителях, стойках крыши, боковинах кузова и пр.; хотя максимально широко также используется сталь и алюминий. В результате кузов стал легче на 40 кг, не потеряв в безопасности и жесткости. Соединение разнородных материалов – с помощью клея и заклепок.

Технология RTM

Технология RTM (Resin Transfer Moulding) заключается в том, что в форму детали укладывают несколько слоев углеволокна, затем под давлением нагнетают смолу-клей, и выпекают нужную панель кузова. Экономия налицо: и времени (процесс автоматизирован, минимум работы людей); и места (печи для выпекания отдельных деталей меньше, чем печь для цельного монокока).

При этой технологии методом литья изготавливается основная часть кузова. Основа изготавливается при помощи процесса трансферного формования с введением смолы, когда маты из углеволокна разрезают и укладывают в большую форму вместе с компонентами полученными методом Prepreg.

Затем под давлением впрыскивается смола. В результате из автоклава выходит практически готовый корпус с вплавленными в него металлическими элементами – брекетами, к которым впоследствии крепится подрамник двигателя и элементы подвески.

С помощью технологии производства RTM карбон выходит на массовый рынок. Однако это далеко не те несущие карбоновые монококи, которые мы привыкли видеть в суперкарах или гоночных автомобилях, большую часть нагрузки воспринимает не монокок, а привычная конструкция из алюминия и стали. Вместе с тем, технология RTM позволяет решить главные проблемы карбона: сложность, скорость, дороговизну производства и возможность ремонта кузова в случае аварии – достаточно лишь вырезать поврежденную деталь и вклеить новую.

Это сочетание дорогой и более доступной технологий изготовления карбона, а также устранение из процесса производства огромного числа дорогостоящих металлообрабатывающих и сварочных инструментов позволяют считать технологию RTM наиболее перспективной для массового производства.

Список использованной литературы:

1.Кузов автомобиля: сталь, алюминий, карбон и… картон? // ITC.ua URL: https://itc.ua/articles/kuzov-avtomobilya-stal-alyuminiy-karbon-i-karton/ (дата обращения: 21.12.17).

2.BenBarry "Каким будет кузов автомобиля будущего" // Car. 2011. №09.

3. Детали автомобиля из карбона. Основные преимущества // http://www.avtoexpert.pro URL: http://www.avtoexpert.pro/detali-avtomobilya-iz-karbona-osnovnye-preimushhestva/ (дата обращения: 21.12.17).

Код для цитирования: Скопировать