Малый вес, упрощенное/экономичное производство, комфорт и безопасность пассажиров благодаря инновационным материалам и технологическим процессам, которые позволили получить награду за каркас сидений второго ряда Toyota Tundra 2022 года выпуска
Конструкция “грузовика нового поколения”. При проектировании пикапа Tundra 2022 года команда инженеров Toyota в Анн-Арборе, штат Мичиган, США, искала способы сделать автомобиль, который поставляется с обычной или гибридной силовой установкой, максимально легким и эффективным в производстве. Одним из нововведений стала композитная рама сидений второго ряда, которая значительно экономит вес по сравнению со стальной конструкцией и сокращает общее количество компонентов рамы с 60 всего до четырех. Источник: компания Toyota
По мере того, как все больше электрических и гибридных электромобилей выходит на рынок и отправляется в путь, производители автомобилей все чаще изучают возможность использования композиционных материалов для снижения веса различных компонентов и увеличения дальности хода автомобиля. Одним из недавних успехов стала отмеченная наградами цельнокомпозитная рама сидений второго ряда для гибридно-электрического пикапа Toyota Tundra 2022 года выпуска — многолетняя совместная работа, в ходе которой были внедрены новые композиционные материалы и технологические инновации.
Джон Сальвиа, руководитель инженерного отдела в Toyota Motor North America, Research and Development (Анн-Арбор, штат Мичиган, США), объясняет, что в 2018 году инженеры Toyota на его предприятии в Анн-Арборе начали мозговой штурм “грузовика нового поколения”. “Мы начали с анализа того, какой дизайн был бы наиболее эффективным в будущем”, — говорит он, и, в частности, попытались представить, как сделать дизайн автомобилей со вторым или третьим рядом сидений более эффективным и экономичным в производстве. Был оценен целый ряд материалов, включая алюминий, углеродистую сталь и различные композиты, армированные волокнами.
Степень удовлетворенности клиентов также была ключевым фактором. Сальвиа отмечает, что, когда дело дошло до разработки Tundra 2022, отзывы клиентов об автомобиле предыдущего модельного года свидетельствовали о желании иметь больше места для хранения в салоне.
Однако это желание также должно было сочетаться с тем фактом, что в новой гибридной модели Tundra аккумуляторный блок будет храниться под задним сиденьем.
С учетом первоначальных целей, связанных с экономичным и эффективным производством, малым весом и гибкостью конструкции для обеспечения большего пространства для хранения, армированные волокном композиты стали главным претендентом.
Injection molded glass fiber—filled PA6 — Армированный стекловолокном ПА6, полученный литьем под давлением, Seat back frame — Каркас спинки сиденья, Seat cushion frame — Каркас подушки сиденья, Pultruded glass fiber/polyurethane — Пултрузионное стекловолокно/полиуретан, Source (original image): Toyota — Изображения предоставлены компанией Toyota
Результаты проектирования. Композитная рама сидений второго ряда Toyota Tundra
- Количество компонентов сокращено с 60 стальных до 4 композитных, отлитых под давлением.
- Пултрузионная балка придает жесткость/прочность.
- Многокомпонентное литье под давлением для крепления пултрузионной балки к остальной части рамы.
Иллюстрация Сьюзан Краус
“Конечно, у нас уже был один проверенный пример использования композиционных материалов в заднем кармане”, — говорит Сальвиа. Каркас сидений третьего ряда для минивэна Toyota Sienna 2021 года выпуска был изготовлен из отлитого под давлением 35%-ного полиамида 6 (ПА6), армированного коротким стекловолокном, который был разработан в сотрудничестве с компанией BASF Corp. (Вайандотт, штат Мичиган, США). Каркас сиденья Sienna стал лауреатом премии Altair Enlighten Award 2020 года в категории модульных конструкций, а также премии SPE Innovation 2021 года в категории внутренней отделки кузова. Рама сиденья Sienna получила высокую оценку за замену 16-элементного стального узла предыдущих моделей на двухкомпонентную композитную деталь, которая была на 30% легче. Специально для этого проекта был разработан ПА6, наполненный стекловолокном, Ultramid B3ZG7 CR от компании BASF (подробнее об этом ниже).
По словам Джеффри Хагара, менеджера по транспортному сегменту рынка в компании BASF, композиционные материалы были выбраны для каркаса сидений Sienna в первую очередь из–за малого веса. Сиденье третьего ряда со стальным каркасом было слишком тяжелым, чтобы клиенты могли легко сложить его или снять при необходимости. По словам Хагара, одним из решений могла бы стать установка механического двигателя для складывания сиденья третьего ряда, но это увеличило бы вес. В качестве решения был разработан более легкий композитный вариант.
По словам Хагара, после этого успеха команда Toyota снова обратилась к BASF с новой идеей проекта, “на этот раз с еще более масштабными целями и задачами”.
В частности, специалисты Toyota хотели разработать новую конструкцию каркаса сидений, которая, по сравнению с предыдущими стальными рамами сидений второго ряда Tundra, позволила бы снизить вес на 20%, улучшить технологичность, увеличить пространство для хранения и удвоить общую прочность конструкции.
Самая большая проблема по сравнению с Sienna? Пикап Tundra просто больше минивэна: рама сидений второго ряда должна быть на 30% шире, чем у сидений третьего ряда Sienna.
Дизайн, ориентированный на пассажиров. При проектировании важнейшими аспектами стали стандарты безопасности пассажиров, а также желание увеличить пространство для хранения в салоне автомобиля. Это привело к таким инновациям в каркасе сидений второго ряда, как использование специального, ударопрочного материала — армированного стекловолокном ПА6 от компании BASF — для основных компонентов каркаса и добавление пултрузионной балки для повышения прочности и жесткости в критических зонах сиденья. Источник: компания Toyota
Готов к сборке. Пултрузионная балка (желто-зеленая на рисунке) крепится методом многокомпонентного литья под давлением к самому большому из четырех компонентов рамы. Затем на каркасную систему крепятся оставшиеся детали. Источник: компания BASF
Материалы, конструкция: на основе Sienna
“Система сидений — довольно сложная система для проектирования, поэтому задача инженера состоит в том, чтобы сбалансировать множество различных факторов и целевых показателей”, — объясняет Сальвиа.
Сиденье Tundra имеет конструкцию 60/40, обычную для задних сидений автомобилей, что означает, что сиденье разделено на две основные секции — одна занимает 60% пространства, другая — 40%.
Сальвиа объясняет: “Если рассмотреть проектирование стальной конструкции сиденья, сначала вы начинаете с конструкционных балок — ваших основных компонентов, — а затем добавляете элементы формы, электронику и другие необходимые элементы, приваривая их к стальной балке. Вы как бы собираете конструкцию по частям, что эффективно с точки зрения проектирования, но когда вы приступаете к производству, то в конечном итоге сталкиваетесь со множеством мелких сварных швов, операций с деталями и проверок качества”.
Процесс проектирования начался с ручной отрисовки эскизов, которые затем были оцифрованы и проверены виртуально с помощью инструментов цифрового моделирования. Сальвиа объясняет, что поскольку материалам уделяется большое внимание, компании BASF играла важную роль в процессе проектирования. Хагар отмечает: “Toyota разработала дизайн и стилистику, а BASF оптимизировала конструкцию с учетом материалов и внедрила лучшие инженерные методики”.
Работая над Sienna, компания BASF использовала собственное программное обеспечение UltraSim для моделирования нескольких готовых материалов в соответствии с требованиями к аварийной ударобезопасности и быстро поняла, что потребуется новый вид материала. “Мы взяли за основу Ultramid и смогли внести некоторые изменения в смолу и ориентацию стекловолокна, а также в то, как они прикрепляются друг к другу”, — говорит Хагар. Новый материал марки Ultramid получил название Crash Resistant или CR.
Для модели Tundra компания BASF начала с выполнения нового моделирования с использованием того же материала Ultramid B3ZG7 CR, ПА6, армированного 35% стекловолокном. “У нас была информация об эксплуатации Sienna примерно за год, и мы знали, что в полевых условиях не было сбоев, поэтому мы были уверены, что это подходящий вид материала и для Tundra”.
Для простоты изготовления компоненты каркаса сиденья было решено отливать под давлением из этого нового материала. Выбор в пользу композиционных материалов, отлитых под давлением, как в Sienna, позволил оптимизировать более 60 отдельных металлических компонентов, превратив их всего в четыре композитных — два каркаса спинки сиденья и два каркаса подушек сиденья, прикрепленных с помощью металлических кронштейнов, а также подушки и дополнительные компоненты для встроенного места для хранения.
Сальвиа отмечает, что гибкость конструкции композитной рамы сиденья также позволила использовать новые возможности для хранения в Tundra 2022. В варианте с гибридной силовой установкой аккумулятор размещается под подушкой безопасности второго ряда, а специальный полипропиленовый отсек для хранения прикреплен к задней стенке кузова. В модели с двигателем внутреннего сгорания под сиденьем вместо аккумулятора предлагается второй отсек для хранения.
Основные композитные компоненты были изготовлены на установке для литья под давлением Flex-N-Gate (Уоррен, штат Мичиган, США). По словам Стива Перукки, руководителя инженерной группы по исследованиям пластмасс и металлов в Flex–N-Gate, компания несколько раз работала с Toyota над отлитыми под давлением бамперами и другими компонентами пикапа.
Перукка также отмечает, что несколько небольших металлических вставок были отлиты методом многослойного литья под давлением в компоненты рамы, к которым необходимо было прикрепить другие элементы сиденья. Сальвиа объясняет: “Мы попытались рассматривать все вместе как систему, в которой конструктивные балки органично интегрированы с другими элементами”. Все элементы сидений, каркасы подушек, каркасы спинки, крепления для подголовников, электрические приспособления и кронштейны включены в конструкцию с самого начала. “Здесь меньше компонентов, меньше манипуляций с материалами, меньше вероятность дефектов. Мы упростили производственный процесс и улучшили качество в целом”.
“Наши деловые партнёры и поставщики никогда не подводили нас, несмотря на все трудности, с которыми сталкивались”.
С точки зрения материалов, нейлон, армированный стекловолокном, используемый в Sienna, обеспечил наилучший баланс между стоимостью, весом и производительностью и для Tundra. Однако на ранних стадиях проектирования стало очевидно, что дополнительная ширина рамы спинки сиденья в Tundra создаст новую проблему с точки зрения строгих требований безопасности Toyota. Чтобы достичь необходимой жесткости, общая рама сиденья должна быть либо очень толстой — что увеличило бы материальные затраты и вес, — либо необходимо было бы добавить некую усиливающую балку в зону повышенных нагрузок. Добавление балки было наиболее рационально, но обычно для такого рода элементов используют металл, что добавляет вес. В конечном итоге идеальным решением стала пултрузионная композитная балка.
Пултрузионная балка: жесткость и прочность при сниженном весе
Чтобы достичь необходимой прочности и жесткости по ширине каркаса спинки сиденья, он должен быть либо намного толще (что увеличивает вес), либо необходимо добавить стратегически расположенную балку. Пултрузионная композитная балка была выбрана из-за ее высокой прочности при меньшем весе по сравнению с металлическими элементами. Источник: компания Toyota
Разработка пултрузионной арматуры балки
“Наш поставщик BASF обратился к нам с этой технологией пултрузии непрерывного стекловолокна, которая обеспечивает более высокое соотношение предела прочности к весу, чем высокоуглеродистая сталь”, — говорит Сальвиа.
Компания BASF представила команду Toyota своему партнеру по пултрузионному производству L&L Products (Ромео, штат Мичиган, США). Компании BASF и L&L Products совместно работали над несколькими проектами, используя материал на основе полиуретана и стекловолокна Elastocoat 74850 от BASF для пултрузионного производства непрерывных композитных систем. Ранее их уже применяли в конструктивных автомобильных компонентах, где ударостойкость имела решающее значение — например, совсем недавно поперечина использовалась для защиты аккумуляторной системы на полностью электрическом Ford F-150 Lightning 2022 года выпуска. В компании BASF были уверены, что этот продукт может стать идеальным решением для каркаса сидений Tundra; однако ранее это решение никогда не использовалось ни для каких автомобильных салонов.
Как и остальная часть каркаса сиденья, моделирование сыграло ключевую роль в процессе проектирования самой балки и позволило убедиться, что она может соответствовать требованиям по безопасности, весу пассажира и другим показателям. Несколько спроектированных вариантов были испытаны в режиме моделирования и в качестве физических прототипов.
Что делает пултрузионную балку устойчивой к ударам? Сочетание химического состава смолы, обеспечивающего высокую жесткость, непрерывного стекловолокна для максимальной прочности при изгибе и оптимизированной геометрии детали, — объясняет Хэнк Ричардсон, руководитель по проектированию продукции в компании L&L Products.
Почему пултрузия? Он добавляет: “Пултрузия была наиболее экономичным процессом. Благодаря непрерывному волокну достигается очень высокая прочность на изгиб, но при этом оно легче алюминия и стали, поэтому соотношение прочности к весу очень высокое. Сам процесс пултрузии довольно прост — у вас есть один процесс, затем обработка нескольких отверстий, после чего сразу начинается многокомпонентное литье. Это чрезвычайно эффективно и экономически выгодно”.
Следующим шагом было прикрепление пултрузионной балки к остальной части задней рамы. Крепежные детали увеличили бы вес, а также потребовали бы механической обработки отверстий в пултрузионной детали из непрерывного волокна, что ухудшило бы свойства. Клеи добавили бы еще одну стадию отверждения, что увеличило бы время цикла. В итоге, в конце процесса была добавлена стадия многокомпонентного литья под давлением.
Гибкость конструкции для максимального пространства для хранения. Для некоторых моделей Tundra 2022 года рама сиденья должна была подниматься и вмещать полипропиленовый отсек для хранения, предусмотренный под задним сиденьем. Источник: компания Toyota
Многокомпонентное литье под давлением: процесс, обеспечивающий инновационное решение
Для литья под давлением четырех основных компонентов каркаса сиденья была установлена система Flex-N-Gate, которую также использовали для многокомпонентного литья под давлением балки к остальной части каркаса спинки. После литья компонентов каркаса пултрузионная балка от L&L Products вставляется в новую форму вместе с остальной частью готовой рамы. Используя тот же материал Ultramid, что и в остальной части каркаса, для соединения балки с каркасом применяли многокомпонентное литье под давлением.
Однако, как отмечает Перукка из компании Flex- N-Gate, это оказалось сложной задачей и привело к изменениям в конструкции самой пултрузионной балки. Исходная конструкция полой трубы, которая была наиболее эффективной с точки зрения использования материалов, была бы раздавлена гидравлическим давлением в 15 000 фунтов/дюйм2 в процессе литья под давлением. Чтобы предотвратить подобную деформацию, была разработана текущая конструкция верхней секции.
Перукка отмечает, что одним из уникальных аспектов этого проекта по сравнению с другими системами многокомпонентного литья от компании Flex-N-Gate, является то, что оно служит для крепления пултрузионной балки к раме спинки сиденья, а не для фиксации ее на месте. Другими словами, балка по-прежнему обладает некоторой свободой перемещения внутри своего корпуса, что позволяет ей изгибаться или реагировать на удар о сиденье — “в некотором смысле она действует как рессорная пружина, поглощая энергию удара”, — говорит Перукка.
Как только сама деталь была спроектирована, необходимо было решить, как закрепить балку на месте во время формования. “Часто при многокомпонентном литье вы формуете поверх металла, а затем можете использовать магниты, чтобы прикрепить металл к инструменту, но в данном случае это было невозможно”, — объясняет Перукка. В балке нужно было просверлить отверстия, а затем выровнять их по специально разработанным насечкам на самом инструменте. Они служили направляющими для размещения и стабилизации балки в инструменте и предотвращения “всплывания” или смещения детали во время формования. Перукка объясняет, что это тоже потребовало нескольких итераций при проектировании, поскольку отверстия должны были быть расположены стратегически на участках балки, которые испытывают наименьшее напряжение при ударе.
По словам Перукки, отчасти из-за этих проблем на стадии прототипирования потребовались инструменты, близкие к производственному уровню, что создало еще одну производственную проблему для компании Flex-N-Gate и ее поставщика оснастки. Из-за особых требований к безопасности конструкции всех пяти деталей сиденья (4 компонента рамы и пултрузионная балка) проектировщикам деталей необходимо было иметь возможность видеть, где на реальных прототипах будут проходить линии сварных швов, полученные в процессе литья под давлением, другими словами, участки перекрытия смолы, появившиеся во время формования, которые имели несколько иные свойства, чем остальная часть детали.
Из-за общей сложности конструкции детали компания Flex-N-Gate использовала датчики давления и температуры во время многокомпонентного литья под давлением, чтобы лучше контролировать процесс.
Совместные усилия, положительные результаты
“Мы многому научились в ходе этого процесса”, — говорит Сальвиа. Одной из самых больших проблем были временные рамки. Первые прототипы были разработаны в 2018 году, а в 2020 году были проведены все предпроизводственные испытания перед выпуском автомобиля 2022 модельного года в 2021 году. “Как вы можете себе представить, мировые события 2020 года поставили перед командой новые задачи, особенно что касается вывода нового продукта на рынок”.
“Несмотря на трудности, несмотря на пандемию, закрытие границ и все остальное, что происходило, наши деловые партнеры и поставщики никогда не подводили нас”, — говорит Сальвиа. “Наша команда и сотрудники смогли достичь действительно невероятных результатов”.
С инженерной точки зрения компании Toyota, BASF и остальные участники программы были отмечены в отрасли несколькими наградами: премией Altair Enlighten Award 2022 года, премией SPE за инновации 2022 года в категории «Внутренняя отделка кузова», премией Society of Automotive Analysts (SAA) за инновации в области маневренности 2022 года в категории «Легкий вес», а также наградой за самый инновационный материал в категории производственных деталей на конкурсе ACCE Part Competition 2022 от SPE.
“Что касается клиентов, отзывы пока тоже были очень положительными”, — говорит Сальвиа, особенно в отношении дополнительного места для хранения. Он добавляет: “Я думаю, можно с уверенностью сказать, что для будущих проектов Toyota намерена исследовать альтернативные материалы, такие как конструкционные смолы, и применять их в автомобилях, как мы это сделали здесь”.
Об авторе
Технический редактор Ханна Мейсон пишет и редактирует статьи о композиционных материалах для CompositesWorld с 2018 года. Получила степень магистра по специальности писатель в Университете Цинциннати. hmason@compositesworld.com
