Элементы жесткости днища кузова из пултрузионных углеродных / стекловолокнистых композиционных материалов теперь и в автомобилях производства Mercedes-AMG.
Группа разработчиков из научно-исследовательского отдела компании Daimler AG (Штутгарт, Германия) и отделения по производству легковых автомобилей компании Mercedes-AMG приступили к исследованию способов экономичного снижения массы элементов конструкции кузова (без покраски и грунтовки).
Изначальной целью (ещё где-то в 2011 году) были пары цельностальных распорок для разных моделей автомобилей с высокими динамическими характеристиками: для одних – одна пара, для других – две пары. Функционально распорки повышают жесткость кузова и улучшают управляемость.
Распорки стоек обычно изготавливают из недорогой холоднокатанной стали и устанавливают на серийные автомобили. Уже хорошо оптимизированные с точки зрения стоимости и веса, эти элементы предоставляют ограниченные возможности для улучшения уже существующего вида стали. Однако композиционные материалы, в частности углепластик, открыли новые возможности для снижения веса стоек, при этом отвечая требованиям по механическим и тепловым характеристикам и в то же время сохраняя экономическую рентабельность.
ПРОБЛЕМЫ ТРАДИЦИОННЫХ РАСПОРОК
Распорки шасси – это элементы конструкции, препятствующие сжатию и растяжению в продольном направлении и обеспечивающие опору по наружной стороне оси каждой стойки, таким образом они удерживают два компонента на расстоянии друг от друга, предотвращая их сгибание или сталкивание. Правильно изготовленные и установленные распорки повышают жесткость подузлов. Практический результат – это снижение гибкости шасси во время движения автомобиля по неровным поверхностям или крутых поворотов, что приводит к улучшенной управляемости автомобиля для водителей.
Рисунок 1. Мультикомпозитные распорки шасси. Инженеры из организации при компании Daimler AG, занимающейся НИОКР, и подразделения автомобильной промышленности Mercedes-AMG совместно разработали гибридные композитные стойки, которые заменили обычные стальные стойки кузова, что обеспечило ряд преимуществ. Композитные распорки шасси были впервые использованы на автомобилях Mercedes-Benz SLS AMG Coupé Black Series (2013), и с тех пор их использование расширилось до четырех других платформ в линейке продуктов Mercedes-AMG. Источник: Daimler AG.
Рисунок 2. Результаты проектирования. Распорка из гибридного композиционного материала для повышения жесткости шасси от компании Mercedes-AMG. Иллюстрация Карла Рекве.
Хотя для замены традиционных стальных стоек рассматривались некоторые металлы с более высокими характеристиками (например, титан), они были отклонены, поскольку повышали стоимость, но не соответствовали всем механическим требованиям для облегчения конструкции.
Поэтому группа разработчиков начала испытывать углепластик. “Распорки часто используются в подузлах и передней части автомобиля для повышения жесткости кузова и оптимизации ездовых характеристик с точки зрения удобства и «спортивного управления», – отмечает Йорг Миска, руководитель отдела проектирования кузовов компании Mercedes-AMG.
“Упругость и анизотропные свойства углепластика точно соответствуют этим требованиям”.
ПРОЕКТНЫЕ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ РЕШЕНИЯ
Первая проблема, с которой столкнулась команда, заключалась в том, какой способ изготовления распорок обеспечит получение жестких и прочных деталей, при этом сохраняя их рентабельность. Для удовлетворения механических требований критически важным фактором было высокое объемное содержание выровненного, непрерывного углеродного волокна. Учитывая температурные условия в этой области ходовой части (около выхлопной системы), был необходим высокотехнологичный полимер со способностью связываться с углеродным волокном. Эпоксидные смолы стали наилучшим вариантом для изготовления материалов компании Daimler, а также для выполнения поставленных целей по обработке, температурным требованиям и экономической эффективности.
Рисунок 3. Распорки повышают жесткость шасси и улучшают управляемость автомобиля. Распорки шасси препятствуют сжатию в продольном направлении и, таким образом, удерживают два элемента на расстоянии друг от друга, предотвращая их сгибание или сталкивание. Правильно изготовленные и установленные распорки повышают жесткость подузлов, уменьшая гибкость шасси при движении автомобиля по неровным поверхностям и при крутых поворотах. Это улучшает управляемость автомобиля. Источник: Daimler AG.
Поскольку при получении положительных результатов была большая вероятность того, что технология будет применяться и для других автомобилей Mercedes-AMG или Mercedes-Benz, команда искала процесс с низкими затратами на инструментальную оснастку, чтобы при увеличении объема производства расходы оставались контролируемыми. С точки зрения конструкции проблема заключалась в том, что распорка представляла собой цельную прямоугольную заготовку, а крепежные детали (точки передачи нагрузки) на каждом конце распорки требовалось добавить для облегчения соединения и передачи нагрузки.
Рисунок 4. Не такая простая деталь, как кажется. Чтобы удовлетворить механические и производственные требования при производстве распорок, исследователи выбрали высокое объемное содержание выровненного, непрерывного углеродного волокна для прочности на сжатие, термостойкую эпоксидную смолу для установки в непосредственной близости от выхлопной системы автомобиля, одобрили сплошную заготовку прямоугольной формы, которая позволяет изменять элементы крепежа, и обеспечили возможность использования пултрузионного процесса с низкими затратами на оснастку, который позволяет расширить производство. И наконец, исследователи добавили тонкую сердцевину из высокопрочной стали (видно на фото) для улучшения ударной прочности и пластичности и наружный слой из стеклопластика для снижения риска возникновения гальванической коррозии. Источник: Daimler AG.
После внутреннего рассмотрения исследователи определили, что один процесс будет наилучшим образом отвечать целям проекта. “Мы с самого начала рассматривали все подходящие процессы, гибридные материалы и концепции”, – вспоминает доктор Карл Хейнц Фуллер, менеджер компании Daimler. “Однако при наших высоких требованиях и ограниченном бюджете только пултрузия могла обеспечить целесообразные экономические характеристики”.
Групповое исследование, которое включало анализ полного жизненного цикла, выполняемый для всех новых производственных процессов, внедряемых на предприятии, показало, что пултрузия не только работает практически без отходов (важно при работе с дорогостоящим углепластиком), но и является самым экономичным процессом, поскольку требует сравнительно мало энергии и весьма незначительных расходов на оснастку. Эти характеристики были важны в начале проекта и позже в случае, если бы программа использования распорок из углепластика была внедрена в крупномасштабное производство автомобилей.
“Наша стратегия использования углепластика в компании Daimler состояла в том, чтобы начать с более эксклюзивных мелкосерийных автомобилей, таких как Mercedes-AMG”, – добавляет Фуллер. “Это позволило всем участникам цепочки поставок углепластика, от производителей до обработчиков волокна и смолы, получить время, необходимое им, чтобы определиться с ценовой позицией, которая удовлетворяла бы потребности крупносерийного производства. Мы поняли, что процесс пултрузии обладает наилучшими перспективами развития в этом направлении среди всех технологий изготовления композиционных материалов”.
Команда приступила к трудоемкой работе по оптимизации пултрузионной конструкции распорки с помощью эпоксидной смолы и углеродного волокна, выполняя многочисленное статическое и динамическое моделирование на полноценных моделях автомобилей в программе NX Nastran (от Siemens PLM Software Inc., Мюнхен, Германия), включая шум / вибрацию / жесткость, ударную прочность, усталостную прочность и дельта-альфа моделирование (коэффициент линейного теплового расширения) при разных значениях температуры окружающей среды.
Были приложены усилия, чтобы определить наилучший вариант укладки пучков разных типов углеродного волокна (от 12 до 50 тысяч волокон на пучок) для достижения наилучших механических характеристик детали. Хотя исходные коммерческие конструкции включали чистый углепластик, после нескольких лет моделирования и физических испытаний различных материалов и конструкций внимание исследователей привлекли гибридные композиционные материалы со следующими характеристиками.
Во-первых, пригодными оказались более экономичные углеволоконные пряди (48-50 тысяч волокон), а детали из углепластика должны были быть на 45-60% легче стальных элементов. При использовании двух или четырех распорок, в зависимости от автомобиля, экономия возрастает.
Во-вторых, чтобы решить вопрос относительно гальванической коррозии между углеродным волокном и металлическими соединениями, а также окружающими металлическими конструкциями, и предотвратить повреждения, связанные с воздействием каменной крошки из-под колес, группа исследователей приняла решение добавить защитный верхний слой немного более тяжелого, но менее дорогостоящего стеклопластика. Стекло также улучшило демпфирующие свойства.
Рисунок 5. Последние приготовления перед установкой в кузов. После пултрузии профиль распорки из гибридного композиционного материала вырезают по размеру, просверливают отверстия на каждом его конце и устанавливают втулки. Затем выполняется подготовка поверхности и на каждом конце распорки с помощью конструкционного эпоксидного клея устанавливают крепежные детали (точки передачи нагрузки). Все металлические элементы, непосредственно соприкасающиеся с распоркой, защищены покрытием и/или клеящими материалами. Источник: Автомобильное подразделение Общества инженеров-специалистов по пластмассам (сверху) и компания Daimler AG (снизу).
В-третьих, моделирование показало, что при добавлении тонкого стального сердечника в пултрузионный профиль повышается пластичность и ударная прочность, а также появляются новые возможности для установки более экономичных креплений. Наконец, использование металлического сердечника, который изготавливается из стали высокой прочности (0,8-1,2 мм / 0,03-0,5 дюйма в диаметре, в зависимости от конкретного применения) и подается непосредственно в фильеры для пултрузии вместе со стекловолокном и углеволокном, также упростило процесс вставки втулок в распорки. Все металлические элементы, непосредственно соприкасающиеся с распоркой, защищены покрытием и/или клеящими материалами.
Производством распорок, сначала целиком из углепластика, а затем – из гибридных композиционных материалов (стальная сердцевина, эпоксидная смола, армированная углеродным или стекловолокном), занималась компания Secar Technologies GmbH (Мюрццушлаг, Австрия). Распорка вырезается из пултрузионного профиля. Стандартная длина 0,8-1,3 м (2,6-4,3 фута), стандартная ширина 35 мм / 1,4 дюйма и стандартная толщина 8,0 мм / 0,31 дюйма). Отверстия просверлены, втулки установлены. После стандартной подготовки поверхности крепежные детали устанавливают на каждом конце распорки с помощью конструкционного эпоксидного клея. На сегодняшний день этап соединения значительно снижает скорость производственного процесса; пултрузия вполне способна поддерживать скорости, необходимые для массового производства.
«Благодаря тщательно подобранному сочетанию стекловолокна и углеволокна, высокотехнологичной смолы и высокопрочной металлической полосы в сердечнике, функциональность и стоимость наших материалов были оптимизированы», – отметил Ральф Бернхардт, руководитель отдела проектирования кузовов Mercedes-AMG. «Мы получили возможность оптимизировать и другие функции компонентов, например, демпфирование и коррозионные характеристики, термостойкость и ударную прочность. В совокупности с впечатляющей экономичностью производственного процесса созданы идеальные условия для увеличения масштабов производства».
ПОЛУЧИВШАЯ ПРИЗНАНИЕ КОНСТРУКЦИЯ НАХОДИТ ВСЕ БОЛЕЕ ШИРОКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Изначально распорки из углепластика были представлены компанией Mercedes-Benz SLS AMG в автомобилях серии Coupé Black в 2013.
С тех пор различные разработки эффективно применялись в конструкционном и технологическом процессе автомобилей, находящихся в более массовом производстве, например, купе/кабриолетов Mercedes-AMG класса C (C63/C63S) 2016 года, AMG GT R (2017) и AMG Mercedes класса S (2017). Технология получила награду за инновации 2016 года от отраслевого объединения Verstärkte Kunststoffe e.V. (AVK) на европейской конференции по композиционным материалам.
Хотя распорки из углепластика и гибридных материалов обходятся дороже, чем используемые ранее стальные распорки, они отвечают строгим требованиям компании Daimler по облегченному весу и обладают рядом других преимуществ. «Локальное повышение жесткости в необходимых точках обеспечило большую точность, гармоничность управления автомобилем и создало благоприятные впечатления от вождения“, – отметил Бернхардт. «Это значит, что менее опытные водители смогут ездить быстрее и безопаснее, а опытные – гораздо быстрее, поскольку почувствовать характер и поведение автомобиля стало гораздо проще“. Он также добавил, что окончательная оценка впечатлений от вождения субъективна, а измеримые преимущества зависят от конкретного автомобиля.
«Для инженера, занимающегося разработкой автомобилей, создание детали из углепластика, сравнимой с металлической деталью, требует больших усилий», – напоминает Фуллер. «Найти партнера, который может выпустить крупномасштабную партию автомобилей при всех существующих ограничениях, сохранив общую рентабельность, крайне сложно». Тем не менее, он утверждает, что, хотя возможности перевести пассажирские автомобили с металлических распорок на углепластиковые весьма ограничены, полученные знания о конструкции и соединениях можно применять и к другим элементам. Результаты краткого обзора инноваций, связанных с углепластиком, используемых в других автомобилях Mercedes-AMG, подтверждают, что исследователи добились своей цели.
