Ford и Magna начинают массовое производство передних подрамников шасси, изготовленных из рубленого волокна и листового ламинированного компаунда из мультиаксальных волокон
В течение многих десятилетий в высококачественных спортивных и гоночных автомобилях использовались рамы кузова/компоненты шасси из пластика, армированного углеродным волокном (углепластика). Производительность и легкий вес компонентов позволили использовать их в производстве машин различных моделей, включая модели BMW серии i3, i8 и 7, а также новые седаны класса люкс Audi R8 и A8. Тем не менее, для изготовления большинства деталей, включая продольный брус крыши и траверсы, нижние брусы боковины платформы кузова, средние стойки и задние стенки кузова, используется непрерывное волокно. Применение является новым, поскольку подрамник, расположенный в передней части автомобиля, поддерживает компоненты двигателя и шасси, включая рулевой механизм и нижние рычаги управления, которые удерживают колеса и, следовательно, воспринимают значительные нагрузки.
«В этом проекте участвовали десятки инженеров», — говорит Брайан Крулл, директор по инновациям Magna Exteriors. «Мы привлекли инженеров-проектировщиков, инженеров-технологов, инженеров по испытаниям, инженеров-разработчиков и специалистов по компьютерному моделированию, а также специалистов из других отделов компании Ford, включая отдел по моделированию автомобилей». Центр передовых технологий Magna Composites в Торонто также поддержал этот проект, «в том числе наша команда по разработке шасси в Cosma», — добавляет Габриэль Кордоба, руководитель международного отдела исследований и разработок компании Cosmo International.
«Мы хотели узнать, какие проблемы могут возникнуть при использовании деталей из углепластика в массовом производстве автомобилей», — вспоминает Дэвид Вагнер, технический руководитель Ford Motor Company. «Цель заключалась в максимальном использовании углепластика в массовом производстве (200 000 автомобилей в год), чтобы узнать, насколько можно уменьшить вес деталей и на каком этапе могут возникнуть трудности».
Выполнение всех стадий проекта, от этапа переговоров до готового изделия, заняло чуть больше года. Прототипы подрамников были доставлены в компанию Ford в конце 2017 года.
ИЗМЕНЕНИЕ СРЕДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
За основу был взят подрамник из штампованной стали модели Ford Fusion. «Компания Ford предоставила проектное поле для разработки/выполнения технических заданий и проводила еженедельные технические совещания», — говорит Вагнер. По словам Кордобы, компания Cosma «отвечала за расчет максимально возможного снижения веса изделия. Как можно усовершенствовать конструкцию, при этом отвечая требованиям к жесткости, прочности и долговечности?»
Первая трудность, с которой они столкнулись, заключалась в невозможности размещения жесткой конструкции. «При переходе от стали к композитам обычно меняются размеры конструкции», — отмечает Вагнер, — «поэтому элементы должны иметь больше секций. Мы определили, насколько могут измениться размеры элементов с новым дизайном и отправили материалы начальной топологической оптимизации компании Magna».
Топологическая оптимизация (TO) — это автоматизированный анализ, который позволяет оптимизировать размещение материалов в заданном пространстве, включая нагрузки, граничные условия и ограничения, с целью увеличения производительности и минимизации веса. «Мы провели собственную топологическую оптимизацию для определения пути передачи критических нагрузок»,- говорит Кордоба. К ним относятся нагрузки в точках крепления подрамника, включая рычаги независимой подвески, нагрузки двигателя, а также сопротивление движению, смещение крутящего момента двигателя и требования к аварийной ударобезопасности.
«Нам пришлось учесть значение жесткости, отличное от стали, и определить необходимые нам характеристики», — вспоминает Крулл.
Поскольку состав композитов и соотношение их материалов может изменяться, их свойства могут быть адаптированы, но «это гораздо более сложный процесс, поэтому простое использование характеристик стали невозможно», — отмечает он.
Под «Использованием характеристик» понимается ввод данных о материале в программные средства. «Мы использовали только стандартное программное обеспечение, в том числе Nastran [MSC Software, Ньюпорт-Бич, штат Калифорния, США] для статического анализа, Abaqus [Dassault Systèmes, Уолтем, штат Массачусетс, США] для нелинейного статического анализа, Fibersim [Siemens PLC, Уолтем, штат Массачусетс, США] для моделирования формовки слоистого материала и HyperWorks [Altair Engineering, Трой, штат Мичиган, США] для топологической оптимизации и создания моделей анализа методом конечных элементов для исследования воздействия различных нагрузок», — говорит Кордоба.
После проведения нескольких анализов была изготовлена модель подрамника, способного выдерживать различные нагрузки и соответствующего граничным условиям и материалам. Крулл отмечает, что была проведена оценка многих композиционных материалов. «Мы решили использовать процесс формования прессованием с целью обеспечения массового производства», — добавляет Крулл. «Листовой ламинированный компаунд отлично подходил для изготовления этой детали, поэтому мы решили использовать данный материал, учитывая тот факт, что у нас был собственно разработанный ЛЛК».
Следующим этапом было производство оболочки детали. «В результате проведения топологической оптимизации мы пришли к выводу, что необходимо использовать замкнутый профиль», — вспоминает Кордоба. «При наблюдении за процессом формования ЛЛК прессованием, у нас возникла идея использовать две отдельные части детали вместо одной». Таким образом, рама состоит из отдельно формованных верхней и нижней частей, которые впоследствии соединяются полиуретановым конструкционным клеем (Ashland, Колумбус, штат Огайо, США) и заклепками.
ДВОЙНОЙ ФОРМОВАННЫЙ ЛЛК
Компания Magna разработала ЛЛК из углеродного волокна, учитывая предыдущий опыт использования ЛЛК из стекловолокна и экспериментальную линейку деталей из данного материала. «Мы разработали собственную технологию для обработки углеродного волокна для изготовления ЛЛК, и обнаружили, что для изготовления деталей мы также можем использовать мультиаксальное волокно», — объясняет Крулл. Материал подобен препрегам, так как он также был пропитан перед формовкой, но, в отличии от них, пропитка осуществляется смолой, используемой при пропитке ЛЛК и, следовательно, называется мультиаксальное волокно ЛЛК. «При разработке конструкции подрамника мы использовали результаты испытаний характеристик данных материалов».
Компания Magna усложнила структуру листового ламинированного компаунда EpicBlend использованием рубленых углеволоконных прядей 50K от Zoltek (Бриджтон, штат Миссури, США) и модифицированной винилэфирной смолы от Ashland. Виниловый эфир смачивает углеволоконные пряди и обеспечивает хорошее сцепление. Компания могла выполнить упрочнение и формовку шестислойного ЛЛК из мультиаксального волокна 0°/90°, изготовленного компанией Magna, с использованием той же винилэфирной смолы и мультиаксального волокна от Zoltek, и последующее изготовление накладок.
Было установлено, что наилучшим материалом является сочетание коротких и длинных волокон ЛЛК, однако его изготовление довольно проблематично. ЛЛК с коротким волокном позволяет формовать детали сложной формы и многокомпонентное формование стальных вставок для крепления двигателя и рулевого механизма, в то время как накладки из мультиаксального волокна способны выдерживать высокие нагрузки после крепления двигателя и нижних рычагов независимой подвески.
Комбинация двух типов ЛЛК позволяет сократить вес конструкции на 9,3 кг по сравнению с подрамником из штампованной стали. «Для разработки формованных накладок из ЛЛК 0°/90° потребовалось немало усилий», — вспоминает Крулл, отмечая проблемы, возникшие при выравнивании рубленого волокна ЛЛК во время формовки, проводимой с целью интеграции накладок из ЛЛК без возникновения сухих пятен или других дефектов.
БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Болтовые соединения также вызывали сложности. «Точечные нагрузки на композиты в месте крепления рычага независимой подвески и рулевого механизма к подрамнику очень высоки, от 80 до 100 кН», — говорит Вагнер. Всего было четыре соединения на корпусе и два на рулевом механизме, через которые втулки из нержавеющей стали крепятся к композиту. «Для неподвижной посадки каждая втулка запрессовывается в муфту», — поясняет Крулл. «По всей окружности муфты к формованной детали подается напряжение. Мы зафиксировали значения сил при наличии втулки и ввели их в параметры моделей для автоматизированного проектирования. Во время проведения физических испытаний мы исследовали композит на наличие трещин, однако их не было обнаружено».
Вагнер отметил, что размер используемых болтов превышает необходимый. «Данные болты имеют размер M12 и больше, кроме того, они должны иметь небольшие позиционные, диаметральные и угловые допуски». В результате потребовалась последующая обработка после завершения формовки и сборки подрамника.
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И СОВМЕСТНАЯ РАБОТА
Вагнер говорит, что испытания прототипов подрамников будут проводиться в течение всего 2018 года. «Мы надеемся завершить испытания в начале 2019 года и опубликовать отчеты с результатами», — добавляет он. Компания Ford проведет ряд испытаний на устойчивость компонентов и машин к коррозии для изучения различных стратегий ее снижения. Также будут проведены испытания на прочность, включая на устойчивость к ударам, высокой температуре и к воздействию нагрузок на болты.
Компоненты будут подвержены испытаниям на многоцикловую усталость, устойчивость к перегрузке соединений и вибрации, а также испытаниям на безопасность.
«Мы проводим собственные испытания прототипов подрамников», — говорит Крулл. «Это очень большая и сложная деталь, выполненная из ЛЛК путем совместной формовки. Мы пробуем изменить конструкцию, направление ЛЛК во время формовки и выровнять волокна, чтобы понять, где еще мы можем использовать эти материалы».
«Мы хотели рассчитать максимальные затратные составляющие при изготовлении детали из углепластика», — говорит Вагнер.
«Наиболее затратной процедурой является вторичная обработка деталей. Нам нужно придумать, как исключить механическую обработку после формовки деталей из производственного процесса». Он также отмечает, что одной из самых больших трудностей являлась разработка абсолютных свойств материала формованной детали. Мы потратили много времени на характеристику материала для конструкторского анализа», — объясняет он. «Характеристика заняла у нас много времени и средств.
Было сложно выделить характеристики реальных деталей из-за смешения материала во время процесса формовки».
Кордоба говорит, что самым большим достижением является совместная работа «не только с Ford как с нашим клиентом, но и в качестве международной команды».
Вагнер соглашается: «Это отличный пример того, как мы можем убедить поставщиков и работников использовать передовые, легкие материалы».
Массовое производство передних подрамников из углепластика. Производитель оригинального оборудования Ford начал сотрудничество с компанией Magna International для того, чтобы узнать, насколько можно облегчить передний подрамник автомобиля при массовом производстве (200 000 в год), используя максимальное количество углеродного волокна, сталкиваясь с ограничениями и трудностями и обнаруживая новые технологические решения. Источник (все фотографии) | Magna International
Формованный замкнутый профиль, верхняя и нижняя часть. Полая конструкция, предписанная при топологической оптимизации для обеспечения жесткости подрамника с использованием минимального количества материала, была изготовлена путем формовки отдельно верхнего и нижнего профиля и последующим скреплением клеем, и заклепками.
Многокомпонентное и совместное формование. Втулки из нержавеющей стали устанавливаются на подрамник из ЛЛК путем многокомпонентной формовки (сверху) через четыре соединения на корпусе и два соединения на рулевом механизме. Совместно формованные накладки из ЛЛК, изготовленного из мультиаксального волокна, (внизу) также способны противостоять воздействию высоких нагрузок на сильно нагруженном участке, например, при креплении верхней и нижней части подрамника друг к другу.
