Google

Суперкары из композитов!

при перепечатке, копировании данной статьи или ее фрагментов открытая ссылка на сайт обязательна!

«Пространственное шасси» суперкаров в серийном автомобилестроении.

Автор: Сара Блэк, Технический редактор

Перевод и редакция: Третьяков Павел Андреевич

Конструкторы автомобилей назвали это материалом мечты. Способное принять любую форму, сохраняя при этом жесткость, прочность и легкий вес, углеволокно и было тем самым материалом. Углеволокно годами использовалось в конструкционных элементах и стильных аэродинамических панелях гоночных автомобилей или экзотических суперкаров стоимостью более 500 000 $. Однако при этом углеволокно очень мало используется в серийном автомобилестроении, что связано с его высокой ценой и относительно низкими скоростями производства.

Источник: Karl Reque

Однако, итальянская компания ATR Group, специалист по применению композитов в автомобилестроении, ставит себе цель несколько изменить эту ситуацию. Хорошо известная по своим работам для Ferrari, Porsche и Bugatti, и одновременно являясь одним из самых крупных производителей автомобильных композитов, компания ATR разработала концепцию композитного «пространственного шасси» на основе углеволокна для сегмента автомобилей класса “GT”.

GT означает GRAND TURISMO или высоко эффективные комфортабельные туристические автомобили для путешествий на большие дистанции. Хотя автомобили этого класса и не попадают в категорию пассажирских автомобилей для ежедневных поездок, они производятся в существенно больших количествах, нежели суперкары, и стратегия компании ATR по экономии трудовых и денежных ресурсов сделали углепластик жизнеспособной альтернативой алюминию в конструкции шасси для автомобилей GT.

«Очевидно, что при расчете затрат на единицу веса, углепластики более дорогие, чем алюминий», - говорит глава отдела композитов компании ATR, Клаудио Сантони, специалист по шасси, который до этого сконструировал алюминиевое пространственное шасси для автомобилей Ferrari. «Но благодаря соединению такого количества различных характеристик, как более низкий вес, стойкость к ударным нагрузкам, точность соблюдения размеров, стойкость к коррозии и эстетика, в сравнении с алюминиевым шасси конструкции из углепластика являются более эффективными по затратам».

Сантони хотел использовать свойства углепластика в пространственном шасси от ATR, придумав простую и экономичную архитектуру волокон и схему производства, чтобы свести к минимуму трудовые и временные затраты по сравнению с конструированием большинства суперкаров. «Например, мы хотели отойти от алюминиевого или арамидного сотового материала ядра и многочисленных циклов отверждения, пленочных адгезивов и необходимости в обработке кромки, которые существенно повышают стоимость». Пока представленный прототип пространственного шасси является демонстрационным, однако Сантони замечает, что шасси может иметь вариации по размеру и форме и будет приспособлен под модель машины каждого покупателя.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ШАССИ

Из-за чрезвычайно высокой цены суперкары, сделанные вручную, такие как Ferrari Enzo, создаются в очень ограниченных количествах, но машины класса GT – например, Lamborghini Gallardo, Maserati Spider и Ferrari's F430 – имеют более низкую цену и доступны для более широкого круга потребителей. По этой причине машины этого класса обычно создаются с большим комфортом для пассажиров и комплектуются мягкими сиденьями и большими дверными проемами, чем более спортивные, гоночного типа суперкары. По словам Сантони, увеличенные размеры требуют улучшения характеристик шасси. Более того, покупатели хотят быть уверенными в высокой степени безопасности. Именно здесь, говорит Сантони, углепластик имеет значительное преимущество.

Шасси GT обычно конструируются с использованием алюминия, потому как производители хорошо знакомы с этим материалом и желают сохранить затраты настолько низкими насколько это возможно. Как и любой металл, из-за высокой способности к неразрушающей деформации, алюминий обладает значительной упругостью или растяжением при нагрузке, что может быть недостатком при разработке системы безопасности. «Алюминий испытывает поразительную пластическую деформацию во время большого столкновения», - объясняет Сантони, отмечая, что сварные швы в особенности уязвимы для хрупкого повреждения при сценарии столкновения.

В противоположность алюминию, углепластик имеет низкую способность к деформации и, следовательно, малую упругость. Он также обладает очень высокой степенью абсорбции энергии – в 4 раза больше, чем у алюминия. При разрушении слоев углепластика, энергия рассеивается однородно и последовательно, без пластической деформации. Именно по этой причине многие водители гоночных болидов Formula I с композитным шасси, были в состоянии самостоятельно уйти с места аварии при столкновении на скорости более 200 миль/час.

Сантони проводит четкое различие между конструированием передних и задних аварийных композитных элементов, подверженных разрушению, и специальных конструкций для управления распределением энергии в своем композитном шасси, которое сконструировано для максимальной передачи разрушающей нагрузки. «Наше пространственное шасси сберегает пространство выживания водителя в случае столкновения, потому как обладает очень низкой деформацией, в основном только эластичной деформацией», - объясняет Сантони. «Даже в случае разрушения аварийных конструкций, композитный пассажирский отсек обычно испытывает разрушение только в области непосредственного столкновения – разрушение не распространяется на все шасси, сберегая «ячейку выживания».

Более того, углепластики имеют большую удельную жесткость и прочность, чем алюминий, что означает меньшую потребность в материале для соблюдения требований к характеристикам автомобиля. Таким образом шасси, выполненное из углепластика, может снизить общий вес автомобиля. Это позволит увеличить отношение мощности к весу, или более эффективно использовать топливо для гибридных автомобилей или топливных ячеек.

ЦЕЛЬНОФОРМОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Композитное решение ATR является монолитным, используется монокок (цельноформованная оболочка) с уникальной геометрией, которая дает необходимую конструкцию для двухместного транспортного средства с установленным сзади или в центре двигателем V8 или V12 и задним приводом. Сделанное с точки зрения универсальности, шасси может быть приспособлено и к модели купе, и к модели «spider» и множеству типов автомобильных систем.

После того как шасси от ATR собрано из частей, сделанных по технологии RTM, вся структура полимеризуется в автоклаве для гарантии того, что давление укрепления и тепло достаточны, чтобы сделать цельную структуру. Источник: ATR

В соответствии со словами Сантони, нужно принять во внимание три основных фактора: 1) полную жесткость , 2) стойкость к ударным нагрузкам и 3) модальность, т.е. поведение при вибрации. Для определения формы и толщины пространственного шасси, которые обеспечат требуемую жесткость под действием типичных нагрузок, использовалось программное обеспечение MSC.Nastran от MSC.Software. Достаточная жесткость была необходима для поддержания двигателя, ходовой части (оси, трансмиссия, тормоза), добавочных передних и задних элементов защиты от столкновения и элементов кузова, включая боковые двери. Программное обеспечение MSC Patran было также использовано как модельер ламината для модели ориентации волокон и порядка укладки слоев, как для прочности, так и для оптимального подавления вибрации. Чтобы оптимизировать конструкции для производства, были использованы программные инструменты от Altar Engineering Inc, включая HyperWorks.

Сантони отмечает, что для случаев действия квази-статических или динамических автомобильных нагрузок, устройства расчета явных и скрытых ограниченных элементов конструкций композитного кузова все еще находятся в стадии разработки и потребуют много времени для доводки. Его команда использовала подход «дизайн-эксперимент», математическую технику, основанную на анализе изменения, которая позволяет одновременно изучать множественные переменные конструкции изделия и процесса. «Из-за почти неограниченного количества переменных в композитной конструкции, технология «дизайн-эксперимент», совмещенная с упрощенным моделированием ограниченных элементов, является как раз тем методом, что мы использовали в ATR в плане концепт-дизайна», замечает Сантони.

Семь модулей образуют шасси. Пять (зеленый цвет) будут сделаны вне линии при помощи процесса RTM, затем соединены вместе в сборной форме для укладки оставшихся двух модулей – коромысловых панелей (красный цвет) – которые связывают модули вместе. Собранное шасси затем полимеризуется в автоклаве. Источник: ATR

Конструкция шасси содержит цельный ламинат, толщина которого варьируется от 1.5 мм до 10 мм, с интегрированными пустотами в форме луча в стратегических областях для достижения необходимой жесткости. Шасси сделано из 5 основных модулей – половой поддон, модуль топливного бака, инструментальная панель и левая и правая «А»-образные стойки, которые спроектированы специально для производства процессом закрытого формования RTM в раздельных матрицах. Части, сделанные посредством процесса RTM, планируется уложить вместе в единую сборную форму. Ключом к заключительной сборке являются коромысла – две длинных детали каркаса на каждой стороне шасси, которые формируют нижние дверные пороги. Эти детали сконструированы для интеграции остальных пяти модулей для формирования единого шасси.

По словам Сантони, коромысла будут сделаны посредством мокрой укладки в конечной сборной матрице, и слои будут частично заформованы внахлест на каждый их других компонентов. Соединенные модули будут отверждены как единое целое, без связанных стыков, в едином автоклавном цикле отверждения. Хотя и рассматривался процесс без использования автоклава, Сантони говорит, что автоклав необходим для подачи достаточного давления укрепления и тепла, чтобы гарантировать полное отверждение коромысла и крепко соединить компоненты вместе.

Пространственное шасси от ATR является полностью композитной конструкцией, которая может быть подогнана под характерную конструкцию автомобиля. Металлические крепежные элементы для подсоединения различных частей автомобиля монтируются в шасси на этапе производства. Источник: ATR

«Принцип изготовления состоит в том, чтобы сделать конструкцию с высокой интеграцией элементов и стабильностью размеров, без сочленений или соединительных деталей, в то же время согласуя производственный процесс с низкими затратами и автоматическим закрытым формованием RTM настолько хорошо, насколько это возможно», - констатирует Сантони. «Заключительный процесс мокрой укладки коромысел является компромиссом, но та интеграция в конечной конструкции, которой мы достигли, означает, что шасси не содержит стыков или других областей, которые слабее, чем основной композитный материал. Это действительно цельное шасси по сравнению с многочисленными сварными частями в шасси из алюминия». Использование такого способа интеграции элементов позволяет ATR поставить целью производство 20 пространственных шасси в день. По мнению компании, это именно та скорость производства шасси, которая необходима для вхождения на рынок автомобилей класса GT.

Сантони замечает, что на этой стадии проекта, препрег из углеволокна и эпоксидной смолы для изделий-прототипов производится в открытых матрицах. Но когда шасси пойдет в производство, будет использоваться технология RTM и соответствующие металлические матрицы.

Используемые при производстве шасси материалы включают в себя 450 саржу и 00/900 плетеную угольную саржу, в квази-изотропной укладке. Там где полые «стержни» являются частью конструкции, используются надувные сердечники. Углеволокно – T700 от компании Toray Industries. Для препрегов, использующихся на прототипах, была выбрана «стандартная» эпоксидная смола. Сантони говорит, что для закрытого формования и укладки коромысел будет использована такая же смола, только оптимизированная для процесса RTM. Процесс подготовки сухих преформ углеткани для матриц закрытого формования является сложной задачей и как раз той проблемой, над которой команда ATR сейчас работает.

Как показано на фото, набор металлических соединительных элементов и узлов крепления, которые Сантони называет «счетными пластинами», необходимы для присоединения бесчисленного количества автомобильных компонентов к шасси во время сборки автомобиля. Для прототипа шасси отверстия были просверлены вручную и также вручную были установлены соединительные элементы. Однако, Сантони говорит, что при серийном производстве большинство элементов могло бы быть интегральными вставками, отформованными вместе со всей конструкцией. Это позволит исключить значительную работу по обработке и сверлению.

Прототип имеет общую жесткость при кручении превышающую значении 28 000 Нм/град (1.6х106 Нм/рад) с полным весом всего 107 кг, сообщает Сантони. Оценочный выигрыш в весе по сравнению с алюминиевой конструкцией составляет около 35%, и есть возможность добавить еще 15% в реальном проекте, где конструкция могла бы быть оптимизирована. Команда в настоящее время исследует пространственные шасси для машин с передним и центральным расположением двигателя, которые выигрывают даже больше от использования композитов, которые дают более высокую пространственную сложность для путей нагрузки конструкции.

«Автомобильная индустрия консервативна», - заключает Сантони. «По этой причине мы использовали материалы высокого качества и методы изготовления все же обычные, для сведения к минимуму риска и увеличения вероятности последующего одобрения конструкции». Прототип шасси был недавно представлен на автомобильном шоу, проходившем во Франкфурте в 2005 году, Германия, и многие производители были очень заинтересованы, замечает Сантони: «Несколько партнерских отношений сейчас находятся в стадии обсуждения».

Статья из журнала “Composites Technology” февраль 2006 года

Перевод: Третьяков Павел

Информация на сайте не является публичной офертой

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru