Развитие материалов и конструкции кузова

Развитие массового производства автомобилей показало, что наиболее трудоемкой частью является кузов. В 1912 году американец Эдвард Бадд (Edward Budd) на своем предприятии начал постройку цельнометаллических автомобильных кузовов из круп­ных штампованных деталей, содер­жащих оконные и дверные проемы, получивших широкое распространение лишь с 1928 года. Штамповкой всех элементов кузова из листовой стали были сокращены доро­гие ручные операции, уменьшено ко­личество деталей и соединений. На ру­беже 1930-х годов было усовершенство­вано также соединение штампованных деталей кузова в промышленных мас­штабах контактной электрической сваркой, что сделало кузова более дешевыми, долговеч­ными и ремонтопригодными.

С рос­том скорости конструк­торы все больше внимания уде­ляли управляемости автомобиля, что привело к увеличению жест­кости рамы на кручение. Исследова­ния показали, что желаемого эффекта можно добиться, жестко соединив цельнометаллический кузов с рамой. Поэтому с середины 1930-х годов нача­лось производство автомобилей с не­сущими кузовами, а автомобили стали более прочными из-за большей жесткости кузова, техноло­гичнее благодаря меньшему числу де­талей и сборочных операций и экономичнее из-за снижения массы и выравнивания долговечности несущих элементов.

Начало несущему кузову положил автомобиль «Citroen Traction Avant» («передний при­вод») 1934 года. Конструкция была прогрессивна и получила все­общее признание: благодаря главным достоинствам (жесткости и прочнос­ти) выпускалась свыше 20 лет. Сле­дующей массовой моделью с несущим кузовом стал «Opel Olimpia» 1935 года.

Безрамные конструкции автомоби­лей вынудили сторонников рам пойти на усовершенствования. Для повышения жесткости на кручение со­здали хребтовые рамы с центральной трубчатой или коробчатой балкой, внутри которой проходил приводной вал («Tatra 11» 1922 года, «НАМИ-1» 1927 года, «Scoda Popular» 1937 года, «Mеrcedes-Benz-130» 1934 года). Другие изобрета­тели ввели в конструкцию рамы Х-образную поперечину, также резко увеличивающую жесткость на круче­ние («ГАЗ-М1» 1936 года).

Ряд немецких фирм («Adler», «Hanomag») стали применять раму-коробку, пред­ставляющую собой несущее днище ку­зова с приваренными к нему лонжеро­нами и поперечинами коробчатого се­чения.

Использование несущей рамы (см. рис. 8) вместо несущего кузова обеспечивает более низкую установку подвески, двойную защиту двигателя, уменьшение шума подвески и вибрации при передаче воз­действия на раму и далее к кузову. Кроме того несущая рама обеспечивает удобство установки и улучшенную изоляцию для задней подвески при использовании задней главной передачи в случае заднеприводного или полноприводного автомобиля.

Рис. 8. Несущая рама (а) и ее компоновка (б) на автомобиле

Наиболее отработанной несущей конструкцией можно счи­тать комбинированную систему «Volkswagen KdF» (1937 год) Фердинанда Порше (F. Porshe), состоя­щую из центрального коробчатого лонжерона, разветвляющегося сзади в вилку для крепления двигателя, и при­варенного к нему днища. Существовало два варианта кузова: с деревянно-металли­ческой и с цельнометаллической конструкцией. «Жук» получил невероятно широ­кое распространение: за 50 лет было выпущено 21 млн штук (через 20 лет завод выпускал за сутки 6383 автомобиля).

Первые послевоенные годы отмечены нехваткой бензина и тонкого стального листа для штамповки деталей кузова. Голод на новые автомобили промышленность удовлетворяла недорогими преимущественно малолитражными «народными» автомобилями «Austin», «Citroen», «Fiat», «Volkswagen».

С 1964 года на сборочных операциях применяются роботы, функционирование которых без электронных систем управления просто немыслимо. Операции по подаче на конвейер нужного ассортимента комплектующих изделий, сварка и окраска кузовов тоже встали под электронный контроль. Середина 1960-х годов отмечена появ­лением таких моделей, как «Renault 16» (1965 год) и «Morris 1100» с двухобъемными кузо­вами типа «хетчбек» (покатый задок кузова с широкой дверью позволяет при необ­ходимости использовать автомобиль при перевозке объемных вещей, откинув задние сиденья).

С производственной точки зрения ме­тод штамповки кузова из металла невыгоден для производства транспортных средств маленьких серий. Дешевле использование методов типа распыления металла на ос­нову из эпоксидной смолы, пригодных для создания прототипов и автомобилей малых серий. Метод создания стальных структур скреплением листов болтами или сварными швами, используемый при создании первых шасси, безна­дежно неэкономен для создания современных легких и безопасных автомоби­лей. Вызывают определенные трудности и высокую стоимость методы точного литья и выдавливания (с процес­сом сжатия мягкого металла через сужающуюся форму для формирования балки со сложным пус­тотелым сечением).

Сталь подвержена коррозии и, хотя для продления срока службы автомобиля «Porsche» в 1976 году предложил гальванизированный кузов, это привело мелких изготовителей к применению других, но более дорогих материалов. Алюминий легок, может быть отлит и выдавлен, поэтому он привлек внимание инжене­ров, ищущих альтернативы стальному производству. Кузов из алюминиевого сплава может быть сделан приблизительно вполовину легче эквивалентного стального кузова с такой же жесткостью. Сталь­ной кузов составляет приблизительно 30% массы легко­вого автомобиля, а переход на алюминиевый кузов даст экономию не больше 15% массы, поэтому фабрики для массового производства и проектировщики кузова не спешат расставаться со стальным ма­териалом.

Алюми­ний слабее подвержен действию коррозии, защищенный поверхностным окислением, но хуже поддается контактной сварке, чем листовая сталь, требуя чрезвычайно точного кон­троля сварочного тока и времени контакта. Однако, используя точную настройку оборудования, алюминиевые и стальные кузова могут обрабатываться то­чечной сваркой на одних и тех же линиях, использующих одинаковое оборудование.

Альтернативным подходом к структуре кузова служит соединенный каркас, восприни­мающий нагрузки выдавленными алюминиевыми профи­лями сложной формы. «Morgan» для автомобиля «Aero 8» разработал систему, в которой шас­си и элементы кузова собирались из точно нарезанных листов алюминия с комбинацией сварки и приклепывания с минимумом стыковки (нахлеста). Алюминий использовался частями, которые были отдельно собраны (двери, капот и крышка багажника, задний люк), а затем присоединены к основанию кузова (капоты «Renault Сlio» и «Citroen С5»).

Боль­шая часть алюминиевого сырья для автопромышлен­ности приходит от переработки отходов алюминиевой промышленности ввиду дороговизны и трудности извлечения алюминия из руды. Проблемой остается введение алюминия в производственный цикл на первом этапе.

Пластмассы (пластики) представляют собой разнообразные материалы нефтехимического производства, предлагаю­щие широкий диапазон физических свойств, однако работающие практически одинаково.

Будучи «антикоррозион­ными», пластмассы подверже­ны определенным химическим реакциям от мотор­ных топлив и деградации от ультрафиолетового света. Кроме того, пластмассы - трудоемкий и дорогой материал для переработки. Даже «тер­мопластик» не может просто быть расплавлен, очищен и пре­образован, как большинство металлов, особенно алюми­ний.

Пластмассы являются потенциальной альтернати­вой алюминию как легкие материалы. Однако их применение снизилось в 1990-х годах из-за не­приятностей, связанных с рециркуляцией, сделавшей больше, чем технические недостатки, вызванные нестабильностью при высоких температурах, потребностью в специальных процессах краски и механических системах для замены технологии кон­тактной сварки, используемой для стали.

Сегодня изготовители огра­ничиваются «чистыми» пластмассами: полиамидом (ней­лоном), поликарбонатом, полиэтиленом, полипропиленом и полиуретаном. Пластмассы с содержанием halide-газов (PVC - хлорид поливинила и PTFE - polytetra-fluoroethylene) не применяют из-за разрушения озонового слоя. Пластмассы - основной материал для формованных бамперов, передних и задних крыльев, которые подвержены незначительным повреждениям от ударов, по­этому разрабатываются с механичес­ким соединением болтами к кузову с простотой замены.

Первоначальным композитным материалом кузова была стекловолоконная пластмасса (GRP), в которой полиэстер или матрица эпоксидных смол введена в основу, содержа­щую каркас из связанного или сотканного стекловолокна («Chevrolet», 1953 год). Стекловолокно обеспечивает большую часть механической силы, а основа из смол поддерживает форму и обеспечивает обработку поверхности.

В листовой отливке (SMC) гибкие «листы» укрепленной смолы под­готовлены и затем спрессованы, что позволяет сделать про­цесс полуавтоматическим и избежать необходимости в точ­ном расположении основы в отливке. Меньшие, но более толстые компоненты могут быть сформированы из густого литьевого компаунда (DMC). Более продвинутым является использование полиуретана. Если расщепленное или рас­пыленное стекловолокно добавлено в процессе формования (реактивная отливка), сформированный ком­понент значительно напрягается. Этот процесс известен как усиленная реактивная отливка (RRIM). Тот же самый тип укрепления может быть добавлен к полиамиду (нейлону) в течение формования с похожими результатами.

Наиболее часто используемое укрепление во всех этих материалах - стекловолокно, дешевое, качественное, имеющее очень высокое отношение жесткости к весу. В дорогостоящих же про­ектах («кокон» гоноч­ного автомобиля) используют более жесткое и прочное углеродистое волокно - кевлар.

Различные типы сложных материалов, получивших название «бутерброд», представляют пластмассовый слой между двумя тонкими слоями стали.

Панели из такого типа материала действуют как эффективные шумопоглотители и амортизаторы вибрации с меньшими затратами веса.

Начиная с 1980-х годов, возникла необходимость обеспечения высокой сте­пени защиты от сквоз­ной коррозии кузова, гарантируемой в течение нескольких лет. Для защиты днища, крыльев, панелей дверей, внутренних сторон арок колес и каркаса применяется покрытие листовой стали с одной или обе­их сторон цинком или гальванизированием до прессова­ния. Некоторые изготови­тели, однако, делают полную защиту кузова с помощью 100% гальванизирования стали. Увеличивающаяся эффек­тивность основной защиты от коррозии уменьшила по­требность в дополнительном защитном покрытии днища (материалы в виде изолирующей мастики наносятся на кузов вручную или роботом в виде капель в критических швах).

Окраска кузова происходит в герметизирован­ной камере, исключающей пыль, с контролем температуры и влажности. Имеет место тенден­ция использования красок на водной основе, чтобы уменьшить эмиссию растворителей, угрожающих ок­ружающей среде. Большинство красок применяются роботами, использующими краскораспылительные пистолеты или порошковое рассеивание с электростатическим прили­панием.

Технология полировки и окраски становится более слож­ной в ответ на вкусы потребителя. Автомобили с окраской типа «металлик» занимают существенную долю продаж, особенно на рынке дорогих автомобилей. Все чаще изготовители предлагают «экзотический» тип покрытия - «перламутр», в котором визуальный эффект достигнут вкраплением слюды в слоях краски, изменяющей цвет в зависимости от угла зрения.