CC BY
22
Golunov Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, sasha_golunov@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Scheglov Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, saros15@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Golunova Alina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, lianillaamail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Kolozova Olga Alekseevna, senior lecturer, kolozovaoa@rambler. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Lanochkin Alexander Sergeevich, technician, sasha19126@,mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 669
КОНСТРУКЦИЯ КУЗОВА: КАКИЕ МАТЕРИАЛЫ В КАКИХ ЧАСТЯХ КУЗОВА НЕОБХОДИМО ПРИМЕНЯТЬ И ПОЧЕМУ
И.В. Савин
Рассматриваются составные материалы автомобильного кузова. Анализируются их достоинства и недостатки. Основу кузовного каркаса с максимально возможным уровнем пассивной безопасности составляет сверхвысокопрочная сталь и алюминий. Однако развитие технологий и всё большие требования к пассивной безопасности заставляют инженеров находить новые материалы: таким образом появились магниевые сплавы и углепластик. Они позволили сделать автомобили легче, без потерь в жёсткостных характеристиках и способности поглощения нагрузок.
Ключевые слова: жёсткость кузова, лазерная сварка, алюминий, сталь, пассивная безопасность.
Конструкция кузова является важнейшим элементом пассивной безопасности автомобиля. Его конструкция должна быть построена таким образом, чтобы обеспечить максимальную безопасность для водителя и пассажиров. Тенденции таковы, что уже недостаточно гарантировать только выживание находящихся в автомобиле людей, появляется тренд на минимизацию ущерба их жизни и здоровью, в том числе с использованием современных технологий построения кузова. С каждым годом возрастают требования к безопасности, появляются новые технологии, а многие материалы перестают отвечать современным требованиям и постепенно теряют свою актуальность.
Безопасность конструкции кузова определяет степень деформируемости передней и задней части автомобиля для поглощения энергии столкновения, а так же, жесткость и прочность силового каркаса для выживания водителя и пассажиров [1]. Кузов изготавливается из сотен
330
отдельных компонентов, которые соединяются в единый каркас. Основные детали кузова изготавливаются из стали, алюминия, пластмассы и стекла. Тенденция на использование низкоуглеродистой листовой стали толщиной 0,65...2мм позволила уменьшить массу автомобиля и повысить жёсткость кузова. Такая сталь недефицитна, способна к глубокой вытяжке для получения деталей нестандартной формы, механически прочна и технологичная соединением сваркой. Изготовление кузова происходит в несколько этапов: из стальных листов различной толщины штампуются отдельные детали, после чего соединяются в единое целое с помощью сварки. Преимущества стали в низкой стоимости, высокой ремонтопригодности и отработанной технологии производства и утилизации. Однако, есть и недостатки: увеличивается вес конструкции, необходима комплексная защита от коррозии, ограниченный срок службы и необходимость использовать больше количество штампов.
Алюминиевые сплавы используются не только при изготовлении целого кузова, но и отдельных его частей - двери, крылья, капот, крышка багажника [2]. Благодаря своим особенностям, из алюминия возможно изготавливать детали любой формы, легкий в обработке, устойчив к коррозии. Кузов из алюминиевых сплавов в сравнении со стальным значительно легче - возможность улучшить динамические характеристики автомобиля за счёт снижения общей массы, управляемость и устойчивость при вхождении в повороты. Такой кузов жёстче стального, способен противостоять скручивающим нагрузкам и лучше поглощает ударную энергию: при лобовом столкновении с перекрытием деформируется только передняя часть, в то время как стальной кузов деформируется вместе с салоном.
Изготовление алюминиевого каркаса технологически похоже на изготовление стального: штампуются листы алюминия и собираются в целую конструкцию. Детали соединяются в том числе аргоновой или лазерной сваркой (рис. 1). Технология лазерной сварки позволила значительно снизить деформацию элементов в местах соединений, обеспечить эффективное заполнение зазоров и увеличить скорость сборки.
Каркас алюминиевого кузова состоит из литых и профилированных компонентов. Использование современных сочетаний алюминиевых сплавов, и продуманная конструкция позволяет деформировать элементы поэтапно с максимальным поглощением энергии на каждом этапе: при ударе автомобиля, движущегося со скоростью 10...15км/ч, о бетонную стену деформации подвергается только усилитель бампера, в то время как остальная часть кузова остаётся целой. При разгоне до 30 км/ч компенсировать удар будет внешняя трубчатая секция. Задействование силового каркаса кузова происходит только на скоростях выше.
Стоит отметить, что при всех преимуществах применения алюминия, он имеет низкую и дорогостоящую ремонтопригодность и значительно дороже стали, поскольку для соединения деталей необходимо применение специального оборудования и, как следствие, более дорогостоящих видов соединения. Однако именно алюминиевые сплавы обеспечивают наибольшую безопасность.
Рис. 1. Типовые соединения, используемые при изготовлении кузова
автомобиля: 1 - контактная точечная сварка (сталь); 2 - контактная точечная сварка (алюминий); 3 - лазерная сварка
(алюминий); 4 - склеивание; 5 - MIG-сварка (алюминий); 6 - полупустотелая сварка; 7 - лазерная сварка (сталь); 8 - заклепка конической головкой; 9 - штамповка; 10 - роликовая запрессовка;
11 - MAG-сварка (сталь); 12 - сварка трением;
13 - болтовое соединение
С каждым годом возрастают требования к пассивной безопасности, что заставляет автопроизводителей искать новые решения. В современных автомобилях преимущественно используется каркас из высокопрочной стали (рис.2), поскольку он предпочтительнее алюминия в деле защиты седоков в случае аварии. Многочисленные исследования, в том числе краш-тесты компании EURO NCAP, показывают, что наименьшие травмы получают водители и пассажиры тех автомобилей, где из сверхвысокопрочной стали изготавливаются центральные стойки кузова, пороги и лонжероны.
Рис. 2. Степень прочности стали кузова
Развитие технологии гибридного привода заставило автопроизводителей проводить исследования в области обеспечения пассивной безопасности автомобилей с батареями. Выяснилось, что для максимальной безопасности зоны с батареями должны иметь высокую жёсткость, поэтому структура рамы должна состоять из большей доли стальных компонентов.
332
Компания AUDI, в гибридной модели A8 четвёртого поколения снизила долю алюминия до 58%, что заметно сказалось на общей массе рамы - она стала тяжелее на 51 кг.
Сложно обеспечить должную управляемость при чрезмерной массе рамы, поэтому инженерам приходится находить новые материалы, чтобы адаптироваться к постоянно меняющимся условиям. Помимо стали и алюминия, в составе кузова всё чаще встречаются магний и углепластик [3]. Применение магниевого сплава инженерами AUDI в модели A8 позволило снизить массу распорки стоек передней подвески на 28% при одинаковой жёсткости по сравнению с алюминием. Из углепластика в этой модели выполнена задняя панель кузова. Она сегментирована волокнами различной толщины, где каждый из слоёв представляет собой 50мм ленту, способную укладываться под любым углом. При комплексной ориентации волокон панель способна поглощать различные нагрузки и обеспечивать около 33% жёсткости на кручение кузова.
Таким образом, использование высокопрочной стали позволяет повысить пассивную безопасность благодаря увеличенной жёсткости кузова. Однако использование только лишь стальных элементов негативно сказывается на общей массе рамы, что сказывается на динамике и управляемости автомобиля. Для снижения массы всё чаще используются алюминиевые сплавы, а также ведутся активные исследования новых материалов. Благодаря таким исследованиям, в составе кузова современных автомобилей появились магниевые сплавы и углепластик. Комплексная оптимизация составляющих кузовной рамы за счёт современных составляющих позволила инженерам сделать автомобильный каркас не только легче, но и безопаснее.
Список литературы
1. Безопасная конструкция кузова // Системы современного автомобиля [Электронный ресурс] URL: http://systemsauto.ru/passive/body.html (дата обращения: 05.02.20).
2. Из чего делают кузова автомобилей // AmasterCar.ru - всё про машины от А до Я для начинающих [Электронный ресурс] URL: https://amastercar.ru/articles/body of car 3.shtml (дата обращения: 05.02.20).
3. Сталь, алюминий или карбон: что лучше для кузова // Сайт За рулём - Статьи, новости, обзоры [Электронный ресурс] URL: https:// www.zr.ru/content/articles/906828-ideya-fiks/ (дата обращения: 05.02.20).
Савин Илья Вадимович, магистр, ne@ilyasavin.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
BODY CONSTRUCTION: WHAT MATERIALS SHOULD BE USED IN WHAT PARTS OF
THE BODY AND WHY
I.V. Savin 333
The composite materials of the car body are considered. Their advantages and disadvantages are analyzed. The basis of the body frame with the highest possible level of passive safety is ultra-high-strength steel and aluminum. However, the development of technologies and increasing requirements for passive safety force engineers to find new materials: thus appeared magnesium alloys and carbon fiber. They made it possible to make cars lighter, without losses in stiffness characteristics and load absorption capacity.
Key words: body rigidity, laser welding, aluminum, steel, passive safety.
Savin Ilya Vadimovich, master, ne@ilyasavin. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 66.048.3.069.82
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НАСАДОЧНОГО ТИПА
В.Г. Афанасенко, В.Ф. Хузиев, Ю.Л. Галимова
Представлен метод улучшения качества продукта при помощи модернизации лабораторной установки. Разработана система охлаждения, включающая в себя: змеевик сложной формы, центробежный насос, полимерная трубка и 2 емкости. Представлена усовершенствованная распределительная тарелка для ректификационной колонны с диаметром 150 мм. Проведен расчет и анализ полученных данных, из которых следует об эффективности предложенной модернизации.
Ключевые слова: массообмен, ректификация, ректификационная колонна, система охлаждения, устройство распределения жидкости, тепловой баланс, змеевик.
Ректификация - процесс разделения многокомпонентной смеси, путем противоточного движения пара и жидкости. Способ ее повышения является главной целью модернизации ректификационной колонны в данной работе.
Ректификационными колоннами называют вертикальные цилиндрические аппараты, предназначенные для четкого разделения смеси двух взаимно растворимых жидкостей с получением целевых продуктов требуемой концентрации. Такое разделение обеспечивается в результате процесса ректификации, под которым понимают двусторонний массообмен между двумя фазами растворов, одна из которых паровая, другая - жидкая. Диффузионный процесс разделения жидкостей ректификацией возможен при условии, что температуры кипения жидкостей различны. Для осуществления диффузии пары и жидкости должны как можно лучше контактировать между собой, двигаясь в ректификационной колонне навстречу друг другу: жидкость под собственным весом сверху вниз, пары - снизу вверх [1].
Экспериментальные исследования модернизации проводились на учебной ректификационной колонне для разделения модельной смеси «этанол-вода» (рис. 1). Исходная концентрация этилового спирта в кубе -10 %. Установленными в кубе колонны ТЭНами смесь доводится до кипения. Образовавшийся при этом пар поднимается вверх по колонне и взаимодействует, после выхода установки на рабочий режим, с жидкостью, стекающей по тарелкам колонны сверху вниз.
