CC BY
27
Сплавы с памятью формы в кузовах автомобилей: инновации или
фантастика
И.В. Топилин, И.А. Маяцкая Ростовский государственный строительный университет
Аннотация: Проведен анализ сплавов с памятью формы и рассмотрена возможность применения этих сплавов в конструкциях автомобилей. Предложена методика расчета пространственной конструкции каркаса с элементами, выполненными из этих материалов. Ключевые слова: сплав, память формы, кузов, материал, безопасность, упруго-пластический элемент.
Широкое применение, например, алюминия в машиностроении 150 лет назад и, скажем, титана на отечественных боевых самолетах в период Великой Отечественной войны было просто немыслимо и невозможно по экономическим и технологическим соображениям. Современные реалии просто обязывают овладевать перспективными технологиями, в том числе, для того чтобы успешно решать проблемы автомобилестроения двадцать первого века. Многочисленные источники информации свидетельствуют о нарастающих темпах развития и создания новых типов конструктивных решений на основе сплавов с эффектом памяти формы [1-4].
Первые работы, связанные с исследованием эффекта памяти формы, относятся к 40-м годам, когда Г.В. Курдюмовым и его сотрудниками был открыт новый тип мартенситных превращений - так называемые термоупругие мартенситные реакции, лежащие в основе эффекта памяти формы. Тогда же были изучены основные закономерности термоупругих мартенситных переходов, влияние различных факторов на кинетику превращений этого типа и ряд физических свойств данных сплавов.
В дальнейшем экспериментальное и теоретическое изучение эффекта памяти формы нашло отражение в работах отечественных исследователей.
Среди достаточно многочисленного класса сплавов с памятью немного систем, удовлетворяющих жестким требованиям практической эксплуатации. Сплавы оценивают по следующим основным параметрам памяти: а) величине обратимой деформации; б) степени восстановления исходной формы; в) напряжению, генерируемому при нагреве; г) напряжению, необходимому для предварительной деформации.
Почти всегда желательно, чтобы первые три характеристики были максимально большими, а четвертая напротив, минимальной. Для решения конкретных технических задач требуются сплавы с определенными температурами проявления эффекта, шириной температурного интервала восстановления формы, величиной гистерезиса между прямым и обратным изменениями формы. Поэтому возможность управления этими параметрами в широких пределах является также исключительно важной характеристикой материала, которая определяет масштабы его применения.
Кроме перечисленных характеристик, имеющих прямое отношение к памяти, для конкурентной способности сплава не менее важными являются его технологические и экономические показатели: прочность, пластичность, удельный вес, стойкость к коррозии, технологичность в изготовлении и т.д. и, наконец, себестоимость. Лучше всех указанному комплексу свойств соответствуют сплавы на основе трех базовых систем: Сп2п (в -латунь), СиА1 (алюминиевая бронза) и, конечно, ТШ1 (никелид титана). Преимущественно они и используются на практике. Лучшие из них почти полностью возвращают 10-20% деформации, генерируют напряжения 500-700МПа и требуют для предварительной деформации не более 50-100МПа. Температуру проявления памяти в них можно менять от -250 до 500°С ширину интервала восстановления формы - от 5 до 100°С, гистерезис - от 2 до 80°С. Высокая прочность, стойкость и коррозия, совместимость с
биологическими тканями, технологичность в изготовлении позволяют с успехом применять эти сплавы в самых разных областях техники и медицины.
Естественно, что многочисленные авторы обращались к сплавам с памятью формы как к волшебной палочке, способной решить проблемы безопасной эксплуатации автомобильного транспорта. Предлагалось выполнять весь корпус в виде монолитной капсулы безопасности из сплава с памятью формы, который, по замыслу автора, после удара восстановит утраченную форму без источников нагрева. Конечно, это технически не осуществимо [1,2,5], в том числе по причинам: невысокой эффективность работы силового каркаса по самовосстановлению, вследствие отсутствия конструктивного источника тепла, необходимого для приобретения первоначальной формы после пластической деформации [3,4,6-14], что может привести к необратимому сдавливанию пассажиров; чрезмерной жесткости конструкции кресел, препятствующая плавному перемещению пассажиров на допустимое расстояние в сторону соударения, не снижающая опасных перегрузок на человеческое тело [4].
И если поставить задачу повышения безопасности пассажиров и оборудования на основе применения в составе элементов конструкций материала с памятью формы, то она может быть решена следующим образом:
Кузов автомобиля необходимо выполнить в виде каркаса трубчатой силовой пространственной конструкции. Армированную облицовку можно сделать из эластичного материала, по крайней мере один из слоев которого каучуковый или резиновый.
Капсулу живучести, обладающую памятью формы, а также бронированные обзорные стекла, в том числе лобовое, жестко закрепить на нем.
Трубчатую силовую пространственную конструкцию каркаса желательно изготовить в передней и задней части с противоподкатной защитой, а именно с жесткими выступами перед капсулой живучести, которые декоративно и аэродинамически прикрыть под облицовкой, например, вспененным алюминием. Вспененный алюминий можно использовать также для покрытия верхних поверхностей корпусов двигателя и коробки передач, которые плавно сужаются под капсулой живучести..
В качестве основного материала можно использовать термоупругий демпфирующий титано-никелевый сплав с эффектом памяти формы. Внутри полостей трубчатой силовой конструкции капсулы обязательно разместить ампулизированные нагреватели химического типа.
Что касается пассажирских кресел, то их основания должны быть соединены с силовой конструкцией капсулы живучести посредством пластических амортизаторов трубчатого профиля, выполненных из термоупругого демпфирующего титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы. Внутри трубок амортизаторов также размещены ампулизированные нагреватели химического типа.
На рис. 1 схематично показан общий вид такого автомобиля; на рис. 2 -вид А (схема элемента капсулы живучести с ампулизированным нагревателем химического типа), на рис. 3 - схематично показан общий вид крепления пассажирского кресла.
Более подробное описание идеи в статике и динамике: Кузов содержит каркас 1, армированную облицовку 2, капсулу живучести 3, обладающую памятью первоначальной формы. Каркас 1 кузова автомобиля включает в себя раму 4, соединенную с армированной облицовкой 2, выполненной из эластичного материала, а также бронированные обзорные стекла 5, в том числе лобовое, жестко закрепленное на ней.
Рис. 1. — Общий вид автомобиля
Рис. 2. — Схема элемента капсулы живучести с ампулизированным нагревателем химического типа
Рис. 3. — Общий вид крепления пассажирского кресла
Трубчатая силовая пространственная конструкция 1 выполнена в передней и задней части с противоподкатной защитой, а именно с жесткими выступами 6 перед капсулой живучести, которые декоративно и аэродинамически прикрыты под облицовкой 2 вспененным алюминием 7, капсула живучести 3 выполнена в виде трубчатой силовой конструкции из термоупругого демпфирующего титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы, внутри полостей трубчатой силовой конструкции капсулы живучести 3 размещены ампулизированные нагреватели 8 химического типа.
Ампулизированные нагреватели 8 химического типа могут состоять, например, из эластичного пакета 9 с морозоустойчивым гелеобразным раствором 10 этиленгликоля в воде, в который погружена хрупкая ампула 11 с обезвоженным гидроксидом натрия 12. Верхние поверхности корпусов двигателя и коробки передач со стороны капсулы живучести покрыты монолитной оболочкой 13 из вспененного алюминия, корпуса двигателя и коробки передач имеют форму, плавно сужающуюся под капсулой живучести. Основания 14 кресел водителя и пассажиров соединены с
трубчатой силовой конструкцией капсулы живучести посредством термоупругого демпфирующего титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы, внутри трубок амортизаторов также размещены ампулизированные нагреватели 8 химического типа.
Необходимо отметить, что разработка конструкций, где применяются элементы из сплавов с памятью формы, очень актуальна.
Литература
1. Заявка Франции №2098497, кл. В 62 Б 29/00, 1972, 12 с.
2. Глясман К.С. Кузов автомобиля. Описание патента РФ №2096231. 1997. 6 с.
3. Гуревич А.С. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М.Бернштейна / Под ред. В.А.Займовского. М.: Металлургия. 1979. 472 с.
4. Трохачев А. Синоним защиты — УОЬУО // Автомобильный транспорт. №11. 2002. С. 26-29.
5. Краткая химическая энциклопедия. Т.1-У. М.: «Советская энциклопедия», 1961. 631 с.
6. Костоглотов А.И., Денисов О.В., Ступаков В.Я. и др. Экспериментальное исследование механических свойств титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы при повышенных температурах и пластическом кручении // Изв. ВУЗов. Естественные науки. №4. 1999. С. 2426.
7. Денисов О.В., Ступаков В.Я., Костоглотов А.И. и др. Масштабный фактор при упругопластическом кручении торсионов на основе сплава с эффектом памяти формы // Изв. ВУЗов. Естественные науки. №4. 1999. С.21-24.
8. Денисов О.В. и др. Кузов автомобиля повышенной безопасности. Патент РФ №2270778 от 27.02.2006 г.
9. Денисов О.В., Денисов Д.О., Дорофеев О.Ю. и др. Управляемая система амортизации автомобиля. Патент РФ №2256831 от 03.02.2003г.
10. Vladimir I. Andreev, Anton S. Chepurnenko, Batyr M. Yazyev. Energy Method in the Calculation Stability of Compressed Polymer Rods Considering Creep//Advanced Materials Research Vols. 1004-1005 (2014) pp 257-260. Trans Tech Publications, Switzerland.
11. Vladimir I. Andreev, Batyr M. Yazyev, Anton S. Chepurnenko. On the Bending of a Thin Plate at Nonlinear Creep // Advanced Materials Research Vol. 900 (2014) pp 707-710. Trans Tech Publications, Switzerland.
12. Маяцкая И.А., Краснобаев И.А. Математическое моделирование растительных материалов при их соударении с поверхностью // «Инженерный вестник Дона». 2012. №4 ч.2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1302.
13. Литвинов С. В., Козельский Ю. Ф., Языев Б. М. Расчёт цилиндрических тел при воздействии теплового и радиационного нагружений // «Инженерный вестник Дона». 2012. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/954.
14. Genta G., Morello L. Automotive chassis. Springer, 2009. Volume 1: Components design. 621 p., Volume 2: System design. 621 p.
References
1. Zayavka Frantsii №2098497, kl. V 62 D 29/00, 1972, 12 p.
2. Glyasman K.S. Kuzov avtomobilya [The car body]. Opisanie patenta RF №2096231. 1997. 6 p.
3. Gurevich A.S. Effekt pamyati formy v splavakh [The shape memory effect in alloys]: Per. s angl. L.M.Bernshteyna / Pod red. V.A.Zaymovskogo. M.: Metallurgiya. 1979. 472 p.
4. Trokhachev A. Avtomobil'nyy transport. №11. 2002. pp. 26-29.
5. Kratkaya khimicheskaya entsiklopediya [Short Chemical Encyclopedia]. V.I-V. M.: «Sovetskaya entsiklopediya», 1961. 631 p.
6. Kostoglotov A.I., Denisov O.V., Stupakov V.Ya. i dr. Izv. VUZov. Estestvennye nauki. №4. 1999. pp. 24-26.
7. Denisov O.V., Stupakov V.Ya., Kostoglotov A.I. i dr. Izv. VUZov. Estestvennye nauki. №4. 1999. pp.21-24.
8. Denisov O.V. i dr. Kuzov avtomobilya povyshennoy bezopasnosti [The car body increased security]. Patent RF №2270778 ot 27.02.2006.
9. Denisov O.V., Denisov D.O., Dorofeev O.Yu. i dr. Upravlyaemaya sistema amortizatsii avtomobilya [A control system of depreciation of the car]. Patent RF №2256831 ot 03.02.2003.
10. Vladimir I. Andreev, Anton S. Chepurnenko, Batyr M. Yazyev. Advanced Materials Research Vols. 1004-1005 (2014) pp 257-260. Trans Tech Publications, Switzerland.
11. Vladimir I. Andreev, Batyr M. Yazyev, Anton S. Chepurnenko. Advanced Materials Research Vol. 900 (2014) pp 707-710. Trans Tech Publications, Switzerland.
12. Mayatskaya I.A., Krasnobaev I.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №4 p.2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1302.
13. Litvinov S. V., Kozel'skiy Yu. F., Yazyev B. M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/954.
14. Genta G., Morello L. Automotive chassis. Springer, 2009. Volume 1: Components design. 621 p., Volume 2: System design. 621 p.
