Кузовное материаловедение

Сталь в качестве материала для изготовления кузовов используется очень давно. Свойства стального листа позволяют штамповать детали разнообразной формы, а различные способы сварки дают возможность соединять детали в цельную конструкцию. Разработаны новые сорта стали (упрочняющиеся при термической обработке, легированные), позволяющие упростить изготовление и получить заданные свойства кузова. Кузов изготавливается в несколько этапов. Сначала из стальных листов различной толщины штампуются отдельные детали. Затем они свариваются в крупные узлы и при помощи сварки собираются в единое целое. Практически на всех современных заводах сварку ведут роботы, но иногда применяются и ручные виды сварки: полуавтоматами в среде углекислого газа или контактная.

Наступление алюминия потребовало разработки новых технологий получения заданных свойств стальных кузовов. Одной из таких новинок является технология Tailored blanks: сваренные встык по шаблону стальные листы разной толщины из различных сортов стали образуют заготовку для штамповки. В результате отдельные участки изготовленной детали обладают заданной прочностью и пластичностью.

Все рассмотренные в статье материалы обладают положительными свойствами. Поэтому многие конструкторы проектируют кузова, сочетающие детали из разных материалов. Это позволяет использовать их положительные качества и обходить присущие им недостатки. Примером такой гибридной конструкции может быть кузов автомобиля Mercedes-Benz CL, при изготовлении которого применяется сталь, алюминий, магний и пластик. Сталь идет на каркас моторного отсека и днище багажного отделения, а также на отдельные элементы каркаса. Из алюминия изготавливают ряд наружных панелей и деталей каркаса. Из магниевого сплава делают каркас дверей. Передние крылья, крышка багажника выполняются из пластика. Как вариант возможна конструкция кузова, в которой каркас изготовлен из стали и алюминия, а наружные панели – из алюминия и (или) пластика.

Для серийного изготовления автомобильных кузовов алюминиевые сплавы используются относительно недавно, хотя впервые их применили в 30-е годы прошлого столетия. Из алюминия можно сделать как весь кузов, так и отдельные детали (каркас, капот, крышку багажника, двери). Начальный этап в основном такой же, как и при изготовлении стальных кузовов. Детали штампуются из листового алюминия, затем собираются в единую конструкцию. Используется сварка в среде аргона, соединения на заклепках или с применением специального клея, лазерная сварка. Кроме этого, кузовные панели могут крепиться к стальному каркасу, изготовленному из труб различного сечения.

К этому виду пластических материалов (в отличие от термореактивных) относят те из них, которые при повышении температуры переходят в жидкое состояние и становятся текучими. Широкому кругу автомобилистов эта разновидность пластика знакома по бамперам, деталям обшивки салона и другим элементам кузова.

Специалисты DaimlerChrysler предложили использовать для изготовления кузовов полиэтилентерафталат, из которого делают пластиковые бутылки. Разработана технология производства, суть которой заключается в следующем. Расплавленная масса пластика впрыскивается в форму под давлением 482 атмосферы. Через две минуты форма разъединяется, и после остывания получается крупная кузовная панель. Отдельные панели соединяются в цельную конструкцию специальным клеем. Кузов не нуждается в дополнительной окраске, обладает высокой антикоррозионной стойкостью. Нити каркаса, заложенные прямо в литьевую форму, обеспечивают необходимую прочность и энергоемкость панелей.

Под общим названием «стеклопластик» будем иметь в виду какой-либо волокнистый наполнитель, пропитанный полимерными термореактивными смолами. Наиболее известные наполнители – стеклоткань, карбон (группа углепластиков представляет из себя сеть из переплетенных под определенными углами углеродных волокон, пропитанную специальными смолами), кевлар (синтетическое полиамидное волокно. Отличается небольшим весом, негорючее, устойчивое к высоким температурам, по прочности на разрыв в несколько раз превосходит сталь) и волокна растительного происхождения. Технология изготовления кузовных деталей напоминает выклейку игрушек из папье-маше. Слои наполнителя укладывают в специальные матрицы, пропитывают синтетической смолой и оставляют на определенное время для ее полимеризации. Существует несколько вариантов изготовления кузовов: монокок (весь кузов – одна деталь), наружные панели из пластика, установленные на стальной или алюминиевый каркас, и даже сплошной кузов с интегрированными в его структуру силовыми элементами. Учитывая особенности технологии (длительность полимеризации, большая доля ручного труда), стеклопластик в серийных автомобилях используется редко, хотя отдельные элементы из него и даже наружные панели изготавливались и продолжают изготавливаться. В последнее время получил распространение карбон, причем не только для кузовов автомобилей Формулы-1, но и тюнинга серийных машин. Одна из новинок – использование натуральных волокон абаки (банана), отличающихся чрезвычайно высокой прочностью. Волокна абаки используются в сочетании с полипропиленом.