Кузов автомобиля: сталь, алюминий, карбон и… картон?

Поделитесь в соцсетях:

• Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
• Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)

В середине июля по миру прошла рядовая новость: Land Rover Defender оставляют в производстве. А перед этим еще одна небольшая новость о новой детали от BASF для заднего редуктора Mercedes S-класса. Ну и вспомним главную люкс-новинку первой половины 2015 года – новый BMW 7-серии. Что общего в этих автомобилях? Общее — в использовании разных материалов вместо привычной стали для кузова автомобиля: алюминий, пластик, карбон – давайте посмотрим, за чем будущее автомобилестроения.

Предыстория автомобильных кузовов

Кузов автомобиля – без сомнения, важнейшая его часть: это и место установки всех узлов, и пассажирский салон, и управляемость, и безопасность, и дизайн. В современном понимании кузов легкового автомобиля представляет собой несущую конструкцию из разных сортов стали. Но так было далеко не всегда. Первые автомобили имели рамную конструкцию, которая до сегодня сохранилась на грузовиках и нескольких моделях внедорожников. Также в первых автомобилях нередко использовали дерево при изготовлении деталей кузова.
Революция произошла в 1920-х годах: в 1921-м была представлена Lancia Lambda с несущим кузовом (рама исчезла, всю нагрузку воспринимал кузов). А в 1924 году был представлен Citroen B10 – первый массовый автомобиль Европы с цельностальным кузовом.

Подобный подход – цельностальной несущий кузов – царил в мире автомобилестроения десятилетиями, лишь периодически допуская вольности «на тему». Причем зачастую отход от привычной стали был вызван лишь двумя причинами: или экономией (денег, ресурсов), или желанием облегчить кузова. Случаи экономии были особенно актуальными после Второй Мировой Войны, когда промышленности попросту недоставало стального проката. Это привело к необычным результатам в виде Land Rover Series 1 (впоследствии модель Defender; внешние алюминиевые панели) и Willys Jeep Station Wagon «Woodie» (деревянные панели кузова). Желание снизить вес привело к использованию сначала алюминиевых, а теперь и карбоновых кузовов. Но если ранее подобные случаи были редкостью, встречались в дорогих и специфических автомобилях или спорткарах, то теперь алюминий и карбон готовятся выйти на массовый рынок.

Почему? Причина не только в желании научить гражданский автомобиль ехать как спортивный (не без того, но это далеко не первая причина), но больше в маркетинге («вау, у меня карбоновый автомобиль») и в желании вписаться в новые жесткие экологические стандарты по выхлопу, для чего требуется заметное сокращение расхода топлива. А одним из путей снижения расхода является облегчение автомобиля; плюс добавьте упомянутый маркетинг – вот и ответ.

Алюминий как угроза привычной стали

Алюминий является одним из самых привлекательных материалов для создания кузова автомобиля: он легкий и не боится коррозии, а его производственный процесс (отливка, штамповка) несильно отличается от стали. Первый алюминиевый автомобиль уже есть – это модель Audi A8, которая, начиная с первого поколения и до сегодня, выпускается с полностью алюминиевым кузовом.

Фирменное название Audi ASF расшифровывается как Audi Space Frame, т.е. «пространственная рама Ауди», что недалеко от истины – это несущий кузов, в котором не только панели, но и все усилители были сделаны из алюминия. Концепт Audi ASF был представлен в 1993 году, а уже в 1994-м начался серийный выпуск седана Audi A8 – первого в мире массового автомобиля с полностью алюминиевым кузовом

Уточнение об алюминиевом несущем кузове критически важно, ведь множество других автомобилей также используют алюминий – но в чем же разница? В том, что компания Audi производит несущий алюминиевый кузов, а многие автомобили используют лишь внешние панели, которые крепятся к раме или к основному стальному кузову – т.е. алюминиевые детали в этом случае не несут нагрузку.

Это было одной из основных проблем алюминия – фактически нужно было заново рассчитывать всю силовую структуру кузова, все усилители и распорки, прорабатывать зоны деформации для алюминиевых деталей. Второй существенной проблемой алюминия является метод соединения различных деталей между собой. Так, алюминиевые детали можно сваривать, но только специальным методом и в среде инертных газов, либо с помощью лазерной сварки. Причем этот метод неприменим при соединении стальных и алюминиевых деталей – тогда начинается электрохимическая коррозия и алюминий начинает «ржаветь», постепенно превращаясь в труху. В таких случаях помогут заклепки, причем, чтобы избежать электрохимической коррозии, заклепки имеют тонкий слой нейтрального покрытия, а на всей площади соединения алюминия со сталью нанесен эпоксидный клей-«изолятор». Кстати, склеивание – это еще один способ соединения алюминиевых деталей. Плюс традиционные болты. Причем часто все способы соединения деталей используются в одном автомобиле. К примеру, в том же седане Audi A8 для соединения всех деталей кузова из 13 (!) сортов алюминия, использовано 1847 заклепок, 632 винта, 202 точки сварки, 44 м клееных соединений, 25 м сварки в среде инертных газов, 6 м лазерной сварки.

Автомобиль BMW 5-серии E60 стал первым в мире, где к стальному кузову была прикреплена алюминиевая передняя часть. В этом случае для соединения деталей могли использоваться только те методы, которые не допускали контакта разных материалов. А значит – только заклепки и клей-изолятор.

Являясь пионером серийного использования алюминия в кузове, компания Audi попыталась распространить свою идею на массовый класс, запустив в серию модель Audi A2 с полностью алюминиевым кузовом. Но ни высокие технологии, ни хорошая аэродинамика, ни простор салона, ни попытки снизить цену, используя «обще-VAG-овские» двигатели, не помогли: Audi A2 «не пошла». Возможно, помня пример А2, Audi так и не решилась расширить свою алюминиевую программу на другие модели, оставив алюминиевый несущий кузов только для Audi A8.

Это привело к тому, что сегодня компания Audi уже в числе догоняющих. Ведь еще в 2003 году был выпущен Jaguar XJ с полностью алюминиевым несущим кузовом. Опыт оказался успешен, и нынешний Jaguar XJ также полностью алюминиевый. Мало того, опыт построения алюминиевых кузовов распространился и на другие автомобили группы Jaguar Land Rover: современный Range Rover; последовавший за ним Range Rover Sport; седан Jaguar XE.

Jaguar XE построен на новой модульной платформе iQ [Al], которая состоит из алюминиевого сплава RC5757 (алюминий + кремний + магний) примерно на 70%, включая всю несущую структуру: салон, пол, усилители, передняя и задняя части. Сегодня Jaguar XE приводит статус «полностью алюминиевого авто» в класс D-premium, чем открывает дорогу алюминию к «широким массам» Словом, сегодня мы видим уже целый ряд серийных автомобилей разных классов с полностью алюминиевыми кузовами. Но еще больше автомобилей с частично алюминиевыми кузовами – когда из алюминия не весь кузов, но достаточно большая его часть. К примеру, алюминиевый опыт Audi пригодился при создании Audi Q7 2-го поколения (алюминиевая передняя часть кузова; алюминий занимает около 41% в структуре кузова) и для родственных моделей Porsche (в новых Boxter и Cayman алюминий используется в разных частях кузова, его доля – 46%).

Даже подобный частично-алюминиевый кузов позволяет заметно облегчить автомобиль: к примеру, новый Audi Q7 сбросил 70 кг относительно предшественника. Но сравнимый по размерам и классу полностью алюминиевый Range Rover L405 полегчал на 420 кг, из которых 180 кг – на счету алюминиевого кузова, который теперь весит лишь чуть больше, чем кузов Mini Countryman.

Конечно, с алюминием сегодня работают не только Audi и Jaguar Land Rover, но и другие компании. Правда, в основном алюминиевые сплавы используются лишь частично – для крышки капота или багажника, в деталях ходовой части, для «передка» автомобиля, как в случае с уже упоминавшейся BMW 5-серии. Но сегодня компания BMW увлечена другим материалом – карбоном.

Карбон приходит в массы

Модели BMW i3 и BMW i8 перевернули мир. И здесь дело не только в приводе (электро или гибрид), не только в неформатном дизайне с необычными дверями, но и в том, что это первые в мире крупносерийные автомобили с карбоновыми кузовами. Обе модели построены по схожей схеме: снизу расположена алюминиевая платформа Drive с двигателем, подвеской, блоком АКБ; сверху установлен карбоновый кузов Life с салоном, багажником, фарами, дверями; две половинки соединены между собой болтами. Интересно, что являясь одними из самых передовых автомобилей в мире, BMW i3 и BMW i8 фактически возвращают нас к истокам автомобилестроения – рамным конструкциям начала ХХ века.

Куцый BMW i3 на самом деле является революцией в мире автомобилей: электропривод с возможностью подзарядки АКБ от встроенного ДВС-генератора; необычный минивэно-образный кузов с распашными дверями; повсеместное использование переработанных материалов; и, наконец, рамная алюминиево-карбоновая конструкция

Причем и сам карбоновый кузов BMW i3 очень необычен в своем производственном процессе. Так, при изготовлении карбоновых несущих монококов суперкаров обычно берут слой углеволокна, промазывают его смолой-клеем, затем поверх укладывают следующий слой, причем с ориентацией волокон в другом направлении (как правило, под углом 90 градусов – отсюда и привычный решетчатый рисунок карбона). После чего готовый сформированный кузов-монокок выпекают в печи-автоклаве. В случае с BMW i-серии карбоновый кузов собирают из нескольких деталей, склеивая их между собой: процесс подобен сварке обычного стального кузова. При этом еще и сами детали кузова изготавливают по более простой технологии RTM (Resin Transfer Moulding): это когда в форму детали укладывают несколько слоев углеволокна, затем под давлением нагнетают смолу-клей, и, наконец, выпекают нужную панель кузова. Экономия налицо: и времени (процесс автоматизирован, минимум работы людей); и места (печи для выпекания отдельных деталей меньше, чем печь для цельного монокока). В результате речь идет не о сотне-другой суперкаров с карбоновым кузовом типа «монокок», а о десятках тысяч серийных BMW i3, сопоставимых по цене с обычными «тройками» или «пятерками». При этом сложная алюминиево-карбоновая конструкция обеспечила необходимую жесткость и безопасность и существенно облегчила автомобиль, даже с учетом тяжелой АКБ.

Важно отметить, что «карбоновый автомобиль» компания BMW создает не сама, а в сотрудничестве с американской фирмой SGL Group. Изначально объем работ был оценен в 3 тыс. тонн, но недавно планы пересмотрены – теперь объем производства карбоновых деталей оценивается в 9,5 тыс. тонн ежегодно. А это означает, что немцы верят в карбон и будут развивать данное направление. Первый пример, после революционных BMW i3 и BMW i8, уже есть – новый седан BMW 7-серии G12, который был официально представлен в начале 2015 года.

Кузов BMW 7-серии G12 построен по принципу Carbon Core («Карбоновое ядро»): здесь карбоновые детали присутствуют в различных усилителях, стойках крыши, боковинах кузова и пр.; хотя максимально широко также используется сталь и алюминий. В результате кузов новинки стал легче на 40 кг, не потеряв в безопасности и жесткости. Соединение разнородных материалов – с помощью клея и заклепок. О сложности и дороговизне ремонта умолчим.

С помощью технологии производства RTM компания BMW приводит карбон на массовый рынок. Однако это далеко не те несущие карбоновые монококи, которые мы привыкли видеть в суперкарах или гоночных автомобилях: в обоих случаях (i-серия или новая «семерка») большую часть нагрузки воспринимает не монокок, а привычная конструкция из алюминия и стали. Вместе с тем, технология RTM позволяет решить две главные проблемы карбона: сложность, скорость, дороговизну производства и возможность ремонта кузова в случае аварии – достаточно лишь вырезать поврежденную деталь и вклеить новую.

А как же пластик? Или что-то другое?

При разговоре об альтернативных материалах для кузова мысль о пластике приходит одной из первых: дешевый, легкий, простой в производстве и ремонте. Конечно, пластик не может нести нагрузки, но почему не использовать его для внешних декоративных деталей кузова: крылья, крышка багажника? Он и используется, причем давно и на самых разных автомобилях: начиная от доступного Renault Clio Symbol и заканчивая суперкаром Chevrolet Corvette.

Недорогой Renault Clio Symbol еще в конце 1990-х годов предложил пластиковые передние крылья – как пример того, что необычные кузовные материалы встречаются не только в суперкарах и люкс-седанах. Вскоре пластиковые детали кузова начали использоваться и на других моделях компании: например, Renault Megane.

Эксперименты с пластиком и стеклопластиком (пластик, армированный стекловолокном) продолжаются и сегодня. К примеру, недавно компания BASF показала новую деталь для заднего моста Mercedes-Benz S-класса W222: поперечину, изготовленную из особого сорта пластика Ultramid, армированного стеклотканью. Новая деталь на 25% легче алюминиевого аналога, при этом предлагает нужную прочность, не растеряв всех преимуществ обычного пластика (цена и простота производства). А для концепт-кара Smart Vision 2011 года из пластика сделали колесные диски.

Наконец, несколько слов о композитных материалах. Композитом называется материал, который состоит из нескольких материалов, соединенных между собой; каждый из материалов должен отдать свои лучшие качества, а худшее скомпенсировать преимуществами «соседа». Для понимания: в строительства композитом можно назвать железобетон. А в автомобилестроении наиболее популярными композитными материалами являются карбон (углеволокно + смола) и стеклопластик (стекловолокно + пластиковая масса) – их мы рассмотрели выше. Но композиты могут быть и другими. К примеру, компания BMW (да-да, снова BMW!) в свое время разрабатывала трехслойную крышку капота для BMW M3: сверху и снизу скорлупа из карбона, а по центру – наполнитель из картона! Этот капот оказался вдвое легче обычного алюминиевого, да еще и обеспечивал лучшие результаты безопасности при ударе головы пешехода. С таким подходом и весь кузов, собранный из разных материалов, можно назвать композитным.

Новый Mercedes-Benz S-класса W222 собрал в себе «всего понемногу»: основа – классический стальной несущий кузов; плюс алюминиевые двери, крыша (-5,5 кг от аналогичной детали из стали), передняя часть с крыльями (-14 кг), опоры задних амортизаторов; добавим к этому и пластиковый бак (-18 кг) и перегородку багажника (-3 кг). А теперь – возможно, будет и пластиковая поперечина заднего редуктора. На фоне алюминиевых наработок Audi и Jaguar Land Rover да карбоновых автомобилей BMW этот подход не выглядит сверхсовременным, но свои плоды в виде облегчения кузова на 95 кг он дал

Так из чего же будут делать автомобили в будущем?

Пока что – из стали, но с постепенным расширением списка алюминиевых, пластиковых и карбоновых деталей. Сегодня, с внедрением новых технологий (RTM-карбон; новые сорта алюминия, новые методы его соединения) и расширением перечня моделей из необычных материалов (что приведет к снижению их стоимости), карбон и алюминий будут входить на массовый рынок автомобилей все быстрее и быстрее. Похоже, что уже через 5-10 лет современный автомобиль даже D-класса будет хотя бы частично состоять из карбона или алюминия и окажется существенно легче своих предшественников, что позволит добиться улучшения динамики и топливной экономичности.

Источник Источник Источник https://itc.ua/articles/kuzov-avtomobilya-stal-alyuminiy-karbon-i-karton/