Иллюстрации — на 2—3-й стр. вкладки
Лет 25 назад на один легковой автомобиль приходилось в среднем не более 2—5 кг пластмасс. Из них делали в основном детали электроизоляционного назначения (корпуса, крышки распределителей зажигания, штеккерные соединения), антифрикционные втулки, вкладыши шарниров, рулевые колеса и некоторые рукоятки. Ассортимент материалов включал всего пять—восемь наименований: фенопласты (пресс-порошки, волокнит, текстолит), нитроцеллюлозный этрол, капрон, причем более половины массы всех деталей приходилось на этролы для рулевого колеса. Да и эти материалы часто не удовлетворяли требованиям автомобильной промышленности как по технологичности, так и по своим характеристикам.
За прошедшие годы картина существенно изменилась. Современный легковой автомобиль содержит от 50 до 100 кг пластических масс, которых насчитывается более 60 видов, а количество деталей из них достигает 400—500. Сегодня, без преувеличения, объемы, ассортимент и качество полимерных материалов во многом определяют конкурентоспособность автомобиля. Иными словами, его эксплуатационные, технологические и коммерческие характеристики тесно связаны с уровнем внедрения пластмасс.
Использование полимеров в мировом автомобилестроении принимает все более широкие масштабы. Это объясняется тем, что по целому ряду показателей — механической прочности, коррозионной и химической стойкости, тепло- и электроизоляционным свойствам, антифрикционным и вибродемпфирующим качествам — они сегодня значительно превосходят традиционные материалы — сталь, чугун, резину.
Достаточно сказать, что каждый килограмм современных пластмасс заменяет 2,5 кг металла и в итоге позволяет облегчить автомобиль примерно на 1,5 кг по сравнению со сталью, а машина, облегченная на 10%, расходует на 10—20% меньше топлива.
Широкое применение пластмасс стало возможным благодаря разработке и внедрению высокотехнологичных материалов с хорошими механическими свойствами — таких, как сополимеры АБС, поликарбонаты, стеклопластики типа препрегов, термопласты (стеклонаполненные или с минеральными наполнителями), модифицированные полипропилены, мелкоячеистые полиуретаны. Наглядный пример — передняя часть кузова легкового автомобиля. Выполненная из металла, эта сложная конструкция образуется 35 штампованными деталями, подсобираемыми при помощи сварки в промежуточные (технологические) узлы. На нее наносят разные покрытия: декоративные (хром, эмаль), защитные (грунты, мастики) и т. д. Тот же элемент кузова, изготовленный из современных конструкционных пластмасс, включает одну основную деталь — моноблок и пять-шесть присоединительных общей массой 3—9 кг. Моноблок не требует антикоррозионных покрытий, может быть окрашен в массе (до придания необходимой формы).
Поэтому стали уже привычными на легковых автомобилях такие детали из пластмасс, как облицовка радиатора, панели передка и задка, бамперы. Более подробно и наглядно возможности применения полимеров показаны на вкладке, где представлены детали как выпускаемые серийно, так и существующие в виде опытных образцов.
О темпах «завоевания» автомобиля пластмассами говорят такие цифры: в 1968 году на легковые автомобили в США установили 40 тысяч бамперов из мелкоячеистого полиуретана, в 1974-м — 800 тысяч, а в 1980-м — более 4,5 миллиона.
Основная тенденция применения пластмасс в конструкции автомобиля — внедрение крупногабаритных наружных деталей кузовов и кабин. Целесообразность вполне очевидна. На долю кузова приходится 50—75% стоимости всего легкового автомобиля, примерно 50% его массы и около 60% других определяющих параметров. При этом более чем у 70% машин он не служит из-за коррозии и 10 лет.
Отдельные фирмы уже делают автомобили с пластмассовыми кузовами, используя разные материалы. Наиболее массовым среди них и весьма популярным стал «Трабант», выпускаемый заводом «Заксенринг» в ГДР (около 110 тысяч в год). Другие фирмы, как правило, ведут мелкосерийное производство спортивных (типа «Гран туризм»), гоночных или прогулочных автомобилей. Примерами могут служить советские «Эстония», английские «Лотос» и ТВР, французский «Рено-родео». Их «тираж» — от нескольких десятков до полутора-двух тысяч в год. Исключение составляют, помимо «Трабанта», лишь американские «Шевроле-корвет» и, с недавнего времени, «Понтиак-фиеро», выпуск которых исчисляется десятками тысяч.
Одно из основных препятствий для более быстрого и широкого внедрения кузовных панелей из пластмасс на легковых автомобилях до сих пор связано с большими затратами на окрасочные работы. Правда, в последние годы разработаны пластические массы с малой усадкой. Изделия из них по качеству поверхности не уступают металлическим и не требуют предварительной грунтовки. Не случайно все крупные фирмы, разрабатывая автомобили на достаточно далекую (до 2000 года) перспективу, предусматривают в них такие детали из пластмасс, как капот, багажник, передние и задние панели, крылья и др. Логически обоснованным шагом выглядит переход к производству кузовов целиком из пластических масс.
Для грузовых автомобилей из пластмасс делают облицовку радиатора, оперение, детали кабины, брызговики колес, крыши фургонов, а также панели приборов, подушки и спинки сидений и т. д. В производстве крупногабаритных деталей грузовиков (панелей кабин, капотов) применяют листовые формовочные материалы, состоящие из стекловолокна и насыщенных полиэфирных смол. Эти стеклопластики называют препрегами и относят к композиционным материалам. Капот из препрега для одного из грузовых «фордов» весит в сборе 90 кг. Отметим, что использование полимеров значительно расширится и в отечественных грузовиках, намечаемых к массовому производству в ближайшие годы.
Более скромные по сравнению с легковыми автомобилями требования к отделке поверхностей позволили довольно широко применять полимерные материалы для цельно-пластмассовых кабин грузовиков и специальных машин. Правда, долгое время ограничивались небольшими сериями. Крупносерийное производство стало возможным только после создания малоусадочных препрегов, из которых в последние годы налажено прессование кабин. Уже в течение ряда лет кабины из таких препрегов выпускает английская фирма ИРФ.
Концерн «Дженерал Моторс» тоже планирует производство пластмассовой кабины для грузового автомобиля. Она включает 16 формованных панелей из препрега, склеенных в единую несущую конструкцию. Габарит — 1930X1930X2030 мм. Кроме панелей в кабине еще около 40 пластмассовых деталей, в то время как аналогичная кабина из алюминия имеет 130.
Подытоживая сказанное, отметим еще раз основные направления, по которым идет внедрение пластмасс в конструкцию автомобиля. Одно — изготовление деталей интерьера, обеспечивающих пассивную защиту и комфорт водителя и пассажиров: рулевых колес, подлокотников и подголовников, внутренних панелей дверей, цельноформованных потолков, подушек и спинок сидений из пенополиуретана; панелей приборов, полок и обивки багажника; наружных декоративных деталей: облицовок радиатора, колпаков, металлизированных молдингов и т. п. Другое включает детали, расположенные под капотом: бачки омывателя и системы охлаждения, кожухи и лопасти вентиляторов, корпуса аккумуляторных батарей. Третье направление охватывает крупногабаритные наружные детали кузова: капот и багажник, крылья, надколесные кожухи, крыши фургонов.
Пластические массы успешно внедряются в ранее «запретной» для них области изготовления силовых нагруженных деталей. Разработка высокопрочных композиционных материалов с полимерной матрицей и стеклянными, углеродными и другими волокнами (например, углепластиков) позволила перейти к освоению таких деталей, как колеса, рессоры и карданные валы, рамы грузовиков, не говоря о цельнопластмассовых кузовах и кабинах.
Материалы этой группы пока очень дороги. Однако детали из них неуклонно внедряются в автомобилестроении, так как открывают широкие возможности для резкого снижения массы. Изготовляемая серийно задняя пластиковая рессора машины «Шевроле-корвет» (США) имеет массу 3,6 кг против 18—20 кг у стальной.
Карданный вал, изготовленный из углепластика методом намотки, обладает повышенной жесткостью и способностью гасить вибрации. Благодаря этому увеличивается долговечность трансмиссии. Масса экспериментальной детали из углепластика со стальными вилками для легковой машины 5,4 кг, тогда как ее стального аналога — 7,9 кг. В других случаях масса снижается более чем на 60%. Рама из углепластиков для грузовика легче стальной в три — шесть раз.
Богатые возможности углепластиков продемонстрировала фирма «Форд» на своем экспериментальном автомобиле, у которого панели кузова, колеса, бамперы, бензобак, карданный вал выполнены из такого материала. Это позволило снизить массу автомобиля без малого на 600 кг.
Более того, изготовлен и успешно испытывается двигатель внутреннего сгорания, содержащий много узлов и деталей из пластиков. Из металла в этом моторе — гильзы цилиндров, коленчатый и распределительный валы, выпускные клапаны, пружины клапанов, некоторые другие детали.
Применение в двигателе композиционных материалов, разработанных фирмой «Полимотор» (США), дало по сравнению с обычными уменьшение массы на 60% (металлический весит более 160 кг, пластмассовый — 77) и снижение уровня шума на 30% при увеличении мощности и снижении расхода топлива примерно на 15%.
Пластмассовые детали клапанного механизма, обладая малыми инерционными массами, позволяют продлить срок службы пружин, снизить износ распределительного вала, а главное, точно выдерживать фазы газораспределения. Ведутся работы по замене металла для гильз и головок цилиндров, а также кривошипов композиционными пластиками. Разрабатывается и дизель из таких материалов.
Представляется, что приведенные здесь примеры достаточно наглядно показывают настоящее и будущее применения пластмасс в конструкции автомобиля.
Г. БРОВАК, В. ИЛЬИН, кандидаты технических наук, сотрудники НАМИ
Журнал «За рулем» 08 • август 1984 Цена 1 руб.
Оптимизация статьи — промышленный портал Мурманской области
