Материалы, используемые для производства автомобильных транспортных средств, перспективные направления развития

Производство автомобилей сложный и многофункциональный процесс, требующий использования разнообразных материалов. Конечный продукт должен быть прочным, безопасным, высокоэффективным, соответствующим требованиям современного уровня технологичности.

Одним из наиболее распространенных материалов, используемых в автомобильной промышленности, является сталь.

Сплавы из железа и других элементов, применяются начиная с изготовления первых автомобилей и судя по всему еще длительное время в той или иной степени будут присутствовать в конструкции автомобиля.

Сталь обладает высокой прочностью, является сравнительно недорогим и доступным материалом, что делает ее идеальным материалом для рамы, кузова и других несущих элементов автомобиля. Она также применяется в производстве двигателей и других конструкций.

Для изготовления кузовов автомобилей используется тонкостенная сталь до 3 мм. С содержанием углерода до 0,8 %. Обыкновенного и высокого качества (с пониженным содержанием примесей серы, фосфора, неметаллических включений).

К главным негативным особенностям использования стали относится низкая коррозионная стойкость и значительная масса изделий из нее.

Для улучшения характеристик предприятиями промышленности были изучены и внедрены новые технологии по изготовлению, как целых кузовов, так и отдельных элементов.

Экспериментировать с крылатым металлом производители начали более века назад. Алюминиевые кузовные панели впервые появились на автомобиле Pierce Great Arrow в 1904 г., а в 1913 г. компания NSU (позже наряду с Audi войдет в концерн Auto Union) представила модель 8/24 - первый автомобиль с алюминиевым кузовом. Первый массовый автомобиль с полностью алюминиевым несущим кузовом, в основу которого легла фирменная пространственная рама ASF (Audi Space Frame) [6, с. 1].

В современном автомобилестроении производители многих марок, таких как Audi, Jaguar, Land Rover, Tesla, Ford, Cadillac, Mercedes-Benz и другие используют в своих моделях автомобилей как целые платформы из сплавов алюминия, так и отдельные элементы кузова.

Алюминий обладает отличной прочностью при небольшом весе, что делает сплавы с его содержанием идеальным материалом для создания кузова, дверей, капотов и других легких компонентов автомобиля. Он также является хорошим проводником тепла, что позволяет эффективно охлаждать двигатель и другие системы автомобиля, обладает высокой коррозионной стойкостью. В последние годы использование алюминия в автомобильной промышленности значительно возросло из-за его прочности, легкости и способности улучшить экономичность автомобиля за счет снижения его веса.

Масштабное применение сплавов алюминия ограничивает ряд негативных факторов: увеличенные затраты на производство, низкая ремонтопригодность деталей, невысокая прочность, высокая звукопроводность материала.

Кроме того, в автомобильной промышленности используются и другие материалы, такие как пластик, стекло, резина, карбоновые волокна и керамика.

Пластик – еще один широко используемый материал в производстве автомобилей. Он легкий, прочный и имеет большую гибкость в формировании, что позволяет создавать разнообразные элементы интерьера и экстерьера. Пластик используется для создания панелей приборной панели, обшивки сидений, вентиляционных открытий и других деталей автомобиля. Он также довольно дешевый и легко обрабатывается, что делает его привлекательным для автопроизводителей.

В группе пластика особо необходимо выделить стеклопластик, относящийся к композиционным материалам получаемый различными методами формирования химсостава (стекловолокна и синтетических смол).

Родоначальником применения этого материала принято считать Г. Форда и его автомобиль Soybean Car 1941 года, в материалах которого вместо стали использовалась соевые стеклоткани и Chevrolet Corvette (C1) 1953 года кузов, которого был сделан из настоящего стекловолокна. Активное использование стеклопластика началось в гоночных автомобилях в семидесятых годах прошлого столетия когда шла борьба между автомобилями марок BMW, Ferrari, Porsche, McLaren Lamborghini, Alfa Romeo и многих других за уменьшение веса гоночного болида.

Высокие коррозионные свойства, низкая масса деталей из стеклопластика, диапазон температур применения и относительная простота производства позволили ему укрепиться на деталях автомобилей автомобилях общего потребления (особенно в «тюнинге»). Но не обошлось и без отрицательных составляющих: низкая стойкость к воздействию механических нагрузок, неэкологичность производства, недостаточная эластичность не позволили стеклопластику задать лидирующий вектор развития.

Следующей новшеством стало использование композиционного материала под названием «карбон». Карбон, часто называют углепластики, карбонопластики производные от английского слова «carbon – углерод» - это композиционные материалы из сплетенных нитей углеродного волокна на полимерных смолах и имеющих высокую плотность (рис.).

Рис. Формирование карбона из нитей углеволокна

Имея высокую прочность, наименьшую в сравнении с известными материалами массу данный материал начал активно применятся в автомобильной промышленности в восьмидесятых годах прошлого столетия на гоночных автомобилях «Формулы». Первым автомобилем с карбоновым монококом был Jaguar XJR-15. По своим характеристикам карбон опережает стеклопластик, но высокая стоимость его изготовления, низкая ремонтопригодность, слабое стойкость к ультрафиолету не позволяет применять его массово, а лишь на отдельных премиальных автомобилях, либо элементах кузова.

Стекло используется для создания оконных поверхностей автомобиля, обеспечивая безопасность и видимость водителю.

Резиновые детали кузова автомобиля в большинстве – это уплотнители, ограничители, могут, применятся в составе композиционных материалов.

Подводя итоги вышеизложенного, обозначим современные тенденции развития материалостроения автомобилей.

Применение карбона в автомобилестроении и автоспорте является объективным трендом устойчивого (зеленого) экономического развития и поиска наиболее пригодных и обладающих огромным числом достоинств материалов, конкурентоспособных на фоне традиционных металлов [7, с. 1].

Вместе с другими отраслями промышленности в автомобилестроении внедряются нанотехнологии, развитие которых направлено на новые конструкционные материалы автомобилестроения с заранее заданным комплексом физико-химических, функциональных и эксплуатационных свойств [3, с. 38].

Одним из приоритетных направлений развития является использование магниевых сплавов, опережающих по своим характеристикам сплавы из стали и алюминия.

Автомобильная промышленность, как и любая другая сфера промышленности, осуществляет развитие в соответствии с современным уровнем технологичности, влиянием внутренних и внешних факторов. Развитие новых и усовершенствование уже известных материалов в производстве автомобильных транспортных средств, играют решающую роль в создании безопасных, надежных и удобных транспортных средств добиться высокого уровня технологичности.

В ходе последующего исследования предлагается на основе проведенных расчетов осуществить расчеты и провести сравнительную характеристику модели автомобиля с внедрением в конструкцию деталей кузова из современных материалов.