Тот, кто хочет экономить горючее, должен облегчить свой автомобиль. В этом нет ничего нового. Абсолютным новшеством является то, что пластмассы начинают вторгаться на территорию, которая всегда принадлежала металлическим материалам. Речь идет о несущих элементах конструкции.

В ходе дальнейшего развития полимерных материалов зашатался и этот последний бастион металла. Впервые удалось создать и даже ввести в серийное производство в виде пластмассовой конструкции упор против проворачивания, выдерживающий высокие механические нагрузки, предназначенный для автомобилей со встроенным поперек двигателем. Об этом на на симпозиуме «Пластмассы в автомобилестроении» в Маингейме (Германия) сообщила группа разработчиков в составе Вальтера Pay и Бернхарда Аумера (BASF), Дитхарда Шнайдера, Ханса-Юргена Каркоша (Conti Tech Vibration Control) и Макса Рудольфа Берлингера (Opel),

Требования, предъявляемые к таким деталям, чрезвычайно высоки. Узлы крепления силовой установки призваны не только обеспечивать нужное положение двигателя и воспринимать силы тяжести, но и поддерживать двигатель при воздействии движущих моментов, сил инерции, возникающих при ускорении, замедлении или движении по кривой. В конце концов, опоры должны быть в состоянии удержать агрегат и в случае столкновения - и все это при температуре от -30 до +120 °С, при необходимости даже в полностью загрязненном состоянии.

Уже в начале опытно-конструкторских работ было ясно, что копировать первоначальный алюминиевый узел один к одному в отливке из полиамида смысла не имеет. «Оптимизацию топологии и конструирование предваряла первая оценка возможности создания упора против проворачивания», - сообщают авторы. Результат - максимальное напряжение при 300 МПа. Обычный же полиамид РА 66 GF 50 при 120 °С едва выдерживает среднее напряжение 90 МПа.

На что действительно способен материал?

Несмотря на этот мнимый недостаток, работы были успешно продолжены благодаря разработанному на BASF методу «интегративного моделирования», в котором моделирование заполнения стоит не в конце расчета детали, как это принято по сей день, а является интегративной составной частью опытно-конструкторских работ. «Интегративное моделирование объединяет результаты моделирования за¬полнения с последующим анализом конечных элементов с учетом ориентации волокна», - отмечает команда разработчиков. Ведь если известно, на что действительно способен материал в любой ТПЧКР летали, то значительно легче планировать нагрузки.

Ибо отклонения от среднего значения могут быть значительными и заметно расходиться даже в относительно близко расположенных друг от друга точках. В запланированной опоре двигателя разница между допустимыми значениями напряжения в элементе конструкции достигала коэффициента три, в зависимости от степени локальной ориентации волокон. При расчете элементов конструкции и технологических инструментов данная характеристика особо учитывается благодаря интегративному моделированию.

Условием успешного осуществления на практике являются, превосходные модели материалов и материалы, параметры которых  к  тому же отличаются незначительной широтой колебаний.   У BASF имелся такой материал Ultramid A3WG10 CR – и соответствующие наборы  данных. Поэтому изготовляемый элемент конструкции из полиамида мог быть рассчитан так, чтобы деформирование всей системы в целом под рабочей нагрузкой было таким же, как у алюминиевой версии. Более того: в точке, подверженной наибольшей нагрузке, создается напряжение 160 MПа. Благодаря интегративному моделированию  можно было продемонстрировать, что это соответствует эксплуатационным качествам материала в данной области.

В начале 2006 года после обширных функциональных исследований и проверок на долговечность, а также испытаний автомобилей был допущен к эксплуатации упор против проворачивания из полиамида для Opel Vectra C и Saab 9-3. В испытаниях на прочность разрушающее усилие и место излома почти идеально соответствовали расчету. Экономия веса даже по сравнению с алюминием примерно 35%. В новейших пластмассовых опорах для двигателей, которые практически готовы к вводу в серийное производство, она должна составить все 50%.

 Новинка на борту

Опоры для двигателей из пластмассы можно с уверенностью считать новой вершиной современных разработок в области пластмассы. Однако они не должны заслонять взор на то, что техника идет семимильными шагами и в других областях. Например, в изготовлении деталей, которые давно стали привычным инвентарем технологии использования пластмасс, в частности, трубопроводов для чистого воздуха и охлаждающей воды.

Например, на BMW, первые были снова включены в повестку дня, потому что этот производитель решил в корне пересмотреть конструкцию своего популярного и широко распространенного 4-цилиндрового дизельного двигателя 2.0 л. Цель - увеличение мощности, сокращение расхода. Перепроектирование затронуло и систему подачи всасываемого воздуха: обеспечив, в частности, минимальную потерю давления и равномерный поток воздуха в компрессор, она должна была внести свой вклад в успех проекта. При этом первоначальная задача состояла в оптимизации топологии трубопровода пос редством цифровых методов - в соответствии с конструкционным пространством. «Для этого были выявлены и модифицированы те ячейки в свободном конструкционном пространстве, по которым не протекал воздух или которые относятся к зонам противотока», - сообщили конструкторы BMW Рудольф Виммср, Герд Флайшер, Ханнес Далешак и Юрген Корцоннек на симпозиуме в Мангейме.

«Абсолютно новый технологический подход»

Пока ничего необычного. По настоящему захватывающим проект становится в своей технологической реализации: для этого был найден абсолютно новый технологический подход, а именно технология «двухкомпонентной чаши» с предельно мягким сочленением из ТРЕ и высокой степенью интеграции. Особенностью и «неосвоенной целиной» даже для опытных специалистов BMW является продольный сварной шов, проходящий через жесткие и мягкие участки. Выбор материала для жестких участков пал на полиамид РА 6+15%GF, хорошо зарекомендовавший себя в подкапотном пространстве, а для мягких участков, то есть для сгибов и концов трубок, был выбран модифицированный TPS-SEBS. Данное исполнение позволило полностью отказаться от дополнительных уплотнительных элементов; одновременно отливались и клипсы для кабеля.

«Обе чашеобразные половины детали изготовлялись на обычной машине для двухкомпонентного литья под давлением в полости 1 + 1», - отмечают Виммер и его коллеги. «Момент истины» наступил лишь при сварке. Сложность состояла, в частности, в использовании резко отличающихся температур плавления при сварке двух материалов. Решение проблемы - сварочное зеркало с различными температурными зонами для жестких/мягких участков детали.

Новая трубка отвечает поставленным конструкторами задачам. Благодаря оптимизированной геометрии число оборотов турбонагнетателя сократилось на 2.000 об/мин, а температура после компрессора на 5 град, в точке номинальной мощности. В целом имеется даже потенциал для повышения давления наддува в будущем. Пластичное колено трубки сокращает усилия на болтах и соединениях, делает деталь более прочной при чрезмерной раскачке двигателя - и одновременно имеет акустические преимущества, которые особенно заметны при запуске мотора, что просто идеально, имея в виду автоматическую функцию старт-стоп, которую BMW хочет распространить на все свои новые модели.

 Экономия затрат и уменьшение веса

Эта разработка снова больше всего обрадует тех, кто привык считать расходы. «Благодаря последовательному использованию интегративных возможностей технологии литья под давлением, а также оптимальному применению отборных материалов данная деталь стала значительным вкладом в экономию затрат и уменьшение веса», - отмечают конструкторы BMW. Но не только этим были вознаграждены их усилия: Системный партнер мюнхенской фирмы Draexlmeier Group получил за инновационную деталь премию SPE-Award в категории «Power Train».

 Гладкие, тонкие трубки для охлаждающей воды

Таким же инновационным, как и при разработке трубопровода для чистого воздуха, был подход к проектированию новых трубок для охлаждающей жидкости, в частности, для BMW 330xi. Специалисты BMW были, как и раньше, убеждены в рациональности использования пластмассовых деталей в системе водяного охлаждения двигателя, ведь пониженная коррозионная стойкость, большая свобода компоновки и улучшенные вибрационные характеристики говорят сами за себя. Тем не менее, до сих пор они были не вполне довольны технологиями, которые имелись в их распоряжении для изготовления полиамидных трубок. «Недостатком прежних методов впрыска газа или впрыска воды для изготовления средопроводящих компонентов двигателя является неравномерный диаметр детали, что ведет к повышенным потерям давления», - подчеркивают специалисты BMW Штефан Штумпф и Рай-нер Шмидт, которые подго¬товили доклад к симпозиуму в Мангейме при поддержке Маттео Пьяцци из Roechling Automotive Engineering Leifers GmbH. Кроме того, инженеров не удовлетворяла излишняя толщина стенок, ведущая к потерям драгоценного места и высоким расходам на материал - причем как раз в техноло¬гии, которая требует дорогих специальных пластмасс.

Именно поэтому они приняли решение попробовать другой метод: PIT (projectile-injection technologie), который обеспечивает улучшенное соотношение между внутренним диаметром и толщиной стенки и в то же время исключает накопления массы, что обусловлено технологическим процессом. Тем самым сокращается также подверженность короблению, а это несомненный плюс в том, что касается соблюдения заданных размеров. Для того чтобы воспользоваться этими преимуществами, необходимо было, прежде всего, с помощью компьютера настроить форму трубки на новую технологию, то есть «сгладить» повороты - причем одновременно для четырех вариантов одной и той же детали, отличающихся различными выходами в зависимости от исполнения автомобиля и которые должны были производиться при помощи серийных пресс-форм со сменными вставками.

 Собственные разработки

Как пресс-форма для литья под давлением методом PIT, так и аппарат для впрыска являются собственными разработками субпоставщика Roechling. «Важными системными компонентами являются инжекторы для нагнетаемой среды и снаряда, которые пришлось значительно модифицировать или же полностью разработать заново». Но и здесь затраченные усилия были вознаграждены, причем многократно. Во-первых, инженерам действительно удалось добиться, как они того и хотели, более тонкой и более однородной толщины стенок, которые с целью предупреждения эрозии были с успехом армированы стекловолокном. По словам авторов, ввиду уменьшенной толщины стенок время цикла метода PIT короче, чем у технологии впрыска газа. Усадочные раковины и поры появляются реже. Довольны и контролеры качества. Все необходимые тесты, напр., испытания на усталостную прочность при пульсирующем цикле давления и на сопротивление продавливанию, а также - тесты па вибрацию, долговременные испытания и состояния при длительном режиме работы были успешно выдержаны.

Между тем, трубки для охлаждающей воды, изготовляемые по технологии PIT, вступили в серийное производство. Они работают в полноприводных моделях современных BMW третьей серии. Примечательно то, что мюнхенские конструкторы не исчерпали всех преимуществ технологии PIT. Полиамид, который выиграл соревнование, а именно стойкий к гидролизу и термостабилизированный РА66 с 30-процентным содержанием стекловолокна (Technyl А 338WIT2 V30 Black 36N фир¬мы Rhodia Engineering Plastics) - это материал, который вообще - то был оптимизирован для технологии впрыска воды, хотя метод PIT предъявляет к материалу не такие строгие требования. Однако качество стояло у BMW во главе угла: материалы, оптимизированные для технологий впрыска воды или газа, обеспечивают при PIT более высокое качество деталей при одновременном расширении окна технологического процесса.

Автор: д-р Штефан Альбус, независимый научный журналист, г. Херне (Германия)

www.polymery.ru