При разработке промышленных композиционных материалов следует ориентироваться на средние физико-механические пока­затели, приведенные в табл. 26.6 для композитов на основе стекло­волокна и полиэфира. Прочность и модуль упругости композитов меняется в основном линейно с содержанием стекловолокнистого (или гибридного волокнистого) наполнителя. Подобные параметры для стекловолокнистых композитов представляют обычно в виде таблицы с указанием цены, массы, формуемости и качества по­верхности изделий. Такие величины для основных видов АП можно найти в гл. 7.

Чтобы предвидеть усталостные явления в деталях транспорта и осознать возможности построения технологии их изготовления, обычно за рабочие напряжения принимается величина, составляющая 20 ... 25 % среднего показателя свойств. Минимальная прочность для листовых и объемных формуемых изделий может снижаться до 80 % от средней из-за наличия швов и нежелатель­ной ориентации армирующих волокон. Особое внимание следует уделять этому вопросу при разработке конструкции изделия и пресс-формы, а также самого процесса формования. Анализ такой ситуации необходим также для уверенности, что эти явления не обнаружатся в областях с критическими значениями напряжений.

Плотность стекловолокна типа Е составляет 2550 кг/м3, поли­эфирной термореактивной смолы 1200 кг/м8 и минерального на­полнителя (карбоната кальция) 2700 кг/м3. В зависимости от соотношения этих компонентов в составе плотность сформован­ного композита меняется в интервале 1490 ... 2080 кг/м3. Сниже­ния плотности композита, сопровождаемого, однако, ростом стои­мости материала, можно достичь замещением части минерального наполнителя пустотелыми стеклянными микросферами.

Разработка оригинального корпуса автомобиля «Корвет» была основана на предположении, что армированный стекловолокном полиэфир будет реагировать на напряжения так же, как и сталь в случае использования композита с толщиной примерно в 3 раза большей, чем у аналогичного стального листа. Таким образом, лист из АВП с армированием стекловолокном толщиной 2,5 мм следует использовать для замены стального листа толщиной 0,95 мм в панелях кузовов, что приводит к снижению массы на 40 %. Хотя такой подход можно назвать эмпирическим правилом, однако обычно его следует полагать излишним упрощением. Большая толщина АП компенсирует более низкий модуль упру­гости при изгибе, и используемые панели приблизительно равны по жесткости панелям, изготовленным из стального листа тол­щиной 0,95 мм. Прочность панели из композита будет во много раз превышать прочность аналогичного стального листа благодаря его модулю упругости. Рабочее напряжение, однако, ниже, в результате чего усталостные явления редко являются проблемой. Стойкость к обычным усталостным напряжениям в этом случае много выше, нежели у стали.

При разработке автомобильной техники важно помнить, что композиты на основе АП не обладают пластичностью. В то время как деталь из «утомленного» металла (изогнутая) может еще функционировать, сломанная деталь из композита не может. АП-композиты обладают способностью к сохранению значительно большего количества энергии (как в пружине) по сравнению с пластичными металлами, но их нельзя назвать качественными материалами для поглощения энергии при напряжениях, превы­шающих предельное. Такая комбинация свойств позволяет, на­пример, использовать буфера и опоры радиаторов, изготовленные из АП, но отнюдь не конструкционные детали, которые должны выдерживать первоначальную или основную нагрузку в крити­ческих случаях.

Нецелесообразно пытаться создать эффективную конструкцию детали из АП, которая бы предназначалась только для замены существующей детали из другого материала. Но такая возмож­ность тем не менее достигается путем комплексной модификации группы соседних деталей с целью реализации преимуществ уни­кальных свойств и возможностей АП по снижению массы общего числа деталей в узле, качеству их отделки, а также «вкладу» в общую конструкцию изделия. Ежегодные модификации и изме­нения моделей существующих транспортных средств как раз и являются случаями такого рода.

В то же время создание совершенно нового кузова и его рамы (или основания) дает возможность конструкторам использовать новые, легкие материалы для широкого и эффективного исполь­зования. Во многих случаях правильно спроектированные де­тали могут быть использованы для выполнения нескольких функ­ций. Конструкционные детали могут быть также декоративными и коррозионно-стойкими (без дополнительной коррозионной за­щиты) и работать в качестве изоляции и демпфирующих элементов (уменьшающих внутри транспортного средства уровень шума, вибрации и колебаний температуры). Все эти явления были про­демонстрированы на примере автомобиля «Шевроле» модели ХР-898, который представлял собой цельнопластиковое транс­портное средство монококовой конструкции. Большие панели кузова и несущие детали представляли собой поверхностно напря­женные многослойные конструкции, обеспечивающие суммарную жесткость и прочность. Трубчатая конструкция служила струк­турным элементом. Введение пигментов или текстурирующих добавок позволило исключить операцию отделки и окрашивания.

Всякое уменьшение массы кузова в дальнейшем отражается на снижении стоимости и массы рамы (или основания кузова) и элементов трансмиссии. Так, двигатель, коробка передач, мосты (оси), тормоза, рессоры и колеса могут быть изготовлены более легкими и иметь меньшие размеры без снижения качества и Эксплуатационных характеристик автомобиля.

Хотя и было доказано, что композиты обладают чрезвычайно высокой прочностью при использовании их в широком круге автомобильных деталей полунесущего назначения, опыт их исполь­зования существенно меньше, чем в случае металлических дета­лей. И поэтому естественно, то конструкторы склонны к некото­рой перестраховке, используя при проектировании стенки боль­ших толщин, чем необходимо в действительности. Чтобы пра­вильно оценить возможность использования АП при обеспечении оптимальной жесткости, прочности и минимальной массы, по­лезно проводить компьютерное моделирование по определенным элементам для анализа напряжений при ожидаемых условиях нагружения. В этом случае можно ожидать большего доверия к АП-материалам без использования избыточного запаса проч­ности в расчете на безопасность.

Для разработки самых обычных, несущих нагрузку деталей конструкции, имеющих приемлемый прогиб под нагрузкой, можно использовать относительно простой метод анализа напряжений. При сравнении с соответствующими стальными фланцевыми, трубчатыми деталями и деталями крышки необходим более серьезный учет механических факторов при компенсации более низкой величины модуля эластичности АП. При расчете и оценке таких ситуаций очень важно, чтобы конструкция сохраняла бы свою форму под нагрузкой и по возможности части ее были бы связаны (склеены) между собой, образуя единую секцию для обе­спечения необходимой стабильности. В некоторых случаях для предотвращения деформирования секций могут быть использо­ваны ребра жесткости и косынки. При правильной разработке конструкций разрешается введение внутренних элементов для связывания внешних панелей без серьезного искажения формы. Таким образом, создается возможность создания закрытых сек­ций и одновременно лучший механизм передачи нагрузок на внеш­ние панели и от них на конструкцию.

Узлы обычно изготовляют с использованием адгезионной связи, осуществляемой с помощью наполненных полиэфирных, эпоксидных и полиуретановых клеев-адгезивов. Прочность обра­зующихся связей на сдвиг, равная 4,14 ... 5,52 МПа, является обычной. Возможно также склеивание и (или) механическое соеди­нение АП-материалов с металлом. В том случае, когда следует ожидать отслаивающих или расщепляющих нагрузок, в допол­нение к адгезионной связи часто используют заклепки. Клино­вые полки (отбортовки) снижают концентрацию напряжений и уменьшают до минимума возможность возникновения отслаиваю­щих напряжений. Если имеющиеся внешние стыковые соедине­ния должны быть зашпатлеваны и отделаны, их следует усилить с помощью полосы или полки (уголка) более толстого или жесткого Сечения, чем внешние панели, для разгрузки стыкового соеди­нения.

Часто используют самонарезающие винты и шпильки для прикрепления приспособлений, элементов отделки и других дета­лей автомобиля с использованием бобышек или без них. Для случая более сильного нагружения (такого, как у дверных петель) используют приклеиваемые гайки или накладки, которые в слу­чае стальных панелей обычно привариваются или приклеиваются к их обратной стороне. Для обеспечения правильного распреде­ления нагрузок стальные накладки должны по толщине состав­лять примерно одну треть от толщины листа композита, с кото­рым они связаны таким образом, чтобы оба материала обладали примерно одной и той же стойкостью к изгибу под нагрузкой, а кромки накладок не прорезали бы композитную панель.

Съемные крыши кузовов автомобилей «Шевроле Блейзер», «Форд Бронко» и пикапа фирмы «Форд» являются примерами адгезионно-соединенных конструкций, полученных прямым прес­сованием. Фирмы «Форд», «Мак» и «Интернешинал Харвестер» выпускают грузовые автомобили большой и средней грузоподъем­ности со «склеенным» узлом крылья-капот. У грузовых автомо­билей и автобусов фирмы «Дженерал моторе» узлы крылья-капоты изготавливают из обычных листовых формовочных материалов и листовых материалов, формуемых при низком давлении, а закреп­ляют с помощью винтов и заформованных шпилек. Одна фирма внедрила в производство для большегрузных автомобилей новую кабину, изготовляемую из матов и предварительно отформован­ных деталей. Это была разработка с предварительно напряжен­ным поверхностным слоем и минимумом местных (локальных) металлических усиливающих элементов в местах наибольшего нагружения.

Модели, изготовленные по эскизным проектам при разработке кузова автомобиля, могут быть использованы для изготовления простых и недорогих форм для опытных образцов деталей по технологии ручной выкладки с применением зажимов и с исполь­зованием техники спекания. С учетом незначительной разницы в физико-механических свойствах деталей опытных образцов и деталей, изготовляемых при высоком давлении прессования, в серийном производстве из опытных образцов деталей можно изготовить кузов, раму (основание кузова) или кабину для про­ведения статических или динамических испытаний. Решение о продолжении испытаний с промышленной оснасткой может быть принято после испытаний опытных образцов. Опыт показы­вает, что высокой степени уверенности в разработке можно ожи­дать в том случае, если опытный образец прошел все требуемые испытания. Ответственное применение, например в дорожных ко­лесах, требует формования испытуемых деталей в стальной оснастке, для того чтобы оценить преимущества оптимальной разработки из комбинации композитов ХМС и НМС по сравнению

Рис. 26.5. Различные автомобильные детали, изготовленные из АВП

С соответствующим колесом, выполненным из металла. Типичные автомобильные детали, выполненные из АВП, приведены на рис. 26.5.

На рис. 26.6 показан элемент шины «Бэндид тайер», изготов­ленный фирмами «Грумман» и «Гудиар тайер энд раббер». Гру­женый автомобиль малой грузоподъемности проехал на спущен­ной шине с этим элементом путь, равный 48 км, со скоростью 48 км/ч. Легковой автомобиль проходил вдвое большее расстоя­ние при скорости 80 км/ч.

«Бэндид тайер» представляет собой радиальную шину, в кото­рой обычный кордный пояс заменен тонкой высокопрочной лен­той из композита на основе стекловолокна и эпоксидного свя­зующего. Когда из шины спущен воздух, лента работает совместно с радиальным кордом боковин, образуя конструкцию обода со спицами, выдерживающую рабочую нагрузку. Спущенная шина проминается примерно наполовину. Ее боковины местами дефор­мируются, выступая наружу, но не соприкасаются одна с другой и не касаются земли. Оставшаяся часть боковины натянута. Лента действует как сжатая дуга, стабилизирующая боковины. По кон­трасту с другими разработками по спущенным шинам, которые основаны на сильном сжатии боковин или использовании вспомо­гательных вкладышей, разработка фирмы «Грумман» приводит к малому увеличению массы и не требует специального обода колеса.

Такая шина обнаруживает преимущества в режиме давления, например, в низком сопротивлении качению и низкой скорости изнашивания благодаря стабилизации поверхности качения шины под действием ленты. Из шины может быть частично или пол­ностью спущен воздух для повышения проходимости на слабых грунтах. Низкое давление накачки обеспечивает малый угол входа (что снижает «бульдозерный» эффект) и обеспечивает рас­пределение давления. Наконец, лента существенно повышает сопротивление к проколам через протектор.