Дизайн бамперов автомобилей малого класса с использованием
advertisement
Дизайн бамперов легковых автомобилей малого класса с использованием полимерных материалов Зайцев И.А. МГТУ «МАМИ» В настоящее время в мире выпускается более 76 миллионов автомобилей в год. Переоценить роль автомобиля в экономике, транспортной структуре государств и жизни отдельных граждан не возможно. Автомобиль кардинально изменил жизнь людей, открыл огромные возможности транспортировки различных видов продукции, товаров, сырья «от двери до двери». В то же время, автомобиль создал ряд проблем, связанных с экологией, с использованием энергетических ресурсов, с производством металла и других конструкционных материалов. Одной из острейших проблем стала проблема обеспечения безопасности для пассажиров и пешеходов, поскольку автомобиль как средство повышенной опасности приносит не только пользу, но подчас несет смерть, горе, беду. К началу 70-х годов ХХ века перед автомобильной промышленностью встали две основные проблемы: безопасность конструкции и сокращение энергетических затрат. Это заставило создателей автомобилей пересмотреть подход ко многим традиционным решениям, и, в частности, пересмотреть цели и методы дизайн-проектирования. Сегодня автомобильный дизайн руководствуется четко сформулированными требованиями, правилами и рекомендациями по безопасности конструкции, оборудованию интерьера, применяемым материалам, эргономике, трудоемкости и т.д. Проблема безопасности конструкции имеет две составляющих: • активная безопасность; • пассивная безопасность. Под активной безопасностью подразумевается комплекс конструктивных решений и наличие технических и электронных устройств, обеспечивающих возможность оптимального вождения автомобиля, позволяющих избежать ДТП. Пассивная безопасность подразумевает такие конструктивные решения, которые максимально снижают последствия ДТП. Уровень пассивной безопасности автомобиля определяется прочностью пассажирского салона, способностью передней и задней частей кузова поглощать энергию удара, надежностью фиксации водителя и пассажиров на сиденьях, наличием средств дополнительной защиты (надувные подушки безопасности, «складывающаяся» рулевая колонка, безопасные детали интерьера и др.). Применительно к дизайну кузова, наиболее значимыми являются передняя и задняя части кузова, первыми входящие в контакт с препятствием или с пешеходом. Такими частями являются передний и задний бамперы или детали кузова их заменяющие. Опыт конструирования автомобилей, накопленный за последние 30-40 лет, позволил сформулировать важнейшие требования безопасности к различным узлам и деталям автомобиля. Эти требования отражены в соответствующих государственных стандартах и Правилах ЕЭК ООН. Следует особо выделить актуальные проблемы, непосредственно связанные с дизайном кузова автомобиля: • обеспечение пассивной безопасности и снижение риска для пешехода; • снижение расхода топлива за счет снижения веса автомобиля и совершенствование его аэродинамических качеств. Одним из важных и эффективных способов решения этих проблем является все более расширяющееся применение в кузовостроении полимерных материалов. При всем многообразии форм автомобилей существуют закономерности построения поверхностей автомобильных кузовов и их соответствие определенным конструктивным, 150 технологическим требованиям и потребительским качествам. Важным элементов дизайна автомобильного кузова являются передний и задний бамперы. В современных автомобилях независимо от класса, стоимости и функционального назначения бамперы выполняют двоякую функцию: защиту кузова от повреждений в качестве элемента системы пассивной безопасности и как важный элемент формы, обеспечивающий необходимые аэродинамические качества автомобиля. Однако так было не всегда. Первый автомобиль, построенный в 1886 году Готлибом Даймлером (рис.1), представлял собой конный экипаж, в котором лошадь была заменена двигателем внутреннего сгорания. На протяжении последующих 35-40 лет внешность автомобилей эволюционно развивалась от архитектуры конного экипажа, которому по определению не требовались защитные устройства, к новой эстетике и формообразованию автомобиля. Рисунок 1 - Первый 4-х колесный автомобиль «Мерседес Вело» 1886г.[ 1 ] Вплоть до середины 20-х годов ХХ века форма автомобилей и технология их изготовления оставались «каретными». Внешний вид - точная копия легкого конного экипажа. С появлением технологии холодной штамповки деталей из тонколистового металла двигатель и пассажирские места на автомобилях стали оснащать защитными устройствами в виде кожухов, дверей, крыши и т.п. Появилось подобие кузова как композиционно единого сооружения. Форма кузова оставалась угловатой, «ящичной», бамперы отсутствовали. Особенно это характерно для автомобилей малого класса. Данную тенденцию не сложно проследить на примерах автомобилей разных марок одного класса. По мере совершенствования конструкции автомобиля и развития технологий его производства (особенно с появлением в 1914 г. конвейерного производства на заводах Форда) изменяется внешний вид легковых автомобилей. Форма цельноштампованных кузовов становиться более обобщенной и гармоничной, возникает особое автомобильное направление в промышленном дизайне. Появившиеся в начале 30-х годов бамперы стали модным элементом кузова, в первую очередь на дорогих автомобилях (рис.2). Основная функция таких бамперов скорее декоративная – обозначить внешние габариты автомобиля. 151 Рисунок 2 - ГАЗ-А (ФОРД А) 1932 г. Одина из первых моделей, оснащенных бамперами. [1] Использование бамперов в качестве композиционно-декоративного элемента кузова характерно для всех автомобилей 40 - 50 годов, независимо от марки, страны – производителя и класса автомобиля. Аналогичная конструкция бамперов длительное время использовалась на автомобилях «Москвич» уже в послевоенные годы. Бамперы подобной конструкции были распространены вплоть до середины 70-х годов. Рисунок 3 - Автомобиль КИМ-10, произведенный на Московском автосборочном заводе им. КИМ в 1941 г. Бамперы, ранее принадлежавшие к узлу рамы автомобиля, в современных конструкциях относятся к кузову. Они не предназначаются для предотвращения аварий или защиты автомобиля в случае наезда на препятствие при большой скорости. На легковых автомобилях бамперы служат главным образом для декоративных целей. Со второй половины 40-х по начало 70-х годов мировым центром развития автомобилизации являлись США, где само понятие «автомобиль малого класса» не существовало. В США господствовал культ больших автомобилей с самыми 152 фантастическими формами. Дизайн этого периода получил название «стайлинг» или «американское барокко» (рис.4). Бамперы на американских автомобилях не были связаны с формой кузова и, тем более, не способствовали повышению защитных и аэродинамических качеств. Дизайн бамперов поражал своей сложностью и эстетической самоценностью. Рисунок 4 - Бьюик Эйхт 1951г. Типичный представитель «американского барокко» Бурный рост числа автомобилей на дорогах Европы и США, рост числа дорожнотранспортных происшествий (ДТП) с тяжкими последствиями, характерные для начала 70-х годов, вынудил соответствующие органы ряда стран обратить особое внимание на совершенствование конструкции автомобиля в целях существенного повышения его пассивной безопасности и защиты пассажиров в случае ДТП. С этой целью был принят ряд законоположений, на основании требований которых должна разрабатываться конструкция автомобиля. Первые эксперименты были направлены на разработку передних и задних бамперов, способных амортизировать в случае столкновения, тем самым, защищая кузов автомобиля от существенных повреждений. Конструктивные решения безопасных бамперов отличались большим разнообразием. Но все они вели к значительному увеличению массы и габаритов автомобиля. Для выполнения своей защитной функции энергопоглощающий бампер должен иметь значительные размеры и некоторое удаление от кузова для обеспечения хода деформации. Эта величина может составлять до 300 мм (рис.5). Вписать такой бампер в общую композицию формы кузова – сложная дизайнерская задача.[ 153 Рисунок 5 - Экспериментальный автомобиль «New York», разработанный компанией Republic aviation, USA. 1967 г. Безопасные бамперы должны располагаться на определенной высоте относительно дороги, обеспечивать регламентированную зону перекрытия при контакте с другим автомобилем и способствовать поглощению энергии удара. С этой целью бамперы оснащались амортизаторами с возможностью перемещений относительно кузова либо выполнялись из пенополиуретана в виде своеобразных «подушек». Примером такого подхода к созданию безопасного кузова могут служить экспериментальные автомобили компании Фиат (рис.6). Рисунок 6 - Прототип безопасного автомобиля на базе серийного Фиат 500. Безопасность обеспечена «подушками» из пенополиуретана Среди европейских фирм наиболее активно проблемой безопасности конструкции автомобиля занималась компания Вольво. В 1972 г. компания представила экспериментальный автомобиль VESC, в котором ярко продемонстрировала идею энергопоглощающих бамперов с гидроцилиндрами наряду с другими устройствами системы безопасности. Такая конструкция бамперов выдерживала удар без повреждений кузова на скорости 16 км/час. На рис.7 видно, что в реальной жизни автомобиль с такими бамперами будет крайне неповоротлив и опасен для окружающих. Эстетическая сторона проблемы обсуждению не подлежит. 154 Рисунок 7 - Экспериментальный автомобиль Вольво VESC. 1972 г. Передняя часть кузова и бампер на гидроцилиндрах призваны принять на себя всю энергию удара. В тоже время представители концернов Chrysler, American Motors и Ford заявили, что удовлетворение требований федеральных стандартов на безопасные конструкции вызовет сильное удорожание автомобилей и сделает их недоступными для многих покупателей. Для решения задач по созданию безопасных конструкций легковых автомобилей в 1970 г. Министерство транспорта США заключило контракт с рядом независимых фирм на разработку экспериментальных автомобилей, отвечающих перспективным техническим условиям. На экспериментальном автомобиле фирмы AMF передний и задний бамперы имеют гидроцилиндры, которые обеспечивают необходимую степень поглощения энергии удара. Бамперы покрыты эластомером для смягчения удара в случае наезда на пешехода (рис.8,9). Рисунок 8 - Безопасный автомобиль фирмы AMF (США) 1971 г. В разработке экспериментального безопасного автомобиля фирмы Fairchild Industries принимала участие и известная дизайнерская фирма Raymond Loewy William Snaith Inc (рис.9). Жесткий передний бампер этого автомобиля прикреплен с помощью гидроцилиндров, имеющих регулируемые проходные сечения. При скорости 40-48 км/ч эти гидроцилиндры автоматически выдвигали вперед бампер примерно на 300 мм , 155 обеспечивая тем самым дополнительное амортизирующее действие при лобовом столкновении на высокой скорости. Рисунок 9 - Передняя часть кузова автомобиля Fairchild, где 1 – поперечина для противодействия боковым ударам; 2 – пространственная ферма для защиты при опрокидывании; 3 – продольный усилитель фермы. Испытания автомобиля Fairchild на столкновение с неподвижным препятствием со скоростью 80 км/ч показали, что агрегаты остались неповрежденными несмотря на деформацию кузова при ударе. Однако испытание не выявило, как бы перенесли пассажиры такую аварию. Несмотря на то, что в конструкции данного автомобиля было использовано более 450 кг алюминия, его вес составил 2132 кг. Необходимость чрезмерного выступания «энергопоглощающих» бамперов создавала значительные трудности при проектировании формы кузова. Делались попытки каким-то образом интегрировать подвижный бампер в общую форму кузова. На рис. 10 показан автомобиль Бриклин SV-1 (Sefety Vehicle), 1974 г. (Канада), подвижный бампер которого выдерживал удар на скорости 19 км/час Рисунок 10 - Бриклин SV-1 (Sefety Vehicle). 1974 г. (Канада) 156 Многочисленные эксперименты по созданию автомобиля, отвечающего требованиям пассивной безопасности, привели к пересмотру принципов проектирования кузова. Изначально ставилась цель сохранения автомобиля после аварии в состоянии, пригодном для движения, то есть защиты автомобиля. В процесс комплексных разработок безопасных автомобилей пришло понимание, что главная задача безопасной конструкции – сохранение не автомобиля, а здоровья и жизни человека. Снизить нагрузки на людей, находящихся в автомобиле, возможно за счет программируемой деформации передней или задней части кузова при минимальной деформации салона. По этой причине защитные функции выполняют не только бамперы, но и вся конструкция кузова. По мере развития этой концепции, принятой практически всеми автопроизводителями, бампер фактически утратил свою самостоятельную защитную функцию (рис.11). Для современных автомобилей требование безопасности в отношении пешеходов является важным критерием оценки безопасности конструкции. Применительно к дизайну кузова «дружественная» к пешеходу форма определяется прежде всего отсутствием острых кромок и углов, определенной величиной скруглений и выступов, углами наклона поверхностей, с которыми может контактировать пешеход в случае ДТП, твердость поверхности в зоне контакта и т.д. Эти требования и ограничения содержатся в соответствующих нормативных документах. Рисунок 11 - Вольво ХС 70. 2008 г. Силовая структура кузова. Голубым цветом выделены элементы программируемой деформации и балка переднего бампера Бампер современного автомобиля стал элементом формы, некой декоративной оболочкой, закрывающей силовые элементы и внутренние детали конструкции кузова. Необходимость «декорировать» силовую конструкцию передней и задней частей кузова естественным образом привела к поиску дизайнерских решений, к обеспечению целосто-скульптурного решения формы кузова. Последнее время наметилась тенденция совмещения бампера с решеткой радиатора. Так называемый «Front-end» представляют собой единый узел, состоящий из бампера, облицовки радиатора, аэродинамических устройств (спойлеров), а также декоративных элементов. Такие многофункциональные детали можно назвать «интегрированным узлом». Такие конструкции значительно облегчают производственные процессы и снижают себестоимость производства. В эксплуатации при повреждении небольшого участка приходится менять сразу весь фронтэнд, что обходится весьма дорого. Решение технологической задачи производства такого узла возможно только на основе применения полимерных материалов и соответствующих технологий. Эти детали окрашиваются в нейтральные цвета в массе при 157 изготовлении, либо окрашиваются поверхностно вместе с кузовом в процессе сборки. Опыт применения пластмасс для интегрированных узлов кузова распространяется и на другие смежные детали, такие как передние крылья, панель капота. Ряд специфических требований, связанных с аэродинамикой и пассивной безопасностью привели к тому, что пластически сложная и многодельная передняя часть кузова современных автомобилей должна выполнять одновременно роль бампера и часть общей поверхности кузова. С другой стороны конструкция кузова по принципу программируемой деформации практически сняла с бампера защитную функцию. То место на кузове, которое до 80-х годов занимал металлический или комбинированный бампер превратилось в продолжение общей «скульптуры» кузова. Бампер стал декоративным «чехлом» силовой структуры кузова. Возникло желание объединить бампер, облицовку радиатора, переднюю панель кузова и аэродинамические элементы в единую деталь. Применение «интегрированных узлов» дает широкие возможности для дизайна автомобиля, позволяет существенно снизить трудоемкость и себестоимость производства автомобиля и его ремонта в эксплуатации. О преимуществах данной конструкции в получении необходимых качеств пассивной безопасности отмечалось ранее. «Интегрированный узел» на рис.16 представляет собой бампер, объединенный с облицовкой радиатора, передней кромкой моторного отсека и передней частью крыла. В этот «узел» вмонтированы «ударный» брус бампера, решетка радиатора охлаждения двигателя и испарителя кондиционера, боковые спойлеры, противотуманные фары и фирменная эмблема крупного размера. Весь «узел» представляет единую деталь, изготовленную из полиуретана. На современных автомобилях применение «интегрированных узлов» позволяет получить высокие показатели пассивной безопасности, защиты пешеходов и совершенной аэродинамики без ущерба для потребительских, эксплуатационных и эстетических качеств. Рисунок 12 - Минивэн Ситроен С3 «Пикассо». 2008 г. С каждым годом размеры и сложность конструкции «интегрированных узлов» возрастают, что видно на примере автомобиля малого класса Ситроен С3 «Пикассо» 2008 г. (рис.15) . «Интегрированный узел» объединяет переднюю панель, бампер и передние части крыльев. Двуцветная окраска позволяет зрительно облегчить громоздкую панель, выделить «контактные» части и облицовку радиатора. Дизайн и конструкция передней части кузова также учитывают защиту пешеходов, в том числе и от удара капотом. 158
