Регистрация
Научная социальная сеть ученых-информационный исследовательский журнал о науке: публикацией статей, форум обсуждения

Категории

Легкий кузов - залог экологического автомобиля

Легкий кузов – залог экологического автомобиля
Мы живём на Земле, в мире, в котором действуют законы природы. Современное человечество старается стабилизировать эти законы природы, призывает, государства бережливо относиться к окружающей его среде. Так в ноябре 2015 года в Париже ООН провела климатическую конференцию. Саммит – обязывающий выполнять соглашения по сокращению выбросов «парниковых газов», где выступил президент РФ Путин В.В.: «Россия продолжит вносить вклад в совместные усилия по предотвращению глобального потепления. К 2030 году рассчитываем уменьшить выбросы парникового газа до 70% от базового уровня 1990-го года. Будем добиваться этого за счет прорывных решений в сфере энергосбережения, в том числе за счет новых нанотехнологий. Так, например, в России разработана технология использования добавок на основе углеродных нанотрубок. По оценкам экспертов, применение этой технологии только в России снизит эмиссию углекислого газа к 2030-му году на 160–180 млн. тонн».
В настоящее время технически развитые государства ответственно относятся к окружающей среде, разрабатывают технологии по снижению парникового эффекта. Выхлопные газы автомобилей существенно влияют на парниковый эффект. Так в Российской Федерации при институте НАМИ имеется проект технологической платформы «Экологически чистый транспорт – «Зеленый автомобиль».
Легковой автомобиль во многом упрощает жизнь человека. Без автомобиля человек не будет успевать за тем ритмом, в котором развивается современная жизнь. Комфорт – одно из основных потребительских качеств современного автомобиля. Повышение комфорта является приоритетным направлением совершенствования транспортных средств, но одновременно повышается и вес автомобиля.
При разработке нового проекта автомобиля конструкторские отделы ВАЗа встречались с проблематичными требованиями, причем довольно противоречивыми. Например, новый автомобиль должен быть более мощным и одновременно – с малым расходом топлива, иметь низкую токсичность выхлопных газов. Стоимость новой модели должна незначительно превышать стоимость предыдущей, но сама она должна стать более привлекательной по дизайну, вместимости, то есть отвечать современным требованиям потребителя. Автомобиль должен оснащаться самым передовым оборудованием, при этом кузов должен быть более прочным и ударостойким по салону и с энергопоглащением моторного отсека и задней части багажника при столкновении, но не тяжелым (легче предшественника), а еще включать инновации в области техники и превосходить предыдущую модель по качеству, надежности и комфортности.
Повышение комфортности (усилитель руля, кондиционер, электроприводы, снижение шума и др.), оснащение передовым оборудованием (автоматическая блокировка тормозной системы, электронная программа стабилизации), а также соответствие международным требованиям, без которых автомобиль не может в дальнейшем выпускаться (малая токсичность выхлопных газов, «безопасность водителя и пассажира» и «защита пешехода»), линейно связаны с повышением его веса.
Перечисленные противоречивые требования нового проектируемого автомобиля есть результат современных нормативных критериев автомобилестроения – улучшение качества, повышение комфортности и индивидуальности.
Степень потребительского спроса зависит в основном от индивидуальности автомобилей – доступной цены и малого удельного расхода топлива. Существует простая истина в экономике и в физике: чем больше программа выпуска продукта, тем меньше его цена. Чем меньше вес автомобиля, тем ниже его удельный расход топлива и величина выхлопных газов СО2. Автомобиль становится энергосберегающим и экологически чистым, привлекательным для общества и безвредным для окружающей нас среды и природы.
Для сохранения индивидуальности при проектировании нового автомобиля, соответствующего международным требованиям, необходимо снижать его вес без значительного повышения затрат или даже с получением экономии.
В конце 70-х годов ХХ века Днепропетровским институтом черной металлургии, научно-исследовательским институтом автотракторных материалов и ВАЗом разработана сталь повышенной прочности (СПП) 08ГСЮФ и 08ГСЮТ, первые опытные партии произведены на Череповецком металлургическом комбинате, ныне Северсталь. Разработку высокопрочного листа вели большинство зарубежных автомобильных фирм и металлургические фирмы, первоначально стимулом послужило движение за обеспечение безопасности водителя, вторичный стимул - снижение веса автомобиля с целью борьбы с нефтяным кризисом 1973 г. Третий стимул - снижение удельного расхода топлива и величина выхлопных газов СО2 с целью выпуска более экологически чистого автомобиля для окружающей нас среды и природы, что побудило и ВАЗ работать в этом направлении.
После проведения лабораторных исследований и штампуемости деталей кузова в производстве выше указанных сталей, было выпущено ТУ – 14 -3464 – 84 холоднокатаного проката и ТУ – 14 – 3671 – 83 горячекатаного проката. Внедрение этих сталей с уменьшенной толщиной взамен мягких сталей (08Ю, 08КП, 15КП и др.) в серийные автомобили проходили через конструкторов очень тяжело. Начальник бюро основания кузова Орлов Александр Леонидович допускал эти стали только на усилители основания кузова, кронштейны. Начальник бюро навесных деталей Аганин Лев Геннадьевич допустил только на каркас панели приборов, начальник бюро шасси Чугунов Геннадий Александрович допустил только на диск колеса с большим комплексом стендовых и дорожных испытаний. Отштампованные детали кузова из холоднокатаного проката на существующих штампах по качеству не проходили. Причина - недостаточная жесткость, недопустимое пружинение и утонение на малых радиусах. Борьба конструкторов отдела проектирования автомобилей и технологов отдела эффективности средств прессового производства с исследователями отдела технологии металлов управления лабораторно исследовательских работ шла длительно. Для внедрения этих сталей на детали кузова и на навесные детали кузова, малые радиусы увеличивали, чтобы убрать пружинение, вводили элементы компенсации пружинения, для увеличения жесткости в отверстиях панели, требуемые по чертежу, вводили отбортовку большей высоты с большим радиусом. После такой доработки штампов и конструкции детали получали согласие конструкторов отдела проектирования и технологов Прессового производства. Внедрение диска колеса из горячекатаного проката не проходило по причине точности проката, толщина проката колебалась по ширине и длине рулона до 0,1 мм. Увеличение точности проката вело к удорожанию проката и внедрение не давало экономию в себестоимости диска колеса. А также отформованный диск не давал качество по пружинению и овальности отштампованного диска. Были случаи, что отформованный диск застревал в матрице или пресс отрывал болстеры с крепления пуансона. Для уменьшения овальности, пружинения и обеспечения надежного съема детали с пуансона, вытяжку детали стали проводить с утонением толщины юбки диска колеса пуансоном с трапециевидными высвобождениями по образующей пуансона глубиной 1,3мм, высотой 20мм, при основании 5мм и вершине 2мм. В высвобождения при вытяжке юбки перетекал лишний металл по толщине и создавал ребра жесткости, которые устраняли пружинение и овальность юбки диска колеса, и обеспечивали надежный съем детали с пуансона. Все технологические приемы были защищены патентами ВАЗа № 1400717, 1466838, 1708469, 2095176. Список деталей переведенных на сталь повышенной прочности 1983 – 1986гг* (*…см. подтверждающий документ). Экономический эффект составил 748 000 рублей (986 808 долларов) с экономией металла 2 281тонна в год и потребностью 15 610 тон в год. Так прошли первые внедрения СПП на ВАЗе с целью снижения металлоемкости и экономии листового проката.
Снижение веса на серийные выпускаемые автомобили: ВАЗ – 2104 на 10,16 кг (колеса 2,96 кг, кузов 7,2 кг); ВАЗ – 2105 на 11,16 кг (колеса 2,96 кг, кузов 8,2 кг): ВАЗ – 2106 на 8,04 кг (колеса 2,98кг, кузов 5.06 кг); ВАЗ – 2107 на 11,04 кг (колеса 2,96 кг, кузов 8.08 кг); ВАЗ – 2121 на 4,09 кг, только кузов. Проведенная работа Институтом черной металлургии, Череповецким и Липецким металлургическими комбинатами, Волжским автомобильным заводом увенчалась решением научно-технического совета Министерства автомобильной промышленности СССР**.
Решение научно-технического Совета Министерства автомобильной промышленности по вопросу «Разработка и внедрение листовых сталей повышенной прочности в конструкциях кузовов и кабин автомобилей с целью снижения металлоемкости и экономии металла», г. Москва, 17 сентября 1987г. Где совет постановляет:
5. НАМИ совместно ведущими заводами (ВАЗ, АЗЛК, ГАЗ, ЗАЗ и др.) и институтами отрасли (НПО «Автопромматериалы», НПО «НИИТавтопром» и др.) в 1988 г. провести необходимые опытно – конструкторские работы и обеспечить выпуск РД по применению низколегированных сталей и уменьшенных толщин листа в автомобилестроении.
6. НАМИ совместно с ведущими предприятиями отрасли провести работы по методам расчетов узлов автомобилей с учетом применения низколегированных сталей.
7. ВАЗ, АЗЛК, ГАЗ провести работы по снижению толщин применяемого листа в кузовах и кабин за счет применения низколегированных сталей.
Председатель Научно – технического Совета, министр автомобильной промышленности, подпись Н.А. Пугин.
К этому постановлению были готовы конструкторы Управления проектирования автомобиля (УПА), технологи различных управлений и производств ВАЗа, так как получили опыт работ по СПП 08ГСЮФ(Т). Начальник отдела проектирования кузова автомобиля Вихко Лев Иванович (1931-2007) без РД по применению низколегированных сталей начал внедрять СПП на проектируемые автомобили ОКА, ВАЗ – 2108, 2110, 2123. Расчетное снижение веса ОКА 11,07 кг, ВАЗ – 2108 10,2 кг, ВАЗ – 2110 10,8 кг и ВАЗ - 2123 10,25 кг.
Лев Иванович Вихко перед исследователями поставил задачу по разработке СПП с различным классом прочности*** и уровня свойств категории вытяжки СВ и ОСВ для внутренних и наружных панелей навесных деталей кузова.
Волжский автомобильный завод с институтами НИАТМ, Черной металлургии, институтом Качественных сталей ЦНИИчермет Минчермета (Руководитель разработки зав. лаб. д.т.н. Фонштейн Нина Михайловна) и Металлургическими комбинатами СССР начали разработку и освоение технологии производства тонколистового проката из двухфазных ферритно–мартенситных сталей (ДФМС) с применением новых агрегатов непрерывного отжига. Для холоднокатаного высокопрочного листа были разработаны стали марки 03СПЮ, 03ХГЮ, 06ХГССЮ и 06Г2СЮ. Эти стали, по сравнению с низколегированными, имели более высокую прочность ?в = 450 – 550 Н/мм2 при достаточной пластичности. Для высокопрочного штампуемого горячее-холоднокатаного листа в СССР разработаны шесть марок низколегированных сталей соответствующих нижней границе прочности ?в = 390 – 450 Н/мм2, при ?4 = 25 – 30% и четыре марки ДФМС, соответствующие верхней границе прочности ?в = 450 – 550 Н/мм2 при ?4 = 28 – 32 %. ДФМС предназначены для изготовления деталей методом холодной штамповки и позволяют достигать прочность металла в сваренном кузове в процессе сушки окрашенного покрытия до 700 Н/мм2.
Разработанные ДФМС 03ХГЮ и 08ГСЮФ(Т) для лицевых и внутренних силовых деталей, требующие сложной вытяжки были не пригодны по механическим свойствам****. ВАЗ заключил хозяйственный договор с институтом Качественных сталей ЦНИИчермет Минчермета по созданию СПП с категорией вытяжки СВ и ОСВ с выпуском опытных партий на металлургических комбинатах СССР. В такой творческой связи были разработаны для сравнительного исследования стали типа 08ЮТ, 08ЮТР, 08ЮТ, 08ЮП, 08ЮПР и 08ЮПТР*****.
Основные технологические параметры производства опытных сталей представлены выше*****. Механические испытания проводили на машине «Instron – 1185»; механические свойства определяли как среднее арифметическое по трем значениям; значения R – пластическая анизотропия и n – показатель деформационного упрочнения определяли по ГОСТ 11701 – 84. Сопоставление механических свойств сравниваемых сталей показывает, что наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности у стали марки 08ЮТР достигается при термической обработке в агрегате непрерывного отжига, а у фосфорсодержащих сталей – при отжиге в колпаковых печах. Сталь 08ЮТ при высоком уровне пластичности не обеспечивает необходимого уровня прочности, а микролегирование стали одновременно фосфором и титаном приводит к чрезмерному упрочнению (на уровне стали 08ГСЮТ): ?0,2 ? 280 Н/мм2, ?в ? 400 Н/мм2, при этом ?4 ? 28%, R ? 1 и ?R ? 0,2. Установлено, что сталь 08ЮТР обладает достаточным уровнем прочности и пластичности (?0,2 ? 240 Н/мм2, ?в ? 355 Н/мм2, при этом ?4 ? 35%), что возможно изготовления из них ряд лицевых деталей кузова автомобиля. Однако он имеет относительно низкий коэффициент анизотропии R =1,1, что связано, возможно, с наследованием мелкого зерна феррита и благоприятной морфологией цементита при горячей прокатке. Наиболее благоприятным сочетанием свойств обладают фосфорсодержащие стали 08ЮП и 08ЮПР*****, отличающиеся более высокими значениями коэффициента анизотропии R, который изменяет шампуемость. Для полной оценки штампуемости построены диаграммы предельной деформации (ДПД) имеющихся сталей повышенной прочности 08ГСЮТ и 03ХГЮ, 08ЮП, 08ЮПР в сравнении со сталью 08Ю с категорией вытяжки ОСВ. На диаграмме видно преимущество стали 08ЮТР и 08ЮП во всех трех основных зонах деформации: вытяжка, плоская деформация и двухосное растяжение.
Результаты творческого коллектива реализовались получением стали повышенной прочности с категорией вытяжки ОС и ВОС. Также, эти стали повышенной прочности имеют эффект повышения прочности во время деформации (штамповки детали) и искусственного старении в процессе сушки в окрашенного покрытия кузова, набирают прочность до 10 Н/мм2.
Разработанные стали защищены патентами № 1654367, 1677084, 1775490. На патент № 1674367 Комитетом РФ по патентам товарным знакам Липецкому металлургическому комбинату выдана лицензия, регистрационный номер 2066/94 от 18.08.94г.
Для дорожных испытаний кузова ВАЗ - 2105 с навесными деталями из стали 08ЮП (двери передние, двери задние, капот и крышка багажника – снижение веса 7,1 кг) собраны в количестве двух автомобилей, которые успешно прошли испытания. Вес черного кузова суммарно снизился на 15,3 кг.
Внедрение СПП на детали кузова, шасси, колес серийных автомобилей «ВАЗ» происходило со значительной доводкой рабочих частей штампа для компенсации пружинения и снижения интенсивности деформаций в критических точках по разрыву. Следовательно, мы имели возможность снизить массу кузова по применению СПП до 15 кг. Массу всего автомобиля - до 25 кг. Для этого Российским металлургическим комбинатам в то время (1994г) требовалось освоить новое поколение СПП, например, типа AHSS,UHSS для брусьев безопасности, лонжеронов, элементов системы безопасного бампера и др. Дальнейший шаг по выпуску этих СПП ВАЗ сделать не смог, так как находился в финансовом выживании. И имеющие специалисты ЦНИИчермет Минчермета уехали в США.
Таким образом, прошло второе внедрение СПП, потребность СПП ВАЗа в 2003 году в семействе автомобилей 2105/07 - 11%; «Самара 2» - 10%; 2110 – 13%; 2123 «Chevrolet – Niva» - 13%; 1118 «Калина» - 19%. В то же самое время у зарубежных аналогов применяется до 50% СПП******. Причина в том, что из-за малой годовой потребности металлургические комбинаты не хотят катать ту или иную СПП (Рыночные отношения). Происходит возврат на мягкую сталь, что влечет за собой увеличение веса кузова.
В 90–х годах ХХ века конструкторы ВАЗа, Управление проектирования двигателя (УПД) усиленно работали над снижением расхода топлива легкового автомобиля с целью снижения эмиссии СО2 выхлопных газов, автомобилем с малой токсичностью. В 1994 году с карбюраторного двигателя ВАЗ – 2110 получили наименьший расход топлива двигателя объемом 1500 см3 средний 8,9 л/100 км, город 10,3 л/100км, трасса 6,2 л/100 км. Полученными результатами специалисты УПД не удовлетворились, начали работы по применению электронной системы впрыска для управления двигателем (инжектор) и достигли среднего значения 6,1 л/ 100 км.
Одновременно с такой же целью по заданию УПА технологи лаборатории листовой штамповки и сварки в Исследовательском центре занялись снижением веса черного кузова с применением алюминиевого автолиста. Опытная работа по снижению веса черного кузова ВАЗ – 2108 и ВАЗ – 2121 (трех дверный седан) проводилась путем применения алюминиевого плоского проката из сплава 5182 (AlMg5Mn) на навесные детали из алюминия, изготовленные штамповкой. При этом добились снижение веса черного кузова каждого автомобиля около 18,5 кг. Работа проводилась с 1991 года по 1994 год в исследовательской лаборатории штамповки и сварки.
Пониженную жесткость штампованных деталей из алюминиевого плоского проката компенсировали изменением толщины заготовки по эмпирической формуле:
hAl = .
Для компенсации прочности штампованных деталей из алюминиевого проката выбрали термически упрочняемые сплавы с механическими характеристиками мягкой стали 08Ю, которые наиболее широко используются для штамповки деталей кузова, сплав 5182.
Штамповка плоского алюминиевого листа на технологическом оборудовании, предназначенных для плоского автолиста из стали, возможна, но со множеством технологических допущений вытяжки заготовки. Уменьшение усилия прижима на фланец вытягиваемой заготовки приводит к образованию гофр в угловых зонах вытягиваемой заготовки, при увеличении усилия на прижим, на вытягиваемой стенке образуется первоначально наклепываемость, затем образование линий Людерса и дальнейшая вытяжка приводит к разрушению. Для получения опытных деталей, чтобы не изменять геометрию вытяжного штампа, использовали обильную смазку на прижимных плоскостях матрицы и прижима, и на формующей поверхности пуансона, с длительной настройкой усилия прижима на прижимную часть заготовки.
Сборка дверей из алюминиевых отштампованных панелей проводилась по имеющейся технологии для сборки из стали – завальцовка, где использовалась точечная сварка для сборки дверей из стали. Сваривали точкой, газовой сваркой в аргоне.
Исследовательский цент Научно-технического центра ОАО «АВТОВАЗ» с почтовым ящиком 126 г Самара и ФТИ им. А.Ф, Иоффе г Санкт - Петербург в 1994г заключили творческий договор по разработке сплава для автолиста. Разработали сплав алюминия АМг10 и прокатали опытные протяженные листы для опытной штамповки мелких деталей автомобиля и образцов для химического анализа и механических испытаний.
Подобрали и отштамповали мелкие детали автомобиля из прокатанных листов с величиной деформации во всех трех видах: одноосное нагружение (вытяжка) Е1 = 0,37 и Е2 = - 0,06; плоская деформация Е1 = 0,22 и Е2 = 0; Равномерное двухосное напряжение Е1 = 0,225 и Е2 = 0225; Алюминиевый сплав АМг10 по механическим характеристикам ?в = 400 Н/мм2, ?02 = 220 Н/мм2 , ?4 = 30%. Штампуемость сплава АМг10 получилась на уровне стали 08ГСЮТ.
Как было сказано выше в этой статье, третий этап снижения веса автомобилей семейства ВАЗ заключался в снижении эмиссии СО2 выхлопных газов (двигатели карбюраторные). В опытных автомобилях с применением СПС и навесных деталей, отштампованных и собранных из плоского автолиста в черном кузове, снизили вес автомобиля ВАЗ -2108 на 28,7 кг, ВАЗ - 2121 на 28, 75кг.
Эмиссию СО2 автомобиля 2108 снизили с 190 г/км до ~ 180 г/км, автомобиля 2121 снизили с 250 г/км до ~ 243 г/км. Это от 3% до 5% для карбюраторного двигателя с объемом 1500 см3. С двигателем с электронной системой управления (ЭСУД) автомобиля 2108 с 180г/км до ~ 170 г/км, автомобиля 2121снизился с 242 г/км до ~ 235 г/км. Суммарное снижение эмиссии СО2 выхлопных газов от ЭСУД и снижение веса от применения СПП и навесных деталей из Al в черном кузове автомобиля 2108~10%, а всего автомобиля 2121~ 6 %.
Продемонстрированный подход к снижению удельного расхода топлива и, как следствие, снижению эмиссии СО2 выхлопных газов легковых автомобилей от снижения веса автомобиля (кузова автомобиля) является одним из эффективных параметров для решения экологической проблемы окружающей нас среды и природы.
Снижение массы автомобиля до 800 кг с использованием модернизированного ДВС (работающие на традиционном топливе) позволят снизить расход топлива до 3,5 л/100 км, а эмиссию СО2 до 84 г/км. Организация частичного производства таких автомобилей и с применением модернизованных ДВС на остальных автомобилях позволит снизить суммарную эмиссию СО2 до 140, 120 и 90 г/км при условии, что доля малых автомобилей составит 18, 47. И 90% от общего объема соответственно [1].
Анализ проведенных методов снижения веса на ВАЗе, не дает снижения себестоимости черного кузова в совокупности с рыночными отношениями сегодня. Автолист из СПП дороже мягких сталей из-за малой потребности автомобильных фирм России. Переход на автолист из алюминиевого сплава делает удорожание себестоимости черного кузова около 2,3 раза, что не приемлемо для производства и отечественного потребителя.
В настоящее время для изготовления алюминиевых деталей автомобиля используются следующие технологии: литьё, ковка, листовая штамповка и сверхпластическое формирование воздухом или жестким пуансоном.
Цеховая стоимость деталей кузова зависит от стоимости применяемой технологии изготовления и от стоимости материала этих деталей.
Проведем сравнительный расчет изготовления некоторых деталей кузова выполненных вытяжкой, а также литьем в кокиль и в пресс-форму под давлением. Стоимость материала и изготовленных деталей взяли в производствах ВАЗа на 07.2010г. Для сравнения определим стоимость одного килограмма литья в кокиль и литья под давлением в пресс-форму автомобильных деталей из алюминиевого сплава.
Так, например, труба впускная 2123-1008015-70*******, сплав алюминия АК9Т, прочность не менее 280 МПа (стоимость одной тонны на 07. 2010 г 70,800 руб.), масса отливки 2,1кг, коэффициент использования материала (КИМ) 0,32, масса расхода залитого сплава на отливку - норма расхода (н/р) 6,533кг, цеховая цена на отливку 289,36 руб., тогда цеховая стоимость одного кг отливки при технологии «литьё в кокиль» для этой детали - 137,79 руб. (289,36: 2,1).
Стоимость технологии 1кг литья в кокиль алюминиевого сплава состоит из цеховой себестоимости за минусом стоимости материала, затем деленное на вес отливки Ц технологии литья в кокиль 1кг Al= [289,36-(70,8?2.1)]: 2,1=67 руб.
Картер сцепления 2109-1601015-70*******, литье под давлением в пресс-форму из алюминиевого сплава АК12М2, Временное сопротивление не мене 140 МПа. Стоимость одной тонны 70570руб, масса отливки 6,12кг, КИМ 0,76, масса залитого металла на отливку (н/р) 8,07кг, цеховая себестоимость за отливку 501 руб., тогда цеховая стоимость одного кг. отливки под давлением - 81,86 руб.(501:6,1). Стоимость технологии 1кг литья в пресс-форму из алюминиевого сплава состоит из цеховой себестоимости за минусом стоимости материала, затем деленное на вес отливки Ц технологии литья в пресс-форму 1кг Al= [501-(70,57?6.12)]: 6,12=11,29 руб.
Вытягиваемые детали кузова автомобиля из автолиста бывают мелкие и крупные из различного материала и стоимости. А также детали с различным КИМ и весом. Для расчета стоимости технологии 1кг штампуемой детали возьмем детали основания кузова ВАЗ-1118, который состоит в основном из 50******** деталей без различных мелких деталей: усилителей; кронштейнов; шпилек и болтов.
По табличным данным, среднее значение 1 штампуемой панельной детали толщиной 1,0 мм при норме расхода 4,1кг весом 2,36кг при цене 23,79 руб. с себестоимостью 125,44руб, тогда стоимость 1кг штампуемой детали будет, Ц технологии детали штампуемой из автолиста 1кг Fe= [125,44-(23,79?2,36)]: 2,36=29,36 руб.
Анализ стоимости рассмотренных технологий изготовления деталей показывает, что себестоимость литья в пресс-форму 1кг из алюминиевого сплава наиболее выгодное по сравнению технологии штампуемой детали 1кг из стального автолиста в 2,6 раза (29,36 : 11,29) при среднем КИМ = 0,553.
Проведем расчет себестоимости деталей основания кузова изготовленных из алюминиевого сплава АК9Т намораживанием стоимостью за 1кг 70,80руб. Тогда, [(118 ? 2,7)/ 7,8] ?1,43= 58,41кг будет вес деталей основания кузова. Цеховая себестоимость деталей основания кузова ВАЗ-1118 из алюминиевого сплава 4135,43 руб. (58,41?70,80).
Экономический эффект снижения цеховой себестоимости при намораживании деталей основания кузова из алюминиевого сплава 2137руб. (6272,4-4135,43). Снижение веса кузова на 59,59кг. Вес основания кузова из алюминиевого сплава будет - 58,41кг.
Экономический эффект от снижения закупок автолиста для штамповки деталей основания кузова 2576,89 руб.[(118 -58,41) : 0,553] ? 23,79. На программу выпуска 200 000 автомобилей в год 515 378 000 руб.
Проведем приблизительный сравнительный расчет затрат электроэнергии для производства основания кузова из стального проката и алюминиевого сплава
Для производства 1кг алюминиевого сплава, алюминия из глинозема с переплавом требуется 20 квт час.
Для производства 1кг стального автолистового проката требуется 7 квт?час.
Вес основания кузова из алюминиевого сплава (см. таблицу 4) 58,41кг, норма расхода при намораживании деталей 0,95, тогда потребность алюминиевого сплава для основания будет 58,41/0,95 = 61,48кг, а электроэнергии 61,48?20 = 1279 квт?час.
Вес основания кузова из стального автолистового проката (см.таблицу) 118кг, норма расхода 0,553, тогда потребность стального автолистового проката 213,4кг, а электроэнергии 213,4?7 = 1493 квт?час.
Сбережение электроэнергии при производстве основания кузова намораживанием из алюминиевого сплава 214 квт?час.
Таким образом, проведенные экономические исследования по сравнению стоимости технологии литья отливки в пресс-форму и технологии холодной листовой штамповки детали показали, что нужно разработать технологию литья тонкостенных крупногабаритных пространственных отливок с целью максимального снижения массы черного кузова.
Известна технология литья тонкостенных крупногабаритных плоских отливок до 2 ? 1000?1200 мм из алюминиевого расплава с ребрами жесткости, путем выжиманием расплава: поворотом подвижной полуформы вокруг неподвижной оси или плоскопараллельным перемещением одной или двух подвижных полуформ.
Суть способа: для улучшения заполнения формы и повышения качества отливки процесс литья осуществляют так, чтобы геометрические размеры полости формы изменялись по мере заполнения расплавом и затвердевания отливки (податливость формы). Это позволяет уменьшить потери теплоты расплавом и заполнять формы тонкостенных крупногабаритных отливок, а также осуществлять компенсацию усадки отливки путем уменьшения ее объема при кристаллизации. Ребра жесткости водятся против коробления плоской отливки во время усадки . mybiblioteka.su/6-186505.html
 Для этого нужно выделить все символы в адресной строке браузера, нажать на выделении правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выбрать команду «Копировать», после чего вставить помещенную в буфер обмена ссылку на интернет источник в соответствующую библиографическую ссылку (через команду «Вставить» контекстного меню»).
С минимальной допускаемой толщиной 0,8-1,2 мм среднего габарита (размер 400?400?50 мм) пространственной отливки литьем под давлением в пресс-форму отлить, возможно. Только с ребрами жесткости по размеру 400?400 мм и с их толщиной не менее 2 мм с высотой 8 – 10мм. Ребра жесткости вводятся из-за неподатливости пресс-формы при усадке отливки во время кристаллизации, так как, без ребер жесткости отливка от внутренних напряжений трескается и не поддается съёму. zsm-m.ru/products/lite-alyuminiya/
Технология литья под давлением; сущность этого способа заключается в том, что расплав металла подается в стальную разъёмную пресс-форму пол давлением. Рабочее давление на расплав осуществляется непосредственно сжатым воздухом (газом) или поршнем, который перемещается под действием сжатого воздуха (газа), эмульсии или масла. www.zaozal.ru/index/php (кликнуть алюминиевые отливки, затем кликнуть – технологии, выйдет – алюминиевое литьё под давлением, читать первый абзац после заголовка). Здесь компенсация внутренних напряжений при кристаллизации и усадки при остывании происходит за счет податливости стержней и специальных уклонов поверхности формы.
Технология литья погружением, ранее применялась только на отечественных авиационных заводах. Время требует использовать высокие технологии и на более “приземленном” производстве. Поэтому специалисты НПО «Поволжский АвиТИ» предлагают освоить технологию литья погружением и специалистам смежных отраслей. Заметим, что главные достоинства отливок, получаемых по этой технологии, - высокая плотность, отсутствие внутренних полостей и раковин, точность. Эти прекрасные свойства позволяют использовать отливки в узлах и агрегатах с повышенными требованиями к прочности и сроку службы. Таким способом, например, можно отливать блок цилиндров, поршни автомобильных двигателей, детали насосов и компрессоров, передаточных шестерен и тому подобное.
Все дело в том, что расплавленный металл заливается в форму снизу вверх (через питатели), а начинающееся сразу после заливки одностороннее охлаждение направлено сверху вниз. При такой организации процесса происходит постепенная, направленная кристаллизация. А в результате получается высокая плотность отливки, обеспечить которую не в состоянии ни литье под давлением, ни точное литье. Например, плотность отливки из алюминиевого сплава АК7, АК9, АК12 составляет 2,75 г/см3. Интересно, что процесс не требует литниковопитающих систем, поэтому экономится 30—40% жидкого металла. При этом вместо трудоемкой обрезки или обрубки литых заготовок нужна лишь зачистка остатков питателей, что легко совместить с механической обработкой.
В состав предлагаемого предприятием автоматизированного комплекса для литья методом погружения входят манипулятор с кокилем (формой), печь и система управления процессом. Максимальный размер кокиля достигает 400 мм, наибольшая масса отливки — 10 кг. Производительность оборудования —30 отливок в час. Оснастка рассчитана приблизительно на 7000 заливок. www.i-r.ru/archive/pdf/2008_5.pdf . Здесь компенсация усилия усадки за счет податливости оболочки формы и насыпного материала в кокиль (опускаемого контейнера).
Технология литья жидкой штамповкой можно рассматривать, с одной стороны, как технологию литья под давлением, с другой - как процесс горячей штамповки в закрытых штампах. Металл заливается в штамп в жидком состоянии, а окончательное формообразование (штамповка) детали происходит в момент, когда металл находится в полужидком состоянии, а затем в твердом. Это позволяет получать заготовки с высокой плотностью металла и с повышенными механическими свойствами. metall-work.ru/obr-met/34.html. Компенсацию усадки производят дополнительной деформацией (подпрессовка) охлажденного до 350 – 400оС металла отливки противопуансоном.
Технология непрерывно намораживанием непосредственно из расплава. На поверхность расплавленного металла в тигле печи помещают плиту-поплавок из огнеупорного материала, не реагирующего с расплавом. Плита-поплавок имеет отверстие, соответствующее профилю отливки. При погружении плиты-поплавка в расплав на небольшую глубину из отверстия выступает мениск жидкого металла, в который вводят затравку, профиль ее соответствует профилю отливаемого изделия. При перемещении затравки в направлении, перпендикулярной поверхности расплава, из отверстия плиты-поплавка вытягивается часть расплава, что обеспечивается силами поверхностного натяжения; в это же время на конец затравки, введенной в расплав, начинается намораживание изделия 3, происходящее непрерывно в соответствии с движением затравки. Кристаллизация металла происходит сверху вниз. mybiblioteka.su/6-186507.html. Компенсация усадки отсутствует, она происходит естественным путем, зависящая от жесткости вытягиваемой отливки.
Из анализа различных технологических процессов литья отливок выяснили, для того чтобы получить качественную отливку требуется податливость формы. Податливость формы свойство материала литейной формы деформироваться или разрушаться под влиянием усилий, возникающих при усадке металла во время его затвердевания и охлаждения. metallurgy_dictionary.academic.ru/2812/
Для литья тонкостенных крупногабаритных пространственных отливок предлагаю технологический процесс литья, состоящий из трех технологических процессов – литье погружением, литье жидкой штамповкой и литье намораживанием. Применение предлагаемого технологического процесса литья отливки пуансоном с податливой формой к внутренним остаточным напряжениям при кристаллизации и съему отливки детали кузова автомобиля с этого пуансона при усадке. И назовем его литье намораживанием с формовкой отливки жидкой штамповкой в расплаве.
Формующие поверхности матрицы и пуансона окрашивают специальной высокотемпературной краской. Опускают матрицу в подогреваемую ванную с расплавом сплава алюминия, через края заполняется расплавом. Далее опускают пуансон до полного смыкания с матрицей в расплаве для формовки отливки, величина зазора между матрицей и пуансоном есть толщина отливки. Затем штамп медленно поднимается из расплава, для направленной кристаллизации сверху вниз закрытого алюминиевого расплава в штампе. Появляющиеся напряжения во время кристаллизации и остывания отливки (усадка) сжимают керамоволокна формующего пуансона и уровнавешиваются пружинением керамоволокна. После полного подъёма штампа из расплава, штамп с отливкой охлаждается определенное время и затем раскрывается. Отливка легко снимается.
Кузов легкового автомобиля имеет большую массу, так как масса автомобиля оказывает значительное влияние на его эксплуатацию и экономичность, на сопротивление качению и динамичность, на способность преодолевать подъем. Кузов легкового автомобиля как правило изготавливается из тонколистового холоднокатаного прока малоуглеродистой стали толщиной от 0,8 – 2,2 мм. Энергозатраты изготовления штампованных деталей из тонколистового холоднокатаного проката из малоуглеродистой стали для деталей кузова легкового автомобиля выше, чем литье из сплава алюминия или магния.
Для получения тонколистового холоднокатаного проката из малоуглеродистой стали энергетические затраты следующие: получить чугун из руды, затем малоуглеродистую сталь, затем плоский горячий прокат с отжигом. Из отожженного плоского горячего проката катают плоский холодный прокат с последующим отжигом в печах для повышения штампуемости, и, наконец - вырубка заготовок штамповка. Средний коэффициент использования материалов (КИМ) штампуемых деталей кузова 0,55. Предлагаемая инновационная технология литья тонкостенных крупногабаритных пространственных отливок из алюминиевого сплава для деталей кузова автомобиля имеет энергетические затраты следующие. Получение алюминия из глинозема (бокситы), далее отливка детали кузова автомобиля, КИМ 0,95 (без учета выгори сплава). При этом не учитываются энергозатраты на логистику технологического процесса получения тонколистовой малоуглеродистой стали, пакетирования и транспортировку отходов на металлургический комбинат.
Таким образом, предлагаемая технология литья намораживанием пространственных отливок транспортных средств более энергоэффективная по сравнению технологии холодной листовой штамповки и экономичная за счет снижения удельного веса применяемого материала для производства автомобиля; за счет высокого коэффициента использования материала (КИМ) при производстве автомобиля за счет снижения цены технологии производства отливок деталей кузова.
Преимущества предлагаемой технологии:
• легкость – снижение веса автомобиля без потери прочности и жесткости кузова и как следствие снижение удельного расхода топлива, выбросов выхлопных газов, отрицательного воздействия на окружающую среду;
• технологичность – снижение расхода производственного материала (КИМ), снижение стоимости технологии по сравнению штамповки тонколистового проката; рециркулируемость;
• прочность (энергопоглащение при деформации в 2 раза выше стали) – повышение
пассивной безопасности водителя и пассажиров; стойкость к коррозии;
• возможность, разработки формы штампа, которая позволяет изменять толщины в требуемых местах крупногабаритной пространственной детали в зависимости от прочности и жесткости.
• разработан пуансон компенсирующий усадку отливки при кристаллизации во время охлаждения, который способствует съём отливки с пуансона.
• разработана технология литья, которая дает возможность отливать габаритные пространственные отливки с допускаемой толщиной 0,8 мм из сплава алюминия.
• предлагаемая технология литья энергоэффективная по сравнению с технологией холодной листовой штамповки из тонколистовой стали или алюминия.
С помощью предлагаемой технологии можно сделать кузов. Детали основание кузова и внутринии панели навесных деталей отлить из алюминиевого сплава, а лицевые детали отштамповать из алюминиевого плоского проката или лицевые детали сделать штамповкой из листового проката малоуглеродистой стали. Кузов изготовлен полностью из алюминия. Кузов изготовлен из алюминия и стали и становится сталь – алюминиевым кузовом. Соединение алюминиевых отливок друг с другом и соединение алюминиевых отливок с отштампованными лицевыми деталями из стального автолиста в технической литературе известны и они не дороже точечной сварки. www.autoexp.org/files/constr_features.doc
Выводы:
Снижения эмиссии СО2 выхлопных газов автомобилей в настоящее время добиваются в основном тремя видами выпуска автомобиля: электромобиль; гибридный автомобиль, автомобиль работающий на альтернативном топливе и водороде. Снижение массы автомобиля приводит к снижению удельного расхода топлива, то есть, при любом виде выпуска автомобиля, предлагаемая инновационная технология литья намораживанием тонкостенных крупногабаритных пространственных отливок транспортных средств снижает массу автомобиля, что является фактором неизбежности при любом виде выпуска автомобиля;
Предлагаемая инновационная технология литья отливок намораживанием находится на стадии идеи, требует финансовых затрат на технологические исследования и отработку технологического процесса. Первоначально на образцах, затем на деталях внутренних панелей навесных деталей кузова легкового автомобиля. Для этого нужно поверить, что предлагаемая технология «литья намораживанием» со временем становится глобальной как сейчас - технология холодной листовой штамповки.
Автору требуется база для проведения исследовательских и опытных работ.

Список литературы
Л.И. Сорокин, Г.К. Мирзоев. Эффективность использования альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания // Химия в интересах устойчивого развития. Журнал № 13 (2005). С. 805-808. С 806, вторая колонка, первый абзац.




Название статьи «Легкий кузов – залог экологического автомобиля», автор статьи Алексей Федотович Осипов (год рождения1945), пенсионер Волжского автомобильного завода и Тольяттинского государственного университета (ВАЗ - зам. начальника. управления планирования и производства прототипов и ТГУ по совместительству - доцент кафедры «Экономика и управление производством»). 445027 г. Тольятти, ул. Фрунзе дом 21, кв. 35. osiaf@mail.ru номер телефона 8 964 975 71 39.
Автор статьи А.Ф.Осипов, к.т.н.
Резюме статьи. Автомобильные фирмы в разработке нового автомобиля имеют цель снижение массы автомобиля. В статье описан путь ВАЗа по снижению массы черного кузова, проведены экономические исследования стоимости технологии литья алюминиевых отливок (деталей) по сравнению стоимостью технологии холодной листовой штамповкой деталей кузова легкового автомобиля из плоского проката низколегированной стали. На основании изученных технологий литья отливок из алюминиевых сплавов предложена технология литья намораживанием тонкостенных крупногабаритных пространственных отливок (деталей) транспортных средств из алюминиевого сплава.
Ключевые слова: mass, weight, car, reduction in vehicle weight, casting technology of aluminum.
P.S. В статье помеченные предложения звездочкой (*), суть подтверждается документом для рецензента, а не для публикации.
Вызов Captcha
Перезагрузить изображение
Введите код подтверждения, указанный выше