Изготовление стеклопластикового обвеса для гибридного болида

Автор: Сороковский Роман Евгеньевич,  МАДИ, группа 4АС4 .

«Изготовление стеклопластикового обвеса для гибридного болида»

Ключевые слова: стеклопластик , обвес , Формула Гибрид , кузов , болид , дизайн ,кузовные панели.

Введение

Практически любой современный  автомобиль, как для дорог общего пользования, так и спортивный, имеет кузов или так называемый аэродинамический обвес. Обвес выполняет различные функции, как технические – влияющие на скоростные и другие характеристики автомобиля, так и эстетические – создавая привлекательную индивидуальную внешность. Аэродинамический обвес защищает детали и узлы автомобиля от внешних факторов, уменьшает аэродинамическое сопротивление воздуха, позволяет улучшить охлаждение отдельных узлов и систем автомобиля, увеличить прижимную силу, действующую на автомобиль, а также влияет на некоторые другие параметры. Также одна из главных составляющих кузова – его масса. Поэтому в современном автомобилестроении обвесы изготавливают из композитных материалов, которые позволяют получить кузовные панели с очень маленькой массой и необходимым набором физических свойств. Основой композитов являются армирующие материалы и связующие вещества. В качестве армирующих материалов применяют: стекловолокно, углеродное волокно, кевлар и др. Связующим веществом могут быть различные виды полиэфирных и эпоксидных смол. В зависимости от условий, в которых будет эксплуатироваться тот или иной автомобиль выбираются необходимые компоненты, входящие в состав композита. Таким образом, главная задача при проектировании кузова автомобиля – достичь максимально эффективной его работы на скоростях свыше 120 км/ч, и при этом добиться минимальной массы всех его элементов.

Рис.1  Аэродинамический обвес AUDI A5 DTM

 

 

 

Подготовка

 В случае с нашим автомобилем – главная задача стеклопластикового кузова была– защитить детали конструкции, улучшить обтекаемость и организовать необходимый поток воздуха для системы охлаждения.

Как и перед любой работой, перед  изготовлением кузова необходимо подсчитать время, которое уйдёт на работу, начиная  с поисковых эскизов и заканчивая готовыми деталями, подобрать команду рабочих, подсчитать все возможные затраты и скоординировать работы по кузову с работой остальных отделов команды. Самым первым этапом является определение очертаний и облика будущего автомобиля. В нашем случае рама использовалась с прошлого сезона, и поэтому главной задачей помимо создания нового дизайна было обыграть по-новому носовую часть и сделать её более компактной и симпатичной визуально. Этому мешала сама конструкция рамы и импакт (алюминиевые соты, служащие для смягчения удара при лобовом столкновении автомобиля).  Было подготовлено около 30-40 разнообразных эскизов и набросков.

 

При этом на данной стадии разработки дизайна я выяснил, что предварительные  скетчи для упрощения процесса и  его ускорения лучше всего  делать в одном или двух цветах, т.к. в итоге количество идей изложенных на бумагу за одинаковый промежуток времени  будет значительно больше чем при очень детальном подходе к изображению. После того как было сделано достаточное количество эскизов на собраниях команды стали проходить выборы примерного будущего облика автомобиля с учётом мнений всех членов. После выбора из всех вариантов трёх-четырёх самых интересных, начался процесс их доработки и внесение некоторых изменений, т.е. доводка до идеального состояния линий и пропорций кузова. Кстати сам процесс шёл с использованием 3-D модели автомобиля в собранном состоянии, т.к. необходимо было под пластиком спрятать достаточно объёмные суперконденсаторы и другие элементы конструкции.

После доработки эскизов, командой ребят, занимающихся непосредственно самим изготовлением пластика, был выбран окончательный вариант будущего кузова, и началась детальная проработка всего процесса изготовления. Были сделаны чистовые рисунки и чертежи кузова в различных ракурсах с нанесением форм на чертёж рамы.

 При этом одновременно происходил  расчёт самого процесса изготовления. В этом сезоне было решено  изготавливать пластик по технологии  с использованием  матриц. По сравнению  с технологией изготовления прошлых  кузовов, новая была более трудоёмкой, но и результат должен был  стать гораздо более совершенным.  Вкратце суть этого процесса  заключается в изготовлении болванки  будущего автомобиля, снятия с  его форм матриц, которые копируют (зеркально) поверхность и выклеивание самих деталей по этим матрицам. Предыдущие кузова делали без матриц, т.е. снятую с макета пластиковую оболочку применяли сразу как кузовную панель. Это экономило время и средства, но вес таких панелей был высок из-за большого количества нанесённой на кузов шпатлёвки для улучшения качества поверхности. Но ведь автомобиль строится для гонок и должен быть максимально лёгким, поэтому,  несмотря на то,  что технология для нас была новой, кузов решено было делать именно по ней. Также был выбран вариант с изготовлением всего пластика непосредственно на раме. Это давало нам возможность наиболее точно и плотно подогнать кузовные панели к раме и деталям автомобиля, тем самым сделав его более компактным и симпатичным внешне. С использованием же рамы во время макетирования мы смогли достичь зазоров между трубами каркаса и пластиковыми панелями в некоторых местах до 1мм и менее, тем самым максимально эффективно «обтянув» машину кузовными деталями и сделав её визуально аккуратней. Но использование рамы предполагало задержку сборки машины отделами механики и электрики, что заставляло нас торопить сроки. А также использование рамы для макета означало то, что создание симметрии автомобиля полностью возлагается на тех, кто будет работать над этим макетом (для предыдущих автомобилей создавалась 3D модель, из которой извлекались симметричные сечения, по которым собирали пространственный каркас макета).

Итак, всё было решено и продумано,  деньги выделены, помещение (на территории автосервиса SUZUKI –СИМ) тоже было, оставалось закупить материал и приступать. Замечу, что перед началом работы нужно прокрутить мысленно весь процесс десятки раз в голове, иначе потом в процессе работы могут быть долгие задержки или труднорешаемые задачи. Очень важно продумать и места разъёмов будущих кузовных панелей, т.к. от этого зависит то каким образом готовить макет. Так же для избежания продления сроков нужно заранее продумать и закупить весь необходимый инструмент и расходные материалы.

Болванка

Итак, второй этап – это изготовление болванки. Машину полностью разобрали  до рамы, оставив лишь подвеску и  колёса. Это было необходимо для  того чтобы подогнать пластик  к изменяющим, в зависимости от нагрузки и изменения угла поворота, своё положение колёсам. Все важные детали автомобиля были обклеены малярным скотчем, чтобы избежать в процессе работы попадание на них пыли и  смолы. Сама рама была установлена на столе для удобства работы с макетом, под ней были 2 листа фанеры 10мм, с расчерченным контуром нижней части  кузова. Разметка положения кузовных панелей для точности велась с  использованием лазерного уровня. И  при этих работах сразу выявились  все неточности сварки рамы и сборки подвески.

Затем рама была обшита листами фанеры 4мм, на которые после должны были клеиться с помощью термоклея листы экструдированого пенополистирола (он не имеет гранул а представляет собой плотную пену, удобную для резки и получения необходимой формы).

 

 

 

 

 

 

 

С запасами по габаритам раму обклеили пенополистиролом, некоторые труднодоступные места заполнили с помощью монтажной пены. После,  вооружившись канцелярскими ножами и электрическим резаком (его сделали из реек с натянутой между ними нихромовой нитью, и трансформатора 220/12В)  мы стали вырезать необходимую форму. На рабочем месте были развешены рисунки будущего автомобиля, по которым мы ориентировались при выведении формы. При этом я столкнулся с тем, что как бы не был продуман тобою рисунок и форма на бумаге, то в итоге при создании его в процессе работы неизбежны изменения и отклонения от первоначальных идей. Также происходит некоторое упрощение дизайна и отказ от очень сложных элементов. Вот почему в автомобилестроении дизайн-проект от эскизов до изготовления конечного автомобиля претерпевает такие изменения.

Далее, как только мы вырезали приблизительную  нужную нам форму, используя шлифмашинки и шлифовальные круги с зернистостью Р80 – Р120, мы довели форму до необходимого состояния для того чтобы в дальнейшем покрыть весь макет шпатлёвкой. При этом мы следили за местами соприкосновения пластика с рамой, т.к. там было необходимо чтобы толщина шпатлёвки была равна толщине пластика (иначе затем панели не сядут как нужно из-за того что детали выклеиваются в матрицах по внутренней стороне и будут по внешним размерам копией болванки, а по внутренним уже на толщину пластика).  Элементы рамы вокруг пилота были покрыты пластилином с помощью которого мы сделали нужные нам углы на болванке в сложных местах.

После покрытия всей болванки шпатлёвкой, мы стали доводить форму до необходимой, что бы снять потом с неё  матрицы. На этом этапе необходимо убрать все неровности поверхностей, что  достигается использованием сафитов для высвечивания неровностей и собственно самими руками мастеров. Для получения симметрии мы также использовали лазерный уровень. Также необходимо вышкуривать шпатлёвку с постоянным увеличением зернистости наждачной бумаги для получения максимально гладкой поверхности болванки, иначе неизбежны проблемы со снятием матриц (будет очень трудно отделить матрицы от болванки).

 

По завершении этого этапа, мы получили макет будущего автомобиля в масштабе 1:1. В процессе работы отношение к  машине и её новому дизайну не раз  менялось, мы немного уходили от рисунков, меняли некоторые элементы, преобразовывали и додумывали их уже в ходе дела, но  в итоге мы получили именно то, что хотели.

Изготовление матриц

Для изготовления матриц был выбран стекломат плотностью 300г/м² на первые два слоя и 450г/м² на 3 последующих слоя. Такое количество слоёв было необходимо для того чтобы матрица была прочной и не деформировалась при дальнейшем изготовлении самих деталей. Смолу использовали полиэфирную. Пары полиэфирной смолы очень ядовиты, поэтому для работы с ней были приобретены респираторы фирмы 3М и резиновые перчатки, также для таких работ и вообще работ со стеклопластиком,  необходимо помещение с хорошей вытяжной системой. Смола с отвердителем размешивается в соотношении 100/1. Так как при полимерезации температура смолы растёт, то необходимо открытые участки пенополистирола заклевать скотчем, иначе он расплавится и матрица будет испорчена, как и сам макет. Для того чтобы матрица снялась без лишних усилий болванку покрыли в 4 слоя воска. Воск использовали марки NORPOL W-70. Воск наносится на поверхность и через час растирается (желательно машинкой, чтобы достигнуть нужных температур впитывания воска). Каждый слой воска наносится через 6-8 часов. После нанесения воска на болванку наносится разделительный агент NORSLIP 9860, служащий для создания тонкой разделительной плёнки на поверхности и облегчающий в дальнейшем процесс съёма матриц. Далее на полученную поверхность наносится  гелькоат, он необходим для получения гладкой поверхности матрицы и становится её внутренним слоем (в точности повторяющем поверхность макета), он размешивается с отвердителем в соотношении 100/1,5. Гелькоат для матриц имеет зелёный цвет, а для изделий белый. Гелькоат наносится либо кистью либо краскопультом. Когда гелькоат высыхает до состояния липкой очень густой массы (проверить пальцем, если липнет то это то, что нам нужно) мы можем наносить смолу и стекломат. Первые слои стекломата ложатся трёхсотые для того чтобы максимально качественно повторить все сложные формы болванки. Смола наносится на болванку, потом заранее вырезанные листы стекломата укладываются и тщательно пропитываются смолой. После нанесения первого или двух первых слоёв, смола должна высохнуть (примерно сутки) после чего можно наращивать все остальные слои одним заходом, также хорошо пропитывая их смолой. Матрица может быть тяжёлой, но это не важно, ведь она – это промежуточное звено в изготовлении деталей. Чем она прочнее и толще, тем больше съёмов в дальнейшем можно будет с неё сделать.  Часто матрицы усиливают рёбрами жёсткости из стеклоткани или дерева или металла для большей жёсткости. Но если поверхность макета будет плохого качества, а матрица слишком жёсткой (неподатливой), то есть вероятность того что снять её будет реально, только разрушив изнутри макет. Но если какая-либо деталь кузова ломается, то по такой качественной и жёсткой матрице мы можем изготовить ещё одну или несколько таких. Для удобства извлечения матриц со сложных форм болванки, мы сделали их разборными (матрица носа состоит из 2 деталей, понтоны тоже из 2 деталей каждый, задняя крышка тоже из 2 деталей), скрепляющимися болтами.

 

Когда матрицы были готовы, мы их сняли и разломали болванку, т.к. она уже была не нужна и тем самым освободили раму, к работе над которой сразу же приступили ребята из других отделов команды. После снятия, внутреннюю поверхность матриц зашкурили, зашпатлевали мелкие дефекты, собрали и начали готовить к выклейке непосредственно конечных деталей.

Выклейка кузовных панелей

Матрицы, точно также как и  болванку, изнутри покрывают 4 -5 слоями воска, потом разделителем NORSLIP, и перед выклейкой наносят гелькоат для изделий. Для того чтобы детали были лёгкими и обладали при этом необходимой прочностью было решено делать понтоны из 3 слоёв ( 1ый слой - стекломат плотностью 300г/м² , второй - стекломат 450г/м² и третий слой – стеклоткань 450г/м² ) , а нос и заднюю часть из 4 слоёв (1ый слой – стекломат 300г/м², 2-ой и 3-ий слои - стекломат450г/м² и последний слой из стеклоткани 450г/м²). Стеклоткань была применена для придания деталям жёсткости, т.к. стекломат не обладает такими свойствами как стеклоткань (стеклоткань – это специалным образом сотканные нити стекловолокна). Когда все детали были выклеены, мы изъяли их из матриц. Они оказались довольно лёгкими и прочными, при этом их можно было очень сильно деформировать на грани излома, после чего они возвращались в и исходную форму.

Подгонка

Теперь необходимо было подогнать  все кузовные панели на машину, установить крепления пластика и подогнать  все зазоры между деталями, чтобы  потом покрасить их. Способ крепления кузовных деталей к раме был выбран неожиданный – это липучки фирмы 3М. Они достаточно крепко держатся в зацеплении и очень удобны к применению, потому что позволяют очень быстро (в отличие от быстросъёмников, где было не обойтись без отвёртки или монетки для открытия) снять и снова поставить панели на машину. Для нужной нам жёсткости посадки деталей, на понтоны были установлены 6 липучек длиной по 10 см, нос установили на 5 липучек и заднюю панель решили установить на 4 липучки, добавив ещё 2 быстросъёмника. Липучки крепились к стеклопластику на поксипол, а к металлу на клей предусмотренный производителем. Установка и подгонка деталей на машину заняла больше времени чем рассчитывалось, но в итоге, когда всё было сделано, мы могли приступить к подготовке поверхностей деталей к покраске.

Подготовка кузовных панелей  к покраске и покраска

Перед окрашиванием деталей необходимо вывести поверхность, устранить  все дефекты, полученные при изготовлении и в процессе подгонки. Все сколы  и другие дефекты готовых изделий  зашпатлёвывали шпатлёвкой BODY для стеклопластиковых деталей и вышкуривали до необходимого состояния наждачной бумагой с зернистостью Р320 (под грунт).