Proiectarea asistată pe calculator a unei bare de protecție față din fibră de carbon pentru un automobil sport [308322]

[anonimizat],

MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ

SPECIALIZAREA: AUTOVEHICULE RUTIERE

PROIECT DE DIPLOMĂ

Proiectarea asistată pe calculator a unei bare de protecție față din fibră de carbon pentru un automobil sport

Conducător: Absolvent: [anonimizat]

2019

Rezumat

Scopul acestui proiect în constituie realizarea unei bare față din fibră de carbon în vederea îmbunătățiri performanțelor automobilului. [anonimizat], cu forme geometrice complexe. [anonimizat] a [anonimizat]. [anonimizat], prin deformarea. De asemenea bara față a unui autovehicul trebuie astfel concepută încât să permită protejarea membrelor inferioare ale pietonilor. [anonimizat], devine un aspect complex datorită reglementărilor impuse. [anonimizat], acesta definește forma aerodinamică a autovehiculului influențând în mod direct rezistența la rulare. În plus asigură ghidarea aerului către compartimentul motor. Pe lângă acestea bara față trebuie să prezinte un aspect estetic plăcut. Majoritatea barelor de protecție față sunt confecționate din materiale plastice. Fibra de carbon poate fi un substituent al acestuia datorită proprietăților fizice și chimice pe care le posedă. În vederea reproiectări barei față a autovehiculului, s-au utilizat o metodă a ingineriei inverse. [anonimizat]. După reproiectarea barei s-au realizat simulări ale unei coliziuni ale barei cu o barieră în vederea îmbunătățiri performanțelor.

Abstract

The purpose of this subject is to create a [anonimizat]. The bodyworks are divided into many different designs as well as unique and complex body shapes. [anonimizat]-[anonimizat] a cost effective manufacturing methods that are suited for mass production of vehicles. [anonimizat], by deforming. Also , the front bumper shell must be design to ensure the portection of the lower limbs of the pedestrians. This fact becomes a complex issue duet o the imposed regulations. [anonimizat], directly influencing rolling rezistance. [anonimizat]. The bumper shell must be aesthetically pleasing. Most of commercial bumper shells are manufactured form plastic materials. Carbon fibers could be a substitute for plastic materials due to its physical and chemical properties. Reverse engineering methods were used to redesign the actual model of the vehicle. [anonimizat] an overall vehicle drawing. After redesign process crash simultation of the bumper shell with an barrier were made, in order to improve the performance of the bumper shell.

Cuprins

Lista de figuri

Figura 2.1 Mercedes-Benz AMG CL550 2009 [10] 14

Figura 2.2 Structura autoportantă a unei caroserii de tip sedan Audi TT [14] 15

Figura 2.3 Caroseria monococă a automobilului Lamborghini Aventador [18] 16

Figura 2.4. Structură caroseriei de tip „Space-Frame” fabricată din aluminiu [11] 17

Figura 2.5 Structura caroseriei „Body on frame” [7] 18

Figura 2.6 Ansamblul lateral al caroseriei BMW M5 [16] 19

Figura 2.7 Aripi de protecție; A) Fabricată din metal; B) Confecționată din material plastic [29] 20

Figura 2.8 Ansamblul conexiune motor-caroserie 22

Figura 2.9 Ansamblu planșeu Toyota Corola 23

Figura 2.10 Traverse verticale a) simplă dreaptă; b) Prevăzută cu arc pentru tunelul transmisiei [13] 23

Figura 2.11 Elementele componente ale unei bare de protecție A) Înveliș flexibil; B) Bara suport; C) Inserție spumă; D) Amortizor [29] 24

Figura 2.12 Vedere explodata a unui ansamblu bară față 1) Ramă; 2) Traversa superioara; 3) Radiator; 4) Închizător capotă; 5) Canal pentru aer; 6) Ventilator; 7) Element de legătură; 8)Traversa verticală; 9) Faruri 10) Bară față; 11) Dispozitiv de absorbție a energiei; 12) Spliter; 13) Structură de rigidizare [29] 25

Figura 2.13 Bară față Porsche Cayenne, bara față este extinsă până la capotă, oferind continuitatea conturului [29] 26

Figura 2.14 Exemple de inserții absorbante de energie A) Inserție rigidă plastică; B) Inserție de spumă; C) Plastic turnat, fixat de bara față prin încălzire locală; D) Matriță din plastic montată în casetă, sudată de bara de protecție [29] 26

Figura 2.15 Schema unui spliter față (B) și sistemul de fixare (A) [29] 27

Figura 2.16 Impactul unui autovehicul cu membrele inferioare ale unui pieton [2] 27

Figura 2.17 Sistem de amortizare a impactului pentru modelele BMW Seria 3 [2] 28

Figura 2.18 Influența profilului grilajului asupra pierderilor presiuni aerodinamice [29] 29

Figura 2.19 Modul în care acționează fluxul de aer asupra automobilului [15] 30

Figura 2.20 Viteza aerului în partea frontală și în spatele autovehiculului [33] 32

Figura 2.22 Presiunea aerului in jurul autovehiculului [33] 33

Figura 2.21 Variația presiuni pe suprafața autoturismului Peugeot 407, determinata prin testare în tunelurile aerodinamic [33] 33

Figura 2.24 Viteza fluxului de aer la diferite viteze [33] 34

Figura 2.23 Viteza fluxului de aer în jurul autovehiculului [33] 34

Figura 2.25 Filamente de fibra de carbon [1] 37

Figura 2.26 Stand pentru simularea reacțiilor ocupanților în cazul unui impact frontal [22] 41

Figura 2.28 Autovehicul complet testat prin metoda elementului finit [20] 42

Figura 2.27 Test Europa-NCAP [17] 42

Figura 3.1 Componentele unei caroserii [12] 44

Figură 3.5. Schema formări prin comprimare [19] 46

Figura 3.2. Matriță de ștanțare a portierelor 47

Figura 3.3. Diferite componente ale autovehiculelor obținute prin ștanțare [21] 48

Figura 3.4 Secțiunea transversala a diferitelor elemente ale caroseriei autovehiculului [9] 49

Figura 4.1 Realizarea schițelor preliminare modului de organizare al autovehiculului [29] 51

Figura 4.2 Etapele ingineriei inverse utilizate de companiile japoneze[36] 52

Figura 4.3 Model CAD preliminar [29] 52

Figura 4.4 Funcțiile principale utilizate pentru proiectarea barei față a automobilului Mercedes-Benz AMG GT 55

Figura 4.5 Desen de ansamblu Mercedes AMG GT 56

Figura 4.6 Cote măsurate 57

Figura 4.7 Cote măsurate 57

Figura 4.8. Realizarea schițelor 2D utilizând punctele introduse, prin intermediul extensiei „Sketcher”, pentru a putea realiza profilul bare. 58

Figura 4.9. Puncte măsurate, introduse în coordonate carteziene 58

Figura 4.10. Realizarea suprafeței barei de protecție prin intermediul schițelor și a liniilor de ghidare prin intermediul funcțiilor „Multi-Secțion Surface”; „Join” și Healing Geometries” 59

Figura 4.11. Profilul complet al barei realizat prin intermediul schițelor 2D 59

Figura 4.12 Realizarea profilului farului pe suprafața barei 60

Figura 4.13 Atribuirea grosimi bare prin utilizarea extensiei „Part Design” 60

Figura 4.14 Oglindirea barei folosind funcția „Symmetry Elements” 61

Figura 4.15 Nervuri pentru rigidizarea structuri barei 61

Figura 4.16 Atribuirea materialului 62

Figura 4.18. Numărul elementelor finite 63

Figura 4.17. Stabilirea direcției și sensului forței care acționează asupra barei și determinarea reazămelor. 63

Figura 4.18 Deformația barei în cazul în care este fabricată dintr-un material plastic 64

Figura 4.19 Analiza barei folosind criteriul Von Mises de rupere 65

Figura 4.20 Deplasare vectorilor de poziție 65

Figura 4.21 Comparația între a)construcția cu nervuri și b)construcția fără nervuri 66

Introducere

Suprastructura autovehiculelor se împarte în două mari categorii și anume structuri autoportante și neportante. Structurile neportante se utilizează în construcția autoutilitarelor și autovehiculelor de teren. Structurii autoportantă reprezintă cea mai bună soluție pentru a obține mase reduse și performanțe ridicate ale suprastructuri autovehiculului. În construcția autovehiculelor pot să apară diferite forme constructive de caroserii. Caroseria monococă este una dintre aceste, în cazul acesteia rolul cadrului (șasiului) este preluat de către elementele caroseriei. fiind folosit în principal la construcția automobilelor sport. Caroseria „Space-Frame” concepută din profile de oțel formate prin extrudare. Caroseriile autoportante reprezintă cea mai bună soluție pentru producția autovehiculelor de serie, elementele caroseriei fiind construite împreună cu șasiul. Elementele și ansamblele principale care compun caroseria autovehiculelor sunt: ansamblul lateral, aripile de protecție, ansamblul pavilion, ansamblul planșeu, ansamblul conexiune motor, barele de protecție.

Aerodinamica autovehiculelor reprezintă un aspect funcțional important, și studiază modul în care fluxul de aer circulă în jurul și pe suprafața autovehiculului. Studiul aerodinamic al autovehiculelor se poate realiza în două moduri: pe cale experimentală prin utilizarea tunelurilor aerodinamice și pe cale numerică prin utilizarea programelor de simulare.

Materialele principale utilizate în construcția de autovehicule la ora actuală sunt: oțelul, aluminiul, magneziu și materialele plastice; fiecare dintre aceste prezintă anumite avantaje și dezavantaje, astfel în construcția de autovehicule se realizează combinații ale acestora pentru obținerea unei structuri cât mai eficient. Fibrele de carbon reprezintă cel mai bun substituent al oțelului și al aluminiului datorită proprietăților fizice pe care le posedă. Având o densitate mică în comparație cu cea a oțelului, acest material conduce la reducerea considerabilă a masei autovehiculului și reducerea înălțimi centrului de greutate și îmbunătățirea performanțelor, fiind folosit în principal la construcția automobilelor sport.

Structura autovehiculelor trebuie să fie astfel concepută încât să asigure protejarea pasagerilor în cazul unui accident prin absorbția unei cantități considerabile de energie prin deformarea caroseriei. Pentru a putea asigura aceste proprietăți, în etapa de proiectare sunt necesare testări ale structuri caroseriei și ale sistemelor de siguranța, aceste realizându-se prin testări experimentale și prin metode numerice.

Principala metoda de fabricare a componentelor autovehiculelor este ștanțarea, prin intermediul acestui mod de formare se pot obține forme geometrice complexe ale caroserie autovehiculului. Ca procedeu principal de formare a materialelor plastice în cazul materialelor plastice îl constituie formare prin comprimare.

STADIUL ACTUAL

CAROSERIA AUTOVEHICULELOR

Suprastructura automobilelor este compusă din cadrul și caroseria. Cadrul autovehiculului servește pentru montarea tuturor componentelor cum ar fi: motorul, transmisia, sistemul de direcție, suspensia etc. Caroseria este amenajată în așa fel încât să permită transportul persoanelor și al bunurilor precum și pentru montarea diferitelor utilaje sau instalații pentru efectuarea unor servici. Structura cadrului și a caroseriei autovehiculelor s-a îmbunătățit de-a lungul anilor după cum urmează: structuri neportante, semiportant, și autoportante.[29]

Structurii neportante

În acest caz cadrul autovehiculului furniza toate punctele de montare al componentelor, caroseria constituind un element distinct, fiind montată pe cadru. Construcția cadrului în acest caz era realizată din două grinzi laterale realizate din otel cu secțiunea transversală sub formă de „C” montate sub formă trapezoidală. În partea frontală a autovehiculului, distanța dintre grinzi este mai mică pentru a permite mișcarea roților directoare, iar în partea posterioară distanța dintre acestea fiind mărită pentru a asigura spațiul necesar transmisiei autovehiculului. Grinzile sunt conectate între ele prin grinzi, construind o structura asemănătoare unei scări, în zona de montare a cutiei de viteze și motorului grinzile sunt curbate pentru a reduce garda la sol și a înălțimi autovehiculului. Grinzile transversale sunt situate de obicei în zona de acțiune a sarcinilor concentrate, cum ar fi: capătul arcurilor suspensiei și suporturile motorului. Îmbinarea acestora se realiza prin presare la cal, nituire, sau șuruburi, iar ulterior prin sudare. Structurile neportante se mai utilizează la vehiculele industriale moderne.[29]

Structurii autoportante

Integrarea structurala a caroseriei și a cadrului autovehiculului este considerată o modalitate de a obține performanțe mai bune și reducerea masei autovehiculului. Structurile autoportante oferă rigiditate mai mare, în raport cu masa, fața de structurile neportante. În plus panourile care acoperă structura, dacă sunt dimensionate adecvat, pot îmbunătății rigiditatea ansamblului, prin limitarea deplasărilor unghiulare dintre grinzile longitudinale și din stâlpi laterali (A, B, C). Caroseria se compune dintr-un număr de panouri cum ar fi: capota, pavilionul bara față, etc. care formează un cadru spațial reticular. Elementele inferioare ale structurii sunt mai mari decât grinzile laterale convenționale și măresc rigiditatea la torsiune a întregului ansamblu. De asemenea, aceste structuri autoportante au dus la reducerea înălțimi autovehiculelor îmbunătățind comportamentul dinamic al autovehiculului.[29]

Obiectivele urmărite în dezvoltarea suprastructuri automobilelor sunt:

Estetice: să ofere un aspect satisfăcător, calitatea suprafeței și detalii consistente;

Structură funcțională, adică să susțină masă pasagerilor și bagajelor precum și a componentelor motorului, ale transmisiei, ale sistemelor de control și a altor sisteme funcționale ale autovehiculului, astfel încât să reziste solicitărilor mecanice;

Ergonomice să asigure un acces ușor și un spațiu adecvat conducătorului și pasagerilor;

Siguranța pentru a asigura integritatea compartimentului pasagerilor, în cazul unui accident absorbind energia impactului precum și de a reduce leziunile pietonilor în cazul unei coliziuni;

Structura aerodinamica pentru a reduce rezistența aerului, pentru a controla efectele fluxului de aer asupra roților și de a îmbunătăți stabilitatea autovehiculului;

Vizibilitatea să fie mare atât pe timp de noapte cât și ziua.[29]

Suprastructura autovehiculelor trebuie să satisfacă și anumite cerințe preliminare să asigure o fiabilitate mare, și un cost redus de producție și al materialelor utilizate.[29]

Aceste cerințe sunt îndeplinite, după asamblarea, prin contribuția tuturor componentelor caroseriei și a cadrului automobilului. Pentru a putea îndeplini anumite cerințe există diferite variante constructive.[29]

Variante constructive pentru caroseria autovehciulelor

Caroseria monococă în această formă rolul elementelor de susținere a autovehiculului (grinzi și stâlpii A, B, C) este preluat de caroseria exterioara care formează întreaga structura a autovehiculului și care susține autovehiculul, preluând reacțiunile cauzate de suprafața de rulare.[3]

Acesta structură nu este foarte răspândită pentru autovehiculele de serie, fiind folosită în special în industria moto-sport sau pentru autovehicule de serie mică (de exemplu: Lamborghini Aventador). În construcția autovehiculelor de Formula 1 structura monococă este confecționată din materiale compozite de tip „sandwich” din fibra de carbon, a cărei structura poate asigura o rezistență la torsiune mai mare de 30000 [N·m/deg].[5]

Caroserie de tip „Space Frame” se constituie în principal din profile extrudate sau turnate de aluminiu, care se asamblează prin sudură cu laser sau alte tehnologi similare. Structura care rezultă în urma asamblări nu poate asigura o rezistență la forfecare ridicată. După asamblarea panourilor exterioare (planșeul, pavilion, etc) această caroserie devine una de tip „caroserie integrată”, observându-se o creștere a rezistenței la torsiune și a rigidități structuri care depinde în principal de rigiditatea asamblări.[29]

Caroseriile „Space Frame” sunt folosite pentru producții de serie scurtă. În acest tip de structură toate panourile caroseriei for vi triunghiulare pentru ca grinzile cadrului, și stâlpi laterali să fie supuse torsiuni și compresiuni. În unele îmbinări sudate vor apărea reacțiuni la încovoiere și torsiune, determinând o structură mult mai puțin rigida.[9]

Caroserie autoportantă construită împreuna cu cadrul (șasiul) cele două nu pot fi separate. În acest caz suspensia și alte componente sunt montate direct pe scheletul caroseriei. Această soluție oferă avantajul unei mase reduse, iar dezavantajul principal este determinat modul de montare a suspensiei și a altor componente fiind montate direct pe structura automobilului. [29]

Majoritatea autovehiculelor din ziua de azi folosesc această variantă constructiva, fiind potrivită pentru producția de serie. Adesea se face referire la acest tip de caroserie ca fiind o monococă, dar această caroserie este o îmbinare a caroseriei de tip monococă și a celei de tip „Space frame”, deși se aseamănă mai mult cu cea monococă.[3] Caz în care panourile care formează suprafața autovehiculului (panourile exterioare, pavilionul, etc), și componentele de susținere sunt confecționate din tablă de oțel ștanțat, fiind fixate în general prin sudare, sau prin alte metode pentru anumite zone particulare. Stâlpi de susținere (ex. A, B, etc) pot fi independenți sau pot se pot fixa prin sudare de panourile mai mari cum ar fi planșeul.[5]

Programul ULSAB (Ultralight Steel Auto Body) este varianta modernă pentru construcția caroseriilor autoportante, care folosește tehnologi moderne de fabricare cum ar fi hidroformarea, prin care se creează secțiuni transversale complexe prin trecerea materialului prin matrițe, sudarea cu laser și folosirea tablelor de oțel de tip „sandwich”. Prin utilizarea acestor metode de fabricare a suprastructuri autovehiculelor, se constată o creștere a rigidității și o reducere considerabila a masei, precum și o îmbunătățirii capacității de a suporta o coliziune în comparație cu variantele constructive clasice.[5],[6]

„Body on farme”, în această situație caroseria este montată pe cadrul automobilului prin intermediul unor șuruburi cu sau fără bucșe de cauciuc. Această soluție oferă avantajul posibilități adoptări diferitelor forme ale caroseriei pentru același cadru fiind folosită în principala la autovehiculele de teren sau vehicule pentru transportul de bunuri. Dezavantajul principal al acestei soluții fiind creșterea masei a autovehiculului.[29]

Elemente componente ale caroseriilor

O structură autoportantă se constituie din cadrul autovehiculului și elementele mobile adică totalitatea componentelor care compun suprafața exterioara exceptând componentele interioare. Elementele mobile ale ansamblului sunt reprezentate macro-componente cum ar fi capota, portierele, portbagaj, iar împreuna cu elementele de legătură care permit mișcarea, acestora fac parte din caroserie. Aripile față fac parte tot din acest ansamblu numai că sunt atașate ulterior, planșeul este sudat în timpul asamblări de stâlpi laterali. [29]

Compartimentul pasagerilor este de obicei un compartiment închis care se compune din cadrul autovehiculului și caroseria de obicei fiind: planșeul, portierele, podeaua, panoul de bord și peretele care desparte compartimentul pasagerilor de compartimentul de bagaje. [29]

Ansamblul lateral

Ansamblul lateral al caroseriei se compune în principal dintr-un panou exterior, un panou interior, care nu este vizibil fiind definită în principal printr-o analiză structurală și concepută pentru a suporta solicitările statice și dinamice la care se mai adaugă eventual elemente intermediare pentru a îmbunătății rigiditatea structuri. Aripa spate poate fii un element complementar al acestui ansamblu, cu o funcție în principal estetică, care este prevăzută cu zona de montaj a farurilor din spate și racordul pentru alimentare cu combustibil.[29]

Panoul exterior al ansamblului lateral în unele cazuri include și aripa spate care poate fi executată prin stanțare sau divizată în mai multe elemente fiind asamblate și de asemenea pot fi utilizate și elemente suplimentare. [29]

La conceperea ansamblului lateral trebuie să se țină cont de aspectele funcționale ale acesteia:

Precizia dimensională în zona ușilor;

Să asigure rigiditatea necesară în zona punctelor de legătură și a stâlpilor (A, B, C);

Să asigure rezistență la oboseală;

Să asigure rezistență în cazul unui impact;

Să fie etanș.[29]

Aripile de protecție ale ansamblului caroseriei

Rolul principal al acestor elemente este estetic și joacă un rol important în forma aerodinamică a autovehiculului, totuși la început acestea au fost introduse pentru a proteja compartimentul pasagerilor. În comparație cu cadrul autovehiculului, contribuția acestor elemente la structura funcțională este nesemnificativă, dar există și cazuri particulare unde aceste elemente sunt asamblate prin sudură de cadrul autovehiculului pentru a crește rezistența la torsiune. În general aceste aripile față ale unui autovehicul sunt demontabile, iar cele din spate asamblate prin sudură de ansamblul lateral al autovehiculului. Dacă aceste sunt executate separat, și asamblate ulterior aceste se pot fabrica din materiale diferite. De asemenea acestea sunt expuse impactelor, fiind demontabile permit reducerea costului de reparare al autovehiculului. [29]

Aripile de protecție se execută în principal din elemente mult mai flexibile decât oțelul, cum ar fi aluminiu sau plastic. În plus fabricarea lor din plastic oferă anumite avantaje în comparație cu cele din oțel: reducerea masei, flexibilitate mare (în cazul unei coliziuni cu un pieton), reducerea costului de fabricare, etc.[29]

Principala problema întâlnită în cazul acestui element component al caroserie este cauzat pietrele și noroiul care este aruncat pe acestea provocând degradarea și produc zgomote puternice care pot fi percepute și în compartimentul pasagerilor. Proprietățile pe care trebuie să le posede aripile de protecție fabricate din materiale metalice sunt: rezistență la corosiune și încovoiere, să asigure o anumită flexibilitate în cazul coliziunilor cu pietoni; iar în cazul celor din materiale plastice trebuie verificat cum afectează mediul degradarea materialul.[29]

Ansamblul pavilion

Ansamblul pavilion asigură legătura dintre ansamblele laterale și asigură protejarea compartimentului pasagerilor. În situația în care autovehiculul se răstoarnă integritatea compartimentului este asigurata de către cadrul autovehiculului, pavilionul nu permite pasagerilor să fie aruncați în cazul răsturnări. Ca și materiale pentru pavilion se pot utiliza: oțel, aluminiu, plastic termorezistent, sticlă. În orice caz, pavilionul necesită elemente suplimentare pentru a împiedica îndoirea lui. Pentru evitarea acestui fenomen sau introdus profile sub forma de U din oțel care sunt sudate, asamblate prin nituire sau prin șuruburi de ansamblul lateral și lipite de planșeu prin intermediul unor adezivi speciali, asigurând în principal un efect de amortizare. Aceste profile se confecționate din tabla de oțel cu grosime de cel puțin 1 [mm], sau din plăci de otel cu grosimea de 0,7 [mm] în zona centrala și 1,4 [mm] pe margini; în ambele cazuri sunt prevăzute cu nervuri pentru a evita flambarea locală. În principal asamblarea pavilionului se realizează prin sudare in punct sau sudură cu laser. Cea mai folosită fiind în prezent este sudura cu laser.[29]

Ansamblul pavilion se verifică prin diferite teste statice, dinamice și de coliziune. Scopul testelor statice este de a verifica dacă ansamblul nu prezintă o deformare permanentă datorită unei sarcini distribuite uniform, cum ar fi zăpada: presiunea maximă distribuită trebuie sa fie cuprinsă în intervalul 10÷15[daN/dm2].[29]

Conexiunea motor-caroserie

Se compune din ansamblul lonjeroanelor Y și peretele de foc. Pentru majoritatea autovehiculelor acest ansamblu reprezintă suportul pentru grupul moto-propulsor și pentru elementele auxiliare ale acestuia. În plus suportul suspensiei poate fi montată pe acest ansamblu împreuna cu sistemul de direcție o parte din sistemul de aer condiționat și suportul pentru faruri. Totodată trebuie să asigure, în cazul unui accident frontal, absorbția energiei impactului.[29]

Pentru a se putea evalua performanțele structuri în cazul unei coliziuni, pe lângă simulările efectuate prin intermediul unor programe se utilizează și

Prin intermediul simulărilor asistate de calculator și a testelor experimentale este posibilă pe lângă analizarea elementelor structuri și energia absorbită de către fiecare element în parte, în cazul unei coliziuni.[29]

În vederea îmbunătățiri capacități de a absorbi energia în cazul unei coliziuni de către elementele parți frontale a autovehiculului, se pot aplica anumite criterii constructiv: mărirea secțiuni și grosimi elementelor spre compartimentul pasagerilor; evitarea îmbinărilor în raport cu axa longitudinală, deoarece aceste zone ar ceda brusc, pierzând contribuția lor pentru absorbția energiei impactului.

Acest ansamblu trebuie să satisfacă anumite cerințe:

Să asigure o sarcină progresivă la strivire în cazul unui impact frontal, fiind capabil sa genereze o accelerație medie a structuri autovehiculului cuprinsa între 10÷30 [G];

În cazul încărcări verticale maxime a amortizoarelor de șoc să asigure rezistența necesară;

Să asigure preluarea sarcinilor transversale provenite de la roți;

Să asigure rezistența la torsiune și încovoiere în concordanța cu cerințele întregi structuri.

Ansamblul planșeu

Este format din traverse verticale și longitudinale care susțin tabla de metal ștanțată, care se extinde începând de la panoul bord până la compartimentul de bagaje. Ansamblul planșeu utilizează în construcția sa tablă de oțel aliată cu zinc, dar la unele autovehicule se utilizează tablă de aluminiu. În urma unor studii s-au realizat prototipuri care utilizează table „sandwich”, format din două placi de plastic și un miez de rigidizare cu celule închise. În teorie acestea asigură fezabilitate, când sunt rigidizate de traverse de oțel pentru a satisface cerințele impuse.[29]

În cazul în care autovehiculul este organizat după soluția clasică, ansamblul planșeu este prevăzut cu tunelul transmisiei, în acest caz dacă planșeul nu poate fi executat dintr-un singur element, acesta se divizează în trei componente tunelul transmisiei și două părți laterale, ulterior se asamblează prin sudură în puncte.[29]

Traversele verticale de rigidizare sunt în general drepte cu excepția, când ansamblul planșeu prezinta tunelul pentru transmisia longitudinală, acestea sunt arcuite și sunt montate sub placă planșeu. Dacă traversele verticale de rigidizare sunt montate sub placa planșeu, pot prelua sarcini mai mari, deoarece sarcinile sunt distribuite pe toată suprafața de contact dintre placa planșeu si acestea, în loc sa fie concentrate doar în punctele de sudură. Pe de altă parte se preferă amplasarea acestor în interior pentru a evita coroziunea, deoarece punctele de legătură nu sunt expuse prafului, la sare, apă. De asemenea dacă placa planșeu nu este aliată cu zinc apare riscul coroziuni.[29]

Bara de protecție față

Înainte de ani 1970 barele de protecție erau confecționate din tabla de oțel inoxidabil, fiind cromate sau laminate, funcția principală a acestora a fost de îmbunătățire a aspectului autovehiculului și protejarea cadrului împotriva impactelor de magnitudini mici.[29]

În prezent majoritatea autovehiculelor au bare de protecție confecționate din plastic, vopsite în aceeași culoare cu cea a autovehiculului.[29]

În figura 2.11 este prezentată schematic construcția unei bare de protecție față. Această variantă constructivă se bazează pe un înveliș flexibil cu o grosime cuprinsă în general între 3÷4 [mm] care se deformează necesitând traverse de susținere confecționate din aluminiu sau oțel și fiind prinsă în mai multe puncte, în vederea posibilități absorbției energiei unui impact mic. În stadiul de contracție după turnare, materialul termoplastic și procesul de turnare provocau variații dimensionale mari, în consecința determină probleme la asamblare cu părțile adiacente, cum ar fi capota, aripile de protecție. Datorită acestui dezavantaj, asamblarea se realizează cu un joc semnificativ sau cu articulații în trepte. Secțiunea barei față pe axa longitudinală iese de obicei cu 50-100 [mm], acest lucru fiind necesar în primul rând pentru a evita contactul cu componentele cum ar fii radiatorul, farurile, piesele mobile. La unele modele, între bara de protecție și traversa de susținere se pot introduce inserții de spumă specială, cum se poate observa și în de mai sus.[29]

Datorită îmbunătății tehnologiilor de turnare și a materialelor la autovehiculele moderne suprafața barei a fost extinsă în înălțime astfel încât, părțile caroseriei au fost acoperite fără discontinuități estetice.[29]

La modelele actuale de autovehicule funcția tradițională a barei de protecție nu se realizează doar prin intermediul perimetrului acesteia ci prin intermediul unor dispozitive de susținere, absorbție, și transfer de sarcină având o poziție bine determinată.[29]

În urma proceselor de dezvoltare a barei de protecție concepția acestora este determinată de aparența estetică și funcția de protecție în cazul unui impact este preluată de dispozitive speciale montate în spatele acesteia.[29]

Principalele funcții ale acestui component sunt:

estetice;

să asigure absorbția energiei și să asigure un transfer controlat către cadrul autovehiculului, în cazul unei coliziuni la viteze de 15 [km/h];

aerodinamice;

să asigure protejarea pietonilor în cazul unui impact cu aceștia;

să asigure montarea vinciurilor sau a cârligelor de remorcare în cazul autovehiculelor de teren.[29]

În prezent majoritatea autovehiculelor au bare de protecție confecționate din plastic, vopsite în aceeași culoare cu cea a autovehiculului.[29]

Forma barei, golurile pentru elementele adiacente (faruri, grila radiatorului, capota), culoare și rugozitatea sunt proprietăți relevante pentru estetica autovehiculului, și prin urmare, sunt specificate și modelate de către centrul de concepție. Chiar și amestecul de plastic folosit pentru formarea barei trebuie să prezinte o culoare care să nu fie diferită de culoarea vopsită ulterior pe aceasta.[29]

Bara fața joacă un rol principal în aerodinamica autovehiculului, fiind componentă care definește forma aerodinamică, influențând în mod direct rezistența la rulare, și asigură ghidarea fluxului de aer către compartimentul motor.[29]

Bara față are de obicei în componență un spliter (sau un baraj), care se extinde până la șasiu, cu scopul de a accelera fluxul de aer de sub autovehicul. În acest fel, se generează o variație negativa a presiuni, împiedicând astfel desprinderea autovehiculului de pe calea de rulare și ,în același timp, aerul aspirat în compartimentul motor este facilitat. În plus, bara față împreuna cu acest spliter determină eficiența admisiei de aer a radiatorului. Conform aerodinamici autovehiculelor moderne, admisia de aer, în general, este poziționată în partea inferioară a barei, deoarece în această zonă se dezvoltă cea mai mare presiune aerodinamică, pe când deasupra barei și sub spliter se pot dezvolta și presiuni negative.[29]

Poziționarea și dimensiunea zonei admisiei de aer trebuie cercetată în detaliu în etapă de proiectare, dacă această zona nu este concepută corespunzător, motorul și sistemul de aer condiționat ar necesita radiatoare mai mari, care nu are fi compatibile cu acestea și spațiul necesar din compartimentul motor pentru amplasarea acestora ar fi insuficient. Ca atare este necesară o analiza experimentală și virtuală a admisiei cât și pentru evacuarea aerului.[29]

În vederea asigurarea protecției pietonilor, în cazul unui accident, principalele obiective care trebuie să satisfacă cerințele impuse sunt protejarea membrelor inferioare în cazul unei coliziuni. Asigurarea protecției pietonilor devine un aspect complex datorită reglementărilor care devin din ce în ce mai complexe. În principal, sunt două posibilități de protecție a pietonilor în cazul unui accident. Abordarea cinematica presupune integrarea senzorilor de impact în partea superioara a barei care să permită declanșarea airbag-urilor sau a altor elemente structurale deformabile, chiar înaintea coliziuni cu pietonul. Abordarea statică urmărește să asigure amortizarea și susținerea adecvată a membrelor inferioare folosind amortizorul de energie al barei și componente adiționale, elementul de rigidizare al barei.[2]

În general, conceperea barelor față pentru protejarea pietonilor includ un element de rigidizare. Idea din spatele utilizări unei variante de încărcare superioare și inferioare este de a reduce intruziunile prin absorbția energiei impactului prin utilizarea mai multor tipuri de amortizoare și pentru a putea gestiona prin partea inferioară a barei impactul cu membrele inferioare ale pietonului. În vederea proiectări elementelor de rigidizare ale barei în zona inferioară, aceste trebuie să îndeplinească anumite cerințe: masă redusă, aspect estetic și să asigure o durabilitate ridicată. Locația acestui element determină, în general, modificarea aspectului frontal al autovehiculului. Posibilitatea asigurări unei mase reduse prin utilizarea aluminiului facilitează integrarea componentelor adiționale.[2]

Grilajul

Scopul funcțional principal pentru grilajul radiatorului este de a controla debitul de aer print-o conductă de admisie adecvată, între grilajul radiatorului și radiator (de obicei, condensatorul de aer condiționat este cuplat cu radiatorul de răcire al motorului) Atunci când etanșarea canalului de admisie lipsește sau este slabă, datorita scăpărilor de aer, aerul poate scapă din găurile în care pierderea de presiune este mai mică decât prin radiator și este posibilă recircularea aerului în jurul radiatoarelor, cauzând o creștere a temperaturi aerului în loc să fie răcit.[29]

În prezent, admisia aerului în compartimentul pasagerilor are dimensiuni adecvate, asigurând conducerea fluxului de aer prin schimbătorul de căldură ale sistemului de aer condiționat. În schimb, inițial au fost orificii simple între compartimentul pasagerilor și mediul ambiant, de obicei mici, manuale și capabile să capteze doar stratul de aer adiacent suprafeței caroseriei.[29]

Au fost introduse galerii de evacuare a aerului pentru a furniza flux de aer proaspăt în compartimentul pasagerilor, pentru a elimina umiditatea care poate provoca aburirea geamurilor. Inițial, poziția acestora era în aripa din spate.[29]

Din punct de vedere al conceperi acestor componente principalele obiective urmărite sunt estetice și de performate adică: eficiența curgeri; rezistența la coliziuni mici, rezistența chimică.[29]

Într-o analiza aerodinamică, cele mai eficiente zone pentru admisia respectiv evacuarea aerului sunt selectate. În următoarea etapă a verificării în tunelurile aerodinamice a întregului autovehicul, prototipul grilajului este montat la intrarea în conducte a aerului cu dimensiuni alese astfel încât sa asigure aceleași pierderi de presiuni: în compartimentul motor, și în compartimentul pasagerilor.[29]

În etapa de proiectare a componentelor un model matematic al grilajului este analizat în termeni de performată structurală și aerodinamică, prototipurile sunt mai apoi verificate în timpul testelor în tunelurile aerodinamice și pe drumurile publice. În majoritatea cazurilor, testele pe drumurile publice sugerează unele modificări pentru admisia aerului în intercooler și radiator, modificând ulterior grilajul și canalul radiatorului.[29]

În general grilajul este confecționat prin turnare prin injecție, iar alegerea materialului adecvat se face după anumiți parametri: rezistența termică ridicată, deoarece acesta este poziționat în vecinătatea radiatorului unde temperaturile pot atinge 90[°C]; finisarea suprafețelor prin depunere chimică.[29]

Pentru grilajul radiatorului cei mai importați parametrii în procesul de concepție sunt: unghiul incident al lamelelor, forma lamelelor (profil distanța dintre cleme, grosime, lungime), designul razei și cadrului, influențată de solicitările dinamice (presiunea aerodinamică, vibrațiile și coliziunile de magnitudini mici) precum și de fluxul de aer. Împreună cu rezistența structurala a grilajelor este foarte importat să se asigure pierderi de energie ale aerului admis cat mai mici.[29]

Aerodinamica autovehiculelor

Aerodinamica[15] autovehiculelor constituie un aspect complex datorită interacțiuni dintre fluxul de aer și calea de rulare și din cauza formelor geometrice complexe ale caroseriei. Aerodinamica în domeniul autovehiculelor este importantă deoarece are efecte atât asupra stabilități autovehiculului cât și asupra consumului de combustibil, prin reducerea rezistenței aerodinamice se poate îmbunătății consumul de combustibil precum și stabilitatea autovehiculului.[24]

Reducerea rezistenței aerodinamice a autovehiculului nu este singurul considerent aerodinamic. Fluxul de aer afectează forța de ridicare aerodinamică și poziția centrului de presiune, ambele pot avea un efect asupra maniabilități și stabilități autovehiculului.[24]

În timpul deplasări autovehiculului, rezistența drumului poate să apară sub forma: rezistenței la rulare, rezistența aerodinamică, unghiul de înclinare a drumului, și forța de accelerație. În timpul deplasări autovehiculului în mediul urban, rezistența aerodinamică nu influențează autovehiculul aceasta devenind mult mai importantă la deplasări în mediul extraurban, unde vitezele de deplasare devin mult mai mari (80[km/h] sau mai mari). Așadar în timpul proiectări autovehiculului, reducerea rezistenței aerului devine un aspect important.

Parametri care influențează direct rezistența aerului sunt: aria frontală a autovehiculului (A), viteza de deplasare (v) și coeficientul de rezistență aerodinamică (cx).[31] O altă componentă a rezistenței aerului ar fi zona de presiune mare care este în strânsă relație cu forma autovehiculului. În timpul deplasări autovehiculului, fluxul de aer din jurul acestuia determina o creștere a presiuni aerului care variază dea lungul autovehiculului.[9] Dacă se consideră un singur element atunci forță de rezistență a aerului depinde de totalitatea forțelor care acționează dea lungul axei longitudinale care sunt: mărimea presiuni, unghiul de înclinare a elementului și suprafața pe care acționează. Pe măsură ce fluxul de aer trece pe suprafața autovehiculul acesta generează forțe de frecare, fiind o altă componentă a forței de rezistență a aerului.[9]

Considerând direcțiile actuale de a obține viteze de deplasare mari, reducerea ariei frontale a autovehiculelor și a coeficientului de rezistență aerodinamic (cx), reprezintă principalele obiective pentru a reduce rezistența aerodinamică a autovehiculelor. Coeficientul de rezistență aerodinamica are influențe semnificative asupra rezistenței aerodinamice fiind principalul parametru urmărit.[31]

Determinarea coeficientului de rezistență aerodinamică necesită testarea experimentală în tunelurile aerodinamice, fiind un proces complex care presupune utilizarea unor echipamente costisitoare. Studiul aerodinamic poate fi realizat și prin utilizarea unui model, la o scară anume, în acest fel se pot obține rezultate precise utilizând echipamente mai puțin complex și utilizarea datelor obținute în diferite programe numerice de simulare care furnizează informații despre fluxul de aer din jurul autovehiculului.[31]

Conform studiului realizat de [31] despre aerodinamica unui model la scară 1:18 a autoturismului Peugeot 407 Coupé, s-a constatat, în urma testărilor experimentale în tunelurile aerodinamice, s-a analizat variația presiuni statice pentru diferite viteze de curgere ale fluxului de aer, precum și viteza aerului în partea frontală și posterioară a autovehiculului.[31]

Se constată că viteza fluxului de aer, înaintea contactului cu suprafața autoturismului, este constantă. Totuși valorile vitezei fluxului de aer măsurate în partea posterioară a autoturismului, unde se observă variații și posibile turbulențe ale fluxului de aer.[31]

Se poate observa că o dată cu creșterea vitezei de fluxului de aer determină o creștere a presiuni în partea frontală a autoturismului, sub capotă și pe parbriz, iar pe măsură ce fluxul de aer ajunge în parte posterioară a autoturismului, presiune aerului scade.

Simulările prin metode numerice utilizând diverse programe sunt extrem de folositoare pentru obținerea unor date inițiale în faza de proiectare. În așa fel, realizând simulările asistate de calculator, proiectarea modelului autovehiculului după care se vor efectua testele experimentale și compararea datelor cu cele rezultate din simulările asistate de calculator în vederea obțineri unei soluții optime.[31]

În studiul [31] s-a realizat o simulare numerică a modului în care viteza și presiunea aerului variază pe suprafața autovehiculului, la viteze ale fluxului de aer de: 21,8; 25,5; 28,8 și 32,5 [m/s].[31]

De asemenea la proiectarea formei aerodinamice a caroseriei ar trebui să se ia în considerare modul în care fluxul de aer acționează asupra depunerilor de murdărie și a apei pe parbriz și pe faruri. Fluxul de aer pentru răcirea motorului este deosebit de important, iar fluxul de aer pentru habitaclu, pentru răcirea transmisiei și răcirea sistemului de frânare sunt mai puțin semnificative.[33]

În urmă numeroaselor cercetări s-a constatat că sistemul de răcire al autovehiculului este responsabil pentru creșterea rezistenței la înaintare cu 10÷15% din totalul rezistenței la înaintare al autovehiculului, realizându-se optimizări ale modului în care fluxul de aer curge în aceasta zonă. Numărul mare de sisteme auxiliare determină limitarea fluxului de aer care intră in compartimentul motor. De asemenea modul în care interacționează fluxul de aer de sub mașină și fluxul de aer pentru răcirea motorului la ieșire pot provoca turbulențe ale fluxului de aer. În general răcirea motorului este favorizată, neglijând aerodinamica acestui segment.[33]

Înlăturarea acestui inconvenient este posibil dacă fluxul de aer poate fi controlat prin utilizarea conductelor pentru ghidarea aerului în radiator și la ieșirea din acesta. [33]

Forma aerodinamică a caroseriilor este deosebit de importantă pentru învingerea forțelor de rezistență la înaintare, mai ales la viteze ridicate. Forțele de rezistență la care este supus un autovehicul aflat în mișcare depind de forma acestuia, aria suprafeței frontale și de mediul prin care se deplasează.[24]

Materiale utilizate la fabricarea autovehiculelor

Materialele utilizate in construcția structuri autovehiculelor oțeluri și aliajele de aluminiu, care au o masa relativ mică. Tendințele actuale se concentrează și asupra dezvoltări materialelor compozite și a polimerilor în construcția de automobile.[35]

Avantajele principale ale oțelurilor, în comparație cu alte materiale utilizate în construcția de autovehicule sunt: cost redus și module de elasticitate mari; oferă o gamă largă a rezistenței și a ductilități, care pot fi obținute prin diverse metode cum ar fi: aliere sau tratamente termice; prelucrarea ușoară, pentru oțelurile cu un conținut scăzut de carbon. [28]

Utilizarea otelului în industria auto s-a schimbat enorm în ultimi 25 de ani, datorită introduceri materialelor mai ușoare în construcția acestora cum ar fi aluminiul și materialele plastice. Noile procese de fabricare ale oțelurilor au făcut posibilă producerea acestora mai eficient din punct de vedere al costului și a conținutului de impurități. Combinațiile dintre tehnicile noi de aliere și diferitele tratamente termice, cum ar fi călirea continuă, sunt acum utilizate pentru a produce un spectru mai larg de rezistențe și ductilități precum și proprietăți superioare ale suprafeței. Rezistența la coroziune este obținută prin noi tipuri de aliaje de zinc (de exemplu Zn-Fe și Zn-Ni), precum și metodele noi de aplicare a acestora pe suprafața. Printr-un proces relativ nou numit galvanneal (procesul de galvanizare a oțelului urmat de călire), se pot obține rezistențe la coroziune superioare ale oțelului laminat.[28]

Dificultățile fabricări otelurilor de înaltă rezistență au fost reduse considerabil prin diferite metode de procesare. În prezent există o gama largă de oțeluri de înaltă rezistență cu rezistența la curgere cuprinsă între 210-1250 [MPa]. [28]

Utilizarea oțelului în construcția caroseriilor autovehiculelor oferă mai multe avantaje. În primul rând modulul de elasticitate al oțelului ( 207 [GPa]) fiind, comparativ cu celelalte materiale utilizate în construcția autovehiculelor, cel mai mare. Existența a mai multor clase de oțel reprezintă la rândul lui de asemenea un avantaj, deoarece permite alegerea oțelului în funcție de utilizarea acestuia. Disponibilitatea claselor de oțel AHSS și UHSS, permit reducerea grosimi componentelor și îmbunătățesc capacitățile autovehiculelor de a suporta un impact.[28]

Îmbunătățiri au fost aduse și la componentele din oțel grupului motopropulsor, sistemul de suspensie și direcție prin forjare. Un astfel de proces este micro-alierea cu un conținut de 0,3÷0,6[%] de carbon, acestea conțin un procent mic de vanadiu (0,05÷0,15[%]) care formează carbură de vanadiu și nitrura. [28]

Aluminiumul are un rol important în industria autovehiculelor. Comparativ cu alte metale, aliajele de aluminiu asigură o masă redusă a componentelor, rigiditate sporită, bune capacități de prelucrare, având capacități de absorbție a energie bune. Aluminiumul poate fi prelucrat cu ușurință chiar și pentru piesele cu o geometrie complicată. Metodele de asamblare a componentelor pe bază de aluminiu sunt: diferite tehnici de sudură, asamblarea prin adezivi speciali, metode mecanice de îmbinare sau combinări ale acestora. Finisarea și acoperirea suprafețelor de aluminiu nu prezintă dificultăți, acesta prezintă de asemenea și o rezistență la coroziune mare. [27]

Aluminiumul turnat precum și aliajele de aluminiu sunt utilizate în construcția de automobile. Principalul element de aliere al aliajelor de aluminiu este siliconul. Componentele din aliaje de aluminiu pot fi prelucrate printr-o varietate de metode de la matrițare in nisip, turnare sub presiune, matrițe permanente. De asemenea pot fi tratate termic, pentru a le îmbunătăți proprietățile.[28]

Densitatea aluminiumului reprezintă o treime din cea a oțelului, iar aliajele de aluminiu oferă rigiditate și rezistența la torsiune necesară componentelor autovehiculului. Totuși materiile prime necesare obținere aluminiumului sunt mai costisitoare decât ale oțelului, fiind principala cauză pentru care acest material a fost folosit pentru mult timp doar pentru autovehiculele de serie mică. Prin utilizarea aluminiumului ca și material pentru cadrul și caroseria autovehiculelor se poate obține o reducere a masei cu până la 50%, și cu până la 30 – 40% din întreaga masa a autovehiculului.[35]

Procesul de fabricare a tablei caroseriei autovehiculelor pe baza de aluminiu prezintă doar unele modificări în comparație cu cel al caroseriilor din tabla de oțel. Schimbările care apar în procesul de asamblare unde, sudura în puncte aplicată componentelor din oțel se înlocuiește cu asamblarea prin nituire și utilizarea unor adezivi speciali, sudura cu laser, etc.[27]

Utilizarea aluminiului pentru întreaga structură a autovehiculului nu este necesară pentru a obține o structură mai ușoară. Introducerea subansamblelor de aluminiu în structura caroseriilor asigură reducerea masei și un cost redus, ulterior fiind asamblate cu cadrul de oțel convențional.[27]

Un alt material care ar putea înlocui oțelul în construcția caroseriilor autovehiculelor este magneziul. O caroserie care utilizează ca și material magneziul, având aceeași rigiditate precum a oțelului sau a aluminiului, poate fi cu 20 – 60% mai ușoare decât cele din aluminiu sau oțel. Pe lângă reducere masei structuri caroseriei, capacitatea de a suporta o coliziune a acestuia rămâne asemănătoare cu ce a structurilor din oțel.[25]

Modulul elastic al aliajelor de magneziu este 45 [GPa] care este semnificativ mai mic decât cel al oțelului și al aluminiului, totuși din cauza densități mici li raportul dintre modulul elastic și densitate al acestor este aproximativ același cu cel al aliajelor de aluminiu. Principalul dezavantaj al aliajelor de magneziu este rezistența mică la coroziune.[25]

Fibrele de carbon sunt definite ca fibre cu un conținut de 90[%] sau chiar și mai mult. Sunt obținute prin conversie termică din fibre organice având un conținut redus de carbon precum poliacrilonitril (PAN), care are în componență un număr foarte mare de filamente cu un diametru cuprins între 5 și 10 [μm]. Principalele avantaje al acestor fibre, în comparație cu alte fibre, sunt rezistența la tracțiune, rigiditatea, densitate mică și rezistență chimică ridicată. Prin combinarea tuturor avantajelor cu un material adecvat se pot obține piese cu caracteristici mecanice ideale.[1]

Majoritatea fibrelor de carbon disponibile în comerț sunt produse prin oxidarea și carbonizarea precursorului poliacrilonitrilului sub forma unui mănunchi de fire. Fiecare mănunchi conține un număr foarte mare de filamente cu un diametru de câțiva [μm]. Filamentele sunt menținute împreună, pentru a proteja mănunchiul în timpul procesări și pentru a permite o legătură mai bună între acestea și rășina, sunt acoperite cu calibre organice.[1]

Fibrele de carbon sunt produse într-un mod cvasi-continuu prin conversia termica a precursorilor fibrelor polimerice care conțin carbon, precum poliacrilonitrilul sau petrolul. Conversia termica este un proces energetic relativ intens. Procesul de conversie termica se poate diviza în trei etape. În prima etapă se realizează stabilizarea prin oxidare a poliacrilonitrilului, care are loc la temperaturi de 300[°C], fiind convertit în fibre stabilizate.[1]

A doua etapa în procesul de conversie termică a fibrei de carbon este carbonizarea fibrei de carbon stabilizate la temperaturi de 1500[°C], într-un mediu inert (în mod obișnuit nitrogen) prin care se elimină majoritatea elementelor au în componența carbon. În acest proces parametri principali sunt temperatura din cuptor, puritatea mediului inert și tensiunea fibrei în proces. Datorită reduceri semnificative a mase, această etapa este realizată în doua cuptoare diferite. În acest fel, conversia în cel de-al doilea cuptor poate fi realizată într-un mediu mai curat. A treia etapa este reprezentată de așa numita grafitizare care are loc la temperaturi de 3000[°C] într-un mediu inert, în mod obișnuit se utilizează Argon. Fibra de carbon rezultată are o suprafață netedă. Fibra de carbon nu este ușor de procesat și nu permite o reacționare bună cu rășina. Pentru a îmbunătăți modul în care reacționează fibra de carbon cu rășina, suprafața fibrei de carbon este oxidată. La final fibra este înfășurată pe bobină sau poate fi tăiata.[1]

Fibra de carbon reprezintă cea mai buna alternativă pentru caroseria autovehiculelor, prin utilizarea acesteia se pot obține o reducere semnificativă a masei autovehiculului, având module de elasticitate ridicate raportate la densitatea acesteia și de asemenea o rigiditate sporită în comparație cu fibra de sticlă. Motivul pentru care acest material nu este folosit în industria auto este costul ridicat al materialului. Există numeroase cercetări care arată că prin utilizarea fibrei de carbon se pot obține mase mai mici ale structuri autovehiculului, dar acestea au rămas în stadiu de prototip datorită prețului ridicat al fibrei de carbon[28]. Fibra de carbon se utilizează în principal pentru construcția cadrului autovehiculului,[1] deși există și aplicații ale acestui material la anumite autovehicule pentru diferite componente, cum ar fi pavilionul autoturismului BMW M6. Acest pavilion are grosimea de două ori mai mare decât a uneia din oțel fiind, totuși, mai ușoară cu 5,5[kg]. Reducerea masei acestui component conduce la micșorarea înălțimi centrului de greutate, care reprezintă un aspect deosebit de important în stabilitatea autovehiculului. În principal fibra de carbon este utilizată în motor-sport, unde masa redusă a structuri este esențială pentru a permite creșterea vitezei de deplasare a autovehiculului.[28]

Principalele proprietăți ale fibrei de carbon cum ar fi: proprietățile dinamice, termice, electromagnetice, electrice, chimice fac acest material ideal pentru o varietate de aplicații oferind totodată performate ridicate.[1] Fibra de carbon devine un substituent al materialelor metalice datorită densității mici a acesteia (1,4 – 2,0 g/cm3) și proprietățile mecanice pe care le posedă în materialele compozite.[28]

Soluția cea mai adecvată, pentru producția în masă, ca material pentru bara fața sunt materialele termoplastice injectate sub presiune. Materialele termoplastice sunt capabile să absoarbă impacturile mici, datorită flexibilității lor ridicate (modulul de elasticitate mic) și elasticității (deformare proporțională cu sarcina), fără deteriorări ale sașiului. În puls capacitatea bună de turnare a acestora face posibilă obținerea formelor necesare din punct de vedere estetic și aerodinamic. Flexibilitatea ridicată a acestui material face ca extracția componentei din matriță sa fie ușoară. În acest scop este de remarcat faptul că extracția dintr-o matriță este condiționată de granulația suprafeței piesei, adică când piesa este turnată într-o matriță cu suprafață în relief, unghiul cotei trebuie să fie în concordanță cu adâncimea granulațiilor. Selecția materialelor termoplastice se face astfel încât să reziste temperaturilor scăzute (-30°C). Cu unele excepții, în prezent, pentru o multitudine de aplicații materialele polimerice simt folosite datorită costurilor mici și proprietăților substanțial adecvate pentru fiecare dintre testele specifice (impact, rezistență chimică și la îmbătrânire, capacități bune de turnare).[29]

O problemă persistentă pentru aceste tipuri de materiale este prezența unor neuniformități sau valuri pe suprafețele plate, datorită răcirii după turnare și îmbătrâniri sub sarcină. Aceste valuri sunt inacceptabile pentru părțile din clase superioare și pot fi reduse prin utilizarea unor nervuri care trebuie să fi subțiri altfel pot fi atașate suporturi metalice pe bara de protecție.[29]

Injecția de înaltă presiune în matrițe este cel mai eficient proces, atât din punct de vedere al costului de producție cât și al proprietăților materialelor. Pentru produse de serie scurtă pot fi utilizate injecție de joasă presiune a materialelor în matriță, în acest caz amestecul poate fi rigidizat prin adăugarea de fibre de sticlă scurte. Mai mult decât atât aceste materiale se confruntă cu problema reciclări.[29]

Dispozitivele de absorbție a energiei pentru impacte la viteze mici, se utilizează inserții de spuma (poliuretan, polipropilenă sau polistiren), precum și faguri de plastic injectați cu polipropilenă sau polistiren, varianta constructiva a acestor dispozitive este aleasă în funcție de cost și greutate.[29]

Crash test a caroseriilor

Structura caroseriei autovehiculelor reprezintă un aspect funcțional important. Structura acestora este concepută astfel încât, în cazul unui impact, să permită absorbția unei cantități considerabile de energie, prin deformare acesteia. Anumite zone ale structuri autovehiculului sunt realizate în așa fel încât să nu permită deformarea pentru a asigura siguranța pasagerilor. Prin urmare se adoptă măsuri adecvate încă din timpul proiectări.[26]

Capacitatea caroseriilor de suporta coliziunile este în așa fel conceptualizata încât să permită preluarea unor cantități considerabile de energie prin deformare caroseriei în anumite zone, astfel reducând decelerația pe care pasageri o resimt la nivele acceptabile. Părțile care nu se deformează în urma unei coliziuni sunt concepute mai rigide pentru a asigura siguranța pasagerilor.[26]

Caroseria autoportantă reprezintă componenta care preia încărcături semnificative, fiind constituit din grinzi cu pereți subțiri, care sunt fabricate din tablă metalică, ștanțate, fiind asamblate prin sudura în puncte sau șuruburi. Forma complexa și grosimea acestor pereți determină proprietățile secțiuni transversale de exemplu aria momentul de inerție, momentul de torsiune, care afectează performanțele caroseriei, cum ar fi rigiditatea statica, capacitatea de a suporta coliziuni. În plus determinarea secțiune transversală ideale este una din cele mai importante probleme în etapa designului conceptual.[32]

Structura caroseriei trebuie să asigure o rezistența la îndoire și torsiune și să asigure o maniabilitate corespunzătoare, pe lângă acestea trebuie să reducă vibrațiile de înaltă frecvență. În plus structura caroseriei trebuie să producă un impuls de decelerare care să satisfacă anumite cerințe pentru ocupanți de diferite vârste si viteze de deplasare.[4]

Caroseria trebuie să fie deformabilă, dar rigidă. Zonele deformabile sunt necesare pentru a absorbi energia cinetica rezultată în urma unui accident, prin deformarea plastică și prevenirea pătrunderi în compartimentul pasagerilor, în special în cazul accidentelor cu obiecte înguste cum ar fi copacii sau stâlpi de iluminat. Dimensiunea redusă a părți frontale a autovehiculului, care este impusă de criteriile de design, reprezintă o dificultate pentru a putea obține o structură care să asigure siguranța pasagerilor în cazul apariției unui accident.[4]

De asemenea partea posterioară a autovehiculului trebuie sa fie deformabilă pentru a menține integritatea compartimentului pasagerilor și a rezervorului de combustibil. Structura laterală și portierele trebuie concepute astfel încât să nu permită pătrunderea obiectelor din mediul exterior în cazul unui impact lateral și să prevină deschiderea portierelor datorită sarcini dezvoltate în timpul accidentului. Pavilionul autovehiculului trebuie să asigure o structură rigidă în cazul răsturnări. În plus, șasiul autovehiculului trebuie realizat în concordanță cu soluția constructivă.[4]

Determinarea capacităților caroseriei de a suporta un impact se face prin simulări pe componente individuale până la ansamblul complet al caroseriei, utilizând cele mai moderne tehnici din mecanica computațională, dar testul final pentru determinarea capacităților caroseriilor de a suporta o coliziune se bazează pe teste de laborator, în special pentru vehiculele care urmează sa fie certificate.[4]

Exista trei categorii de teste: pe componente, teste pe șine și impactul autovehiculului cu o barieră. Complexitatea testului și variabilele asociate acestuia cresc de la o componentă până la întregul ansamblu al caroserie. Din această cauză se constată un dezavantaj în posibilitatea repetări testului, spre deosebire de modelele matematice. Testul individual al componentelor determină răspunsul dinamic sau cvasi-static la încărcăturile unui component izolat. Testele pe componente sun necesare pentru a identifică modul de strivire și capacitățile de a absorbi energia. De asemenea, înțelegerea performanțelor componentelor este necesară pentru a putea realiza un prototip al unei substructuri și a modelului matematic al acestuia.[4]

În testele pe șine se folosesc o reprezentare a compartimentului pasagerilor echipat cu toate elementele interioare sau doar cu unele cum ar fi scaune, centurile de siguranță, sistemul de direcție și airbag-urile. În compartiment sunt așezate pe locul conducătorului sau cel al pasagerilor surogate umane mecanice fiind supuse încărcăturilor dinamice, similare cu pulsul decelerațiilor în timp ale autovehiculului și pentru evaluarea reacțiile ocupanților în cazul unui impact frontal sau lateral.[4]

Un test cu întregul autovehicul constă în coliziunea autovehiculului ghidat care este propulsat într-o barieră cu o viteză și un unghi care sunt determinate înaintea începeri testului. Testele care folosesc întreg autovehiculul sunt absolut necesare pentru a putea evalua integritatea structurală a autovehiculului în concordanță cu normele impuse prin reglementări legislative.[4]

Noile teste de evaluare a autovehiculelor (New Car Assessment Progrogram), în care manechinele sunt reținute de centura de siguranță în trei puncte, pe lângă existența unui airbag suplimentar. Viteza cu care se realizează aceste teste este de 50 [km/h], autovehiculului fiind propulsat într-o barieră rigidă. Cu această metodă se poate evalua eficiența sistemului de reținere, deoarece supune structura la sarcini de decelerare ridicate.[4]

Datorită creșteri cerințelor impuse din punct de vedere al siguranței, în special celor asociate sistemului de airbag, în proiectarea autovehiculelor se folosește o combinație complementară dintre simulările matematice și testele de laborator. Performanța pe care un autovehicul trebuie să o îndeplinească va determina tipul testări și nivelul complexității testelor. Indiferent dacă evaluarea capacități unui autovehicul se evaluează prin testare, simulări numerice sau o combinație a celor două, obiectivul final este de a determina potențialul de vătămare corporală datorită expunerii unui accident.[4]

În prezent, în industria de autovehicule una din cele mai mari necesități provenite de la consumatori și reglementările legislative este de a asigura un autovehicul cât mai sigur în cazul unui accident. Astfel acest lucru conduce la realizarea unui autovehicul care să ofere performanțe ridicate în cazul unei coliziuni și unui sistem de reținere a pasagerilor.[4]

Principalul scop al proiectări unui autovehicul care să poată suporta o coliziune este de a asigura obținerea rezultatelor de la manechin care transmite date despre leziunile la care este supus manechinul. Răspunsul unui accident, este generat în principiu de o coliziune frontală a autovehiculului cu o barieră rigidă, fiind un proces esențial în dezvoltarea structuri autovehiculului. În prezent, proiectarea structuri autovehiculului se bazează pe determinarea răspunsului autovehiculului în cazul unui accident prin intermediul modelelor arcurilor și a maselor concentrate (Lumped Mass-Spring) sau analize numerice prin metoda elementului finit.[4]

Pentru a asigura o construcție cât mai sigură a autovehiculului trebuie să se țină cont de unele aspecte constructive în ceea ce privește proiectarea părți frontale ale autovehiculului pentru a obține o structură care să suporte o coliziune cât mai eficient.[4]

În primul rând, trebuie controlat, prin proiectare, comportamentul dinamic al multiplelor sisteme ale autovehiculului, fiind supuse unui accident complex și violent. Pentru a putea obține controlul asupra comportamentului acestora, fără a renunța la alte performanțe ale și obiective privind costul autovehiculului, necesitând o interacțiune interdisciplinară foarte strânsă.[4]

Procesul de dezvoltare al caroseriei autovehiculului pentru a satisface cerințele impuse începe prin analiza biomecanică implicând interacțiunea dintre ocupanți autovehiculului și sistemul de reținere (centurile de siguranță), prin răspunsul dinamic generat în timpul unui impact al autovehiculului.[4]

Structurile pentru absorbția energiei impactului frontale, laterale, pavilionului și cele dorsale actuale se deformează direct în cazul unui impact într-o combinație de deformări axiale și deformări prin îndoiri ale caroseriei, îndoirea fiind modul predominant de deformare. În cazul necesități obțineri unei structuri cu o masa redusă, deformarea axială pentru absorbția energiei este modul principal de deformare a caroseriei. Dacă caroseria autovehiculului este concepută corespunzător, principalele zone de deformare sunt caracterizate de o deformare uniforma și progresivă a structuri.[4]

Structură secundare pentru absorbția energiei impactului este reprezentată de interfața dintre structurile de amortizare a impactului și compartimentul pasagerilor. Această interfață trebuie să asigure o zonă stabilă pentru deformarea progresivă a structurilor care absorb energia impactului și transferul încărcături către compartimentul pasagerilor într-un mod cât mai eficient. Idea principală în acest caz este evitarea încărcăturilor concentrate excesive care vor face controlul intruziunilor în compartimentul pasagerilor să fie complexe.[4]

Fabricarea caroseriilor

Performanțele autovehiculelor se bazează pe design, rigiditate, capacitatea de a absorbi energia impactelor, rugozitatea suprafețelor, rezistenta la deformare. Înaintea alegeri materialelor sau a formelor specifice, trebuie luate în considerare posibilitățile de fabricare. Posibilitățile de fabricare pentru caroseriile autovehiculelor, este descrisă de posibilitățile realizări design-ului necesar, posibilitățile de asamblare și costul total. Acest lucru determina înțelegerea amănunțită a proceselor și sistemelor de fabricare ale autovehiculelor, deoarece determină costul total, forma finală și funcționalitatea.

Activitățile desfășurate în cadrul fabricări autovehiculelor pot fi analizate baza a doua aspecte: sistemele de fabricare și procesele de fabricare. Sistemele de fabricare se analizează din trei perspective: linia de producție care include mașinile unelte, echipamentele de manipulare a materialelor, forța de muncă și alocarea pentru diferite activități. Transformarea materiilor prime în semifabricate, care include părțile funcționale ale sistemului de fabricare ce includ: ștanțarea, turnarea, sudarea etc. Al treilea proces descrie strategiile și procesele operaționale, care se împarte în două nivele și anume nivelul strategic care se ocupă de tipul, volumul de produse incluzând și alocarea resurselor materiale. Cel de-al doilea nivel este cel operațional care se ocupă doar de controlul producției.

Procesul de fabricare a autovehiculelor se împarte în două: fabrica de asamblare și fabrica grupului moto-propulsor. Ambele fiind specializate în diferite procese și transformă diferite materii prime în componente finale. Totuși sunt sincronizate în timp pentru a integra componentele finale în autovehiculul final.

Procesul de asamblare

Linia de asamblare a unui autovehicul este responsabilă pentru asamblarea completă a caroseriei în alb, începând de la cadrul de oțel sau aluminiu până la vopsirea întregi caroserii. În plus, până la sfârșitul procesului de asamblare sistemul de propulsie, componentele șasiului, decupările interioare și exterioare sunt finalizate.[30]

Etapele asamblări încep prin primirea materialelor pentru realizarea caroseriei, care include și un control al grosimi plăcilor, în general de oțel sau aluminiu, și caracteristicile suprafețelor. Acestea sunt transferate mai apoi către presa de ștanțare. Caroseria în alb este compusă în principal din 300 – 400 de elemente ștanțate, deși, doar câteva elemente principale afectează geometria și suprafața autovehiculului. Aceste sunt: pavilionul, capota, șasiul, ansamblul lateral, stâlpi A, B, C, planșeul, ansamblul frontal ( lonjeronul Y, traverse), portierele.[30]

După stanțare unele panouri sunt asamblate pentru a obține subansamble, ca și în cazul portierelor unde, panoul interior și cel exterior sunt sudate sau lipite prin intermediul unor adezivi speciali. Procesul de ștanțare utilizează prese mecanice sau hidraulice cu diferite accesorii și matrițe, pentru a putea realiza diferite forme ale panourilor sau dimensiuni, de la 0,1 – 6,5 [mm] grosime.[30]

Pentru a realiza caroseria, diferite panouri sunt asamblate, începând de la șasiu și apoi ansamblul lateral al autovehiculului, prin sudura în puncte. O caroserie în mod normal are în jurul a 5000 de asemenea zone de sudura, care se realizează prin intermediul roboților. Caroseria rezultată în urma asamblări va trece printr-un control al calități. Caroseria in alb este transferată la linia de vopsire. După care autovehiculul este transferat către zona de montaj a interiorului autovehiculului. Ultima zona de asamblare consta în asamblarea manuală a sistemului motopropulsor, instalarea cablajului.[30]

Liniile de asamblare ale autovehiculelor necesită sisteme de control complexe care nu doar monitorizează procesele dintr-o anumită zonă de asamblare (zona stanțare, sudura, vopsirea), acestea trebuie să asigure sincronizarea tuturor proceselor.[30]

Formarea prin comprimare

Formarea prin comprimare a materialelor compozite în industria de autovehicule este cea mai răspândită forma de fabricare a materialelor compozite, datorită producției ridicate, capacitatea de a produce componente de dimensiuni mari cu forme complexe. Ca și exemple de componente obținute prin formare prin comprimare pot fi: componentele caroseriei, interiorul, bara față sau spate, portbagajul etc. Formarea prin comprimare necesită utilizarea matrițelor metalice, iar dacă acesta este ales corespunzător și condițiile de fabricare sunt convenabile se pot obține suprafețe de clasa A care sunt necesare pentru aspectul exterior al caroseriei. Costul echipamentelor pentru acest proces este mai mic decât cel al procesului de ștanțare pentru o piesă de aceleași dimensiuni. [28]

Formarea prin comprimare utilizează ca și material ințial o foaie compusă pentru formare, fiind o foaie subțiere continuă finalizată pentru formare, conținând fibre dispersate de rașină termorezistentă. Rășina în acesta structură este extrem de vâscoasă. Înlăturarea acestui fenomen are loc în etapa de comprimare.

Ștanțarea

Ștanțarea tablelor din diferite metale poate fi definită ca procesul de schimbare a formei semifabricatului din tablă în forme utile prin deformare plastică a acestora folosind o matriță și o presă mecanică. Pentru a putea realiza aceste forme este necesar, mai întâi, formarea matriței care sa corespundă formei finale ale componentei. Matrița este concepută într-un program CAD pe lângă proprietățile mecanice ale acesteia (rezistența la curgere).[30] După care se alege materialul în funcție de calitatea oțelului, grosimea și tratamentul termic care sunt date de obicei de către producător. Proiectarea suprafeței matriței începe printr-o analiză numerică și simulări prin metoda elementului finit, urmate de testare experimentală. Prin aceste procedee se obține matrița finală care mai apoi este construita și validată printr-o serie de încercări utilizând diferite componente (prototipuri) și validarea dimensiunilor acestora. Pe de altă parte procesul de ștanțare începe prin alegerea tablei de oțel sau aluminiu având grosimi, suprafețe, lungimi, lățimi și tratamente termice specifice.[30]

Un procedeu de fabricare prin ștanțare a caroseriilor se realizează după mai mulți pași. Primul pas implică o acțiune de debitare a semifabricat, în vederea obțineri formei finale. Debitarea este procesul de tăiere a semifabricatului, la diferite lungimi utilizând unul sau mai multe cuțite circulare. Aceasta operație este precedată de obicei de ștanțare sau forfecare, fiind utilizată pentru a produce diferite forme. Forfecare este realizată de către o lamă care acționeze dea lungul unei axe. Tabla de metal este plasată între o lamă inferioară staționară și o lamă superioară mobilă și este forfecată prin aducerea lamelor în contact. Există și alte operați de taiere(ștanțare) există în procesul de ștanțare a semifabricatelor în industria auto.[30]

A doua etapă constă în formarea formei preliminare a semifabricatului. Acesta operație cuprinde îndolierea după forma dorită și crearea flanșelor. Cea de treia etapă, în care materialul este tras sau presat în cavitatea matriței.[30]

Majoritatea elementelor componente ale caroseriilor autovehiculelor necesită o secvență de pași pentru a putea obține formele geometrice complicate, care nu pot fi obținute printr-o singură acțiune a presei.[30]

În general în construcția de autovehicule există doua tipuri de ștanțare ambutisarea și îndoirea. Ambutisarea se realizează atunci când poansonul acționează asupra tablei și se obține forma dorită. Cu alte cuvinte poansonul acționează asupra tablei (care poate avea grosimi de până la 25 [mm] grosime) și forțează trecerea materialului prin matriță. Ambutisarea are următoarele caracteristici: se poate realiza cu fără o subțiere a pereților sau cu subțiere; se utilizează în cazurile cu deformări severe ale semifabricatului cum ar fi rezervorul, planșeul, baia de ulei.[30]

Presele utilizate pentru producerea caroseriilor autovehiculelor sunt de două tipuri mecanice și hidraulice. [30]

Modul de formare a materialelor metalice prin ștanțare poate fi analizat după tipuri de curgere a acestora în cavitățile matriței. În procesul de ștanțare, sunt trei tipuri de curgere și anume: elastică, plastică și mișcări rigide. Mișcarea rigidă a materialului se dezvoltă atunci când poziția semifabricatului de metal se schimbă fără a se deforma, în timp ce curgerea elastică a materialului se face în baza legii lui Hooke care este temporară și dispare o dată ce sarcina este înlăturată. Curgerea plastică este deformația permanentă a semifabricatului de oțel care ar trebuie să rămână permanentă. Modul de curgere a metalului în cavitatea matriței se realizează prin controlul unor anumite variabile cum ar fi presiunea poansonului și alinierea semifabricatului în cavitatea matriței. În plus, optimizarea modului de curgere a materialului poate fi obținut prin proiectarea anumitor elemente, de exemplu bosaje. Acest proces se formează doar pe o anumită zonă, astfel încât suprafața nedeformată este mult mai mare comparativ cu zona deformată.[30]

În general majoritatea elementelor caroseriei reprezintă rezultatul a mai multor moduri de formare, astfel se facilitează obținerea unor forme geometrice diferite.

Funcțiile matrițelor utilizate în procesul de ștanțare sunt multiple, în primul rând aceste trebuie să poziționeze semifabricatul corect în cavitatea acestuia în funcție de punctul sau linia de referință. Matrița trebuie să asigure fixarea semifabricatului prin elementele de fixare în timpul ștanțări. De asemenea matrița deformează semifabricatul prin trei acționări diferite: taie semifabricatul, îndoaie, întinde materialul. Și în ultimul rând matrița trebuie să asigure înlăturarea piesei, prin intermediul unor pini.

Semifabricate sudate și ștanțate

Semifabricatele sudate și ștanțate permit obținerea unor grosimi diferite, în secțiuni diferite în cadrul unui element și variază dea lungul acesteia. Obiectivul principal al utilizări acestui mod de fabricare este de a obține o reducere a masei caroseriei automobilului, prin modificarea grosimi pereților în diferite locații. De exemplu în cazul panoului interior al portierelor acesta trebuie să asigure rigiditate doar în zona de legătură. De asemenea prin utilizarea acestei metode de construcție a caroseriei determină creșterea performanțelor autovehiculului și poate conduce la reducerea masei caroseriei.[30] Principalele metode de asamblare utilizate de acest procedeu de fabricare a caroseriei sunt: sudarea cu laser și sudura în puncte.

Structurile de acest fel sunt foarte răspândite în domeniul construcțiilor de autovehicule, datorita capacități acestora de a absorbi eficient energia unui impact, care poate fi îmbunătățită prin umplerea structuri cu materii celulare, incluzând și spume polimerice sau metalice sau „faguri” de aluminiu,[8],[23] sau prin introducerea unui perete suplimentar care împarte secțiunea transversală. Eficiența cu care absoarbe energia este estimata prin coliziunea axială și răsucirea. [9]

Proiectarea barei față

Rapid prototyping

Reprezintă tehnologi de fabricare pentru a produce obiecte strat cu strat direct din datele obținute prin proiectarea asistata de calculator. Aceste tehnici permit realizarea unor prototipuri tangibile, înlocuind modelele 2D cu cele 3D. Pe lângă posibilitatea vizualizări obiectului, aceste modele pot fi folosite pentru realizarea unor teste cum ar fi: teste în tunelurile aerodinamice și verificare dimensiunilor. De asemenea, pe lângă producerea de prototipuri, această tehnică poate fi utilizată pentru producerea matrițelor, chiar și pentru fabricarea pieselor finale. Producerea pieselor de serie scurtă și complexe se pot realiza prin utilizarea acestei tehnici fiind cea mai adecvată.[36]

Există multiple avantaje pentru utilizarea aceste tehnici cum ar fi: este bine automatizată nu necesită supraveghere în timpul produceri piesei; reducerea costului pentru crearea de prototipuri; componentele fizice sunt ușor de analizat în privința eventualelor erori.

De asemenea această metodă are și dezavantaje: precizia >0,1 [mm]; proprietățile materialelor, produsele pot fi extrem de fragile; iar suprafețelor înclinate care sunt construite strat cu strat, deci apare posibilitatea formări treptelor.[36]

Tehnologiile de realizare rapidă a prototipurilor sunt:

Crearea unui model CAD (Computer Aided Design) sau prin scanarea unui model existent prin intermediul unor aparate speciale.

Convertirea formatului CAD într-un format universal Limbajul Standard al Triangulației (Standard Triangulation Language), acest lucru este necesar datorită numeroaselor programe care utilizează algoritmi diferiți pentru realizarea componentelor solide. Limbajul Standard al Triangulației este adoptat ca format standard în realizarea rapidă a prototipurilor. Limbajul reconstruiește componenta, fiind compusă doar din triunghiuri.

În următoarea fază modelul în format STD, după ce este redimensionat și orientat corespunzător, este împărțit în mai multe straturi la o grosime prestabilită.

Conceperea structurilor de susținere, acest pas nu reprezintă o necesitate pentru toate tehnicile. Modelul fiind construit strat cu strat, în unele cazuri pot exista zone care să prezinte proeminențe.

Producerea modelului strat cu strat. Straturile generate prin intermediul programului sunt reconstruite prin cu ajutorul unor dispozitive speciale.

Post-procesarea. Acest pas constituie finisarea și curățarea piesei, (și în cazul în care s-a construit o structură de susținere) înlăturarea structuri de susținere. Unele materiale necesita aplicarea unor tratamente pentru a obține proprietățile dorite.

Pentru realizarea rapidă a prototipurilor există o varietate largă de materiale și tehnici. În prezent există numeroase tehnici pentru realizarea acestor prototipuri și numeroase metode de modelare a produselor. Printre aceste se pot aminti: stereolitografice, tehnologii selective de sinterizare cu laser, modelarea prin depunere de material, imprimare tridimensională, fabricare produselor prin laminare.

Inginerie inversă

Industria auto utilizează această tehnică din anumite motive:

Crearea suprafețelor care au o forma geometrică complexă și sunt dificil de realizat prin diferite programe CAD;

Facilitează schimbul de date și integritatea acestora;

Rezolvarea și corectarea problemelor care apar datorita discrepanței dintre modelul CAD și piesa reală;

Posibilitatea îmbunătățiri inovațiilor în diferite domenii cum ar fi: design-ul ergonomic, aerodinamic, unde în etapa modelări CAD a produsului apar în cele mai multe cazuri etape suplimentare și inutile;

Asigura calitatea și performanțe prin inspecția asistata de calculator.[36]

În mod obișnuit, pentru realizarea unui model nou de autovehicul sunt necesare șase vederi scară 1:1. Se utilizează diverse metode pentru a obține informații de la consumatori și pentru a analiza, prin simulări matematice, designul modelului și dificultățile care apar în producția acestuia.[36]

Prin utilizarea proiectări și fabricări, asistate de calculator, în mod obișnuit realizarea unui model la scară reală poate să dureze în jur de trei luni. Companiile japoneze au scurtat durata acestui proces prin utilizarea ingineriei inverse.[36]

În cazul acestui proces prima etapa este producerea unui model la scară 1:4 din lut a caroseriei, care este ulterior măsurat prin utilizarea unui scaner 3D, având ca date de ieșire fragmente dense de puncte 3D. Acestea sunt aliniate și îmbinate formând suprafața autovehiculului. Programele de inginerie inversă sunt utilizate pentru crearea unei forme poligonale pentru analizarea structurală sau sub forma de suprafețe de curbe B neuniforme raționale pentru proiectarea asistată pe calculator.[36]

Modelul virtual care rezultă în urma acestor procese este transmis către grupul de design pentru a îmbunătăți unele aspecte și grupului de fabricare pentru calculele inițiale și constrângerile care pot apărea în procesul de fabricare. În acest timp modelul este reprezentat la scara reală și este confecționat din lut sau al material, mai apoi prin utilizarea unui scaner optic fără contact este măsurat fizic. Datele obținute în urma măsurări modelului fizic, sunt folosite pentru a măsura toleranțele dintre modelul fizic și cel virtual. În cazul în care trece de testele preliminare, se reconstruiește modelul CAD la scară 1:1 utilizând programe de inginerie inversă pentru designul suprafeței exterioare și programe tradiționale CAD pentru analiza funcționala. Dacă modelul nu trece de testele preliminare, modelul din lut este remodelat până când între modelul fizic și cel virtual există o anumită toleranță.[36]

Modelul final CAD proiectat de către ingineri și forma finală a caroseriei realizată de către grupul de design, sunt combinate formând astfel modelul digital pentru producție.[36]

Noul proces de inginerie inversă creează o buclă digitală între modelul fizic și modelul digital precum și între departamentele de fabricație, inginerie, design. Utilizând același model digital și posibilitatea de al compara cu un produs deja construi permite formarea de iterații mult mai rapide. Acest lucru permite producătorilor de automobile să ofere o varietate de produse și diferite soluții pentru același cost sau să folosească inovația designului pentru a-și diferenția produsele.[36]

Alegerea soft-ului

Realizarea modelului virtual al barei am utilizat programul CATIA V5. CATIA este un software pentru proiectarea asistată pe calculator fiind utilizată în toate industriile.

CATIA aduce un set complet de unelte și mijloace pentru a crea orice produs 3D sau ansambluri de componente, de la componente turnate, forjate, prelucrate, componente din tablă până la ansamble mecanice complexe. În acest fel se facilitează conceptualizarea designului 3D, designul de produse și procesele de prelucrare. Pe lângă toate aceste, permite crearea diverselor simulări.

Introducere în CATIA

„Sketcher” reprezintă extensia care face posibilă schițarea rapidă și precisă a profilelor, prin intermediul multiplelor comenzi cu care este prevăzut cum ar fi: crearea patrulaterelor, cercurilor și a arcelor de cerc, triunghiuri, curbe conice, și a punctelor.[34]

Part design Workbench această extensie permite realizarea modelelor solide pe baza unor desene de execuție realizate prin intermediul funcției „Sketcher”. După finalizarea desenelor de execuție aceste pot fi convertite în modele solide bazate pe acestea.[34]

De asemenea CATIA este prevăzut cu o extensie pentru crearea suprafețelor parametrice și funcționale numită „Wireframe and Surface”, utilizat pentru formarea suprafețelor cum ar caroseria unui autovehicul. Funcțiile și uneltele prezente în această extensie sunt similare cu cele din Part Design singura diferență fiind că acestea sunt folosite pentru a crea suprafețe complexe sau simple. În majoritatea cazurilor forma produsului este concepută utilizând modelarea suprafeței. Modelul suprafeței este un model tridimensional fără grosime și fără proprietăți de masa.[34]

În vederea realizări documentației componentelor sau ale ansamblurilor CATIA dispune de o extensie numită „Drafting”, în care se pot realiza vederi în secțiune și desene de execuție detaliate.[34]

Există două tipuri de realizare a desenelor de execuție. Prima metodă constă în generarea automată a vederilor în secțiune ale componentei sau a ansamblului, iar dimensiunile atribuite în timpul proiectări componentei în sunt generate și afișate, fiind posibile eventualele modificări, adăugarea de comentarii și adăugarea toleranțelor și a abaterilor dimensionale. A doua metodă presupune realizarea manuală a desenelor de execuție. Desenele de execuție sunt necesare pentru sistemele de fabricație, deoarece un tehnician necesită doar desenele de execuție pentru fabricare produselor.

CATIA V5 dispune de o extensie pentru analiza „Advanced Meshing Tools” care permite generarea rapidă a modelelor elementului finit pentru componente complexe fie de sunt solide sau suprafețe.

Funcțiile principale

Funcțiile principale ale extensiei „Wireframe and Surface”:

Funcția „Extrude” reprezintă instrumentul care permite extrudarea unui profil prin specificarea direcției și a lungimi. Parametri necesari pentru a puntea realiza o suprafața extrudată sunt profilul, direcția și elementele limitatoare.

Funcția „Offste Surface” este un instrument care permite crearea unei suprafețe la o anumită distanță față de o referință aleasa.

Funcția „Fill Surface” (Instrumentul de umplere a suprafețelor) permite completarea spațiului dintre mai multe segmente limitatoare. Segmentele care definesc o asemenea suprafață pot fi coplanare sau necoplanare, doar să nu existe un decalaj mare între segmentele limitatoare consecutive.

Funcția „Multi-Section Surface” (instrumentul pentru realizarea suprafețelor cu secțiuni multiple), secțiunile care alcătuiesc această suprafață trebuie să fie intersectate de o linie de ghidare care determina profilul dintre cele două sau mai multe secțiuni.

Funcția „Blend Surface” folosit pentru completarea spațiului dintre doua curbe sau doua suprafețe deja existente.

Funcția „Join”, majoritate suprafețelor modelelor sunt compuse din o multitudine de suprafețe individuale conectate între ele. Pentru a putea utiliza suprafețele pentru crearea unui model solid, este necesară îmbinarea tuturor suprafețelor individuale într-o singură suprafață.

Funcția „Split Surface” este folosită pentru a împărți o suprafață existentă prin utilizarea unui elemente de taiere, care poate fi o curba, sau o suprafață.

Funcția „Healing Geometries” poate completa spațiul mic rămas gol în urma îmbinări a doua sau mai multe suprafețe.

Funcția „Translate” care este folosita pentru a translata unul sau mai multe elemente în direcția impusă.

Funcția „Boundary” permite extragerea curbelor din suprafețe deja existente.

Funcția „Symmetry Elements” poate oglindi elemente existente față de o referință.

Funcția „Thick Surface” este utilizată după îmbinarea tuturor suprafețelor create pentru atribuirea grosimi dorite.

Proiectarea barei

Modelul tridimensional al barei a fost realizat în programul CATIA V5, iar principala extensie a programului utilizată în acest scop este „Wireframe and Surface” prin intermediul căreia se va realiza suprafața barei. care nu posedă masă sau grosime, fiind nevoie de utilizarea extensiei „Part design”.

În prima etapă pentru a putea realiza designul barei față am măsurat diferite puncte de pe suprafața barei de protecție față a automobilului Mercedes AMG GT, în 16 plane diferite cu ajutor instrumentelor speciale de măsurare. În plus pentru realizarea exactă a modelului 3D în software-ul CATIA am utilizat și desene de ansamblu ale automobilului, care se regăsesc în cartea tehnică a acestuia, desenul este reprezentat la o scara 1:22. Punctele sunt introduse în coordonate carteziene.

În vederea simplificări metodei de lucru se va realiza doar o jumătate din bară, iar mai apoi se va oglindi. Cu ajutorul punctelor măsurate se realizează profilul barei, care diferă de la plan la plan, utilizând extensia „Sketcher”.

O dată cu finalizarea schițelor necesare în fiecare plan, acestea sunt unite pentru a putea realiza suprafața barei, prin utilizarea comenzii „Multi-Section Surface”, iar prin intermediul funcției „Healing Geometries” se corectează eventualele goluri care pot să apară din cauza complexități geometrice a barei. Nu in ultimul rând se folosește funcția „Join” pentru a îmbina totalitatea suprafețelor realizate anterior pentru obținerea unei singure suprafețe.

Pentru realizarea locului de montaj al farului se va realiza o schiță după forma farului privind bara frontal. După care se realizează o tăietură după formă acesteia prin intermediul comenzilor „Extrude” și „Split”.

Etapa următoare constă în stabilirea și atribuirea grosimi barei aceasta fiind de 2 [mm], lucru care se poate realiza prin intermediul extensiei „Part Design” folosind funcția a Thick Surface”.

Rigidizarea structuri barei este realizată prin intermediul unor nervuri în principal în zona prizelor de aer.

Utilizând funcția „Symmetry Elements” se realizează oglindirea acestei jumatăți față de planul de simetrie al componentei, care în acest caz este reprezentat de planul x0y.

Alegerea materialul

Materialul utilizat în construcția barei este TM40X care face parte din grupa Torayka fiind un material din fibra de carbon oferind performanțe ridicate datorită proprietăților acestuia, comparativ cu materialele plastice sau aliaje de aluminiu utilizate în construcția barelor față ale autovehiculelor. Materialul se selectează din librăria de materiale ale programului, dar în cazul acesta, fiind un material relativ nou trebuie sa fie definit.

Realizarea desenelor de executie

Desenele de execuție se realizează folosind funcția „Generative Drafting” care permite generarea automată a vederilor și a secțiunilor componentei, cu dimensiunile stabilite în etapa de modelare tridimensională a piesei. Anexa 1 cuprinde desenul de ansamblu al barei, precum și cotele de gabarit și condițiile tehnice. În anexele 2 și 3 surprind două vederi în secțiune ale barei precum și cotele și rugozitățile și toleranțele necesare pentru realizarea bare. Anexa 4 surprinde profilul a două secțiuni ale barei. Desenele de execuție sunt necesare pentru etapa de fabricare a componentei.

Analiza statică a barei față

Analiza prin extensia „Advanced Meshing Tools”, prin simularea unui impact la o viteză de 15 [km/h] cu o barieră. Prima etapa presupune stabilirea direcției și a sensului de acționare a forței distribuite uniform pe o parte din suprafața barei automobilului și plasarea reazemelor în punctele de legătură ale barei cu structura automobilului. În același timp se vor alege dimensiunile elementelor finite, precum și modificarea materialului barei, pentru realizarea unei comparații între materialul plastic folosit în construcția barei în mod obișnuit și materialul pe baza de fibră de carbon TM40X.

În urma simulărilor realizate prin extensia „Advanced Meshing Tools” a programului CATIA s-a determinat deformația maxima a barei în ambele cazuri. Deformația barei pentru ambele cazuri nu diferă foarte mult, fapt care reprezintă un avantaj conform noilor reglementări legislative în cazul unui accident cu pietoni.

Din simularea realizată se poate obține o analiză a barei după criteriul lui Von Mises (criteriul energiei potențiale de modificare a formei). Se constată conform criteriului lu Von Mises că ruperea barei, în cazul în care este fabricată din TM40X, apare mai târziu, comparând cu cazul în care bara este confecționată din materialul plastic folosit în mod normal.

De asemenea s-a determinat prin intermediul simulări modul de deplasare al vectorilor de poziției al particulelor materialului ca urmare a acționari asupra barei. În cazul materialului plastic, deplasarea acestor vectori de poziție este mult mai mare în zona cea mai intens solicitată în comparație cu bara care utilizează ca material TM40X.

În cazul unei coliziuni laterale cu un obstacol sau pieton, și în cazul în care bara nu prezintă nervurile de rigidizare se constată o solicitare mai intensă în zona de prindere a barei cu caroseria. Din acest motiv, se optează pentru realizarea nervurilor pentru a rigidiza această zonă și pentru evitarea desprinderi acesteia de restul caroseriei în cazul unei coliziuni la o viteza redusă. Solicitările cele mai mari apar în zona de rezemare deoarece bara este comprimat, iar mai apoi poate să apară fisurarea barei sau chiar și ruperea. Nervurile care au fost concepute nu prezintă o complexitate constructivă, astfel pentru a crește performanțele oferite se optează utilizarea lor în construcția barei de protecție față.

Concluzii și contribuții personale

Contribuții personale

Prin utilizarea proceselor de inginerie inversă a unei bare de plastic la care s-au adus anumite îmbunătățiri prin:

În reproiectarea barei prin utilizarea metodei ingineriei inverse s-a utilizat materialul TM40X care are proprietăți fizice și chimice mai bune decât materialul plastic utilizat uzual în fabricarea barei pentru acest autovehicul. Având o densitate asemănătoare cu cea a materialului plastic, nu se aduce o creștere a masei.

Realizarea modelului 3D al barei prin intermediul programului de proiectare asistată pe calculator CATIA, precum și întocmirea desenelor de execuție ale barei, fiind necesare la fabricarea acesteia.

De asemenea pentru a testa bara în cazul unui impact frontal cu o barieră, s-au realizat simulări numerice pentru a determina solicitările la care este supusă bara și deformația acesteia.

Priza de aer a radiatorului este mărita cu 5% pentru a asigura o circulație mai bună a fluxului de aer prin acesta și pentru creșterea performanțelor motorului.

Conculzii

Datorită utilizări fibrei de carbon în construcția barei, aceasta având o densitate de 1,4[g/cm2], masa barei 3,478 [kg].În cazul utilizări materialului plastic pentru fabricare barei, având o densitate de 1,2 [g/cm2], iar masa 2,981[kg]. Astfel se constată că fibra de carbon influențează ușor creșterea greutății autovehiculului, dar nu într-un mod semnificativ. Obținerea unei mase reduse a autovehiculului reprezintă direcția actuală datorită influenței semnificative asupra consumului de combustibil și reducerea emisiilor poluante precum și pentru a reducerea înălțimii centrului de greutate al automobilului.

Pe de altă parte fibra de carbon asigură o structură mai rigidă decât cea a materialului plastic. În cazul unei coliziuni laterale, sunt necesare realizarea unor structuri de rigidizare pentru a asigura integritatea barei față.

Bibliografie

[1] Acatay, K.,. Carbon fibers. Elsevier Ltd.; 2017. doi:10.1016/B978-0-08-101871-2.00006-0

[2] Association, EA.,. Applications – Car body – Crash Management Systems. 2013:1–26.

[3] Baskin, DM.,. The Automotive Body Lightweighting Design Philosophy. Elsevier Ltd; 2016. doi:10.1016/B978-1-78242-325-6.00004-9

[4] Bois, P Du., Chou, CC., Fileta, BB., Khalil, TB., King, AI., Mahmood, HF., Mertz, HJ., Wismans, J., Prasad, P., Belwafa, JE.,. VEHICLE CRASHWORTHINESS AND OCCUPANT PROTECTION Automotive Applications Committee American Iron and Steel Institute Southfield, Michigan. 2004.

[5] Crolla, DA.,. Automotive engeneering. 2009. doi:10.1007/s13398-014-0173-7.2

[6] Davies, G.,. Materials for Automobile Bodies. 2003. doi:10.1016/B978-0-7506-5692-4.X5014-6

[7] European Aluminium Association.,. The Aluminum Automotive Manual_body-structures. The Aluminium Automotive Manual. 2013:1–84.

[8] Gui, C., Bai, J., Zuo, W.,. Simplified crashworthiness method of automotive frame for conceptual design. Thin-Walled Structures. 2018:324–335. doi:10.1016/j.tws.2018.07.005

[9] Happian-Smith, J.,. An Introduction to Modern Vehicle design. Butterworth Heinemann. 2002:600.

[10] http://www.boronextrication.com/2011/02/12/exploded_mercedes_benzs_body_structure/.

[11] http://www.illinois-liver.org/606a3bfe3744214f.html.

[12] https://carbrain.com/.

[13] https://shiloh.com/body-in-white-image-gallery/.

[14] https://www.audi.com/en.html.

[15] https://www.bionicsurface.com/en/computational-fluid-dynamics-cfd-simulation-cfd-analysis/automotive-cfd-simulation/.

[16] https://www.bmw.com/en/index.html.

[17] https://www.euroncap.com/en.

[18] https://www.javelin-tech.com/.

[19] https://www.microhydrotechnic.net/smc-moulding-hydraulic-press/.

[20] https://www.mscsoftware.com/product/dytran.

[21] https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=301.

[22] https://www.tuvsud.com/en-us.

[23] Hussein, RD., Ruan, D., Lu, G., Guillow, S., Yoon, JW.,. Crushing response of square aluminium tubes filled with polyurethane foam and aluminium honeycomb. Thin-Walled Structures. 2017:140–154. doi:10.1016/j.tws.2016.10.023

[24] Juhala, M.,. Improving vehicle rolling resistance and aerodynamics. Alternative Fuels and Advanced Vehicle Technologies for Improved Environmental Performance: Towards Zero Carbon Transportation. 2014:462–475. doi:10.1533/9780857097422.2.462

[25] Kiani, M., Gandikota, I., Rais-Rohani, M., Motoyama, K.,. Design of lightweight magnesium car body structure under crash and vibration constraints. Journal of Magnesium and Alloys. 2014:99–108. doi:10.1016/j.jma.2014.05.005

[26] Kumar Dama, K., Suresh Babu, V., Rao, RN.,. State of the Art on Constructional Concepts of Automotive Body Structures. Materials Today: Proceedings. 2018:20981–20986. doi:10.1016/j.matpr.2018.6.489

[27] Lightweighting, C.,. Car Body Design with Aluminium Sheets New Solutions for.

[28] Mallick, PK.,. Materials, design and manufacturing for lightweight vehicles. 2010. doi:10.1533/9781845697822

[29] Morello, L., Rosti Rossini, L., Pia, G., Tonoli, A.,. The Automotive Body: Volume I: Components Design (Mechanical Engineering Series). 2010.

[30] Omar, MA.,. The Automotive Body Manufacturing Systems and Processes. 2011. doi:10.1002/9781119990888

[31] Pikula, B., Filipovic, I., Kepnik, G.,. Research of the External Aerodynamics of the. 2011.

[32] Qin, H., Guo, Y., Liu, Z., Liu, Y., Zhong, H.,. Shape optimization of automotive body frame using an improved genetic algorithm optimizer. Advances in Engineering Software. 2018:235–249. doi:10.1016/j.advengsoft.2018.03.015

[33] Stone, R., Ball, JK.,. Automotive Engineering Fundamentals. 2013. doi:10.4271/r-199

[34] Tickoo, S.,. CATIA V5-6R2014 for Designers. Cadcim Technologies, 2015; 2015.

[35] Tisza, M., Czinege, I.,. Comparative study of the application of steels and aluminium in lightweight production of automotive parts. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2018:229–238. doi:10.1016/j.ijlmm.2018.09.001

[36] Vinesh, R., Kiran, JF.,. Reverse Engineering An Industrial Perspective. Springer; 2008.

Anexe