Proiectarea asistată pe calculator a unei bare față la un autovehicul sport [308325]

[anonimizat],

MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ

SPECIALIZAREA: AUTOVEHICULE RUTIERE

PROIECT DE DIPLOMĂ

Absolvent: [anonimizat]

2019

[anonimizat],

MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ

SPECIALIZAREA: Autovehicule Rutiere

PROIECT DE DIPLOMĂ

Proiectarea asistată pe calculator a unei bare față la un autovehicul sport

Conducător: Absolvent: [anonimizat]. Emilian BORZA Tibor Tamas ORBAN

2019

Introducere

Stadiul actual

Caroseria autovehiculelor

Suprastructura automobilelor este compusă din cadrul și caroseria. Cadrul autovehiculului servește pentru montarea tuturor componentelor cum ar fi: motorul, transmisia, [anonimizat]. 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.[1] Structura cadrului și a caroseriei autovehiculelor s-a îmbunătățit de-a lungul anilor după cum urmează: [anonimizat], și autoportante.[1]

[anonimizat], 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 [anonimizat] a asigura spațiul necesar transmisiei autovehiculului. [anonimizat] o [anonimizat] 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 [anonimizat]: capătul arcurilor suspensiei și suporturile motorului. [anonimizat], [anonimizat]. Structurile neportante se mai utilizează la vehiculele industriale moderne.[1]

Structurii autoportante

Integrarea structurala a caroseriei și a cadrului autovehiculului este considerată o modalitate de a obține performanțe mai bune și reducerea masei autovehiculului. [anonimizat], fața de structurile neportante. [anonimizat], [anonimizat] (A, B, C). [anonimizat]: capota, [anonimizat]. 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. [anonimizat].[1]

Obiectivele urmărite în dezvoltarea suprastructuri automobilelor sunt:

Estetice: [anonimizat];

[anonimizat] a [anonimizat] 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

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

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.[1]

Variante constructive pentru suprastructura autovehiculelor

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.[2]

Acesta structură nu este foarte răspândită pentru autovehiculele de serie, fiind folosită în special în industria motosport 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].[3]

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 „Unitized body”, observându-se o creștere a rezistenței la torsiune și a rigidități structuri care depinde în principal de rigiditatea asamblări.[1]

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 sa fie supuse torsiuni și compresiuni. În unele îmbinări sudate vor apărea reacțiuni la încovoiere și torsiune, determinând o structură mult mai puțin rigida.[4]

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. [1]

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.[2] 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.[3]

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.[3], [5]

„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.[1]

Elemente componente ale caroseriei

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. [1]

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. [1]

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.

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. [1]

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;

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. [1]

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.[1]

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.[1]

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 arcuri(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.[1]

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].[1]

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.[1]

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.[1]

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.

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.

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.

Analiza structurala 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.

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.[6]

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 desing-ului conceptual. Totuși, până la ora actuala, nu există software-uri disponibile pentru elaborarea acestor secțiuni transversale. Din această cauză ingineri se bazează pe o abordare empirică și intuitivă, care necesită un timp de prelucrare a datelor îndelungat și cu posibile erori, nefavorabil pentru elaborare acestor secțiuni transversale. În stadiul de dezvoltare a acestor grinzi, secțiunea transversala inițială se alege dintr-o baza de date sau este proiectată de către ingineri, astfel încât să asigure grosimea optimă a pereților, având ca obiectiv reducerea masei autovehiculului, fără a reduce performanțele autovehiculului.[7]

În vederea reduceri costurilor simulărilor experimentale, se utilizează simulări numerice pentru a putea obține o structură care să permită preluarea unei coliziuni. În general exista patru tipuri realizare simulări prin metoda elementului finit.[8]

Prima metodă numerică pentru analizarea capacității de a rezista la o coliziune a structurii utiliza mase concentrate și arcuri neliniare. Aceste modele introduceau blocuri rigide care reprezentau masa autovehiculului și arcuri neliniare reprezentau deformația caroseriei, fiind implementate cu succes în stadiul inițial al dezvoltări industriei auto, dar metoda s-a dovedit a fii imprecisă.

A fost propus modelul corpurilor multiple (Multi-body models) pentru a simula coliziunea tri-dimensională a structuri autovehiculelor și protecția pasagerilor. Dezavantajul acestei soluții îl reprezintă procesul de modelare și dificultatea validării modelelor. O soluție pentru această problemă este utilizarea unor modele generice de automobile care au toate datele de siguranță pasivă ale autovehiculului real. Cu toate acestea, autovehiculul generic nu se potrivește exact cu cel existent, fiind dificil să se asigure precizia modelului.

Analizele prin metoda elementului finit pot obține rezultate precise despre coliziunea autovehiculului, deformația elementelor, energia absorbită, etc.

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 spume polimerice sau metalice sau „faguri” de aluminiu,[8], [9] sau prin introducerea unui perete suplimentar care împarte secțiunea transversală. Eficiența cu care absoarbe energia este estimata prin coliziunea axială, răsucirea.

Aerodinamica autovehiculelor

Aerodinamica 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.[10]

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.[10]

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).[11] 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.[4] 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.[4]

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.[11]

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.[11]

Conform studiului realizat de [11] despre aerodinamica unui model la scară 1:18 a autoturismului Peugeot 407 Coupe, 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.

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.[11]

Se poate observa în figura 2.14 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.[11]

În studiul [11] 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].

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.[12]

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.[12]

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. [12]

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.[10]

Materiale utilizate la fabricarea caroseriilor

Materialele utilizate in construcția structuri autovehiculelor oțeluri și aliajele de aluminium, care au o masa relativ mică. Tendințele actuale se concentrează și asupra dezvoltări materialelor compozite și a polimerilor în construcția de automobile.[13]

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. [14]

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.[14]

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]. [14]

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.[14]

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 continut de 0,3÷0,6[%] de carbon, acestea conțin un procent mic de vanadiu (0,05÷0,15[%]) care formeză carbură de vanadiu și nitrura. [14]

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. [15]

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.

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.[13]

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.[15]

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.[15]

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.[16]

Modulul elastic al aliajelor de magneziu este 45 [GPa] care este semnificativ mai mic decât cel al oțelului și al aluminiului, totuși din cauza densitați 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.

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 fața de 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[14]. Fibra de carbon se utilizează în principal pentru construcția cadrului autovehiculului,[17] 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.[14]

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.[17] Fibra de carbon devine un substituent al materialelor metalice datorită densității mici a acesteia (1,7 – 2,0 g/cm3) și proprietățile mecanice pe care le posedă în materialele compozite.[14]

Soluția cea mai adecvată 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).[1]

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.[1]

Injecția de înaltă presiune 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 acest caz amestecul poate fi rigidizat prin adăugarea de fibre de sticlă scurte. Mai mult decât atât aceste materiale se confruntă cu problema reciclări.[1]

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.[1]

În tabelul sunt prezentate proprietățile mecanice și termice ale celor mai utilizate materiale pentru barele față.[1]

Metode de fabricare

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).

Alegerea soft-ului

Proiectarea unei bari față

Bara de protecție fața

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.

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

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 Figura 3.1.

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.

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 fiind bine poziționate.

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.

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;

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

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.

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.

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 din 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 acesteia și sub spliter se pot dezvolta și presiuni negative.

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.

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.

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 captureze doar stratul de aer adiacent suprafeței caroseriei.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Parametri de baza ai proiectării:

Proiectarea barei

Materialul utilizat

Analiza funcțională

Concluzi și contribuții personale

Bibliografie

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

[2] D. M. Baskin, The Automotive Body Lightweighting Design Philosophy. Elsevier Ltd, 2016.

[3] D. A. Crolla, Automotive engeneering, vol. 1, no. 3. 2009.

[4] J. Happian-Smith, “An Introduction to Modern Vehicle design,” Butterworth Heinemann, p. 600, 2002.

[5] G. Davies, Materials for Automobile Bodies. 2003.

[6] K. Kumar Dama, V. Suresh Babu, and R. N. Rao, “State of the Art on Constructional Concepts of Automotive Body Structures,” Mater. Today Proc., vol. 5, no. 10, pp. 20981–20986, 2018.

[7] H. Qin, Y. Guo, Z. Liu, Y. Liu, and H. Zhong, “Shape optimization of automotive body frame using an improved genetic algorithm optimizer,” Adv. Eng. Softw., vol. 121, no. March, pp. 235–249, 2018.

[8] C. Gui, J. Bai, and W. Zuo, “Simplified crashworthiness method of automotive frame for conceptual design,” Thin-Walled Struct., vol. 131, no. July, pp. 324–335, 2018.

[9] R. D. Hussein, D. Ruan, G. Lu, S. Guillow, and J. W. Yoon, “Crushing response of square aluminium tubes filled with polyurethane foam and aluminium honeycomb,” Thin-Walled Struct., vol. 110, no. October 2016, pp. 140–154, 2017.

[10] M. Juhala, “Improving vehicle rolling resistance and aerodynamics,” Altern. Fuels Adv. Veh. Technol. Improv. Environ. Perform. Towar. Zero Carbon Transp., pp. 462–475, 2014.

[11] B. Pikula, I. Filipovic, and G. Kepnik, “Research of the External Aerodynamics of the,” no. May, 2011.

[12] R. Stone and J. K. Ball, Automotive Engineering Fundamentals. 2013.

[13] M. Tisza and I. Czinege, “Comparative study of the application of steels and aluminium in lightweight production of automotive parts,” Int. J. Light. Mater. Manuf., vol. 1, no. 4, pp. 229–238, 2018.

[14] P. K. Mallick, Materials, design and manufacturing for lightweight vehicles. 2010.

[15] C. Lightweighting, “Car Body Design with Aluminium Sheets New Solutions for,” vol. 8.

[16] M. Kiani, I. Gandikota, M. Rais-Rohani, and K. Motoyama, “Design of lightweight magnesium car body structure under crash and vibration constraints,” J. Magnes. Alloy., vol. 2, no. 2, pp. 99–108, 2014.

[17] K. Acatay, Carbon fibers. Elsevier Ltd., 2017.