Дизайн бамперов легковых автомобилей малого класса с применением полимерных материалов

В настоящее время в мире выпускается более 76 миллионов автомобилей в год. Переоценить роль автомобиля в экономике, транспортной структуре государств и жизни отдельных граждан невозможно. Автомобиль кардинально изменил жизнь людей, открыл огромные возможности в транспортировке различных видов продукции, товаров, сырья «от двери до двери». Он дал возможность мобильного перемещения людей на значительные расстояния, стимулировал строительство дорог, развитие мировой экономики в целом. Не является исключением и российская автомобильная промышленность, которая по праву считается локомотивом экономики страны: объем ее продукции составляет более 250 млрд. рублей в год. [15].

В то же время одной из острейших проблем стала проблема обеспечения безопасности для пассажиров и пешеходов, поскольку автомобиль как средство повышенной опасности приносит не только пользу, но подчас несет смерть, горе, беду. В 2005 г. на Президиуме Госсовета РФ была рассмотрена обстановка, сложившаяся на российских дорогах. Было отмечено, что «масштабы травматизма в результате дорожно-транспортных происшествий приобретает характер угрозы национальной безопасности"[52]. Аварийность на дорогах стала чудовищной. Ежегодно на дорогах всех стран мира под колесами машин погибает 1.2 миллиона человек, до 50 миллионов человек получают увечья. По данным Росстата в 2006 г. на дорогах России произошло 229 140 дорожно-транспортных происшествий (далее ДТП), погибло 32 724 человека, 285 362 человека пострадало. Поэтому создание безопасных конструкций автомобиля является актуальной государственной задачей.

По данным Женевского каталога 2008 года, в мире выпускается свыше 400 моделей легковых автомобилей 60 марок. Это модели различных классов и стоимости, разной компоновки и разного внешнего вида. Форма и отделка автомобилей отражают не только особенности функционального назначения, стоимости, но и черты фирменного стиля, национального характера. В эпоху глобализации эти отличия все более размываются. Поэтому наиболее характерными остаются различия между классами автомобилей и, соответственно, их стоимостью. Самым многочисленным является малый класс автомобилей (по отечественной классификации), объединяющий легковые автомобили, общая длина которых не превышает 4200 мм. В Европе в этот класс попадают автомобили групп «А», «В» и «С».

К началу 70-х годов XX века перед автомобильной промышленностью встали две основные проблемы: безопасность конструкции и сокращение энергетических затрат. Это заставило создателей автомобилей пересмотреть подход ко многим традиционным решениям, и, в частности, пересмотреть цели и методы дизайн-проектирования. Сегодня автомобильный дизайн руководствуется четко сформулированными требованиями, правилами и рекомендациями по безопасности конструкции, оборудованию интерьера, применяемым материалам, эргономике, трудоемкости и т. д.

Проблема безопасности конструкции имеет две составляющих:

— активная безопасность;

— пассивная безопасность.

Под активной безопасностью подразумевается комплекс конструктивных решений и наличие технических и электронных устройств, обеспечивающих возможность оптимального вождения автомобиля, позволяющий избежать ДТП. Активную безопасность обеспечивают различные системы, узлы и механизмы автомобиля, которые в данной работе не рассматриваются.

Пассивная безопасность в большей степени относится к конструкции кузова и подразумевает такие конструктивные решения, которые максимально снижают последствия ДТП. Уровень пассивной безопасности автомобиля определяется: прочностью пассажирского салона, способностью кузова поглощать энергию удара, надежностью фиксации водителя и пассажиров на сиденьях, наличием средств дополнительной защиты и т. п. Особое внимание уделяется конструкции передней и задней частей кузова, которые должны сминаясь, максимально рассеять высвободившуюся энергию удара. Центральная часть кузова (салон) должна максимально сохранять свои размеры, предоставляя как можно большее пространство для выживания пассажиров. [24].

Опыт конструирования автомобилей, накопленный за последние 30−40 лет, позволил сформулировать важнейшие требования безопасности к различным узлам и деталям автомобиля, в том числе и к бамперам. Эти требования отражены в соответствующих государственных стандартах и Правилах ЕЭК ООН. Необходимость соблюдения соответствующих требований существенно ограничивает свободу формообразования автомобильного кузова и его фрагментов, в частности, бамперов [32]. Конструктивные решения различны и в большой степени зависят от типа несущей системы кузова, массы автомобиля, используемых материалов и технологий. Различают три основных типа конструкции кузова: каркасную, скелетную и оболочковую [5]. В большинстве современных массовых автомобилей применяется цельностальной оболочковый тип несущей системы или комбинированный с использованием стальных и алюминиевых деталей. В качестве наружных панелей могут использоваться штамповки из стального или алюминиевого листа толщиной 0.6−0.9 мм или детали из полимерных материалов.

В отечественной практике до последнего времени проблеме безопасности конструкции уделялось недостаточно внимания. Внедрение новых компонентов безопасной конструкции, новых материалов и технологий существенно отстает от зарубежных производителей. Применительно к дизайну кузова, наиболее значимыми являются передний и задний бамперы или детали кузова их заменяющие, поскольку они первыми входят в контакт с препятствием или с пешеходом. Однако функция защиты для бампера не является единственной.

В исследованиях отечественных и зарубежных авторов бампер рассматривается либо как самостоятельный защитный элемент конструкции вне системы «кузов-автомобиль», либо исследуются отдельные аспекты дизайна вне комплекса функций, материала и технологии. Значительный вклад в разработку научно-технической задачи проектирования бамперов внесли Покровский Ю. Ю., Ремнев К. С., Степанов И. С., Ломакин В. В., Долматовский Ю. А., Балабин И. В., Рябчинский А. И., Аппель Н., Крамер Ф., Карунин А. Л., Рабинович Б. А. и др. Большое разнообразие конструкций и форм бамперов и постоянная эволюция их дизайна и функциональных свойств указывает на необходимость комплексного подхода к решению названной задач.

Необходимо учитывать, что при всем многообразии форм автомобилей существуют закономерности построения поверхностей автомобильных кузовов и их соответствие определенным конструктивным, технологическим требованиям и потребительским качествам, которые в сочетании с требованиями пассивной безопасности существенно ограничивают реализацию дизайнерского замысла. Одним из важных и эффективных способов решения этих проблем является все более расширяющееся применение в кузовостроении полимерных материалов с заданными свойствами.

В настоящей работе рассматривается дизайн таких важных элементов кузова современного автомобиля, как передний и задний бамперы, история их развития и их роль в решении актуальных задач конструкции автомобиля.

Исследование функции и дизайна бамперов в совокупности с материалами и технологиями их изготовления позволяет создать метод проектирования автомобильных бамперов, обеспечивающий сбалансированный выбор конструкции и дизайна бампера, отвечающих функциональным требованиям, что является актуальной нучно-технической задачей.

Общие выводы.

1. Выявлена совокупность наиболее значимых функций бампера легковых автомобилей: защита кузова, защита пассажиров, защита пешеходов, функция аэродинамики и функция дизайна. Для данной совокупности функций установлена закономерность эволюции профилей бамперов: I — образный, С — образный, S — образный, П — образный, овальный, «безопасный», «интегральный», на основании которой создана классификация видов бамперов, содержащая три этапа развития бамперов с учётом материала и технологии.

2. Установлено три важнейших этапа эволюции бампера. Показано, что первый этап (1920 — 1970) характеризуется применением катаной и тонколистовой стали с использованием технологий гибки и холодной штамповки, сварки составных элементов и накладных деталейвторой этап (1965 — 1995) — применением прессованных алюминиевых профилей, которые могли оснащаться различными накладками и молдингами из пластмассытретий этап (1980 — н.в.) — применением литых и формованных пластмасс и композитных материалов, обеспечивающих выполнение в единой детали сложных форм при значительных габаритах.

3. Установлено, что в процессе эволюции функциональные свойства бамперов изменялись следующим образом:

— на первом этапе бампер обеспечивал защиту кузова на малых скоростях и композиционную завершенность;

— на втором этапе «безопасный» бампер, способный защитить кузов от повреждений, утратил функции аэродинамики и дизайна, стал сложен конструктивно, имеет значительный вес и выступает за габариты кузова на 200−300 мм, что существенно ухудшает управляемость и комфортабельность автомобиля;

— на третьем этапе функция защиты пассажира передана кузову, способному поглощать передней и задней частями кузова кинетическую энергию удара в случае столкновения автомобиля с препятствием, в то же время значение функции защиты пешехода неуклонно возрастала и в настоящее время существенно влияет на дизайн бампера.

4. В современном автомобиле бампер утратил самостоятельную роль и является элементом «интегрального узла», объединяющего в себе ряд некогда самостоятельных элементов.

5. Установлено, что бампер современного автомобиля малого класса является элементом дизайна, продолжением поверхности кузова и декоративным «чехлом», закрывает детали кузова, воспринимающих и гасящих энергию удара, обеспечивает высокие аэродинамические качества автомобиля.

6. Разработан метод системного проектирования бампера, обеспечивающий его защитные, аэродинамические и дизайнерские качества, который применен в разработке опытных и серийных автомобилей семейства «Москвич» (АЗЛК), «Тетра» и «Курара» (СКБ «МАМИ»), АСМП «Спринте-324» и др.(ЗАО «СПМОТОРС»).

7. Разработанные дизайн — проекты защищены четырьмя Свидетельствами на промышленные образцы № 10 632 «Легковой автомобиль», № 13 618 «Комплект буферов легкового автомобиля», № 16 850 «Комплект пластмассовых буферов для транспортного средства», № 22 034 «Комплект пластмассовых буферов для транспортного средства».