Полимерные и композитные материалы в автомобилестроении

Поиски альтернативного сырья дорогому металлу в автопромышленности начались чуть ли не с самого зарождения автомобилестроения. Одним из пионеров в этой области стал Генри Форд. В 30-е годы прошлого столетия он организовал исследовательскую программу, целью которой было создание прочных сортов пластика, изготавливаемого из сельскохозяйственных продуктов. В результате на автомобилях Ford уже тогда начали широко использоваться детали, выполненные из пластмассы (декоративные решетки громкоговорителя, обрамления комбинации приборов, ручки, кнопки). Во время Второй мировой войны использование этого материала стало куда актуальней (приходилось экономить сталь), и в 1942 году американский изобретатель запатентовал автомобиль, кузов которого был почти целиком выполнен из пластика. Масса машины получилась на 30% меньше ее металлического аналога. Кроме того, прочность конструкции была в 10 раз выше.

С каждым годом автомобили становились мощнее и быстрее. И их угловатые и прямые формы сказывались на аэродинамике. В итоге конструкторы стали уделять больше внимания форме кузова. Но, как показывали опыты, положительные результаты от "сглаживания" достигались лишь при движении автомобиля на высоких скоростях. Поэтому в некоторых автомобильных фирмах кузов решили еще и облегчать. Ведь его масса составляет более 50% всего веса автомобиля.

Особенно подхватили идею использования полимерных материалов производители спортивных машин. Одними из наиболее известных проектов легких и быстрых автомобилей того времени с кузовами, выполненными из новаторского материала, стали Chevrolet Corvette (1953), Alpine A106 (1955) и Studebaker Avanti (1963).

Все эти машины находили поклонников благодаря своим динамическим характеристикам. Так, благодаря легкому кузову и 3,8-литровому 240-сильному двигателю под капотом, автомобиль Avanti способен был разгоняться до 250 км/час и стал самым быстрым серийным автомобилем того времени. Studebaker Avanti продержался на конвейере около 40 лет.

Chevrolet Corvette с 4,3-литровым мотором и мощностью 225 л. с., разгонявшийся до 100 км/час за 8 с, также обрел своих почитателей в немалом количестве.

Кроме снижения веса пластиковые кузова позволяли упрощать и универсализировать производство. Так экспериментальный Fiat VSS мог представлять собой три совершенно разных автомобиля. Машина была схожа с конструктором. Панели навешивались на каркас, и, меняя некоторые из них, один и тот же автомобиль мог иметь три разных типа кузова: седан, хетчбэк и универсал.

Однако порой такая практичность отражалась еще на внешнем виде. И некоторые дизайнерские решения оставляли желать лучшего. Так, каркасно-панельный кузов Renault Rodeo имел несущие элементы каркаса, которые располагались снаружи. Мало того, их окрашивали в контрастный панелям кузова цвет. Зато такая каркасно-панельная схема обеспечивала снижение веса автомобиля и, кроме того, простую смену поврежденных деталей кузова.

И все же за внешним видом не всегда гнались. Так, самым известным автомобилем, кузов которого был выполнен из пластмассы, стал ГДР-овский Trabant. Пластиковым, точнее прессованным хлопком и тряпками, пропитанными смолой, в кузове было почти все, за исключением металлического каркаса.

Низкая себестоимость этого автомобиля сразу же отнесла его в категорию "передовых народных автомобилей". Ведь благодаря замене дефицитного и дорогого металла этот автомобиль стал доступен всем слоям населения.

Несмотря на множество поговорок о Трабанте, большинство из которых носило ироничный характер, с 1958 по 1990 год было произведено около трех миллионов экземпляров этих машин.

Использование пластмассы в своей отрасли интересовало не только автомобилестроителей. Известно, что основными требованиями, стоящими перед конструктором при создании гражданских самолетов, являются безопасность и экономическая эффективность. Одним из путей увеличения экономической эффективности является снижение веса конструкции: перевозчику гораздо выгоднее перевезти килограмм оплачиваемого груза, чем килограмм конструкции. Поэтому в авиации этому материалу также уделяли немало внимания.

Технологиями и идеями авиационной промышленности в 1984 году воспользовались в Renault. Аэрокосмической фирмой Matra был создан пластиковый кузов для Renault Espace (в переводе означает "космос"). Впоследствии, на мощностях этой французской аэрокосмической компании он и выпускался.

Конечно, главная причина, из-за которой пластик не используется так широко в автомобилестроении – это пассивная безопасность. Как известно, пластик материал упругий и сопротивляется давлению до тех пор, пока не будет превышен его предел упругости. После материал ломается. Металл же более пластичен и под действием нагрузок сминается, поглощая энергию удара. То есть железо принимает на себя ощутимую долю нагрузок, не передавая их на сидящих внутри. По этой причине пластиковый корпус автомобиля чаще выполняется с металлической рамой, которая служила дополнительным энергопоглощающим элементом.

Ремонтопригодность пластиковых деталей часто сравнивают с металлическими. Железные кузова после аварии можно восстановить: вытянуть, отогнуть, выстучать и так далее. Хотя, при этом он в некоторой мере теряет свои первоначальные характеристики: уменьшается жесткость, коррозионная стойкость и так далее. В случае с пластиковым кузовом после его повреждения замене, скорее всего, подлежит он целиком. Но, с другой стороны, незначительные огрехи в случаях, когда образуются небольшие трещинки, на пластиковых панелях устранять гораздо проще, а значит дешевле. Для этого необходимо лишь стеклоткань и эпоксидную шпатлевку.

Тем не менее к явным плюсам пластиковых кузовов можно отнести: устойчивость к воздействию окружающей среды (вода, грязь, песок, дорожная соль). Как правило, пластиковый кузов целиком окрашен в нужный цвет, и не нуждается в "подкрашивании" при царапинах и сколах. А также он обладает высокой устойчивостью к ультрафиолетовому излучению. Что позволяет не выгорать ему на солнце. Кроме того, пластик лучше противостоит ударам камней, гравия, вылетающих из-под колес автомобиля. Также пластик формуется легче металла, а значит, открывает больше возможностей для оригинальных дизайнерских решений. И самое главное, автомобили с пластиковыми кузовами не боятся времени, ведь пластик не подвержен коррозии.

Сегодня чаще всего пластиковые кузова можно встретить при изготовлении кит-каров (kit car в переводе с английского – "автомобиль из комплекта").
Кит-кары появились в Англии в 60-е годы прошлого века. Тогда, покупая автомобиль в разобранном виде, покупателям удавалось сэкономить чуть ли не половину его стоимости. Однако со временем из-за налоговой политики такая затея перестала быть выгодной. Тем не менее кит-кары не исчезли и по-прежнему существуют. Сегодня они подразумевают два варианта постройки.

Первый, когда приобретается серийный автомобиль и становится донором: с него полностью снимается родная обшивка, вплоть до силового каркаса. Далее автомобиль приобретает совсем другой облик, за счет иного устанавливаемого пластикового кузова. Например, под горячую руку мастеров очень часто попадает Pontiac Fiero, выпускавшийся с 1984 по 1988 год. Этот автомобиль удобен тем, что имеет небольшую стоимость, среднемоторную компоновку и, конечно же, кузов с легкосъемной пластиковой обшивкой.
В другом случае, каркас варится вручную или приобретается готовая рама, на которую "одевается" желаемый кузов, устанавливается двигатель и коробка передач.
В результате таких махинаций получаются недорогие копии известных современных спорткаров, либо двойники старинных легендарных и роскошных автомобилей. Некоторые энтузиасты предпочитают таким образом реализовать свои конструкторские и дизайнерские решения, строя автомобили собственной разработки. Но самое главное достоинство таких автомобилей – это их цена.

Стоимость "пластмассовых", но внешне совершенно не отличимых от оригинала, Lamborghini или Ferrari может колебаться в районе 20–30 тыс. долларов. Кроме того, их последующее обслуживание также будет обходиться значительно дешевле.

Вытеснят ли полимерные материалы металл, покажет время. Ведь еще 20 лет назад никто и предположить не мог, что конструкция Boeing 787 будет на 70% состоять из композитных материалов. Уже сегодня в автомобильной промышленности пластик все больше и больше внедряют в производство множество фирм. Крылья, капоты, выполненные из полимерных материалов уже совсем не редкость. Да и концепты все чаще можно увидеть c пластиковыми кузовами…