A karosszéria gyártás anyagai Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg a járműfejlesztés jellemző trendjeit Az autó-mobilizmus dinamikus fejlődése szinte az egész huszadik század egyik meghatározó műszaki fejlődés- és gazdasági konjunktúra befolyásoló tényezője volt. Trend a járműfejlesztésben
1. ábra Trend a járműfejlesztésben Tegnap > > > >
keretstruktúra csekély darabszám fa, vas helyi gyártás
Ma > > > >
robbanómotor nagy darabszám AHSS, alumínium globális gyártás
Holnap > > > >
alternatív meghajtás variációk sokfélesége multifunkcionális anyagok rugalmas globális gyártás
Az autóépítés kezdetén a járművek karosszériájának szerkezeti kialakítása a lovas kocsik formavilágából építkezett, és döntően annak anyagát – acélt, fát – használt. Még a második világháború idején is a fa felépítmény gyakran használt megoldás volt. ( Lásd DKV karosszéria 2. ábra.)
2. ábra DKW fa karosszéria Csak később fejlesztették ki a növekvő iparosodás folyamán a költségelőnyös sorozat-gyártási és megmunkálási eljárásokat a karosszéria gyártásban.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulmányozza a 3. ábrát! Gyűjtse ki az autógyártásban alkalmazott anyagok változásának a trendjét! Gyűjtse ki és tanulja meg az autóipari tömeggyártás jellemző anyagait! Az 1995 évből származik a Volkswagentől egy- az autógyártásban akkor használt anyagösszetétel változását mutató jellegábra. 3. ábra
3. ábra A mai autóipari tömeggyártást nem csak a járművek sokfélesége, - lásd. 4. ábra hanem ezekhez felhasznált anyagok széles választéka is jellemzi; amely elsősorban nagyszilárdságú acél, könnyűfémek – alumínium, magnézium – valamint termoplasztikus és tartós műanyagokból áll.
Jármű osztályok összefoglaló csoportosítása
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg az autóhoz felhasználandó anyagok kiválasztásának a szempontjait! Tanulja meg a különféle anyagok előnyeit és hátrányait! 2.1. Anyagválasztás és építési mód. Ma egy új autó tervezését, egy bizonyos piaci szegmensre pozícionálják, annak várható eladási árat, darabszámát előre meghatározva. Ez alapvetően befolyásolja a felhasználandó anyagok kiválasztását, és így a karosszéria építési módját is. Az anyag optimális kiválasztása több különböző tényezőtől függ, pl. gyártási mód; azaz nagysorozatú tömeg-gyártás, vagy prémium kategóriájú kis szériás-gyártás; - a nagy darabszámhoz az automatizált-, gazdaságilag nagy invesztíciót igénylő beruházással szemben, a járművek építéséhez felhasznált anyag- és alkatrész acél, amely termelékenyen gyártható olcsóbb megoldása párosul; - az alumínium magasabb előállítási anyag költségeit, a kisebb előállítási szériák miatt, a gyártó berendezések kisebb beruházási költségigényével kompenzálják. - az újabb járműmodelleknél a könnyűépítési követelmények miatt egyre gyakrabban lehet találkozni un. kevert karosszéria szerkezetű építési módokkal is, ahol az alumínium elő lap elemek és az acél karosszéria elemek együtt kerülnek összeépítésre. Az alumínium- és acélkarosszériák gazdaságossági összehasonlításának jelleg ábráját mutatja a 4. ábra.
4. ábra. Alumínium és acélkarosszériák gazdaságossági összehasonlítása. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg az anyagok kiválasztásával kapcsolatos konstruktőri célokat és ezek hatását! A következő táblázat áttekintést nyújt a karosszériakoncepció anyag kiválasztásánál felmerülő cél-konfliktusokra;
Konstruktőr célok Ideális anyagok bevezetése Magas szilárdság és torziós merevség
A kialakítás multifunkcionalitása Könnyűszerkezetes építés Darabszámtól függő dizájn tervezés Az anyag recycling lehetősége
Célkonfliktusok Költség, korróziós problémák megoldása, kötések megoldása, újrahasznosítás lehetősége A merevséget biztosító kialakításra törekvés egy bizonyos határon túl, szemben áll a karosszéria összsúly/hasznos súlyarány elvárásaival. pl. vázszerkezet keresztmetszet vastagságának növelése igénye Anyagtulajdonságok és azok gyárthatósága Akusztikus kihatások Megfelelő anyag kiválasztásához a gyártási folyamat ennek megfelelő limitálási lehetősége Költségek
A megfelelő anyag optimális kiválasztását nemcsak műszaki -, hanem - természetesen gazdasági szempontok is alapvetően meghatározzák! Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg a karosszéria anyagokkal szembeni követelményeket meghatározó szempontokat! 2.2. A karosszéria anyagokkal szemben támasztott követelmények és kritériumok. A karosszéria anyagok követelményei elsősorban a jármű funkcionális tulajdonságaiból, valamint annak előállításánál az egész gyártási folyamat lánc adottságaiból; pl. sajtolás, karosszéria elemeinek kötése, szerelési folyamat, stb. adódnak. Pl: sajtolásnál figyelembe kell venni a lemez alakítási viselkedését, a vissza-rúgózás okozta méretpontosság biztosításának problematikáját. Mint ahogy a különböző anyagú karosszéria elemek – acél- alu – egymással való illesztési- és kötési eljárásainak lehetőségét. Elvárásként mindenekelőtt az aktív és passzív biztonság-, további növelése a karosszéria torziós merevsége-, fokozott korrózióvédelme-, recycling lehetőségének megnövelt normák szerinti teljesítése fogalmazódik meg. Az új dizájn az esztétikus megjelenés mellett mindenek előtt a kocsi – cv <0,3 - légellenállás csökkentését várják el. Természetesen a kategória legjobb komfort lehetőségének biztosításával, kedvező áron! A fejlesztés, elsődlegesen az új anyagokra és technológiákra alapozhatók.
5. ábra Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg a karosszéria anyagok kiválasztását meghatározó szilárdsági és alakíthatósági tulajdonságokat, ezek jelölését! Az anyagkiválasztásnál az anyag szilárdsági- és alakíthatósági tulajdonságai a döntőek: Folyáshatár: R p, R0,02 Szakítószilárdság: Rm Képlékenységi anizotrópia: r Keményedési kitevő: n Szakadási nyúlás: A80 Rugalmassági modul: E
ln b 0 ln b 0 b b r b s ln S 0 ln L x b x S L0 b0 r 2 r45 r90 r 0 4 n k f A
6. ábra Átlagos ra képlékegységi anizotrópia értelmezése Miután kiválasztják az anyagokat, illetve meghatározzák az illesztési eljárásokat velük elvégzik a karosszéria szilárdsági ellenőrzését végeselem szimulációját, ütközési tesztjet és ciklikus terhelésnek vetik alá.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulja meg a karosszériaépítés meghatározó anyagát és alkalmazásának legfontosabb okait! 2.3. Acél anyagok A legfontosabb anyag a karosszériaépítésében ma is az acél, ami lemezek vagy zárt profilok formájában félkész termékként áll rendelkezésre. Ennek okaként egyszerűen a mechanikai- tulajdonságai-, jó feldolgozhatósága és korlátlan „recycling” újrahasznosíthatósága emelhető ki. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg a normál mélyhúzott acélok jellemző tulajdonságait, jelölésüket! A finomacél lemezek legnagyobb hányadát ma is a lágy húzott és mélyhúzott acélok teszik ki, amelyeket a DIN 1623/2-es tartalmaz. A karosszéria lemezek egy nagy hányada besorolhatók a normál mélyhúzott lemezek közzé. Ezen lemezek széntartalma kisebb mint 0,1%, elfogadható szakítószilárdsága mellett, magas szakadási nyúlás jellemzi. (Lásd 1 sz. táblázat.) Anyag St 12 St 13 St 14 St 15
Werkstoff Rp Rm Nr . [N/mm2] [N/mm2] 1.0330 250 290-390 1.0333 < 230 270-370 1.0338 < 210 270-350 < 170 230-280
A80 % >28 >32 >38 >40
ra
Δra
rmax
βmax
1,7 1.8 2.0
0.6 0,6 0,7
2.1 2,2 2,4
2.2 2,25 2,3
1. táblázat Acélfajták Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulmányozza a 7. ábrát! Gyűjtse ki és tanulja meg a finomacéllemez gyártás és nemesítés folyamatának lépéseit! Tanulja meg a fém- és az organikus bevonatok szerepét! Felület nemesített finomacél lemezek. A 7. ábrán a finomacél- és felületnemesített lemezek különböző gyártási módjainak áttekintése látható. Ezen finomlemezek nagyobb hányadát ma felület nemesített formában hozzák forgalomba. A felületnemesített finomacél lemezek rendelkeznek a hidegen hengerelt lemezek minden felhasználás szempontjából kedvező tulajdonságával; mint a szilárdság, felület simaság - Ra< 0,6 sima finomlemez, Ra< 1,8 matt finomlemez - képlékeny alakíthatóság és hegeszthetőség. A fémbevonatok védik a finomacél lemezt a korróziótól, az organikus bevonatok pedig tovább növelik azt, még dekoratív külsőt is kölcsönöznek neki.
7. ábra Forrás:Dr. K. Sardemann Tendenzen bei der Entwicklung kaltgewlzter und oberflächenveredelter Stahlbleche Hoesch Ag, Dortmund
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulja meg a bevonatolás módszereinek a nevét és technológiáját! A bevonatolásra két fő módszer van, az olvadékba mártás és az elektrolitikus leválasztás. Az organikus sávbevonatok készítésének fő módszerei a sávban lakkozás és széles szalag kasírozása műanyag fóliával. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Hasonlítsa össze a 7. ábra és a 2. táblázat tartalmát! Ipari méretekben a következő bevonatok terjedtek el. 2. táblázat. Módszer
Átlagos bevonat összetétele
Olvadékba merítés
cink cink/11% vas-ötvözet cink/ 5% , alumínium elegyfém-ötvözet 55% alumínium 43,4%, cink/szilicium-ötvözet alumínium alumínium/10%, szilicium ötvözet
Elektrolitikus leválasztás
Megnevezés Z ZF ZA AZ A AS
cink ZE cink/21% nikkel ötvözet ZNE ólom/7% ón ötvözet TE 2. táblázat Finomacél lemezek felületnemesítése fémbevonatokkal.
Forrás:Dr. K. Sardemann Tendenzen bei der Entwicklung kaltgewlzter und oberflächenveredelter Stahlbleche Hoesch Ag, Dortmund
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg az olvadékba merítéssel készített bevonatok típusait/anyagait és jellemző tulajdonságaikat! Vesse össze az anyagok jelöléseit a 7. ábrán és a 2. táblázatban megadottakkal! Olvadékba merítéssel készített bevonatok A cink (Z) sokoldalúan felhasználható az autógyártó és különböző berendezéseket gyártó iparban. A hagyományos cinkbevonatok homogén ή- vegyes kristályból állnak, melyek különbözően orientáltak. A bevonat ezekből létrejövő látható cink- kristály, struktúráját cinkoxidnak nevezzük. Kis mennyiségű ( 0,20% ) aluminium adalék nagyon vékony ötvözetréteg kialakulását eredményezi a finomacél lemez és a cinkbevonat között, ez a bevonat a megfelelő tapadását biztosítja. Cink –vas –ötvözet (ZF) az autóipar számára az un. Galvannealed-finomacél. A gyártás folyamatos módszerrel történik; közvetlenül a horganyzást – réteg vastagsága 5-10 μm - követően, célzott lágyító hőkezeléssel, melynek során diffúzió irányításával sor kerül a cinkbevonat teljes átalakulására Fe/Zn- ötvözetfázisba. Felhasználás szempontjából a következő tulajdonságokkal tűnik ki; kiválóan tapad rajta a lakk, jól ponthegeszthető, jól foszfatálható! Hátrányát jelenti a képlékeny alakításnál a viszonylag nagy kopás ( morzsalékonyság). Cink –aluminium 5%-elegyfémes- ötvözet ( GALFAN R) . A galfan-olvadékba merítéssel nemesített finomacél lemez a tűzi horganyzottal szemben jobb korrózióvédelmet biztosít és kiváló a képlékeny alakíthatósága hajlításnál és mélyhúzásnál. Alumínium (55%)- cink (43,4%)- szilicium-ötvözet ( GALVANUME R ) . A bevonat és a finomacél lemez közötti kb. 2 μm vastag dendritesen kialakuló aluminiumban gazdag γ – vegyes kristályok alumíniumot, vasat, sziliciumot és cinket tartalmaz. Rendkívül jó oxidációval szembeni ellenállóság jellemzi, magas hőmérsékleteknél is ( 315 0 C –ig terjedő tartós igénybevételnél sem színeződik el) és nagy a hővisszaverési képessége. Alumínium és alumínium-szilicium ötvözetek (AS) felületnemesített finiomlemezhez, amelyek magas hőmérsékletnek és korróziót okozó közegnek vannak kitéve.( pl: gépjárművek kipufogó berendezéseinél.) Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg az elektronikusan leválasztott fémbevonatok típusait/anyagait és jellemző tulajdonságaikat! Elektronikusan leválasztott fémbevonatok
Tiszta cinkbevonat ( ZE ) Az elektronikus horganyzás, rendkívül nagy kohézióval a gondosan megtisztított lemez felületén egyenletesen 2,5-7,5 μm vastagságban két oldali-, 10 μm vastagságban pedig egyoldali galvanizálással történik. A járnűiparban a karosszéria elemekhez való felhasználása acél finomlemezek tekintetében meghatározó jelentőségű. Cink-nikkel (10%)- ötvözet (ZNE). Ez az elsőként a japán autógyártásban felhasznált nemesített finomlemez a következő tulajdonságokkal rendelkezik; o nagy korrózióállóság, főképpen lakkozatlan állapotban. o jól feldolgozható (képlékeny alakítás, ellenállás-ponthegesztés) a bevonat nagy keménysége, a cink-nikkel ötvözet magas olvadáspontja, valamint a bevonat vékonysága miatt. Ólom-ón (7%) ötvözetet (TE) az üzemanyag tartányhoz fejlesztették ki.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulmányozza a 3. táblázatot! Gyűjtse ki és tanulja meg az organikus bevonatok típusait és jellemzőit! Organikus bevonatok A finomlemezek organikus bevonására használt anyagok kiválasztása mindig az adott felhasználási célnak megfelelően történik. Így például az építőiparban főként az ibolyántúli sugárzással szembeni ellenállóság követelmény, a háztartási készülék szektorban a lúgosság és kopásállóság, máshol a struktúrált dekoráció sokszínűsége. A bevonatot képező rétegek lehetséges felépítése szempontjából egyrétegű-, és kétrétegű lakkozást, valamint fólia-réteggel történő bevonást különböztetünk meg. A 3. táblázat a fontos bevonatanyagokat sorolja fel, amelyekkel a sokoldalú követelményeknek lehet megfelelni. Bevonat szerkezete
Bevonat anyaga
1 rétegű lakkozás
poliuretán epoxi (gyanta) cinkporos lakk
-
-
x x x
2 rétegű lakkozás
poliészter poliuretán PVDF (PVC-plastisol)
x x (x)
x x -
x -
fólia bevonat
PVC fólia PVF fólia
(x) x
x -
-
(x)
x
x
(rétegzett) szendvics anyagok
-
Felhasználási területe Építő ipar Háztartási ipar Autóipar
3. táblázat. Finomlemezek nemesítése organikus anyagokból készült bevonatokkal. Forrás:Dr. K. Sardemann Tendenzen bei der Entwicklung kaltgewlzter und oberflächenveredelter Stahlbleche Hoesch Ag, Dortmund
Az organikus bevonatokhoz használt alapanyag általában a tűzihorganyzott finomlemez, galfan és galvalume, de elektrolitikusan horganyzott finomlemez is felhasználható. A poliuretán és epoxi gyanta bázisú, tisztán funkcionális jellegű, egyrétegű lakkbevonatokat – mint védőbevonatokat – vagyis a horganyzott lemez 1 μm vastag vékonyrétegű lakkozását , valamint cinkporos lakkokat főként az autóiparban alkalmazzák a karosszéria gyártásban. A fejlesztéseknek az volt a célja, hogy javítsák a képlékeny alakíthatóságot, nagyobb korrózióvédelmet biztosítsanak kisebb vastagságú fémbevonat mellett. A kőfelverődésekkel szemben fokozott ütésállóságot biztosít. A hangtompítás javítása céljából két acéllemez közé szigetelő műanyagréteget helyeznek el, így egy háromrétegű, plattítozott lemez jön létre. A középső réteg egy viszkoelasztikus műanyag réteg, melynek vastagsága 0,05- 0,10 mm között változik.
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg az autóipar alapanyagokkal kapcsolatos igényeit! Tanulja meg a „merevség” és a „szilárdság” jelentését! 2.4.1. Növelt szilárdságú acélok. Az autóipar igénye; csökkenteni a jármű súlyát, a kocsi ütközési „Crash” aktív biztonságágának növekedése mellett, valamint javuljon a karosszériák merevsége is. Ez állandó kihívást jelent az acélgyártók számára. A karosszéria mechanikai viselkedését a terhelés mellett fellépő erők, illetve feszültségek és az ebből adódó alakváltozások jellemzik. Ennek során különbséget kell tenni rugalmas alakváltozáskor létrejövő „merevség” és a képlékeny alakváltozáskor – ütközéskor – létrejövő „szilárdság” között. Tevékenység: Tanulja meg a karosszéria méretezés primer kritériumának a jelentését, a lemezvastagság csökkentés pozitív és negatív hatásait! A karosszéria szempontjából különösen fontos a dinamikus képlékeny alakváltozással jellemezhető – ütközés – „Crash”- viselkedés, ami a jármű aktív biztonságának egyik meghatározó elemét adja. Ez a jármű karosszéria méretezésének elsődleges (primer) kritériuma.
Ütközés modellezése (Mercedes) Tevékenység: Indítsa el a videófelvételt! Figyelje meg a karosszéria deformációját! A video megtekintéséhez lépjen vissza és nézze meg!
