INCZÉDY GYÖRGY SZAKKÖZÉPISKOLA, SZAKISKOLA ÉS KOLLÉGIUM
TANULÓI SEGÉDLET
2014. január 31.
......................................... Boros Tibor
......................................... Kapisinszki Péter
jóváhagyta
készítette
Karosszéria anyagok
1.Anyagok csoportosítása: - Szerves anyagok: azok melyek „csak” szenet, hidrogént, nitrogént tartalmaznak, szűkebb értelemben azok amelyek „csak” C és H tartalmúak. - Szervetlen anyagok: minden olyan anyag, ami nem szerves. - Fémes anyagok: jó elektromos és hő vezetők, átlátszatlanok, kristályos szerkezetűek. (általában a fémek, a szén) - Szigetelők: rossz elektromos és hővezetők, (alapvetően minden anyag elektromosan vezethetővé tehető ha megfelelően nagy feszültséget vezetünk át rajta. Hétköznapi szinten viszonylag kis feszültségen, pár volttól - párszáz voltig értjük) - Átmeneti anyagok: vagy más néven félvezetők. Különleges körülmények között vezetővé tehetők, általában több anyag rétegéből hozható létre, vagy két anyag határán keletkezik. pl. a félvezető dióda: különbözően szennyezett szilícium réteget hozunk létre, ezek egyik irányban nagyon jól vezetik az áramot, kicsi az ellenállása, 0,1-1 Ohm, másik irányba nem vezet, nagy az ellenállása, 600-2000 Ohm. Vagy különleges elektromos térben vezetnek, ha a teret megszüntetem meg nő az ellenállása ilyenek a térvezérlésű tranzisztorok. (3.dia) 2.Anyag tulajdonságok - Fizikai (nem keletkezik új anyag) - olvadáspont - sűrűség - hővezető lépesség - elektromos vezetőképesség - szilárdsági jellemzők - Kémiai (újfajta anyagok keletkeznek, más a tulajdonságuk, mint az alapanyagoknak)
2.1 Olvadáspont Ha az anyaggal hőt közlünk, halmaz állapot változást tapasztalunk (szilárd, cseppfolyós, légnemű,plazma) A fémek és a fémes anyagok, kristályos szerkezetűek, tiszta állapotban fix (állandó) olvadásponttal rendelkeznek.
2.2 Sűrűség Minden anyagból készítünk egy 1 dm3 kockát és megmérjük a tömegét. Alapul a vizet választottuk: 1 dm3 tiszta 4O desztillált vizet megmérve 1kg-t kapunk, ehhez viszonyítjuk az összes többi anyagot. Ha könnyebb, akkor úszik a vízen, mint pl. a fa, ha nehezebb lesüllyed, ha pont akkora, akkor lebeg. A víznek több féle halmaz állapota van, a jég úszik a vízen, sűrűsége 0,9 kg/dm3. Elgondolkodtató, hogy +4 O és 0 O között a víz elkezd „dagadni”. Az üvegben hagyott víz megfagyva szétnyomja az üveget. (7.dia) 2.3 Hővezető képesség A fémek alapvetően jól vezetik a hőt. A hőforrástól még messzebb is vezeti a hőt. A szálas anyagok, a habok, kerámia, üveg, fa, bakelit stb. nem vezetik jól a hőt. A hőszigetelők (rossz vezetők) általában jó hangszigetelők is. Egy járműben sok helyen kell hő és hangszigetelnünk. pl. a motor tér és az utas tér között. 2.4 Villamos vezető képesség A fémek különösen jó vezetők. A különböző fémek vezetőképességi sorrendje: Arany, ezüst, réz, alumínium, acél, stb. Ezt a sorendet úgy állapították meg, hogy minden féle fémből vettek egy 1mm2 keresztmetszetű és 1m hosszú szálat és megmérték az elektromos ellenállását 20OC-n. Így alakult ki a vezetőképességi sorrend. 2.5 Szilárdsági jellemzők Szakítószilárdság: Minden anyagból készítünk egy egységes keresztmetszetű és alakú szabványos próba pálcát. Ezt befogjuk egy szakító gépbe és szakadásig húzzuk. Közben mérjük a szakító erőt Newtonban, és a nyúlást mm-ben. A kapott adatokat diagramban ábrázoljuk. A diagram képe igen jellemző az adott anyagra. (Jól nyúlik az adott anyag, rideg törékeny nem nyúlik)
(13. 14. 15. dia)
2.5.1 Jósági szám: Az adott anyag szakítószilárdságát elosztjuk a sűrűségével. Így megkapjuk, hogy az adott anyagból készültberendezés milyen nehéz. Pl. Egy Lada 1.5 karosszériája üresen 720kg, ha üvegszálas műanyagból készítenénk, akkor „csak” 55 kg lenne.
Jósági szám= Szakító szilárdság (9.dia) Egy forma-1 versenyautó féktárcsája, mikor még „csak” acélból készült, 14kg / darab volt, manapság amikor már corbon-monolitból készül, kevesebb mint0,5kg! Ezért terjedtek el a szálbetétes műanyagok a hajóiparban, a repülőiparban és az autó versenyeken. Az Audi rodstereket is készítik Al karosszériával. Az üres Al karosszéria csak 60%-a az acél karosszériának. Így jelentősen csökkenthető a jármű össztömege. A motor iparban is igen elterjedt az Al motorblokk. Könnyebb önteni, kevesebb energia kell a megolvasztásához és sokkal könnyebb. Sajnos a szálbetétes anyagoknak igen nagy hátránya, hogy nem igazán alkalmasak sorozatgyártásra, eléggé idő és szakember igényes. Kis sorozatoknál viszont kizárólagos lett a technológia. A repülő iparban már „nagy sorozat”-nak számít, a 10-100db. Az autóiparban száz ezres-milliós sorozatokról beszélünk.
Az acél és Al karosszériák másik igen nagy előnye a jó hegeszthetőség. Gondoljunk az alkatrészek gyártására, egymáshoz rögzítésére. A szálbetétes műanyagokat, a fát csak ragasztani vagy csavarozni lehet ez hosszadalmas és költséges. A fémeket már régóta újrahasznosítjuk. Az acél azért ennyire „olcsó” mert már régóta újra hasznosítjuk a vasat, (az acél ötvözött vas) így olcsóbb kevésbé energia igényes mintha vasércből gyártanánk a vasat. A szálbetétes műanyagoknál ez igen körülményes és költséges az újra hasznosítás, ráadásul nagyon környezetszennyező. Az acél és Al karosszéria elemeket préseléssel vagy mély húzással alakítják ki ez egy igen gyors technológia. Egy Audi A4 motorháztető kipréselése, körbevágással kb 35mp! Ha ugyan ezt üveg szálas műgyanta technológiával szeretnénk elkészíteni, akkor ha, fűtenénk, a szerszámot kb. 20perc lenne!! (szerszám kitisztítása 1perc, bekenése formaleválasztóval 2 perc, szál betét behelyezése 4 perc, üvegszövet átitatása műgyantával 4 perc szerszám összezárása10 mp, melegítése 8-10 perc, szerszám szétnyitása 10mp) A mai járműveknél nem feltétlenül törekszenek a”könnyűségre”. Ahhoz hogy a motor át tudja adni a teljesítményét az útnak, kell egy bizonyos tapadási súly, mert különben kipörögne a kerék. Még így is, hogy „viszonylag nehézre” készítjük az autókat, a nagy teljesítményű autókba kipörgés gátló elektronikát építünk. Így talán érthető, hogy miért használjuk még mindig a fém karosszériákat. 2.5.2. Anyagban ébredő feszültség: munkadarabunkat valamilyen terhelő erőnek, hajlításnak, csavarásnak, stb. tesszük ki. Hogy össze tudjuk hasonlítani, a különböző terheléseket ezért egységes keresztmetszetre vonatkoztatjuk. Nem a nagy terhelő erő számít, ha a keresztmetszet is nagy. Gondoljunk egy nagy több emeletes épületre, hány százezer tonna és milyen nagy FELÜLETŰ az alapja, ezért nem „süllyed” el. A terheléseket egységnyi keresztmetszetre vonatkoztatjuk (1mm2, 1cm2, 1m2). 2.5.2.1 Terhelési esetek, terhelési esetek: Húzó Nyomó Hajlító Csavaró Nyíró Kihajló Összetett Statikus Dinamikus Megoszló Koncentrált
2.5.2.2 Statikus terhelés: lassan ható, nyugvó terhelés 2.5.2.3. Dinamikus: gyorsan ható, ütésszerű, rántásszerű terhelés, ha lehet csökkenteni, kell, mert törést okozhat. (Rugóval lengés csillapítóval, csillapítjuk, a járműveknél nem csak kényelmi szempont a rugózás. Ha nem tennék, nagyon hamar tönkre mennének a járművek és a szállítandó áru.) 2.5.2.2.4 Megoszló: az erő egy nagyobb felületen hat 2.5.2.2.5 Koncentrált: az erő nagyon kis felületre hat 2.5.2.6 Összetett igénybevétel: egyszerre több alapterhelés is hat. (pl: egy lengő kar csavarodik is meg hajlik is, egy motorban a hajtókar hol húzó, hol hajló-kihajló terhelést kap). 2.6 Technológiai tulajdonságok: Mélyhúzhatóság Hegeszthetőség Hajlíthatóság Önthetőség Kovácsolhatóság Edzhetőség Forgácsolhatóság
Belátható, hogy „másfajta” acélt kell gyártani a karosszériához, melyet hegesztünk, és másfajta acél kell gyártani a motor főtengelyéhez vagy egy lengőkarhoz melyet kovácsolnak, és biztosan nem hegesztenek és megint más fajta acél kell a rugókhoz, avagy az önindítómotor állórészének vas anyagához. A legyártott acélból próba testet készítenek s megállapítják mennyire hegeszthető s milyen technikát, ötvözést, hegesztési eljárást kell alkalmazni, hogy olcsóbb jobb és megbízhatóbb legyen. Mélyhúzásnál mekkora az határ, amikor még nem ráncolódik, nem szakadozik be. Ennek függvényében tervezik meg a mélyhúzó szerszámot, hogy az adott lemeznek mekkora legyen a lekerekítési sugara.
3. Karosszéria gyártásnál használható anyagok: - Fa - Acél - Al és ötvözetei - Szálbetétes műanyagok Korábban már összehasonlítottuk (3. oldal és 9.dia) az anyagokat jósági szám szerint. Látható, hogy a szálbetétes anyagok, a fa, az alumínium sokkal jobb, mint az acél. Mégis gazdasági, újrahasznosítási és sorozatgyártási szempontból mégis szinte kizárólagosan az acélt használjuk. Az acél karosszériák mellet szól az is hogy, az alkatrészek gyártása (mélyhúzás, préselés, kivágás), egymáshoz rögzítése nagyon gyors (ponthegesztés) és nagyon megbízható, automatizálható. 3.1. Fa karosszériák: A járművek gyártásának kezdetén csak a fát használták karosszériának, váznak. Ezt volt a leg könnyebb megmunkálni és mivel csak igen kis sorozatokat gyártottak szinte korlátlanul rendelkezésre állt. Később (még az 1950-es években is) vegyesen használtak fát-acélt a karosszériákhoz. A fa hátránya, hogy nem időt álló, kevés van belőle és több száz év kell, hogy megnőjön. Az 1700-as évek végére a hajógyártás és szekérgyártás miatt az egész földközi tenger környékén kiirtották a jó minőségű erdőket. Manapság már csak a trópusokon található megfelelő minőségű és méretű fa. A távolság, a kitermelés és a feldolgozás ára nem teszi versenyképessé. A mai autókat áramvonalassá és különleges formájúvá tervezik. Fából nehéz bonyolult összetett felületű formákat készíteni. A fa karosszériák előnye, hogy könnyűek és nagyon jók a törési tesztjei. (25. dia)
3.2 Acél karosszériák: Az acél karosszéria elemek gyártásának kiinduló anyaga, a kiváló minőségű nagyon finom sima felületű, jól hegeszthető, hidegen hengerelt vékony acéllemez. tehát a kiinduló technológia a hengerlés.
A lemezt folyamatosan hengerek között préseljük egyre vékonyabbra és közben szükség esetén hő kezeljük. A hengerlés után a végtermék, 0,8-1,5 mm-s lemez. felülete a technológiának köszönhetően nagyon sima, hiba mentes. Erre azért van szükség, hogy a fényezés még tökéletesebb legyen, kevesebb töltő-alapozó anyag szükséges. (29.dia) 3.2.1 A mélyhúzás: Olyan képlékeny alakító eljárás, amellyel sík lemezből üreges testet állítanak elő. Az egyik leggyakoribb és legfontosabb lemezalakító eljárás, melynek során sík lemezből üreges testeket állítanak elő.
(30.dia)
A kivágott, préselt, mélyhúzott alkatrészeket ellenállás hegesztéssel rögzítik egymáshoz. Igen gyors és nem kell hozaganyag hozzá, jól automatizálható, robotizálható.
Sűrűség 3.2.2 Ellenállás hegesztés (ponthegesztés)
Utas szekrény kialakítása mélyhúzott préselt elemekből ponthegesztéssel.
3.2.3 Acél karosszériák előnye: Igen bonyolult tagolt, áramvonalas formák is kialakíthatóak. Nagyon gyors nagy sorozatban gyártható technológia (több millió sorozatok!). Könnyen variálható, módosítható. viszonylag könnyű a javítása. Jó a rögzítés technológiája. Az 1970-es évektől gyártottaknak már jó a törési tesztje (gyűrődő zónák). Újra hasznosítható.
3.2.4 Acél karosszériák hátrányai: Korrodál, bonyolult gyártási technológiák nagy szakértelmet igényelnek.
3.3 Alumínium karosszériák: Az Al karosszériákat teljesen hasonlóan gyártják, mint az acél karosszériákat. Itt is a jó minőségű vékony jól hegeszthető lemez a kiindulási félgyártmány, majd préselik, mélyhúzzák. 3.3.1 Alumínium karosszériák előnye: Nem korrodál, jól hegeszthető, könnyű, nagy a jósági száma, nagy sorozatok gyártására is alkalmas, újra hasznosítható. 3.3.2. Alumínium karosszériák hátránya: Ma még drága. 3.4 Szál betétes anyagok A szálbetétes műanyagok a bakelittel kezdődtek az 1930-as években. Szál betétkén ekkor még csak papírt, majd vászon szövetet használtak (textilbakelit). Később az 1950-es években kezdtek el újfajta műgyantákat és újfajta szálbetéteket (üvegszövet, szénszál, kevlár) alkalmazni. Kompozitok: vagy más néven társított anyagok, több különböző anyag jó tulajdonságait egyesítjük és így, egy sokkal jobb anyagot kapunk. Pl. poliészter műgyantába ágyazott üveg szövet, vagy szénszál szövet, a gyanta a formába kenve megadja a formát, de ez önmagában használva rideg és törékeny. Ha szálbetétet teszünk, bele az megadja az „erősségét”.Így akár nagyon bonyolult formákat is készíthetünk nagyon vékony falvastagsággal és nagyon erősre. Nagyon különböző anyagokat is össze tudunk dolgozni: pl. drótbetétes üveg, hab magra dolgozott műgyanta és szénszál lemezek.
Üvegpor, üvegszál szövet és paplan:
Szénszál szövet:
Kevlár szövet:
Szén-kevlár szövet:
Kevlár-szénszál hybrid szövet:
Szénszálas monoblock (Ferrari)
Szénszálas karosszéria: Szénszál betétes lengőkar
Szénszálas F-1 autó törzse:
3.4.1 Szálbetétes karosszéria gyártása: Először egy negatítv sablont (szerszámot) készítenek. A szerszámot kitisztítják és lekenik formaleválasztó anyaggal. ez egy viaszos-olajos paszta amelyet nagyon vékony rétegbe visznek fel majd felpolírozzák. Felviszik az első réteg műgyantát és hagyják megkötni. a szerszámot sokszor fűtik így gyorsabb a kikötés (polimerizáció). behelyezik az előre kiszabott szövet rétegeket (szénszál kevlár, üvegszövet), minden réteg után külön laminálnak (benyomkodják hengerekkel a gyantát a szövet szálai közé). Amikor elérik a megfelelő rétegszámot egy lyuggatott fóliát terítenek a laminátra, majd egy nedvszívó vattaszerű réteget. Erre egy másik fólia réteg kerül, majd a széleit ragasztó szalaggal körbe ragasztják. Egy helyen egy vékony csövet dugnak a fólia alá és rákötik egy vakum szivattyúra. A légköri nyomás 1bar, ez kb. 1kg/cm2-nek felel meg, ha a fólia alatt vakum van, akkor a laminátott cm2-ként 1kg nyomja. Elképzelhető, hogy egy 1m2 felületű alkatrészt, 10 000kg-mal nyom össze a légköri nyomás! A nagynyomás összepréseli a fólia alatt a rétegeket és kinyomja a fölös gyantát a lyuggatott fólián át. A ráterített speciális vatta pedig felszívja. A gyanta kikötését melegítéssel lehet fokozni. Az eljárás azért ilyen bonyolult, hogy minél kevesebb gyanta és minél több szövet legyen a laminátban. A jó arány 65-85% szövet a többi gyanta. Újabban preperg anyagokat használnak, ez azt jelenti, hogy előre beimpregnálják az adott szövetet (szén, üveg, kevlár) és lehűtik, így szállítják, tárolják. A gyártáshelyén kicsomagolják, szobahőmérsékletűre melegítik, méretre vágják és beillesztik a szerszámba, majd hasonlóan fóliázzák és vákuumozzák. Így nagyon jó szövet gyanta arányt és nagyon kis súlyt lehet elérni. 3.4.2 Szálbetétes műanyagok előnyei: Nagyon nagy jósági szám, nem korrodál, időt álló, saját anyagában színezhető, nem kell festeni, jó a törési tesztje 3.4.3 Szálbetétes műanyagok hátrányai: Nagyon idő igényes, precíz technológiát követel, lassú, a hulladékok környezet szennyezőek, drága, nehezen illeszthető sorozatgyártásba. 3.5. Carbon-monolit: Egy új technológia, elkészítik az adott alkatrészt vagy akár az egész karosszériát szénszálműgyanta kompozitból, majd viszonylag nagy hőmérsékleten, oxigéntől elzárva újra „szenesítik”. Így leegyszerűsítve, tulajdonképpen egy teljes „grafit”tömböt kapnak. Egy nagy szénlánc molekula lesz az egész alkatrész. Hátránya, hogy időigényes és nagyon költséges.
Kérdések: 1. Mit nevezünk szerves anyagnak? 2. Melyek a fémek tulajdonságai? 3. Miért az acélt használjuk karosszéria anyagnak? 4. Mit jelent az újra hasznosítás? 5. Mit nevezünk könnyű fémnek? 6. Melyek az alumínium előnyős tulajdonságai? 7. Mit jelent a „komposit”? 8. Mi a jósági szám? 9. Mi az előnye a szálbetétes anyagoknak? 10. Mi a hátránya szálbetétes műanyagoknak? 11. Hogyan rögzíthetők az acél karosszéria elemek egymáshoz? 12. Hogyan rögzíthetők egymáshoz a szálbetétes műanyag karosszéria elemek?
