Chevrolet Silverado 2019: легкие термопластиковые кронштейны бампера повышают производительность

Нелегко быть инженером-конструктором OEM на программах полноразмерных пикапов. С одной стороны, хочется сделать автомобили максимально безопасными, насыщенными функциями и топливноэффективными. С другой — клиенты, особенно в строительстве и сельском хозяйстве, эксплуатируют машины жестко и имеют представления о том, что долговечно, а что нет. Они знают и доверяют стали. Композитам? Может быть, не так уж.

Когда Крис Хё, ведущий инженер по выпуску конструкций полноразмерных пикапов в General Motors Co. (GM, Детройт, штат Мичиган, США), и его команда начинали работу над новым поколением Chevrolet Silverado, они обсуждали, какие приложения можно конвертировать из металла в композиты для снижения массы.

Для 2019 г. решение уже было принято: оставить стилизованные бамперные балки — штампованные стальные бамперы с стилизованными внешними поверхностями и финишами (хром или цвет кузова) — спереди и сзади. Из-за формы, заданной стилем, и массы стальных оболочек такие бамперы обычно требуют один или несколько стальных усиливающих кронштейнов для соединения бампера с рамой и выполнения требований GM по долговечности бампера, повреждаемости автомобиля, аварийной производительности и упаковке. В данном случае — пара кронштейнов, оборачивающих левый и правый углы бампера. Команда задавалась вопросом: можно ли конвертировать эти тяжелые, сложные, многочастные штамповки в что-то легкое без потери производительности или долговечности.

«Мы обсуждали способы сохранить металлическую кожу бампера, но конвертировать скрытые компоненты в легкие материалы», — вспоминает Хё. «Знали, что это вызов: нужны надежные кронштейны для тяжелого бампера, и оба должны работать весь срок службы. Кронштейны также ключевы для требовательных аварийных тестов со смещенным барьером — даже в металле их пройти сложно».

Первые, кто попробовал

Не смутившись вызовом, команда GM приступила к работе и вовлек поставщика бамперов Flex-N-Gate Corp. (FNG, Урбана, штат Иллинойс, США). Изначально, пока внешний дизайн еще финализировался, совместная команда год исследовала варианты в отрасли и обсуждала подходы. «Ждали правильного момента, потому что финальный стиль мог изменить дизайн и подход», — объясняет Хё.

«Знали, что другая компания конвертировала очень маленький кронштейн — неструктурный — в композит на одном из своих грузовиков, так что было с чего начать», — добавляет Стив Перукка, менеджер группы инженерии R&D пластиков/металлов FNG. У FNG уже был опыт конвертации структурных металлических деталей в термопластиковые композиты на легковых авто, что дало команде уверенность идти дальше.

Проектные соображения

По мере финализации внешнего дизайна пикапа совместная команда начала проектирование кронштейнов со списком желаний и потребностей. Эталонные кронштейны штамповались из высокопрочной низколегированной (HSLA) стали, выбранной за более высокие механические свойства и улучшенную коррозионную стойкость против углеродистой стали. Номинальная толщина 3 мм, вес каждого — 4,362 кг. Во-первых, композитные кронштейны должны поместиться в то же ограниченное пространство за бампером. Нужен материал с достаточной прочностью, чтобы толщина детали не увеличивалась значительно.

Во-вторых, передние бамперы обычно оборачивают передние углы авто для стиля. Но так как они удерживаются рамой жесткими стальными кронштейнами, при авариях бампер может смяться внутрь в колесо, негативно влияя на ориентацию колеса и блокируя рулевое управление. Желательно, чтобы кронштейны бампера отламывались при ударе для защиты колеса на стороне удара как можно дольше. С другой стороны, чтобы избежать гарантийных проблем, бампер должен держаться при нормальной эксплуатации весь срок службы. Нужно было сбалансировать эти конкурирующие потребности.

Еще одна проблема: из-за ограничений формовочности стали эталонные кронштейны не могли быть спроектированы для держав туманок, что требовало еще одной пары тяжелых металлических кронштейнов. Если возможно, команда хотела консолидировать державу туманок в композитный кронштейн.

Также важно было избежать точки зажима проводки при прохождении через кронштейн, чтобы предотвратить перетирание и обрывы проводов, ведущие к коротким замыканиям важных функций (фары, вентиляторы). Решение отверстиями в металлических кронштейнах требовало дополнительной штамповочной операции, увеличивавшей затраты на инструменты из-за ограничений свободы дизайна. Желательно решить это в композитном кронштейне. Конечно, важно избежать изменений в сборке автомобиля для использования композитных кронштейнов. И, как часто в автопроме, композитные кронштейны идеально должны быть легче и дешевле металлических эталонов. Последняя озабоченность: могут ли существующие CAE-модели точно предсказать высокоциклическую усталость/долговечность в дисконтинуированном волокнисто-усиленном термопласте.

Гибридный подход

С списком пожеланий команда приступила к работе. Раннее решение — выбор материала, с которым у FNG уже был опыт и который имел одобрение GM. Выбрали черный 40% массовой доли волокна (FWF) длинноволокнистое стекловолокно в полипропилене (LFT-PP) от Lotte Chemical (Сеул, Южная Корея) под названием Supran PP1340 GMW15890P. Так как кронштейны не экспонируются на солнце и достаточно далеки от тепла двигателя, прочный олефинный полимер даст адекватную термическую производительность. Высокотекучий, литьевой под давлением грейд с индексом текучести расплава (MFI) 40 обеспечил хорошее заполнение сложной геометрии без дополнительных впусков; лишние впуска создают линий сращения, слабее окружающего материала, их следует избегать в структурной детали, особенно проходящей аварийные тесты.

Для баланса конкурирующих потребностей долговременной долговечности и высокой аварийной производительности команда выбрала гибридный подход и разделила кронштейн. Часть, соединяющая бампер с рамой, осталась из HSLA стали, но внешняя часть конвертирована в композит. Это дало большую свободу дизайна для консолидации деталей, снижения массы и включения туманок, но композитная часть спроектирована так, чтобы отламываться при высокоскоростном боковом ударе, обеспечивая продольную ориентацию колеса как можно дольше для сохранения рулевого управления. Для выполнения всех требований GM в композитную часть добавили металлические вставки и три втулки для регулировки при сборке. Конструкторы обнаружили, что материал не мешает удлинению ноги кронштейна (кривых оконечных частей на композитном/коричневом CAE-дизайне) для охвата туманки, устраняя отдельный кронштейн в этом месте (рис. 1).

По мере продвижения проекта и производства физических деталей для тестов команда обрадовалась точности своих CAE-моделей. «Изначально сомневались, смоделируем ли правильно, учитывая прогноз высокоциклической усталости для долговечности и высоких перегрузок для аварийного моделирования», — отмечает Хё. «Удивительно, корреляция между предсказанными и измеренными результатами вибрационных испытаний была близкой, даже в аварии». Финальный дизайн кронштейна завершен менее чем за шесть месяцев. Размеры ~41 × 46 см, номинальная стенка 3 мм, ребра для более высоких механических свойств.

Инструментарий изготовила Integrity Tool & Mold Inc. (Олдкасл, Онтарио, Канада) — хорошо вентилируемый 2+2 стэк-молд с двумя полостями/пластину и двумя прямыми впусками (холодные каналы) с последовательным клапанным гейтингом, дающим 4 детали/цикл из-за высокого объема платформы Silverado. Литье делает дивизион Ventra Evart FNG. Цикл кнопка-в-кнопку — 60 секунд.

Значительные достижения

При первом коммерческом использовании гибридный подход GM на структурном кронштейне бампера (рис. 2) принес множество выгод. Во-первых, достигнута эквивалентная или превосходящая производительность в модальном, напряженном, усталостном и аварийном тестировании (см. таблицу ниже).

Гибридный стально/композитный кронштейн: 1-я мода 2,00 Гц, макс. смещение 213 мм, макс. напряжение 3,97 МПа (10 Gx); 381 мм / 31,7 МПа (20 Gx). Эталонный весь стальной: 2,36 Гц, 259 мм / 4,45 МПа (10 Gx); 480 мм / 30,1 МПа (20 Gx). Не только гибридный кронштейн с металлическими вставками снизил массу, но его адаптированная геометрия улучшила и напряженное, и модальное состояние.

Во-вторых, свобода дизайна композитов позволила более агрессивный стиль в малом пространстве. В-третьих, масса пары гибридных кронштейнов снижена на 2,5 кг/авто против эталона. Благодаря эффекту декомпенсации массы более легкие углы бампера позволили утончить бамперную опорную рейку и другие компоненты, так что общая масса системы переднего бампера снижена на 7,3 кг против модели 2016 г.

Кроме того, риск коррозии и гарантийные расходы снижены, так как композитный кронштейн не ржавеет. Снижение массы выгодно потребителям за счет улучшения топливной экономии или возможности перевозить более тяжелую полезную нагрузку без превышения законных пределов нагрузки на дорогу.

По стоимости детали гибридный кронштейн вышел в ноль из-за стоимости литейного молда. По системной стоимости были экономии за счет возможности утончения дополнительных компонентов, хотя точные цифры трудно количественно оценить. Кронштейн в производстве более трех лет без проблем.

Для следующего поколения Silverado команда Хё планирует продолжить гибридные кронштейны на переднем бампере, но уже бросил вызов команде подумать о гибридном подходе для задних кронштейнов. Это усложняется тем, что задние бамперы содержат ступеньки-помощники на углах для удобного подъема в кузов. Кроме того, больше компонентов (датчики парковки) упакованы за стальной кожей, сокращая пространство.

«Будем продолжать умный инженерный подход: смотреть на проблемы, понимать, как продукты используются и каковы их функциональные требования, и затем проталкивать конверт», — заключает Хё.