Обзор 2020 Chevrolet Corvette — Часть 1: шедевр из композитных материалов

Для Части 2 читайте «Композитный шедевр: 2020 Corvette, Часть 2».

Многообещаемое восьмое поколение Chevrolet Corvette (C8) от General Motors Co. (GM, Детройт, Мичиган, США), которое получает восхищения с официального открытия 18 июля 2019 года, начало коммерческое производство в начале этого года. Новые Corvette Stingray кабриолеты и купе примечательны не только своей красотой и тем, что GM произвела высокопроизводительный, уличный, среднемоторный ракетный корабль начиная с менее $60 000 USD — треть цены сопоставимых по производительности среднемоторных автомобилей — но они также обладают впечатляющим массивом нового и genuinно инновационного композитного контента, который мы опишем здесь и в Части 2 в следующем месяце.

Новая конфигурация двигателя меняет всё

Инженерия GM пошла в предварительный дизайн, зная, что они будут работать над среднемоторным автомобилем — первым производственным Corvette в восьми поколениях с этой конфигурацией. «Мы развили переднемоторную архитектуру так далеко, как могли для производительности, поэтому переход к среднемоторному дизайну был следующим логическим шагом для улучшения уже отличного автомобиля и стать лидером сегмента», — объясняет Тэддж Жуктер, исполнительный главный инженер Global Corvette GM. Оснащенный пакетом производительности Z51, 2020 Corvette Stingray может разгоняться 0–60 миль/ч (0–97 км/ч) за 2,9 секунды и достигать максимальной скорости 194 миль/ч (312 км/ч). Перемещение двигателя к задней части автомобиля повлияло на многое, включая центр тяжести автомобиля, относительное положение пассажиров, расположение трансмиссии и дизайн поддонных панелей и багажника. Среднемоторный дизайн также ввел более высокие рабочие температуры и шум в новые области автомобиля.

«Из-за среднемоторной схемы нам пришлось делать вещи иначе», — объясняет Эд Мосс, менеджер группы инженерии кузовной структуры Corvette. «С самого начала у нас было столько обсуждений о том, как выложить кузовную структуру. В какой-то момент всё было на столе, пока мы обсуждали лучший способ проектировать и строить каждую систему. Например, мы спорили металл против композита для крыльев. Если бы мы сохранили композитные крылья C7, нам пришлось бы клеить к шарнирной стойке [А-стойка], которая непосредственно примыкает к переднему колесу в среднемоторном автомобиле, оставляя очень мало упаковочного пространства. Мы выбрали металл там. Мы даже кратко обсуждали металл против композита для кузовных панелей. Однако было бы экономически нецелесообразно создать стилистические линии C8 в металле».

«Настоящим вызовом было, как обработать воздушную индукцию», — вспоминает Крис Басела, ведущий инженер кузовной структуры Corvette, объясняя необходимость другого метода для направления охлаждающего воздуха в и через естественно аспирируемый 495-сильный 6,2-литровый V8 двигатель, генерирующий 470 фуντ-фунтов (637 Н·м) крутящего момента. «Мы пробовали всевозможные дизайны, заставляющие воздух идти по действительно извилистым путям, создавая вихры и потоки, которые мы не хотели. Потребовалось много итеративной работы с командой силового агрегата для разработки лучшего пути для воздушного потока, потому что автомобиль должен свободно дышать без ограничений. Нам также нужен был доступ к воздухозаборнику и нужно было работать вокруг заднего багажника. Другая проблема — тепло и шум двигателя в пассажирском отсеке, потому что пассажиры больше не сидят за двигателем, а позиционированы прямо перед ним. И мы особенно осознавали качество воздуха в салоне, так как законы изменились в Европе и в других местах с C7, поэтому мы очень старались снизить ЛОС [летучие органические соединения]».

«Даже выяснение того, как собирать автомобиль, было вызовом», — добавляет Мосс. «С переднемоторным дизайном у вас длинный капот и большой двигательный отсек, дающий операторам много места для сборки автомобиля изнутри отсека, даже с уже приваренной передней бамперной балкой. На среднемоторном Corvette с его очень коротким передним клипом мы держим переднюю часть автомобиля открытой, пока автомобиль собирается, затем болтим передний бампер».

«Это был настоящий балансирующий акт, чтобы получить правильные формы, обеспечивая, чтобы наши поставщики могли производить детали, а наша команда в Боулинг-Грин [завод GM по сборке Corvette в Кентукки] могла их собирать», — продолжает Басела. «В итоге, был только один переносной композит от кузова C7 к C8». Это был твердый Класс А, удельный вес 1,2 прессованный листовой композит (SMC), разработанный для 2016 Corvette и используемый в различных внешних замыканиях на новом автомобиле.

Архитектура автомобиля

Для четырех поколений (C5–C8) Corvettes имели трехслойную мультиматериальную кузовную структуру: рама, обычно смесь алюминия или стали — на этот раз с деталью из карбонокомпозита (CFRP); кузовная структура, которая в основном склеена из композитов для использования гибкости дизайна и производства; плюс болтовые замыкания (кузовные панели), которые были композитными с дебюта Corvette в июне 1953 года. Эта слоистая гибридная структура не только обеспечивает доступное облегчение в высоких объемах производства — особенно для автомобилей этого класса производительности — но также позволяет производить множество вариантов автомобиля при низких инвестициях в инструментарий. Фактически, для текущего C8 GM смогла произвести все композитные панели кузова Класс А (склеенные внутренние и внешние) как на базовом купе, так и на кабриолете, используя всего 20 инструментов.

Кроме того, Corvettes всегда проектировались с открытой крышей архитектурой, независимо от того, являются ли они кабриолетами или купе с фиксированными или съемными панелями крыши. Поскольку автомобили с открытой крышей обычно менее жесткие, чем с фиксированными крышами, важный фокус для инженерии каждого Corvette — всегда создавать максимально жесткий фундамент для улучшения подвески и рулевого управления. Исторически, тоннели (размещающие трансмиссии и карданные валы на переднемоторных автомобилях) доминировали в кузовных структурах Corvette и были ключевыми энэйблерами для достижения высокой крутильной жесткости. В случае нового Corvette, GM достигла еще более высокой жесткости. С снятой крышей, кузов C8 на 53,78% жестче, чем эталонный высокопроизводительный среднемоторный конкурент, на 29,27% жестче, чем второй высокопроизводительный среднемоторный конкурент, и на 13,79% жестче, чем C7. Две композитные детали сделали важный вклад в жесткость автомобиля — одна, прямо прикрепленная к раме (задняя бамперная балка) и другая, прикрепленная к поддону (нижнее замыкание тоннеля).

Рамная структура

Рама C8 в основном из алюминиевого сплава с одной CFRP-деталью, разработанной для соответствия строгим целям GM по долларам за килограмм. В противовес, рама C7 была полностью алюминиевой, а C6 — в основном стальной.

Единственная композитная деталь, непосредственно смонтированная на раме, которая проходит с кузовом-в-белом (BIW) через электрофоретный процесс антикоррозийного покрытия (который GM называет ELPO), — уникальная CFRP задняя бамперная балка. Эта деталь помогает укрепить раму и способствует задней ударной производительности. Её кривая форма — возможная благодаря новому процессу под названием радиальная пультрузия, разработанному Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (TTI, Бремерфёрде, Германия) — позволяет ей соответствовать задним стилистическим подсказкам и помещаться в ограниченное упаковочное пространство, сохраняя размерную стабильность близко к телу двигателя. Как первая в автопромышленности кривая пультрудированная деталь (см. наш полный обзор этой детали в выпуске CW май 2020), полая двухкамерная балка была произведена Shape Corp. (Гранд-Хейвен, Мичиган, США) на оборудовании, разработанном и построенном TTI. Балка весит всего 1,3 кг и обладает склеенным/заболтованным глазком буксира, способным к 25 кН силы вырывания.

Кузовая структура: часть А

Практически все компоненты кузовной структуры C8 — композитные и склеены и/или закреплены болтами к раме после прохождения последней ELPO. Заметные композитные детали на этом уровне включают структурные поддонные замыкания и пол — которые мы рассмотрим в этом выпуске — и передние и задние багажники, индукционные воздуховоды, заднее окружение и переборку — которые мы рассмотрим вместе с кузовными панелями и обшивкой в следующем месяце.

Съемное нижнее-тоннельное структурное замыкание на C8, которое действует как дверь доступа, вносит более 10% в крутильную жесткость автомобиля и действует как первичный путь нагрузки при аварии. Эта гибридная композитная панель состоит из трех слоев стекловолокнистого преформа. Они состоят из непрерывных/тканых и рубленых/случайных волокон при 38% объемной доле волокна (FVF), с вейлами, добавленными к верхним и нижним лицевым слоям на каждом стеке для улучшения поверхностной отделки. Стеклопреформы перечередуются с двумя слоями преформ, сделанных с использованием Toray (Токио, Япония) T700 12K стандартного модуля карбонового волокна в виде NCF биаксиальной ткани при 21% FVF и винилэфирной (VE) матрицей. Замыкание производится Molded Fiber Glass Co. (MFG, Аштабула, Огайо, США) с использованием их проприетарного процесса PRiME (Prepositioned Reinforcement ensuring Manufacturing Excellence), типа жидкого компрессионного литья (LCM).

Помимо единственного алюминиевого замыкания у задних колес, которое является частью крепления двигателя, остальные поддонные панели состоят либо из прессованного SMC, либо из литьевых термопластиков. Среди прочих выгод, эти панели снижают поддонную турбулентность и лобовое сопротивление, улучшают топливную эффективность и удерживают влагу, пыль и камни вне двигателя и трансмиссии автомобиля. Кроме того, они обеспечивают размерный фундамент для множества внешних и внутренних интерфейсов.

Низкодистые, но структурные SMC панели имеют новые формулировки (в этом случае, 40% FVF рубленое стекловолокно/ненасыщенная полиэфирная (UP) смола), разработанные MFG. Материал называется «float» SMC, потому что плотность каждой панели менее 1,0 (средний уд. вес = 0,97) и поэтому может плавать в воде. MFG произвела все структурные SMC и LCM-детали на автомобиле.

Автомобиль также имеет гибридный пол, оптимизированный для крутильного изгиба и защиты от бокового столбового удара (задействующий пороги и тоннель, к которым он присоединен). Панелей пола имеют кабинную сторону из штампованного алюминия, склеенную с листами дорожной стороны 1,5 уд. вес композита (60 вес-% непрерывное и тканое стекловолокно/VE), произведенные через процесс PRiME. Перед термосклеиванием обоих слоев полиуретановым структурным клеем Pliogrip 9100 от Ashland Global Holdings Inc. (Уилмингтон, Делавэр, США), MFG очищает и подготавливает материалы.

Все композитные детали, непосредственно склеенные к раме C8, сначала подвергаются лазерной аблиции, процессу, разработанному GM, MFG и Adapt Laser Systems LLC (Канзас-Сити, Миссури, США) для 2016 Corvette, и адаптированному от метода композитной отрасли для очистки форм. Лазерная аблиция заменяет ручную шлифовку и снижает трудозатраты, время и стоимость, устраняет пыль и улучшает повторяемость. Лазерный путь, угол атаки и уровень энергии настраиваемы для материала и геометрии каждой детали. Для максимизации производственной гибкости весь поддон, включая пол, подключен к раме и сам к себе через склеивание и винты.

В августе выпуске CW мы продолжим освещение композитных инноваций на новом Corvette, возобновляя с дополнительными компонентами на уровне кузовной структуры и заканчивая внешними замыканиями (кузовными панелями), плюс дополнительной обшивкой и апгрейдами. См. Часть 2.