1

Reducerea consumului de combustibil prin reducerea masei automobilului

Student : FOGAROSI LUDOVIC-RADU Universitatea «Transilvania » Brasov

Facultatea de Inginerie Mecanica

2

Introducere De la inceputul erei industriale, otelul si fonta au constituit „inima” progresului din principalele

sectoare industriale. In timp ce in tarile dezvoltate se inregistreaza deja o tendinta pe termen lung de reducere a cererii pentru produsele din industriile material - intensive, precum si un declin al intensitatii materiilor prime utilizate, consumul redus de materiale devine un element esential al tehnologiilor de fabricatie din aceste tari; se manifesta nevoia de materiale mai usoare, mai rezistente si mai durabile. Exista problema ridicata de consumul mare de energie inglobata in aceste materiale, dar si de pretul uneori prea ridicat al acestora. In ultimul timp s-a conturat ideea ca extinderea utilizarii a materialelor compozite in sensul aplicarii lor pentru noi subansamble in industria automobilelor nu este posibila, fara a se apela la plasticele armate de inalta calitate.

Notiuni teoretice

Posibilitatea deplasarii automobilelor apare ce efect al utilizarii energiei dezvoltate de motor care este transmisa la rotile motoare. Caracterul miscarii automobilului e dat de marimea si sensul fortelor care actioneaza asupra lui cum ar fi: forta de tractiune, rezistentele la inaintare, reactiunea drumului, fortele de inertie. La deplasarea uniforma a automobilului fortele de tractiune echilibreaza suma fortelor de rezistenta la inaintare iar forta de inertie este 0.

In cazul miscarii accelerate care caracterizeaza demarajul, forta de tractiune echilibreaza atat rezistentele la inaintare, cat si forta de inertie iar surplusul de energie dezvoltata de motor va fi utilizata la accelerarea miscarii, acumulandu-se ca energie cinetica a automobilului. In timpul functionarii, aceasta energie cinetica foloseste le invingerea rezistentelor la inaintare, intrucat in acest regim de deplasare forta de tractiune este 0, iar forta de inertie devine forta activa.

In timpul deplasarii automobilului, asupra acestuia actioneaza o serie de rezistente care se opun inaintarii lui si a caror marime influenteaza atat caracteristima miscarii si marimea vitezei de deplasare a automobilului cat si consumul de combustibil.

FR = Fr ? Fp + Fa ? Fd

“+” - la demarare; “-“ - la franare. In timpul deplasarii automobilului, forta la roata FR trebuie sa invinga, echilibreze suma tuturor

rezistentelor la inaintare, si anume: rezistenta la rulare Fr, rezistenta la urcarea pantei Fp, forta de rezistenta a aerului Fa si forta de demarare Fd.

Rezistenta la rulare. Aceasta forta apare din acuza faptului ca rotile automobilului sunt echipate cu pneuri, adica pneurile automobilului sunt elemente elastice.

Fr = f?Ga?cos a

f-coeficient de rezistenta la rulare Ga-greutatea automobilului a-unghiul de inclinare al pantei (in cazul in care exista panta/rampa). Rezistenta la urcarea pantei. Aceasta rezistenta este data de componenta paralela cu drumul a

greutatii totale a automobilului.

Fp = Ga?sin a

3

Rezistenta la demarare. Aceasta rezistenta actioneaza asupra automobilului la deplasarea acestuia la regimuri tranzitorii si anume : in regim de demarare – ca forta de rezistenta ; in regim de franare – ca forta activa.

Rezistenta la demarare se datoreaza inertiei totale a automobilului ca masa totala in miscare de translatie sau ca inertie a pieselor aflate in miscare de rotatie.

Fd = (??Ga/g)?(d va/d t)

?-reprezinta coeficientul maselor in miscare de rotatie d va/d t-derivata vitezei automobilului in raport cu timpul g-acceleratia gravitationala(g=9,81 m/s2).

Se observa ca toate cele trei forte de rezistenta depind de masa automobilului. Cu cat aceasta masa scade vor scadea si energiile suplimentare folosite pentru invingerea acestor forte. Scazand fortele de rezistenta, va scadea si consumul de combustibil al automobilului.

Un alt parametru important in cadrul rularii automobilelor este coeficientul de aderenta ? ce

caracterizeaza taria contactului dintre roata si drum si e dat de raportul dintre reactiunea tangentiala maxima sau forta de tractiune maxima si greutatea automobilului.

? = Xmax/Ga = Ft max/Ga

Aderenta dintre roata si drum depinde de urmatorii factori : - frecare dintre pneu si suprafata drumului ; - rezistenta materialului drumului la deformare ; - adancimea de patrundere a rotii in drumul deformabil. Coeficientul de aderenta va creste odata cu scaderea masie automobilului. 1. Constructii usoare de automobile ; prezent si viitor Preocuparea pentru constructii de masini usoare prezinta un potential deosebit, peste tot, unde se

impune reducerea fortelor de greutate si ale celor de inertie. Aceasta tendinta este, deja de demult, în atentia constructorilor de vapoare si de vehicole aerospatiale, pentru ca primele sa fie mai plutitoare iar celelalte sa poata depasi atractia gravitationala.

Necesitatea micsorarii masei se impune – în special – în domeniul vehicolelor pe roti, a caror deplasare necesita energie, si, în consecinta, genereaza emisii daunatoare mediului. Dupa cum se cunoaste asupra oricarui corp actioneaza odata forta gravitationala (a carei marime este definita ca produsul dintre masa si acceleratia gravitationala) si a doua oara, daca el se afla în miscare, în perioadele de accelerare actioneza forta inertiala definita de produsul dintre masa si acceleratie. Aceasta acceleratie se deosebeste de cea gravitationala prin faptul ca are marime si directie variabile. De aici rezulta ca fortele gravitationale se pot reduce numai prin micsorarea masei pe când cele de inertie si prin micsorarea acceleratiei, ceea ce nu constituie o solutie deoarece lungeste timpul pentru obtinerea vitezei programate. Ramâne deci, si aici, numai solutia reducerii masei, în conditiile respectarii celorlalte proprietati impuse de functionarea unei masini. Reducerea masei înseamna implicit o reducere de energie si de emisii daunatoare mediului.

Pe de alta parte masinilor li se cere astazi un raspuns rapid la comenzi (o dinamica înalta) al carui timp depinde de asa numita frecventa proprie a structurii: cu cât aceasta este mai înalta raspunsul amintit este mai prompt. Aceasta frecventa depinde, la rândul ei, invers exponential de masa. Iata de ce si din acest punct de vedere reducerea masei este la fel de importanta. Realizarea de “constructii usoare” nu se refera, azi, doar la înlocuirea materialelor de pâna acum cu unele având densitate mai mica (aluminiu, magneziu, titan, sintetice armate cu fibre, etc.) ci si la o “alcatuire geometrica” mai rationala a

4

rodusului, mai bine adaptata la cerintele functionale, la alegerea si combinarea materialelor raportata atât la tipul de solicitare cât si la tehnologia optima de executie. Alegerea se cere facuta si în vederea unei sortari facile, dupa expirarea produsului, în vederea recliclarii. Ele trebuie alese si dupa criteriul comportarii optime la tipurile dominante de solicitare. Este cunoscut, de la constructia cadrului bicicletelor, ca grosimea peretilor tevii cadrului, la aceeasi solicitare, poate varia cu pâna la 500 % în functie de materialul ales (aluminiu, titan, magneziu etc). Reducerea greutatii bicicletei, remarcata semnificativ în ultimul deceniu, înseamna reducerea energiei ei de actionare. Este de asemenea gresit a se considera ca exista un anume material pentru “constructii usoare”, un material universal. El se cere ales în functie de felul solicitarii la care este supus. Astfel materialele sintetice armate cu fibre se aracterizeaza printr-o rigiditate de exceptie, superioara metalelor, cu preferinta la solicitari de tractiune si comprimare.

“Constructiile usoare” constituie azi un scop distinct pentru realizarea produselor inovative în toate ramurile industriale si – în special – pentru vehicole. Comisia si parlamentul european limiteaza consumul de combustibil pentru anul 2005 la maximum 5 l/100 km ceea ce corespunde unei emisii de CO2 de 120 g / km (25 % reducere fata de anul 1995).

Alegerea materialelor trebuie, însa, sa aiba la baza considerente economice. În functie de felul vehicolului, 1 kg de masa economisita nu e voie sa scumpeasca un vehicol spatial cu mai mult de 8800 $, un avion cu 1000 $ iar un automobil cu 7 $. Dezvoltarea si disponibilitatea de noi materiale presupune si implicarea de tehnologii noi utilizabile într-o productie de serie. Preocuparea pentru “constructii usoare” nu impune aprioric eliminarea otelului. Nu numai densitatea unui material îl face, sau nu, utilizabil în asemenea constructii. Uneori este mai importanta alegerea configuratiei geometrice astfel încât proprietatile materialului sa fie optim folosite.

Recent au fost dezvoltate sortimente de otel având combinatii de aliere si tratamente termice concepute sa corespunda unor cerinte de solicitare deosebita (otelurile TRIP* si TWIP**). Acestea asigura o rezistenta mai mare (în domeniul plastic) efect care se obtine prin formarea unei faze austenitice metastabile, care la deformare se converteste în martensita (TRIP) sau într- o stare bifazica (TWIP). Dirijarea localizata a combinatiilor amintite conduce la cresteri locale de ductibilitate si de rezistenta prin întarire la deformare plastica ceea ce face posibila utilizarea otelului în constructii usoare. Prin configurarea adaptata la solicitare, a diferitelor grosimi de tabla într-o singura placa se poate obtine de asemenea o scadere a greutatii. Datorita flexibilitatii si performantelor sudurii cu laser este posibil a se îmbina table de grosimi si/sau calitati diferite.

Tehnol ogia îmbinarii este mai scumpa dar, per produs, acest dezavantaj este compensat. Spre exemplu o usa a unui vehicol cere grosimi mari de material în dreptul zavorului si a balamalelor. O sudare laser rezolva cerinta facând inutile ranforsarile în aceste locuri de la grosimi de 0.65 mm la 1.75 mm. Azi este posibila si o laminare flexibila (grosime variabila ceea ce permite o trecere progresiva de la o grosime la alta asigurând-se astfel omogenitatea proprietatilor). O tehnologie, nu prea recenta, dar aflata în plina relansare, se refera la deformarea interioara, hidraulica, la presiuni mari. În ciuda costurilor mai ridicate ea aduce avantajul realizarii procesului într-o singura faza chiar pentru piese cu un grad mare de integrare functionala. În principiu operatia se realizeaza într-o incinta închisa unde piesa supusa unei presiuni mari ia forma locasului unde este presata. Rezultatul depinde de fortele de frecare piesalocas si de proprietatile de “curgere” ale materialului. Un suport de motor, astfel realizat a condus la o reducere a greutatii cu 30 % si-a costului global cu 20 %. Procedeul permite, pentru piesele de forme complexe, ca numarul “amanuntelor” de forma sa fie substantial redus, sa se faca o optimizare pe criteriul solicitarii precum si sa se realizeze “bombari” pentru cresterea momentului de inertie polar (în loc de ranforsari cu piese suplimentare). Pentru proiectare în aceast sens metoda elementului finit este de neînlocuit !

Un material “usor” folosit de mult timp si cu tehnologie pusa la punct, este aluminiul. Turnat sub presiune, el este folosit pentru blocuri de motoare si carcase, în care sunt încorporate

(prin turnare directa sau prin presare), bucse de ghidare din fonta sau aluminiu (rezistent la frecare, cu continut mare de siliciu). Folosirea, mai recent, a turnarii sub presiune în vacuum permite, odata,

5

realizarea de pereti subtiri si, a doua oara, o mare integrare functionala. Se pot fabrica cu precizie, de asemenea, structuri mari, închise (rame, caroserii), ceea ce permite eliminarea operatiilor de sudura si de alte prelucrari finale. Asa numita turnare fina*** este o metoda recent raspândita. Un succes mai mare este si acela al solidificarii controlate (prin racire comandata local) ceea ce permite influentarea proprietatilor în asa fel încât distribuirea diferita a masei, si vitezele de racire diferite, sa nu conduca la inomogenitati de structura si rezistenta. O caroserie auto astfel executata are o greutate cu circa 20 % mai mica. Energia consumata în proces este mai mare, dar costurile suplimentare sunt compensate prin ieftinirea reciclarii materialului. Aluminiul, cel mai raspândit element metalic din scoarta pamântului, a capatat, în secolul nostru, o importanta deosebita. Dupa fier, a devenit metalul cu cea mai larga întrebuintare. Datorita proprietatilor sale s-ar putea spune ca fara aluminiu progresul civilizatiei umane si chiar nasterea unor noi domenii de activitate tehnico - industriala, inclusiv zborurile cosmice, ar fi de neconceput. Denumirea aluminiului deriva de la sulfatul dublu de aluminiu si potasiu (alaun), substanta cunoscuta la romani sub denumirea de "alumen" si folosita ca mordant în vopsitorie. În natura nu se afla în stare libera, ci numai sub forma de combinatii chimice ca oxizi sau silico - aluminati. Cel mai utilizat minereu pentru fabricarea aluminiului este bauxita, în care aluminiul se gaseste, în special, sub forma de hidroxid. Aceasta a fost descoperita pentru prima data în localitatea Les Baux (Franta), de unde I se trage si numele si unde se gaseste în cantitate foarte mare. De asemenea rezerve importante de bauxita se afla în U.S.A., Rusia, Australia, Brazilia, India, etc. Aluminiul a fost obtinut pentru prima data de H.C. Oersted în 1925 si în anul 1927 de F.Wohler. În descrierea proprietatilor aluminiului, Wohler sustinea ca este unul din metalele cele mai usor corodabile. Saint - Claire Deville, la Ecole Normale din Paris, prepara si el aluminiul pentru a-i studia proprietatile, cu care ocazie gaseste, dimpotriva, ca este unul dintre metalele care se oxideaza cel mai greu. El constata ca în aer liber aluminiul se conserva excelent, datorita formarii unei pojghite subtiri de oxid care apara restul metalului de coroziune. Este vorba deci de un fenomen cunoscut sub denumirea de pasivizare. Proprietatile interesante pe care le - a remarcat la aluminiu îl determina pe Saint - Claire Deville sa se preocupe intens pentru fabricarea acestui metal. Cu sprijinul financiar al guvernului francez al lui Napoleon al III-lea el reuseste sa prezinte, în 1855 la Expozitia universala din Paris, o bara de aluminiu, în greutate de câteva zeci de kilograme, obtinuta din bauxita. Deville numeste acest metal foarte usor si stralucitor (ca argintul) "argint de lut", însa metoda sa pentru obtinerea aluminiului nu a putut fi extinsa deoarece era prea scumpa. Aluminiul este un metal alb-argintiu si care poseda o mare plasticitate. Cristalizeaza în sistemul cubic cu fete centrate fara a mai avea si alte forme alotropice. Din punct de vedere al proprietatilor fizice se remarca în primul rând faptul ca este un metal usor, având o greutate specifica, la 200 C, de 2,7 kg/dm3. Datorita acestei proprietati este întrebuintat, cantitati mari, ca metal sau sub forma de aliaj în industria aeronautica si navala. Dintre proprietatile fizice deosebite pe care le mai are aluminiul trebuie mentionate buna conductibilitate termica si electrica. La temperatura de 200 C, rezistivitatea electrica are o valoare de 0,027 mm2/m, iar conductibilitatea termica de 2,176 J/cm.s.0 C. datorita acestor calitati aluminiul este folosit în industria electrotehnica sub forma de sârma, înlocuind conductorii electrici din cupru care sunt mai scumpi. Este un metal maleabil si ductil, ale carui proprietati mecanice sunt influentate de impuritatile pe care le contine, precum si de procedeul de prelucrare la care a fost supus. Ca urmare, poate fi tras sub forma de sârma sau laminat în foite subtiri (0,005 mm grosime), utilizate la ambalarea produselor alimentare, farmaceutice si în alte scopuri. Fiind un metal cu proprietati diferite are numeroase utilizari în foarte multe domenii. Ca urmare, productia mondiala de aluminiu, în anul 1970, a atins 10.000.000 tone pe an. Printre tarile producatoare de aluminiu se numara si România a carei productie de aluminiu depaseste în prezent 200.000 tone pe an. Productia de aluminiu la noi în tara a început în anul 1965 la

6

Întreprinderea de aluminiu Slatina. Cea mai mare parte din productia de aluminiu se obtine prin electroliza aluminei topite. Deoarece bauxita, pe lânga Al2O3; contine numeroase impuritati (SiO2; Fe2O3; TiO2; CaO; etc.) în prima faza sunt necesare o serie de operatii pentru obtinerea aluminei pure. Daca bauxita are un continut mai mic de 8% SiO2 obtinerea aluminei pure se face dupa procedeul Bayer, aplicat si în tara noastra. Procedeul poarta numele chimistului K.I.Bayer, care l-a conceput si experimentat la Petrograd, la sfârsitul secolului trecut. Potrivit acestui procedeu bauxita macinata este descompusa cu ajotorul unei solutii concentrate de hidroxid de sodiu, la o temperatura de 180-2000 C si la o presiune de 18-30 at., dupa reactia: Al2O3 *H2O+2 NaOH=2 NaAlO2 + 2H2O În continuare, produsul rezultat din reactie este trecut într-un bazin cu apa unde aluminatul de sodiu se dilueaza si trece în solutie, iar rezidurile ramân pe fundul bazinului sub forma unui mâl, numit namol rosu. Dupa decantare si filtrare, solutia de aluminat de sodiu se dilueaza cu apa, operatie care se face într-un recipient, obtinându-se descompunerea aluminatului de sodiu, potrivit reactiei: 2AlO2Na + 4H2O= 2 NaOH + 2Al(OH)3. Alumina hidratata rezultata din reactie precipita, iar hidroxidul de sodiu ramâne în solutie. Dupa filtrare, alumina hidratata se calcineaza urmând a fi dizolvata în criolit topit si supusa electrolizei, care reprezinta o alta etapa importanta din metalurgia aluminului. Aluminiul are multe întrebuintari de aceea astazi industria aerospatiala este de neconceput fara aluminiu si aliajele sale. Si în mijloacele de transport terestre (automobile, vagoane de cale ferata, etc.) aluminiul îsi aduce o importanta contributie. De asemenea, vastele retele elctrice cu ajutorul carora energia electrica este transportata la mari distante nu s-ar fi putut realiza numai pe baza de cupru, fara aportul aluminiului.

Un alt material usor, în renastere utilizatorica, este magneziul (în special în industria auto: carcasa cutiei de viteze si a blocului de aspiratie, componente de directie, suporti, genti de roti, etc.). El este folosit si pentru masini si aparate manuale, produse ale industriei electro, aparate portative pentru comunicatii (Laptop) capete port-scule, etc.. Aliajele de magneziu au o capacitate de turnare exceptionala. În comparatie cu aluminiul unde grosimile minime de pereti sunt de 2.5 ??3 mm în cazul magneziului ele sunt de 1?2 mm, Cu el se pot realiza piese cu suprafete mari si de forme complexe. Piesa turnata, datorita constructiei monocorp, înlocuieste un ansamblu echivalent de 40 ??60 de componente eliminând nevoia de sudare la montaj si conducând la o reducere de masa cu 2/3. Prin deformare plastica, la impact, aliajul preia mult mai multa energie. Desi el se poate turna aproape la forma finita, datorita preciziilor impuse azi sunt necesare uneori si prelucrari prin aschiere. Din nou, desi, el este bine si productiv prelucrabil (viteze de aschiere la frezare frontala de pâna la 4000 m/min si de avans de 25 m/min) permitând obtinerea de rugozitati sub 10 µm si forte mici de aschiere el prezinta riscul aprinderii aschiilor (în special în cazul racirii/ungerii cu ulei a carui ceata poate declansa explozii care sa aprinda magneziul). Realizarea filetelor cu acest material este foarte dificila.

Relativ recent s-a introdus si utilizarea în constructii usoare a “spumelor metalice”. Acestea pe lânga avantajul densitatii reduse îl au si pe acela ca o mare parte a volumului produsului nu este umplut cu material metalic ci cu gaz. De regula “spuma” se placheaza cu tabla subtire din otel, aluminiu, sau alte metale ceea ce îi asigura o buna rigiditate si o mare capacitate de amortizare. Prepararea spumei se bazeaza pe tehnologia pulberilor: într-o pulbere metalica se adauga 0.15 % substanta solida de activare (de exemplu o legatura metal-azot) dupa care urmeaza o deformare la rece, prin presare de extrudare, prin care se obtine o forma solida, prelucrabila pe mai departe. În încheiere semifabricatul se încalzeste la o temperatura prin care materialul de baza al spumei trece într-o stare fluida iar materialul activ se separa în metal si gaz. Un asemenea semifabricat devine de opt ori mai rigid decât o structura bordurata din otel. Materialul este sudabil deoarece capacitatea de conducere a caldurii a spumei este foarte mica.

Materialele sintetice prezinta, de asemenea, un potential mare pentru constructii usoare. Densitatea lor (0.9 g/cm3 ›1.9 g/cm3) se situeaza sub aceea a materialelor metalice. Ele au proprietati

7

care ofera posibilitati multiple de obtinere a formei fara aschiere. Proprietatile lor mecanice se pot modifica prin adaosuri de umplere si de întarire. Ele se pot colora divers, sunt rezistente la diferite chimicale si la coroziune dar prezinta o rezistenta scazuta a formei la caldura, o tenacitate scazuta la lovire (la temperaturi reduse) si o rezistenta scazuta la ultraviolete. Pe de alta parte ele permit o integrare functionala înalta si o acoperire (prin stropire) cu întaritori metalici.

Termoplastele constituie azi cea mai mare parte a materialelor sintetice utilizate în industria auto. Întarite cu fibre de sticla ele permit înlocuirea de metale si în locuri puternic solicitate. Ele sunt folosite si la confectionarea de caroserii auto (unde exista suprafete mari) putându-le asigura o perfectiune geometrica, omogenizate, rigiditate mare, dilatare termica scazuta si colorare diversa. Economia de greutate poate atinge 60 % iar reducerea de pret 30 %. Esential în alegerea materialului este perfecta cunoastere a solicitarilor (ca marime si directie), calitatea si pozitia fibrelor distribuite anizotropic, ordonate pe directiile solicitate. Ramforsarile cu fibra de carbon sunt deja utilizate în aviatie, marina, recipiente, articole de sport, etc.. Aceste materiale au însa timpi mari de procesare ceea ce nu le face rentabile pentru serii mari de fabricatie. Dezavantajos este aici si dificultatea recunoasterii defectelor, a reparatiilor, mai ales ca dupa acestea nu mai este asigurata structura initiala datorita întreruperii fibrelor. Orientarea descrisa se aplica si la piesele metalice la care se induc modificari de proprietati (prin tratament de suprafata, aliere partiala, ecruisari cu jet de bile, laminare cu grosime variabila). Imprimarea si structurarea (prin deformare) de “solzi” pe suprafetele tablelor duc la cresterea rigiditatii, a rezistentei la vibratii si chiar a rezistentei propriu-zise.

Materialele ceramice cunosc de asemenea o mare raspândire. Ele exista într-o mare diversitate. Le vom aminti doar în masura posibilitatii folosirii lor ca materiale usoare. Aceste materiale pot fi oxidice, carbidice sau nitridice. Ele au densitatea cuprinsa între 2.5 si 6 g/cm3 (mai mica decât a otelului). Modulul lor de elasticitate este cuprins între 170000 si 410000 N/mm2 (dependent de tehnologia de producere dar necorelat cu densitatea). Caracteristica lor esentiala este rezistenta la temperaturi înalte (~1100 oC). Ele se preteaza la utilizari tribologice în care domina uzura de abraziune. Au însa o ductilitate foarte scazuta. La deformari elastice de (0.08...0.48) % în ele apar rupturi neprecedate de deformari plastice (pe când în cazul otelurilor îmbunatatite acestea sunt capabile ca prin mici deformari plastice sa preia vârfuri de tensiune).

Materialele ceramice nu se pot folosi în piese în care apar vârfuri de tensiuni la întindere. Ele se folosesc azi la supapele de evacuare ale motoarelor termice care sunt supuse la solicitari complexe, mecanice, termice, abrazive si corozive, sau în constructii mixte (discuri de frâna din carbura de siliciu cu butuc de otel, carora le asigura o usurare cu 20%, stabilitate termica si rezistenta la uzura. Un asemenea disc rezista la temperaturi de pâna la 800 o C si poate prelua energii de pâna la 30MJ.

Înca odata, la alegerea materialelor în vederea “constructiilor usoare” eficienta maxima se obtine daca piesa este conceputa cu geometrie optima în raport cu solicitarile la care este supusa. Ramâne înca dificila problema îmbinarilor, în special pentru materiale diferite. Pe lânga procedeele clasice (sudura, nituire) azi se realizeaza deja procedee prin deformare (care nu produc modificari termice) îmbinari prin întrepatrundere (cu sau fara elemente suplimentare). Este vorba despre o “îmbucare” mecanica, la care proprietatile mecanice, termice si chimice (care au influenta în cazul sudurilor si lipirilor) nu joaca nici un rol. Acest procedeu permite, la expirarea produsului si o plenara, rapida si ieftina recuperare a materialelor în vederea recilarii. Pentru configurarea geometriei piesei, vor exista mai multe solutii, din care trebuie aleasa aceea care asigura tehnologia cea mai ieftina. Cu ajutorul metodei elementului finit (pentru care exista astazi pachete de programe) se asigura ca în zonele mai putin solicitate ale piesei acestea sa fie mai “svelte”, criteriul fiind acela al unei repartitii egale a tensiunilor.

Un aspect important azi, în special pentru vehicole, este si acela al capacitatii de absorbtie a energiilor de impact, a vibratiilor, a reducerii zgomotului. În acest sens s-au dezvoltat structuri celulate (fagure), table cu “solzi” imprimati, etc..

O preocupare sustinuta în acest sens a facut posibila realizarea unor trenuri ultrarapide (350 km/ora), la care inovatiile aduse (transformatoare cu greutate redusa, electronici noi de putere,

8

ansambluri noi de redresare, renuntarea la variatoare) au facut posibil ca si “locomotiva” sa poata fi utilizata ca vagon, sa se reduca greutatea actionarii de la 7 kg/kw la 2.5 kg/kw, iar masa per scaun persoana la 50% (caroserii de vagoane din materiale usoare), masuri care duc la cresterea capacitatii de accelerare a trenului, la scaderea costurilor pe ciclu de viata al lui cu 65% si a consumului de energie la 2.5 litri combustibil/km/persoana.

Pentru realizarea de “masini usoare” problema se reduce deci la 4 criterii: materiale, conceptii constructive si tehnologice stiintifice, interdisciplinalitate în proiectare, executie si refolosire, precum si o analiza economica temeinica în care factorul ecologic sa fie pe prim plan.

2. Materiale compozite si utilizarea lor in industria autovehiculelor Materialele compozite, in viitor vor juca din ce in ce mai mult un rol important in executia

organelor importante, de greutate mica, specifica pieselor de motor, dar si de transmisie, suspensie. Pentru unele elemente de structura din constructia autovehiculelor, se vor utliza unele materiale laminate mixte din metal-materiale plastice denumite si tip „sandwich” (simplu sau multistratificat).

Aceste laminate se compun dintr-un material plastic cuprins intre doua straturi metalice (otel sau aluminiu) , laminarea realizandu-se la cald, sub presiune. Sunt destinate a inlocui otelul, fiind in competitie cu aluminiul, pentru ca acestea reprezinta o combinatie intre greutatea redusa a materialului plastic (polipropilena sau polietilena) si rezistenta, rigiditatea ale otelului respectiv a aluminiului. Se poate obtine o reducere a greutatii cu 50%, pentru o majorare a grosimii laminatului cu 10%. Poseda bune proprietati anticorozive si de izolare termica, rezistenta la caldura, la produsele chimice sau petroliere dar si o reducere a pretului de 2...3 ori fata de otel.

Analizand implicatiile inlocuirii metalelor cu astfel de materiale trebuie mentionat ca avantajul nu se rezuma numai la reducerea greutatii, ci de multe ori si la o functionare egala sau superioara. Se preconizeaza astfel ca pana in anii 2005-2010 circa 10% din masa automobilului vor fi mase plastice armate. Se estimeaza o reducere a greutatii cu circa 10% pana in anul 2005.

O problema foarte importanta o constituie utilizarea rationala a materiilor prime. Si din acest punct de vedere se impune reducerea masei automobilului, pentru a reduce consumul de materiale si a creste procentul din masa reciclabila a acestuia. In prezent circa 75 % din masa automobilului este reciclabila ( 5,4% materiale neferoase: 3% Al, 0,4% Cu, Zn, 2% echipamente electrice; 70,1% materiale feroase: 13% fonta, 13% piese forjate, 39% tabla, 5,1% echipamente mecanice). Raman nerecuperate (reziduuri): 24,5% materiale: 8,5% plastice, 3,5% sticla, 1% textile, 0,5% hartie, 2,8% altele, 3% echipament electric, 4% cauciuc, 1% ulei si unsori. Se preconizeaza ca pana in 2005 circa 85% din masa automobilelor (cele care ies din functiune la data mentionata) sa fie reciclabila iar pentru cele noi proiectate procentul sa fie 90%. Pe un termen mai lung se preconizeaza ca in procent de 95% din masa automobilului sa fie reciclabila.

Materialele compozite se dovedesc a fi competitive atat sub aspectul pretului cat si al posibilitatilor de inlocuire si/sau completare cu succes a materialelor traditionale (metal, ceramica, sticla). Cercetarile in vederea utilizarii materialelor compozite au ca scop nu numai inlocuirea acestor materiale traditionale dar si aplicatii specifice datorate proprietatilor particulare pe care le prezinta.

In determinarea proprietatilor fizice ale materialelor compozite se utilizeaza legea amestecurilor, scrisa sub forma generala: ?????????????????????? Pc=SPi*wi , unde : Pc = proprietatile materialului compozit Pi = proprietati ale componentelor; wi = fractia de volum a componentelor.

In cazul proprietatilor mecanice, in aceasta ecuatie trebuie inclusi parametrii care sa tina seama de dimensiunea particulelor agentului de umplutura, orientarea, geometria de impachetare, interactiile specifice intre matrice si agentul de umplutura si de efectele de-a lungul interfetei. Din aceste motive, proprietatile fizice si chimice ale compozitelor nu pot fi descrise printr-o ecuatie unica.

9

In tabelul de mai jos se pot urmari caracteristicile mecanice ale unor materiale plastice compozite, precum si cauzele limitarii utilizarii lor in comparatie cu materialele clasice: otel si aluminiu.

Tabel nr 1.

Aluminiu, datorita densitatii sale reduse si a rezistentei mari la oxidare progresiva, este

materialul care a capatat cea mai mare extindere ca matrice a materialelor compozitelor utilizate in realizarea de repere ce intra in constructia unui autovehicul (tabelul nr.2).

Tabel nr.2

Materialele Al/Al2O3 si Mg/ Al2O3 au o rigiditate si rezistenta la uzare mari, cuplate cu o

rezistenta mare la temperaturi inalte, fiind aplicabile in realizarea unor componente pentru automobile.De altfel, in industria de autovehicule s-au impus materialele compozite metalice pentru fabricarea diverselor repere din cadrul motorului, suspensiilor, sistemelor de directie si franare. (tabelul 3.). Aplicatiile se refera in special la echipamentul mobil (biele, pistoane, axul pistonului) si la piesele solicitate la oboseala termodinamica.

Tabel nr. 3.

10

Inginerii din domeniul automobilelor se preocupa de alegerea optima a combinarii materialelor si a tehnologiei specifice care se impune, in conditiile unor cheltuieli minime, a imbunatatirii constante a calitatii, prin procedee nepoluante pentru mediul inconjuraor.

Firma Du Pont din Nemours a realizat un material plastic, original, celular, NOMEX, care are un raport optim intre rezistenta si greutate, si cu o rezistenta la comprimare cu 50% mai mare decat otelul. Materialul este folosit in industria aerospatiala, datorita calittiilor sale deosebite, dar se prevede ca, in viitorul apropiat domeniul de aplicabilitate al acestuia se va deplasa spre constructia mijloacelor de transport terestre.

In ultimul timp, s-a ajuns la concluzia ca fibrele sintetice sunt o sperantaentru domeniile de varf ale tehnicii, dintre care Kevlarul devine din ce i ce mai omniprezent, ca fiind exponentul „generatiei a doua” de materiale compozite. Inventat in 1965 de firma Du Pont, Kevlarul este o fibra care poate ajunge la o finite de cateva sutimi de milimetru, care apoi sunt filate si tesute pe masini textile conventionale, usor modificate, conform particularitatilor Kevlarului.

Folosirea materialelor compozite in compartimentul motor al autovehiculelor se face in mod precaut, intr-un ritm se pare mai lent decat pentru elementele exterioare. Acesta, in are masura, pentru ca elementele componente respective sunt supuse simultan unor solicitari importante de tip mecanic, termic si chimic.

Firma „Tokyo Yokyo Co. Ltd.”, a realizat un material compozit din carbura de siliciu si aluminiu. Materialul consta din 20% carbura de siliciu si din 80% alumina si este armat cu pulbere de carbura de siliciu. Poate fi comparat cu materialul compozit conventional armat cu ceramica. Legatura SiC-Al este foarte asemanatoare cu legatura metal-metal, aceasta facand materialul compozit mai rezistent. Materialul este usor, rezistent la uzura si la oboseala, si arerezistenta la tractiune de 45 kg/mm2. Termorezistenta este cu 30% mai mare decat a aluminiului. Poate fi fabricat prin diferite metode ca: extrudare, forjare, laminare si turnare sub presiune, sub forma a diferitelor piese de masini (pistoane, axe cu came si invelisuri pentru transmisii).

Pe baza polipropilenei realizate de firma Exxon Cehmical, Farmington Hill,s-a obtinut un nou material compozit termoplastic, care se poate stanta, isi gaseste largi domenii de utilizare inlocuind metalul la realizarea podelelor pentru compartimentul bagajelor , ecrane antizgomot pentru motoare, bare de directie fata si spate de la automobile, piese interioare ale usilor de automobile, structuri de rezistenta pentru banchete, tavi pentru baterii si suporti de pedala de frana. Procedeul umed folosit pentru producerea materialului compozit este similar cu procedeul prin care este fabricata hartia: sunt amestecate fibre cu lungime de 30 mm cu apa, pentru a se produce o dispersie uniforma, dupa care este uscata pe un fetru care nu are puncte slabe. Produsele sub forma de foi sunt realizate prin comprimarea fibrelor uscate cu materialul plastic folosit ca retea, ceea ce conduce la cresterea sansei de a obtine materiale neuniforme de la un lot la altul. Un alt avantaj al omogenitatii ridicate a produsului realizat de Exxon il constituie reciclabilitatea completa.

O familie de materiale compozite de tip polipropilena termoplastica armate cu fibre lungi din sticla si de material plastic cu dimensiuni mari din constructia de automobile. Sunt utilizate de catre Peugeot, Renault si alti fabricanti europeni de automobile, Taffen STC (materiale compozite termoplastice structurale) realizat de Exxon Chemical Co., este remarcabila in ceea ce priveste reducerea greutatii, consolidarea pieselor, rezistenta la coroziune, economia de costuri si eficienta procesului de productie.

O familie de materiale compozite de tip polipropilena termoplastica armate cu fibre lungi din sticla si de material plastic cu dimensiuni mari din constructia de automobile. Sunt utilizate de catre Peugeot, Renault si alti fabricanti europeni de automobile, Taffen STC (materiale compozite termoplastice structurale) realizat de Exxon Chemical Co., este remarcabila in ceea ce priveste reducerea greutatii, consolidarea pieselor, rezistenta la coroziune, economia de costuri si eficienta procesului de productie.

STC este utilizat in diverse aplicatii: la suporturi pentru panouri de instrumente, perne pentru genunchiere, rafturi pentru portpachete in spate, suporturi pentru coloane de ghidare, structuri frontale

11

complete. La obtinerea materialelor cu matrice organica pentru sistemele de frictiune cum sunt discurile, s abotii, garniturile, ambreialjele au fost folosite fibre de azbest. Din cauza actiunii toxice asupra sanatatii producatorilor s-a propus inlocuirea fibrelor de azbest cu cele de sticla. Din experimentari s-a constatat ca astfel de compozitii de frana ar fi acceptabile, insa adaosurile de fibre de sticla au tendinta de a se aglomera, si dea reduce uniformitatea materialului de frictiune. S-a incercat posibilitatea in care fibrele de sticla functioneaza in pereche cu contracorpuri de otel, dar s-au constatat uzuri inacceptabile.

In domeniul motoarelor cu ardere interna la institutul de incercari al firmei FORD, POLIMOTOR RESEARCH INC. din New Jersey s-au realizat mai multe motoare din materiale compozite, folosind pentru armare fibre de grafit (care se recomanda pentru piese de performante deosebite, la temperaturi ridicate). S-a urmarit, in mod special, reducerea apreciabila a greutatii motorului de baza, din metal, reusindu-se aplicarea materialelor compozite in constructia a circa 90% din elemente, sa se reduca la jumatate, 77 kg.. Materialul de baza al chiulasei este un material compozit armat cu fibre de grafit.

Biela, pistonul, axul pistonului, talerele arcurilor, camele, pompa de apa se executa din material compozit armat cu fibre. De aici s-a dedus ca reducerea greutatii sistemului de distributie favorizeaza functionarea motorului cu o turatie mai ridicata: - adoptarea unor materiale compozite pentru piesele mecanismului motor contribuie reducerea cu 60% a greutatii acestora; - datorita constructiei din material compozit al pistonului, conductivitatea termica se reduce, determinand o eficienta majorata a arderii; - segmentii din material compozit favorizeaza autolubrifierea, iar greutatea lor redusa impiedica vibratia lor la turatii ridicate.

Materialele compozite folosite au rezistenta la rupere cu 40% mai mare ca a celor monolitice, iar frecarile cu 40% mai mici sI greutatea cu 60% mai redusa. Turbosuflantele ce echipeaza motoarele autoturismelor au un timp de raspuns nesatisfacator la schimbarile bruste ale turatiei si sarcinii. Inlocuirea rotorului metalic al turbinei cu unul ceramic din carburi sau nitruri de siliciu sinterizate sub presiune, care are o densitate de trei ori mai redusa comparativ cu cel clasic, asigura o micsorare a inertiei lui si o diminuare a timpului de reactie cu 0,8...1,4 secunde.

In Angia, firma RUBERY OWEN (care asigura 80% din piata engleza a suspensiilor grele si 30% din piata europeana ) impreuna cu BRISTOL Composite Materials Engineering and Mathweb fabrica arcuri din mase plastice epoxidice 25%, armate cu fibre de sticla 65%, si cu fibre de carbon 10% pentru suspensiile autovehiculelor. Un astfel de arc cantareste 22,5kg. fata de cel obisnuit care atinge 90 kg.

Fima FORD - Anglia a echipat tipul CORTINA de 1,3l cu colectorul din materiale plastice armate, care inlocuiesc aluminiul traditional. Cu toate ca lucreaza intr-un mediu agresiv, aceasta a fost posibil atat prin folosirea unor materiale plastice armate noi, adecvate, cat mai ales prin elaborarea unei tehnologii de formare ingenioase (metoda formarii pe un miez fuzibil din aliaj Sn-Bismut). Materialul utilizat este un compozit pe baza de poliester armat, care face fata conditiilor si mediilor diferite cu care vine in contact (apa calda, hidrocarburi, antigel), prezentand stabilitate dimensionala la regimuri termice variabile.

Firma MAHLE din Germania studiaza asa-zisele „pistoane flotante”: corpul pistonului este despartit de cap, fiind legate intre ele doar prin intermediul axului pistonului. Aceasta solutie constructiva permite un joc redus intre corpul pistonului sI peretele camasii cilindrului si, mai ales, ofera posibilitatea utilizarii unei combinatii mai variate de materiale, decat in alte constructii. Firma MAHLE poseda o versiune experimentala la care corpul este din material plastic armat cu fibre, iar capul este din aliaj de aluminiu de rezistenta mare. Printre produsele la care s-ar putea folosi noile materiale compozite sunt: capote pentru automobile, capace pentru automobile, etc. Capotele sau capacele de automobile reprezinta asemenea aplicatii, deoarece produsul final poate fi format prin suflare inainte de racirea materialului, accelerand procesul de productie. Este de subliniata si posibilitatea de vopsire a compozitelor pentru aplicatii la automobile. Ca dezavantaj il reprezinta pretul de cost mai ridicat.

12

Rulmentii de debreiere ai ambreiajelor in cazul autoturismului Opel Omega trebuie sa functioneze fiabil la temperaturi de durata de pana la 120ºC, iar valorile de varf sunt mai mari. Sarcinile axiale intermitente intre 50 si 2700 N, la deplasari axiale de 15 mm trebuie preluate fara frecare si cu uzura redusa.

Abaterile de coaxialitate ale mansonului de ghidare, pe care alunca rulmentul de debreiere trebuie compensate. Unitatile trebuie atat de etanse, incat lubrifiantul sa nu poata ajunge in spatiul ambreiajului.

Rulmentul de debreiere din material compozit otel si mase plastice are o greutate redusa, proprietati de alunecare superioare, amortizarea mai buna a zgomotului si costuri reduse de fabricatie. Intreaga unitate este montata pe un inel de ghidare din poliamida armata cu fibre de sticla. La partea din spate, inelul de ghidare este astfel format, incat sa se poata monta parghia de debreiere. Un inel de acoperire peste inelul exterior al rulmentului mentine axial unitatea. Noul rulment de debreiere a ambreiajului este etans, nu necesita intresinere si emite un zgomot foarte redus. Aceleasi materiale compozite din otel si material plastic au dat bune rezultate de asemenea si la rolele de intindere a curelelor, rotilor de intindere si de deviere ale mecanismului motor.

3. Avantajele si dezavantajele utilizarii materialelor compozite comparativ cu

materialele clasice in industria autovehiculelor Avantaje:

- densitate mica in raport cu metalele. Compozitele din rasini epoxidice armate cu fibra de Si, B si C au densitate sub 2kg/dm3. Rasinile epoxidice armate cu fibre de sticla sunt cu 83% mai usoare decat otelul. Materialul plastic armat cu fibre de sticla hyfil are densitatea de 1,8 kg/dm3. - rezistenta la tractiune Rm sporita. Rezistenta materialelor compozite cu whiskersuri este de 5... 30 ori mai mare decat a matricei, pe o directie paralela cu directia de orientare a whiskers-urilor. Rezistenta la tractiune a fibrelor de sticla este 19000...39000 daN/cm2. Materialul compozit Kevlar are Rm de doua ori mai mare decat cea a sticlei. - consum energetic scazut, si instalatii mai putin costisitoare in procesul de obtinere, in raport cu metalele. Materialele plastice armate cu fibre de sticla pot fi usor realizabile, procedeele aplicate uzual putand fi: laminarea, pulverizarea, extrudarea si injectarea. Materialele compozite pe baza de materiale plastice sunt mai putin energointensive decat otelul, aluminiu si cuprul. - rezistenta practic nelimitata la actiunea proceselor determinate de agentii atmosferici si de mediu (oxidare, coroziune, microorganisme); - capacitate ridicata de amortizare a vibratiilor, de trei ori mai mare decat cea a aluminiului; - coeficient de dilatare foarte mic in raport cu metalele; - durabilitate mare in functionare. In aceleasi conditii de functionare 1 kg. de kevlar inlocuieste 5 kg. de otel, la o durata egala de functionare. - stabilitate chimica si rezistenta mare la temperaturi redicate. Fibrele de Kevlar, teflon si hyfil isi pastreaza proprietatile pana la o temperatura de 500 ºC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N4 si Al2O3

pana la temperaturi cuprinse intre 1400 ºC si 2000 ºC Dezavantaje:

- uzarea prin frecare reprezinta un proces distructiv al materialelor compozite echivalent cu cel a ruperii sau al deformarii. - oxidarea si/sau coroziunea sunt procese care duc la degradarea progresiva si rapida a suprafetei produselor si deci la uzarea lor avansata. Oxidarea devine mai periculoasa la temperaturi inalte, insa depinde in mare masura de natura matricei si a materialului complementar. Coroziunea se produce la temperaturi joase si inalte, in zona de contact dintre componente (coroziunea galvanica, din cauza diferentei de potential electrochimic dintre matrice si faza complementara).

13

- cedarea materialului sub actiunea solicitarilor mecanice ciclice se datoreaza aparitiei, cresterii si propagarii fisurilor sau dezlipirilor. Starea de tensiune insa zone de desprindere (goluri) la capetele fibrelor de ramforsare, si care se propaga sub forma unor striuri in regiunea neramforsata.

4.Procedee de elaborare a pieselor pentru automobile din materiale compozite stratificate

Procedeul de formare prin contact

Aceasta este cea mai veche metoda de punere în forma a compozitelor. Permite prelucrarea în general a compusilor epoxidici si poliesterici, folosind ca materiale de armare maturile si tesaturile de fibre de sticla.

Procedeul de formare (figura 1) consta în aplicarea pe o forma (matrita) concava sau convexa a unui material de armare decupat la dimensiunile necesare, apoi impregnarea manuala cu rasina lichida aditionata în prealabil cu catalizator si accelerator de întarire.

Aerul inclus în material este îndepartat prin trecerea unei role canelate care în plus face ca rasina

sa patrunda printre ochirile materialului de armare si sa asigure o buna omogenitate a compozitului. Ca avantaje ale acestui procedeu pot fi amintite urmatoarele: simplitatea operatiilor pretinde

mâna de lucru mai putin calificata si un minim de scule; dispozitivele utilizate sunt din materiale ieftine; se pot realiza piese de mari dimensiuni.

Prezinta însa si dezavantaje: manopera relativ mare ca volum si viteza de lucru mica; calitatea produsului depinde aproape integral de pregatirea si constinciozitatea lucratorului; produsele obtinute comporta o singura suprafata neteda, aceea aflata în contact cu matrita, apar variatii nedorite ale grosimii si proprietatilor produselor, aparitia unor defecte ascunse (incluziuni de aer) imprevizibile si imposibil de controlat.

Procedeul formarii manuale este lent si se preteaza în cea mai mare masura la obtinerea pieselor de dimensiuni mari, în serii mici sau prototipuri, pentru executarea matritelor, si în general când investitiile mari nu sunt justificate. Se realizeaza în mod curent, în serii restrânse, caroseriile automobilelor de competitie, ale caravanelor, autobuzelor, camioanelor, rezervoare si carcase de masini.

Procedeul de formare prin proiectie simultana Acest procedeu este unul derivat din formarea prin contact. Depunerea pe forma a matricei si

armaturii se realizeaza practic prin proiectia cu ajutorul unui pistol a rasinii aditivate si a fibrei de sticla taiate la o lungime determinata ( figura 2). Ca si la formarea prin contact, trecerea unei role canelate permite evacuarea aerului inclus. Se poate deasemenea folosii gelcoat pentru finisarea suprafetei.

Este posibil ca între doua operatii de proiectie sa se incorporeze o alta tesatura obtinânduse o îmbunatatire a proprietatilor mecanice.

14

Avantajele acestui procedeu sunt: cresterea cadentei de lucru fata de formarea prin contact, chiar

daca timpii de întarire la rece sunt identici; raportul sticla/rasina este constant; se pot realiza piese complexe, cu variatii importante ale grosimii; matritele utilizate sunt de acelasi tip, foarte putin costisitoare.

Inconvenientele acestui procedeu sunt: grosimea obtinuta este neuniforma, daca muncitorul ne este abil; viteza de proiectie implica, pentru un consum rezonabil de material, muncitori experimentati; caracteristicile mecanice ale materialelor sunt mai slabe ca la formarea prin contact, deoarece lungimea fibrelor de armare este mica.

Formar ea prin proiectie simultana are aceleasi aplicatii ca formarea prin contact cu posibilitatea realizarii de piese si mai mari.

Procedeul de formare prin injectia rasinii

Procedeul ofera posibilitatea realizarii, în conditiile economice ale unor serii mari, de piese care sa raspunda exigentelor privind complexitatea, precizia dimensionala si calitatea suprafetelor. Materialul utilizat pentru armare este mat-ul sau tesatura din fibre de sticla perfect uscate. Intarirea pieselor se face la temperatura camerei sau la temperaturi mai mari.

Procedeul cunoaste o diversitate de tehnici care utilizeaza vidul, presiunea sau ambele (figura 3).

Principalul dezavantaj al procedeului de formare prin injectie îl constitue timpul necesar unui ciclu de fabricatie (2-3) ore.

15

Procedee de formare cu sac

Aceasta presupune urmatoarele faze distincte: pregatirea matritei si a materialelor necesare; formarea (stratificarea) compozitului pe o matrita deschisa; asezarea în sac - se acopera piesa cu o membrana flexibila si se efectueaza operatia de etansare a formei.

?Formarea sub vid în matrita deschisa ( figura 4) În acest procedeu prin crearea vidului sub membrana elastica se elimina aerul înglobat în

materialul de formare si se realizeaza compactarea piesei sub actiunea presiunii atmosferice. Întarirea: se realizeaza la rece sau la cald printr-un tratament termic într-un cuptor sau autoclava.

Formarea cu sac sub presiunea aerului (figura 5)?Presiunea necesara pentru ca stratificatul sa îmbrace în mod corespunzator forma si ca rasina sa

impregneze materialul de armare este realizata cu ajutorul aerului comprimat (0,4-3,4 daN/cm2).

Membrana elastica are rolul de a transmite presiunea astfel încât materialul sa ia forma matritei

si de a facilita eliminarea aerului înglobat în material. Procedeul necesita în schimb un echipament costisitor.

Procedee de formare prin presare

?Formarea prin presare joasa cu matrita si contramatrita Formarea prin presare în matrita este un procedeu tehnologic care utilizeaza o matrita si o

contramatrita fixata pe platourile unei prese hidraulice cu doua viteze, apropriere rapida (6-8 m/min), închidere lenta 5-30 cm/min). Armatura, în general mat din fibre continui usor deformabila, este asezata pe matrita, apoi se toarna peste armatura rasina lichida aditivata si în cantitati suficiente. Prin închiderea lenta a presei, rasina se deplaseaza si impregneaza matul. (figura 6).?

16

Matritele utilizate pot fi metalice sau din materiale nemetalice (stratificat sticla/epoxid). Atunci

când se lucreaza cu matrite nemetalice se utilizeaza prese hidraulice la presiuni de formare de 1-4 bari. intarirea materialului se realizeaza la rece, astfel ca ciclul de productie este deasemenea lent. Piesele obtinute pot avea ambele suprafete finisate cu aspect lucios. Investitiile necesare sunt reduse dar matritele se deterioreaza repede. Utilizarea matritelor metalice, desi mai costisitoare, permite reducerea timpului de întarire, prin încalzirea matritelor la 120-140?C, obtinându-se cadente ridicate de lucru.

Procedeul permite fabricarea unor componente din materiale compozite având complexitate ridicata si tolerante dimensionale strânse. Se utilizeaza pentru productia de serie mica a pieselor de dimensiuni medii: elemente de caroserii auto, table de tractoare.

Formarea prin presiune a SMC (Sheet Molding Compound) Aceasta metoda este prin excelenta procedeul industrial care asigura productia pieselor de

dimensiuni mari în serie mare de fabricatie. SMC sunt formate din rasina poliesterica, fibre de sticla taiate la 25 sau 50 mm si facultativ fibre continui orientate, sarje minerale, agenti de stabilitate dimensionala, si alti adititivi. Ansamblu este fabricat (figura 7) si conservat între doua pelicule de polietilena.

SMC, depeliculat, decupat si pregatit în pachete se aseaza pe partea inferioara a presei. La

închiderea presei, sub actiunea temperaturii de 140-150?C si a presiunii de 80-100 bari, materialul curge în amprenta matritei si se întareste formând piesa. Se obtin piese de dimensiuni mari (2m x1m), având caracteristici mecanice si termice înalte, de forme variate, ciclul de productie este foarte scurt (30-40 sec./mm grosime). Procedeul este din ce în ce mai automatizat ?2?. Utilizarile în domeniul automobilelor sunt numeroase (cca 17% din productia de SMC): para-socuri, capote motor, bandouri laterale si alte piese de caroserie, spoilere fata, suporturi de ventilator, baia de ulei, capac-culbutori, table de tractor ?1?.

17

Formarea prin presiune a BMC (Bulk Molding Compound) BMC este un amesec sub forma de vrac din 1/3 rasina poliesterica nesaturata, 1/3 sarja minerala

pulverulenta, 1/4 fibre de sticla taiate la 6-12 mm lungime, si diversi adjuvanti, care asigura întarirea, faciliteaza decofrarea sau asigura produselor proprietati particulare ?2?. Aceste constituente sunt amestecate într-un malaxor (figura 8) de unde sunt extrase sub forma de pasta, în vrac, care este dupa aceea este folosit la formarea produselor compozite. Ca si în tehnica precedenta, BMC este mai întâi dozat, apoi presat între doua forme metalice (matrita si contramatrita) încalzite. Materialul curge si umple cavitalea formei sub dublul efect al presiunii ( 150-200 bari) si temperaturii (150-170 ?C).

Acest procedeu se preteaza productiei de serie mare, de forme complexe si a peretilor grosi. Caracteristicile mecanice sunt mai mici decât ale SMC si pretul acceptabil. Utilajele necesare sunt scumpe, putând fi amortizate numai la o productie de serie mare; automatizarea totala este foarte dificil de obtinut, manipularea pastei BMC fiind delicata.

Se utilizeaza pentru realizarea pieselor de automobil sub capota, sau a elementelor de caroserie

precum haionul ?1?.

5. Idee inovatoare

Se pare ca fiecare inovatie minunata in industria de automobile isi sarbatoreste aparitia odata cu aparitia variantei lux a marcii. Aparitia de ultima ora este sistemul Multiplex.

Volvo S80: Sistemul electric performant al viitorului. Numarul în crestere al functiilor avansate, din ce în ce mai multe calculatoare si motoare electrice au menirea de a ne anunta ca sistemul electric conventional nu se poate dezvolta mai mult. Pentru Volvo S80, Volvo a ales o solutie noua, o noua cale de acces, un sistem performant pentru viitor: Multiplex. Ca si societatea moderna, autovehiculele moderne cer mai mult in comunicatii. De aceea Volvo a ales un concept nou in intregime si o noua metoda pentru semnalele de comunicatii in masina intr-o „limba” care este inteles usor de toate componentele sistemului.

Sistemul se numeste Multiplex si este bazat pe o retea de comunicare cu unitatile centrale de control si mai mult de douazeci de module care actioneaza majoritatea functiilor electrice ale

18

autovehiculului. Aceste module functioneaza precum calculatoarele si controleaza diversele functii care au fost comandate. Comenzile sunt transmise digital folosind un sistem multiplex.

Fig.9

Doua cabluri principale. Sistemul electric nou se bazeaza pe numai doua cabluri in autovehicol.

Aceste sunt cunoscute ca colectoare de date. Un singur cablu are destula capacitate pentru a

transporta toate semnalele din cablu in acelasi timp. Celalalt cablu este cablul de putere care duce toata electricitatea necesara pentru manevrarea diferitelor functii comandate.

Informatia sau comanda circula prin cablu ca semnal digital si fiecare modul din retea isi recunoaste propriul semnal de comanda.

Cand soferul apasa un buton pentru a regla oglinda retrovizoare exterioara dreapta, doar modulul din portiera dreapta fata recunoaste si receptioneaza acest semnal. Dupa aceea modulul transmite o comanda motorului electric pentru a misca oglinda.

Capacitatea mare a sistemului Multiplex insemna ca semnalele activa in mod constant diferite module, fara nici o limitare.

Semnalele circula cu doua viteze diferite, depinzand de functia de care a fost implicata. Motorul si sistemele transmisiei folosesc colectoarele de viteza inalta in schimb celelalte sisteme au o viteza mai redusa.

Sistemul Multiplex ofera multe avantaje: Folosirea cablurilor si conexiunilor este scazuta cu mult in masina, ceea ce conduce la reducerea

greutatii autovehiculului si la marirea spatiului, reducand evident si consumul de combustibil si marind siguranta pasagerilor.

Comunicare completa intre toate componentele si softurile din autovehicul, usurand actiunea lor in caz de pericol.

19

Fig. 10 Cateva variante de baza sunt necesare inca din clipa cand autovehiculul este proiectat in fabrica

conform cu specificatiile si cu echipamentelor cerute de client. Simplu si usor de imbunatatit sistemul de software al autovehiculului.

20

Fig. 11 Sistemul Multiplex de asemenea ofera o autodiagnosticare pentru toate functiile incluzand si

sistemelor din motor ceea ce face ca unitatea OBD (Diagnosticare Onboard) mult mai important decat inainte. Acesta face ca gasirea si remedierea defectelor sa fie mult mai usoara. Toate informatiile de la o functie pierduta sau din alte defectiuni sunt transmise direct la sofer prin intermediul semnalelor luminoase de pe bordul autovehuculului.

Tehnologia Multiplex deschide noi posibilitati in sistemul electric al masinii moderne. Deschide noi orizonturi cu design-ul si functiile lui si ofera avantaje substantiale in privinta sistemelor conventionale.

In Volvo S80, sistemul electric al viitorului este deja realitate. Chrysler Corp. a anuntat ca ultima lor masina scumpa, modelul Neon di 1999 va contine

multiplexajul pentru reducerea costurilor si a greutatii. Unii soferi stiu putin despre multiplexaj, care joaca un rol critic in reducerea preturilor si a greutatilor automobilelor de noua generatie si permitand constructorilor de masini sa adauge noi componente electronice pentru marirea sigurantei si a comoditatii. In aplicatiile constructiei de masini, multiplexajul permite comunicarea modulelor separate prin unu sau doua cabluri. Fara multiplex ar fi nevoie de o multime de cabluri care sa transmita informatia de la un modul la altul.

De exemplu intre motor si transmisie ar fi necesare de 10 cabluri pentru transmiterea informatiilor ca viteza, temperatura si presiune. Dar prin multiplexaj toate informatiile circula intr-un ciclu de cabluri care pot fi extinse sa contine si alte module, ca panoul de instrumente, care comunica cu soferul. In acest ciclu mai pot fi incluse si alte sisteme vitale ca antibloc la frane si controlul tractiunii. „Chiar acum noi avem doi la trei clienti majori care sa aiba pana la 23 sistemele diferite electronice pe un sistem multiplex” spune Scott Ballantyne, managerul pe lume pentru Motorola, care furnizeaza chipuri pentru multiplexaj. „Astazi pe piata noi avem pana la 20 vehicule in productie cu multiplexaj.”

Siliconul face intreaga legatura posibila intre doua chipuri aflate pe fiecare modul si dirijeaza curentul de informatie fara sfarsit, ghidand fiecare semnal – mii de semnale pe secunda – la destinatia corecta instantaneu si fara nici un fel de conflicte.

Avantajele sistemului multiplex sunt majore. Reducerea cablajului dintr-o masina oarecare poate dubla in urmatorii ani introducerea de catre constructori a unor sisteme de siguranta performante cum ar fi airbag-urile inteligente, sisteme de navigatie. Ballantyne estimeaza ca se va reduce gruetatea cablajului din masini cu circa 20%.

Pana la 40% din masinile noi in America de Nord au un anumit nivel de multiplexaj, afirma Joe Fadool, director de marketing pentru distribuirea sistemelor electronice la firma Sistems Automotive.

21

Fig. 12

Dar pretul multiplexajului nu este sa elimini cablurile si conectoarele, spune Fred Miesterfeld sef la cercetarile electronice la Chrysler. El spune ca: „Economisesti unde poti elimina senzorii invechiti si faci ca sistemele sa functioneze impreuna pentru eliminarea modulelor si circuitelor.”

Multiplexajul a fost folosit in telefonie mobila de mai multi ani, permitand milioanelor de oameni sa poate comunica chiar si la distante foarte mari. Constructorii de automobile folosesc multiplexul din anii 60, dar Chrysler a fost prima care l-a folosit in productia de serie in 1986.

Chrysler foloseste sistemul sau in multiplexaj „Chrysler Collision Detection” (CCD) din 1988, dar l-a schimbat cu sistemul J1850 in anul 1998. Fiecare masina are de la 10 la 15 module de unitate multiplex, spune Mark Yellin director de marketing la Harris Semiconductor, ceea ce da Chrysler-ului noi module de control.

J1850 a fost dezvoltat in 1994 de catre Big Three ca un standard pentru multiplexaj si de a verifica consumul de combustibil si emisiile masinilor noi, dupa prevederile Agentia de Protectie a Mediului din Statele Unite. In afara de protejarea mediului acest port de diagnosticare ajuta mecanicii auto pentru gasirea defectiunilor.

Trecerea la J1850 permite firmei Chrysler adaugarea mai multor module electronice in sistemul multiplex, fata de cele permise de CCD si va permite acestor module sa comunice mai repede la un pret mai redus.

Desi viitorul multiplexului pare stralucit, se pare ca sunt incertitudini in privinta tipului de multiplex folosit. J1850 pare a fi perfecta pentru sistemele electrice, dar unii producatori, mai ales europenii prefera folosirea sistemului mai scump Controller Area Network (CAN), in special la functiile motorului, care lucreaza la viteze mari.

Concluzii Materialele compozite stratificate aduc o serie de avantaje specifice constructiei de automobile: o

mai mare suplete în conceptie; accelerarea lucrarilor de pregatire pentru fabricarea unor masini de tip nou; posibilitatea de a construi repere dintr-o singura piesa, ceea ce conduce la reducerea numarului de piese; formarea si prelucrarea simpla; facilitati în obtinerea unor suprafete complexe; operatii de finisare, întretinere si reparatii ieftine; rezistenta la tractiune; rezistenta la soc si la abraziune ridicata; durabilitate si siguranta mare în functionare; competitivitate economica.

Adoptarea solutiilor compozite pentru fabricarea unor piese de automobil este usor de realizat în cadrul productiei de serie mica si chiar mijlocie. In schimb, în cadrul productiei de serie mare, înlocuirea tablelor de otel cu materiale compozite se confrunta cu numeroase probleme legate de optimizarea procesului de productie.

22

BIBIOGRAFIE 1. Ganea, I.- Materiale sintetice noi. Ed. Militara Bucuresti 1979. 2. Huba, G., Iovu, H.,- Materiale compozite. Editura Tehnica 1999. 3. Ciunel,S. –Studiul documentar privind stadiul actual si tendintele de utilizare a materialelor compozite in industria de automobile. Referat nr. 1 Doctorat 2001 Craiova 4. Iordache, Gh., altii - Componente de masini din materiale polimerice. Ed. Tehnica Bucuresti 1996. 5. Moisescu, T.,E., Timis, L.- Materiale compozite. Ed. Tehnica, Bucuresti 1989. 6. * * * - Colectia Materials Engineering USA 1989 - 2001 7 * * * - Colectia Automotive Engineering International 1999 - 2001 8 * * * - Colectia Automotive Engineering International 1999 - 2001 9 * * * - Machine Design pag. 152. 4/1991 10. Cognard, Ph., - " Les Applications industrielles des materiaux composites" - Editions du Moniteur; 11. Jacquinet, P, -"Utilization des matériaux composites" Editions Hermes, Paris, 1991; 12. Horun, S., Paunica, T., Sebe, O.M., -" Memorator de materilale plastice. Seria polimeri" - Editura Tehnica Bucuresti,1988; 13. Mihalcu, M. ,- " Materiale plastice armate " - Editura Tehnica Bucuresti ,1986; 14. Nistor, D., s.a., -" Materiale termorigide armate" Editura Tehnica Bucuresti, 1970; 15. Preda, G.M., - "Influenta factorilor tehnologici asupra calitatii pieselor din materiale compozite poliester-fibre de sticla, utilizate în constructia automobilelor" - teza de doctorat, Craiova 2000; 16. *** BMC/SMC - JOTUN POLYESTER - prospect de firma