Двигун із полімерів не така вже й фантастика!
Двигун з полімерів не така вже й фантастика! Використання композитів на полімерній основі знаходить все більше застосування в автомобілебудуванні, дозволяючи зменшити вагу транспортних засобів та підвищити їхню ефективність. За оцінками експертів, автомобілі майбутнього на 75% складаються з різного виду полімерних матеріалів. Новий та досить успішний крок у цьому напрямі зробила міжнародна група дослідників з Німеччини та Японії.
Група розробників нових приводних систем (NAS) з дослідницького центруFraunhofer ICT (Німеччина), спільно з фахівцямиSumitomo Bakelite Co. Ltd. (Японія) розробили полегшений корпус блоку циліндрів на основі армованих волокном композиційних матеріалів.
Автомобілі мають стати легшими, щоб досягти зменшення обсягів споживаного палива. На сьогоднішній день для виготовлення корпусу автомобіля та приводного механізму використовуються метали, використання армованого пластику може знизити вагу середньостатистичного автомобіля на 20%. Сучасні технології вже дозволяють налагодити серійне виробництво авто компонентів із пластику, методом лиття.
На сьогоднішній день полімери, як матеріал для виготовлення автомобіля, вже «проникли» в багато деталей та компонентів, але в питанні виготовлення двигунів і трансмісії, як і раніше, домінують метали, чим блокують подальше зниження ваги транспортних засобів. Певного успіху, у питанні автомобільного «схуднення», допомогло досягти використання алюмінію, але застосування волоконно-армованих пластиків обіцяє ще більшими успіхами.
Ми використовували волоконно-армований композиційний матеріал, щоб створити корпус блоку циліндрів для експериментального одно-циліндрового двигуна,
повідомив, керівник проекту ДокторЛарс-Фредрік Берг, який очолює у Fraunhofer групу з дослідження нових приводних систем (NAS). Крім того,Берг помітив:
Отриманий корпус циліндра важить приблизно на 20 відсотків менше, ніж аналог з алюмінію за тієї ж ціни!
Ідея застосування композиційних матеріалів – проста, але не такі прості технологічні рішення, що дозволяють реалізувати подібну ідею на практиці. До матеріалів, які застосовуються в автовиробництві, пред'являються досить високі вимоги. Вони (матеріали) повинні витримувати, не пошкоджуючись, екстремальні вібрації, температури та високий тиск. Ще у 80-х роках минулого століття було виявлено, що пластики можуть відповідати згаданим вимогам. Тим не менш, серійне виробництво автомобільних деталей з полімерів не було можливим на той час. Причин тому - широке використання ручної праці, що вело до збільшення собівартості та обмеженості обсягів поставок. Це при тому, що такий елемент автомобіля, як блок циліндрів з металу, виготовляється в багатомільйонному обсязі.
Дослідникам NAS знадобилося багато часу, щоб переконатися в міцності двигуна після застосування нових композиційних матеріалів на полімерній основі.
Насамперед, ми вивчили ділянки в конструкції двигуна, що найбільше схильні до впливу високих температурних і механічних навантажень. У таких місцях ми використовуємо металеві вставки для посилення зносостійкості,
- пояснюєЛарс-Фредрік Берг.
Один із таких елементів, виявлених командою дослідників, – гільза циліндра. Поршень усередині цього циліндра переміщується мільйони разів під час руху автомобіля. В результаті розробники змінилигеометрію ряду компонентів таким чином, щоб мінімізувати вплив термічних навантажень на пластмасові компоненти.
До пластиків, які задіяні в розробці двигуна, застосовується цілий комплекс вимог. Вони повинні мати необхідну жорсткість і твердість, а також повинні бути стійкими до впливу бензину, масел і гліколю в охолодній рідині. Застосовуваний пластик повинен мати коефіцієнт теплового розширення не перевищує показники металу, а також, повинен мати хорошу адгезію по відношенню до металу.
Експерименти показали, якщо коефіцієнт теплового розширення пластмасових компонентів перевищував показник компонентів з металу – вони починали розшаровуватися. Дослідницький центрSBHPP компанії Sumitomo Bakelite прийшов на допомогу у вирішенні цієї проблеми. Фахівці SBHPP розробили армований скловолокном композиційний матеріал на основіфенопластів ( wiki.MPlast.by ). Підсумкова композиція на 45% складається із смоли та на 55% – із волокна. Матеріал, що вийшов в результаті, має достатні властивості, щоб реалізувати поставлене Fraunhofer завдання. Слід також зауважити, що застосування вуглецевого волокна дозволило б зробити агрегат ще легшим, але дорожнеча такого матеріалу змушує задуматися: Що пріоритетніше? Вага чи ціна майбутнього автомобіля?
В результаті, розробники використовували інноваційний матеріал у гранульованому вигляді та лиття під тиском як метод виробництва. Форма, в яку потрапляє розплавлений матеріал, була розроблена спеціально за допомогою комп'ютерного моделювання. Слід зазначити, що подібний метод виробництва авто компонентів дозволяє швидко отримувати готовий виріб, що практично не вимагає додаткової обробки, тоді як деталі з алюмінію.мають проходити цілу серію виробничих операцій. Тим самим нова технологія може вперше відкрити композиційні матеріали для великосерійного виробництва.
Демонстраційна модель експериментального двигуна з полегшеним корпусом коробки циліндрів (Фото:Fraunhofer ICT )
Ми довели, що він [двигун, ред. MPlast.by] здатний забезпечити таку ж продуктивність, як і двигун, збудований за традиційними технологіями!
Слід зазначити, перший успіх надихнув міжнародну групу розробників. Тепер дослідники планують похитнути гегемонію металу та в інших вузлах та агрегатах автомобілі.
Fraunhofer ICT (Інститут хімічних технологій імені Фраунгофера) – був заснований у 1949 році і названий на честь видатного вченого та підприємця Йозефа Фраунгофера (1787-1826). Штаб-квартира центру розташована у Мюнхені.
Якщо на початку своєї роботи офіс центру складався з трьох співробітників, сьогодні Fraunhofer ICT – найбільший науково-дослідний центр прикладних досліджень у Європі. Області досліджень центру орієнтовані потреби людей: здоров'я, безпека, комунікації, енергетика і довкілля.