Материалы кузова автомобиля Corvette. От стекловолокна к углеволокну

Автомобиль Corvette давно является пионером применения технологий, позволяющих уменьшить вес автомобиля, начиная с алюминиевых колес и деталей подвески, и кончая силовой передачей, деталями шасси и т.д. Эта традиция продолжилась с выпуском моделей поколения C5, при изготовлении которых использовались материалы (включая бальзу на полу кузова), позволяющие свести к минимуму общую массу этого автомобиля; при создании моделей поколения C6 было сделано еще несколько шагов вперед, связанных с внедрением алюминиевого шасси в модели Z06 и с широким применением изготовленных из углеволокна панелей кузова в модели ZR1.

Следует заметить, что автомобиль Corvette не был первым автомобилем, кузов которого был изготовлен из стекловолокна, но он являлся первой моделью массового производства. Сходным образом, другие легкие детали, использованные в его конструкции, проложили себе дорогу в остальной промышленности, вклиниваясь в область между сверхдорогими, мелкосерийными экзотическими моделями и крупносерийными, дешёвыми семейными легковыми автомобилями.

Что было в начале

Стекловолокно впервые решил использовать в конструкции транспортных средств компании General Motors (GM) легендарный конструктор Харли Эрл (Harley Earl). Кроме некоторой "экзотичности" этого материала для начала 50-х годов и несомненного весового преимущества, стекловолокно позволяло экономически эффективно производить мелкосерийный автомобиль Corvette без затрат на изготовление дорогостоящих штампов для листовой штамповки.

Специалисты компании General Motors в области технологии изготовления деталей получили задание определить сложные требования, предъявляемые к кузову автомобиля Corvette 1953 года выпуска, а поставщик – компания Molded Fiber Glass Company (при содействии компании Owens Corning Fiberglass), получила контракт на изготовление таких кузовов. Удивительно, что эта компания получила заказ в апреле 1953 года и согласно контракту должна была поставить кузова к июню 1953 года (конечный срок начала производства), хотя до этого данная компания не занималась изготовлением автомобильных кузовов.

Поэтому неудивительно, что при конструировании и изготовлении первых автомобилей Corvette пришлось столкнуться с необходимостью решения ряда совершенно новых задач. Потребовалось проведение испытаний для определения того, сколько слоев стекловолокна необходимо нанести в разных участках кузова, а также на детали салона автомобиля. Для деталей таких больших размеров следовало определить правильное соотношение смолы и отвердителя, не говоря уже о выяснении времени, необходимого для отверждения каждого отформованного вручную кузова. Кроме того, поначалу было неясно, сколько отдельных деталей потребуется для изготовления каждого кузова, а также какова должна быть степень обработки поверхности, необходимая для получения окраски, пригодной для производственного применения.

Детали изготавливали с помощью метода "chop gun" (напыление), при котором рубленое стекловолокно и полиэфирную смолу "вдували" в пресс-форму для изготовления детали слой за слоем. По прошествии почти 60 лет легко критиковать качество стекловолоконных кузовов первых автомобилей Corvette, однако, учитывая то, что они изготавливались с помощью метода, которого, по сути, ранее не существовало, это являлось достижением, достойным похвалы.

Появление листового формовочного компаунда (SMC)

Начиная с моделей поколения C3, появившихся в 1968 г., детали кузова изготавливались с использованием процесса прессового формования, при котором стекловолокно и смола вводились в оснастку, которая позволяла получать более гладкие детали за более короткий промежуток времени. Это был значительный скачек в технологии формовки, который в 1973 г. положил начало процессу изменения материала для изготовления панелей кузова. В этом году состав изменился с обычного стекловолокна на листовой формовочный компаунд (SMC), который состоял из стекловолокна, смолы и катализатора и получался при высокой температуре и давлении. Соотношение смолы и стекловолокна в SMC было уменьшено, в то время как само стекловолокно было несколько более грубым. Новый материал позволил получать панели, которые были более гладкими даже сразу после извлечения из пресс-формы, а это означало, что они требовали меньше обработки поверхности перед окраской. Это также способствовало получению более качественной чистовой отделки.

С технической точки зрения во всех автомобилях Corvette с 1973 г. использовались панели кузова из SMC, однако состав материала претерпел значительные изменения, что привело к появлению более легкого пластика с меньшим содержанием традиционного стекловолокна. Первые детали, изготовленные из SMC, были более прочными и более жёсткими, но также и более хрупкими. По мере совершенствования SMC-технологии и накопления производственного опыта инженеры, участвующие в разработке автомобиля Corvette, смогли изменить состав материала и спецификации деталей кузова таким образом, чтобы снизить собственную массу автомобиля; эти усилия, несомненно, приветствовались в последующие годы производства моделей поколения C3, так как эффективная мощность двигателя снижалась. Главным образом, это выражалось в изготовлении более тонких панелей кузова, так как SMC был более плотным и более прочным по сравнению с обычным стекловолокном.

С переводом сборочного завода из Сент-Луиса в Боулинг-Грин в 1981 г. состав, использовавшийся для изготовления панелей кузова из SMC, был изменен на состав с более высоким содержанием пластика. Опубликованные цифры варьируют, поэтому без возможности сопоставления веса моделей, сошедших с конвейера завода в 1980 и 1981 гг., трудно обеспечить правильное сравнение веса автомобилей с кузовом из традиционного стекловолокна и с кузовом из SMC. На основании данных, имеющихся в нашем распоряжении, можно сделать заключение о том, что автомобиль 1981 года выпуска был примерно на 45.3 кг более легким по сравнению с таким же автомобилем 1980 года выпуска. Однако причиной этого является не только использование SMC в конструкции кузова, так как с переходом на стекловолокно использование однолистовой задней рессоры в автомобиле 1981 года выпуска обеспечила уменьшение веса примерно на 15.8 кг. Тем не менее, панели кузова, изготовленные из материала, имеющего новый состав, позволили снизить массу автомобиля Corvette; этот же основной состав использовался при изготовлении всех автомобилей поколения C4.

C5: Всё больше внимания уделяется вопросу снижения веса

Выпуск на рынок автомобилей поколения C5 в 1997 г. являлся одним из редких случаев в области автомобилестроения, когда модель следующего поколения весит меньше модели предыдущего поколения. Еще более впечатляющим является то, что автомобиль Corvette 1997 года выпуска был больше и в длину и в ширину, по сравнению с моделью 1996 года выпуска, и при этом он весил приблизительно 1460 кг (с механической коробкой передач), в то время как собственная масса модели 1996 года выпуска составляла 1496 кг.

Снижение веса автомобилей поколения C5 было достигнуто благодаря разным нововведениям, включая использование панелей кузова из SMC с меньшим, чем когда-либо ранее, содержанием пластика. Материал, который, в основном, является тем же материалом, который использовался в автомобилях поколения C6, состоял приблизительно на 40% из смолы (полиэфирной или винилэфирной), на 33% из наполнителя (карбонат кальция), на 20% из рубленого стекловолокна, и оставшиеся 7% приходились на смолы и отвердители, которые позволяли провести более качественную обработку поверхности детали, извлеченной из пресс-формы.

Панели автомобилей поколения C5 были исключительно лёгкими, однако легким было также и совершенно новое шасси автомобиля Corvette, в котором были использованы мощные балки и профили, полученные путем гидроформования с целью обеспечения высокой прочности при меньшей сложности и меньшем весе. Фактически, некоторые участки пола кузова представляли собой структуру типа сандвич, включая легчайшую бальзу, чтобы свести к минимуму массу; эта конструктивная особенность сохранилась в автомобилях поколения C6.

В снижении веса и улучшении общего баланса автомобилей поколения C5 немалую роль сыграло использование двигателя с небольшим блоком цилиндров Gen III. По сравнению с традиционным двигателем, имеющим небольшой блок цилиндров, на смену которому пришел этот двигатель, в новом двигателе использовался легкий алюминиевый блок цилиндров и композитный впускной коллектор, вес которого составлял меньше 4.5 кг.

В 1999 г. была выпущена модель Corvette "hardtop", в которой снижение веса и технические характеристики достигли нового уровня. В результате замены характерной (и тяжелой) детали – стекла задней двери, на более формально выглядящую секцию крыши, изготовленную из более легкого материала - SMC, собственная масса была снижена приблизительно до 1431 кг. Такого легкого автомобиля Corvette не было со времени появления автомобилей поколения C2, когда сравнительно тяжёлые модули подушек безопасности, электронные системы управления шасси и конструктивные особенности для обеспечения безопасности при столкновении даже не снились инженерам.

Модель "hardtop" конечно являлась основой для автомобиля модели C5 Z06, вес которого был снижен до 1415 кг путем устранения некоторых элементов повышенного комфорта, имевшихся в базовой модели, в целях обеспечения более целенаправленного режима езды. Модель Z06 Commemorative Edition 2004 года выпуска была еще более легкой и имела капот из углеволокна, который весил на 4,8 кг меньше стандартного капота из SMC. Учитывая, что снижение веса передней части автомобиля улучшило общий баланс, это послужило отличной рекламой для эффектных и технологически продвинутых автомобилей поколения C5.

C6: Алюминиевое шасси, углеволокно и другие новшества

Хотя у автомобилей поколения C5 и поколения C6 основная конструкция шасси является одинаковой, у автомобилей поколения C6 имелись дополнительные изменения с целью уменьшения веса, из которых не последнее место занимало устранение визитной карточки автомобилей Corvette - убирающихся фар и их замена на более простые и более легкие неподвижные фары. Панели кузова из SMC с повышенным содержанием пластика сохранились, хотя, как это ни удивительно, задние крылья были изготовлены из обычной стали. Именно - стальные крылья на автомобиле Corvette! Это было впервые.

Базовая модель автомобиля Corvette '05 весила 1469 кг, что только примерно 9 кг меньше веса первых моделей поколения C5 1997 года выпуска, несмотря на конструкцию повышенной безопасности и в большинстве случаев более стандартную комплектацию. Годом позднее, с автомобилями модели Z06 поколения C6 появились алюминиевые шасси и изготовленные из углеволокна панели кузова, которые в истории марки Corvette являлись наиболее значительными инициативами, направленными на уменьшение веса автомобилей. При мощности двигателя 505 л. с. и собственной массе менее 1451 кг модель Z06 обладала завидной удельной мощностью, которой не могло похвастаться большинство более дорогих европейских экзотических моделей.

Несмотря на кажущееся сделанным из стали шасси базовой модели C6 Z06 автомобиля Corvette его алюминиевая рама весит почти на одну треть меньше. Кроме различия в характере основного материала, эта модель характеризуется уникальным производственным процессом, включающим использование таких технологий как сварка металлическим электродом в инертном газе и лазерная сварка, а также использование самопроникающих заклёпок, в то время как сборка рамы базовой модели автомобиля Corvette осуществляется с помощью обычной точечной сварки. Кроме того, в раме фундамента двигателя и в некоторых других точках крепления подвески используется магний, что также способствует уменьшению веса.

С внешней стороны модель Z06 отличается от базовой модели автомобиля Corvette панелями из углеволокна, использующимися для изготовления передних крыльев, арок передних колес, капота и задних крыльев. Проверка последних имеющихся в прессе данных об этой модели Chevrolet показала, что собственная масса автомобиля составляет минимально 1440 кг. Интересно, что указанный вес базовой модели Corvette составляет 1455 кг, что только на 15 кг больше. Если эта разница кажется небольшой для использованного алюминиевого шасси и изготовленных из углеволокна панелей кузова, то стоит вспомнить, что в модели Z06 применены некоторые более массивные детали, включая тормозные диски, которые приблизительно на 10 процентов больше, и большего размера задний мост. Кроме того, эта модель характеризуется наличием системы смазки с сухим картером, которая имеет отдельный расширительный бачок и вмещает масла приблизительно в два раза больше, чем у базовой модели. Таким образом, легкие конструкционные элементы не только уменьшают вес автомобиля, но также компенсируют вес более тяжелых элементов, обладающих лучшими техническими характеристиками.

В автомобиле Corvette модели ZR1 используется алюминиевое шасси такой же конструкции, как и в модели Z06, и содержится даже больше деталей кузова из углеволокна, включая панель крыши; однако она имеет избыточный вес из-за использования системы с промежуточным охлаждением нагнетателя двигателя LS9. Модель ZR1 весит 1512 кг, однако весь избыточный вес обусловлен не нагнетателем. Эта модель имеет корпус дифференциала задней оси, даже большего размера, чем у модели Z06, а также другие предназначенные для работы в тяжёлых условиях детали трансмиссии. Опять же, при удельной мощности 5.22:1, или 1 лошадиная сила на каждые 2,37 кг модель ZR1 может обогнать все автомобили, за исключением нескольких серийных аналогов гоночных автомобилей.

Будущее

На случай, если Вы не заметили, обращаем Ваше внимание на то, что автомобили в последнее время становятся неприлично тяжёлыми, при том, что большая часть избыточного веса связана с использованием тяжелой стали, из которой изготовлены средства защиты от аварий, а также с использованием модулей подушек безопасности, которых на первый взгляд, большое множество, и с километрами проводов от систем управления шасси. Новый Camaro SS, имеющий автоматическую коробку передач, весит более 1769 кг, в то время как семейный автомобиль, такой как Buick LaCrosse, весит более двух тонн; и даже страшно себе представить вес популярных кроссоверов, которые весят не меньше танка.

То, что и в наши дни автомобиль Corvette является, несомненно, легким автомобилем - это замечательно. Однако, несмотря на имеющееся у компании, являющейся лидером в области технологии, наследие, особенно касающееся использования легких материалов, инженеры автомобиля Corvette испытывают такое же, как и в остальной промышленности, давление, связанное с необходимостью соответствия требованиям более жёстких, чем когда-либо, стандартов обеспечения защиты от аварий, и не собираются жертвовать какой-либо из высокотехнологичных электронных систем управления, имеющихся в этом автомобиле. В таком случае поддержание репутации легкого автомобиля потребует продолжения использования легких панелей кузова, однако, учитывая, что углеволокно все еще является значительно более дорогостоящим материалом, по сравнению с SMC, следует ожидать, что пластиковые панели будут продолжать использоваться, по крайней мере, в базовых моделях.

Что касается шасси, мы были бы удивлены, если бы в условиях нового режима строгой экономии после банкротства компании General Motors в базовых и в более продвинутых моделях было бы оправдано использование разных рам. В случае удачи, которая может означать постепенное увеличение финансирования, в базовых моделях появятся более легкие шасси. Нам кажется, что будет трудно сохранить собственную массу базовой модели с кузовом-купе в районе 1451 кг. Однако, принимая во внимание историю непрерывного совершенствования автомобиля Corvette, особенно за последние 15 лет, мы бы не стали держать пари.

Новаторские лакокрасочные системы автомобиля Corvette

Хотя в основном наша статья была посвящена вопросу передовых технологий, связанных с использованием в конструкции автомобиля Corvette легких панелей кузова, мы подумали, что стоит также упомянуть о том, что этот автомобиль являлся также пионером применения материалов, которые покрывают эти панели - то есть красок. Эта история началась с переносом места производства из Сент-Луиса в Боулинг-Грин в 1981 г. Именно в это время лаковое покрытие было заменено на грунтовочные/прозрачные системы на основе эмали, которые вскоре стали стандартными для промышленности. И когда в 1997 г. вышел на рынок автомобиль поколения C5, то в Боулинг-Грин вновь оказались в авангарде, перейдя на более экологичные краски на водной основе, в которых содержание растворителя уменьшено приблизительно с 60 до 10 процентов. К тому же эти краски обладают более широкой цветовой палитрой. В настоящее время использование красок на водной основе является нормой на сборочных заводах всей Северной Америки.