3. Материалы BMW: ноу-хау от исследований до производства.

Высочайшая функциональность сочетается с легкостью: разработка инновационных материалов для кузовов и двигателей.

BMW 5-й серии — это феномен: он заметно динамичнее предшествующей модели, более вместительный и впечатляет значительно более обширным оснащением систем комфорта и безопасности.

Тем не менее, в одной дисциплине рост отсутствует. Напротив, BMW 5-й серии в зависимости от модели до 75 кг легче своего предшественника. Разработчикам автомобиля удалось противостоять увеличению массы прежде всего благодаря целенаправленному использованию современных материалов и соответствующему прогрессу в концепции, конструкции и технологии обработки. Чтобы обеспечить себе успех в будущем, специалисты отдела эксплуатационной прочности материалов мюнхенского Центра исследований и разработок (FIZ) ведут постоянный поиск наиболее подходящего материала для каждой детали и разрабатывают соответствующие производственные технологии. Их ноу-хау постоянно востребовано по-новому, ведь не существует материала, полностью подходящего для всех целей и любой модели. Требуется скорее рациональная композиция материалов. Для каждой детали специалисты ведут исследования в поиске наиболее подходящего материала, отвечающего концепции автомобиля и ее требованиям. При этом они разрабатывают частично новые материалы, в которых различные преимущества связаны друг с другом неизвестным до сих пор способом. В идеальном случае каждый новый материал отличается не только более высокими функциональными возможностями, но и выдерживает более высокие предельные допустимые нагрузки, имеет максимальную долговечность и оптимизирован по массе.

Наряду со стремлением к повышению комфорта и новым функциональным возможностям, положения законодательства — например в области безопасности и очистки ОГ — постоянно вызывают повышение массы современных автомобилей. Для компании BMW это является еще одной причиной, чтобы противопоставить рациональную концепцию общей тенденции к созданию более привлекательных автомобилей, размеры и масса которых постоянно растут: так, компания BMW сочетает повышение динамичности с сокращением расхода топлива, уменьшением вредных выбросов и снижением массы. Эти параметры представляют собой цель, которая определяет стратегию развития концепции эффективной динамики.

Новые материалы позволяют добиться снижения массы практически любых компонентов, деталей и узлов автомобиля. Благодаря новейшим разработкам в области металлических сплавов — как это видно на примере несущих элементов из высокопрочной и улучшенной стали — предельную допустимую нагрузку на детали автомобиля можно довести до необходимого уровня при значительно сниженном расходе материала. Даже тот факт, что некоторые особо легкие металлы наряду со своими преимуществами имеют негативные характеристики, например чувствительность к воде, не может затормозить развитие. Специальные методы изготовления и композитные технологии оптимизируют характеристики выбранных материалов. Так, например облегченный тормозной диск нового BMW 5-й серии состоит из чугунного фрикционного кольца и алюминиевой ступицы. С точки зрения износостойкости и теплоемкости серый чугун остается для фрикционного кольца наилучшим материалом. Тем не менее, если делать ступицу из алюминия, можно добиться снижения массы. Связанные с этим издержки изготовления окупаются: поскольку тормозные диски относятся к неподрессоренным массам, оптимизация их массы вносит существенный вклад в повышение динамичности.

Разработка новых видов пластмасс также получила ускорение под влиянием новых научных знаний и в результате интенсивных практических исследований. Возможности использования пластмасс удалось расширить благодаря усовершенствованным материалам и оптимизации технологических процессов, поскольку разнообразие материалов, относящихся к этой категории, стремительно растет. Практически для любой цели можно создать синтетический материал, характеристики которого будут точно соответствовать требованиям к изготовленной из него детали.

Природа подает пример: оптимальные структуры для снижения массы.

В своей исследовательской и опытно-конструкторской работе специалисты BMW постоянно используют решения, подсказанные природой. При внимательном изучении, например, структуры растений или строения опорно-двигательного аппарата млекопитающих и птиц обнаруживается, что эволюция породила потрясающие образцы эффективного использования «материала». Хотя их буквальное копирование не представляется возможным, они часто служат примером и подсказывают инновационное техническое решение. Чтобы придать импульс разработке новых материалов, стоит самым тщательным образом проанализировать поверхностную структуру растения, гибкую, законченную форму костей и доведенную природой до совершенства концентрацию материала в местах наибольшей нагрузки.

Полая структура птичьих перьев служит естественным образцом, например, для изготовления металлических конструкций. Она побудила специалистов BMW к созданию технологии формования под высоким внутренним давлением (IHU), которая заключается в том, что металлические трубы сначала изгибаются и закладываются в формовочный инструмент. После этого в оба конца трубы под высоким давлением подается специальная жидкость или воздух до тех пор, пока металл не приобретет контуры инструмента. Эта технология позволяет придать детали такую геометрическую форму, которая оптимально располагается в соответствующем монтажном пространстве и, кроме того, снижает массу. Детали, изготовленные по технологии IHU, подобно структуре птичьих перьев, отличаются прочностью, легкостью и гибкостью.

Другой естественный принцип используется при изготовлении передней панели нового BMW 3-й серии. При интегральном вспенивании материала, отлитого под давлением, в расплав пластмассы добавляются вспенивающие агенты, которые, подобно дрожжам в пироге, при нагреве выделяют газ. Чтобы использовать этот эффект, форма, заполненная пластмассовым расплавом, открывается, как только поверхность детали затвердеет, причем ход этого открытия точно определен. При этом давление еще жидкого внутри детали вещества падает, и газ вспенивает пластмассовый расплав. Изготовленная таким методом передняя панель почти на 20 процентов легче традиционных панелей того же размера.

Уникальная многофункциональная обшивка днища автомобиля.

Обшивка всей площади днища BMW 5-й серии значительно улучшает аэродинамику. Она обеспечила снижение как лобового сопротивления, так и подъемных сил. Столь же примечателен и материал, использованный для обшивки. Детали, изготовленные по технологии LWRT (Low Weight Reinforced Thermoplastics), стали результатом разработки, которая позволила снизить массу при сохранении функциональных возможностей. По сравнению с обычной пластмассовой обшивкой новые панели LWRT легче почти на 30 процентов. Материал дополнительно улучшает акустические свойства и защиту от воды и камней.

Новый материал LWRT состоит из двух компонентов. Внутренний слой из термопласта, армированного стекловолокном, с обеих сторон герметизируется термопластичной пленкой по специальной технологии и образует сначала полуфабрикат плоской формы в виде многослойной структуры из однородных материалов. В процессе второй операции полуфабрикат под давлением и при высокой температуре приобретает окончательную геометрическую форму. При этом материал по краям и в точках крепления, в которых обшивка привинчивается к кузову, имеет компактную форму. В остальных зонах сохраняется многослойная структура, обеспечивающая исключительную прочность детали на изгиб. Благодаря хорошей пластичности полуфабриката и возможности формирования различной толщины стенок детали можно придать геометрию, соответствующую различным требованиям.

BMW является единственным производителем в мире, располагающим столь изысканной технологией для материалов обшивки днища своих автомобилей. Новый материал LWRT разработан для обшивки BMW 5-й серии. Сразу после премьеры в 2004 году эта инновация в области материалов получила от ассоциации Society of Plastic Engineers награду SPE, которая считается «Оскаром в индустрии пластмасс». В том же году промышленное объединение AVK-TV отметило материал премией за инновацию. Тем временем LWRT внедряется и на моделях BMW 3-й и 1-й серий.

Новый структурированный пенопласт создает прочные связи.

Больше функциональных возможностей при меньшей массе: еще один пример того, как с помощью новых материалов можно достичь этих целей, демонстрирует кузов универсала BMW 5-й серии. Установка панорамного люка привела к оптимизации структуры автомобиля в зонах стоек A, B и C. Это поставило новые задачи перед разработчиками материалов. Целью разработки материала были обеспечение максимально возможной динамической жесткости кузова и оптимизация уровня комфорта путем снижения вибраций без увеличения массы автомобиля. Поэтому вместо стальных перегородок и профилей с толстыми стенками используется созданный заново значительно более легкий структурированный пенопласт.

Этот материал устанавливают в автомобиль при изготовлении кузова. В процессе нанесения лакокрасочного покрытия элементы из структурированного пенопласта расширяются в соответствии с точно заданными значениями и повышают динамическую жесткость автомобиля. Кроме того, элементы из структурированного пенопласта снижают массу по сравнению с традиционными стальными конструкциями почти на 10 кг. Новый материал очень быстро и эффективно внедрили в существующий производственный процесс, так как процессы сварки при установке деталей были исключены.

Пластмассовые крылья повышают динамичность.

Оптимизированные по массе материалы компания BMW всегда использует только в том случае, если их функциональные возможности как минимум равносильны традиционным материалам. Для оценки этих возможностей используются разнообразные критерии. К ним относятся не только прочность и долговечность, но и внешний вид и тактильные ощущения, которые отмечает покупатель. Однако свойства нового материала, как правило, влияют также на производственную технологию и дизайн. Поэтому оптимальными являются те материалы, которые обладают гибкостью для создания нужной формы и легко поддаются обработке. Кроме того, их внешний вид должен свидетельствовать о высоком качестве, а свои характеристики материал должен сохранять в течение длительного времени. Наглядным примером этому служит переднее крыло нового купе BMW 3-й серии, изготовленное из пластмассы. Эта пластмасса представляет собой новый термопластичный материал, такое крыло 50 процентов легче стального.

В результате масса купе снижается почти на 3 килограмма. А поскольку это преимущество достигается в зоне передней оси, оно в полной мере способствует повышению динамичности. Благодаря использованию легкого материала в передней части автомобиля не только снижается его общая масса, это также обеспечивает сбалансированную развесовку по осям в идеальном соотношении 50: 50. Замена стали на высокотехнологичную пластмассу никак не влияет на производственный процесс. Установка пластмассовых крыльев не требует специальной сборочной операции и интегрирована в технологический процесс на стадии нанесения лакокрасочного покрытия. В отличие от прежних пластмассовых элементов новые крылья не требуют отдельной покраски с последующей окончательной сборкой. Они проходят обычный лакокрасочный процесс в составе всего кузова. Благодаря их высокой теплостойкости, а также оптимизированному линейному расширению и водопоглощению выкрашенные крылья демонстрируют такие же внешние характеристики, как и традиционные стальные детали.

Новый материал предоставляет лучшие возможности и с точки зрения дизайна. Материал обеспечивает более гибкое формование, чем сталь, это обстоятельство дает дизайнерам больше свободы в создании формы. Кроме того, материал обладает свойством, давшим большое преимущество клиентам еще при разработке реверсивных бамперов. Пластмассовое крыло отличается высокой стойкостью к мелким повреждениям. При легкой деформации деталь принимает свою первоначальную форму. Столкновения на минимальной скорости, которые часто случаются, например, при маневрировании на парковке, почти не оставляют стойких следов.

BMW лидирует в использовании магния для моторостроения.

Магний считается материалом для новейших технологий и символом прогресса в автомобилестроении. Однако каков действительный потенциал этого материала? Прежде чем оценить его возможности, разработчики материалов концерна BMW Group трезво взвесили все «за» и «против».

Магний как материал конкурирует со сталью, алюминием и пластмассой. Очевидным преимуществом является его легкость: он примерно на 60 процентов легче стали и на 30 процентов легче алюминия. Однако с точки зрения прочности на изгиб, пластичности, термостойкости и подверженности коррозии со сталью и алюминием могут сравниться только новый магниевые сплавы. Необходимо в принципе определить, где использование этого материала действительно оправдано, ведь цены на сырье и сложные технологии литья и изготовления дополнительно усложняют использование магния. Тем не менее, области применения этого металла в недавнем прошлом значительно расширились. Каркасы сидений и обод рулевых колес изготавливаются методом магниевого литья. Магниевый кронштейн приборного щитка также обеспечивает заметную экономию массы.

Наиболее впечатляющим примером того, как магний непосредственно способствует реализации эффективной динамики, является рядный шестицилиндровый двигатель BMW. Привод, впервые представленный на BMW 330i, выдает из 3 литров рабочего объема мощность до 195 кВт/265 л. с. — и это при массе двигателя всего 161 килограмм. В рядной «шестерке» блок цилиндров изготовлен из комбинации магния и алюминия. С этой единственной целью был разработан абсолютно новый метод литья, позволяющий оптимально соединять оба металла друг с другом. Кроме того, магний используется в постели двигателя и крышке головки блока цилиндров шестицилиндрового двигателя. В сочетании с другими мерами внедрение блока цилиндров из магния и алюминия снижает массу двигателя почти на 10 кг по сравнению с первоначальной «шестеркой». Снижению массы передней части автомобиля внесло прямой вклад в оптимизацию развесовки по осям и тем самым повысило динамичность.

В будущем разработчики материалов и автомобилей концерна BMW Group делают ставку на сплавы магния. Очень привлекательным может стать использование магния в ходовой части, где таким образом можно значительно снизить неподрессоренные массы. Осуществление подобных представлений является общей задачей исследователей материалов, автопроизводителей, поставщиков комплектующих деталей и технологов производства. Благодаря накопленному уже сегодня опыту и своему высокому техническому уровню концерн BMW Group занимает лидирующее положение в этом развитии.