Роль клепки в разработке легких автомобильных рам

Разработка легких автомобильных рам стала центральной инженерной задачей, поскольку автопроизводители стремятся повысить топливную эффективность, сократить выбросы и расширить диапазон электромобилей, не жертвуя безопасностью или производительностью. Среди многих доступных технологий присоединения клепка стала краеугольным камнем для сборки современных конструкций транспортных средств. Обеспечивая прочные, прочные соединения с минимальной добавленной массой, клепка позволяет использовать передовые легкие материалы, которые трудно сварить или затормозить эффективно. В этой статье исследуется роль клепки в легких автомобильных рамах, от ее основных принципов до последних инноваций, которые формируют следующее поколение транспортных средств.

Что такое Ривтинг?

Заклепка представляет собой механический процесс крепления, который соединяет два или более материала с использованием металлического штифта, называемого заклепкой. Заклепка вставляется через предварительно просверленные или пробитые отверстия в материалах, которые должны быть соединены, а затем хвостовой конец деформируется - или "напряжен" - для создания постоянной головки, которая удерживает сборку вместе. Эта деформация обычно достигается ударом, давлением или теплом, в зависимости от типа заклепки и применения.

Техника датируется тысячами лет, появляется в древнем судостроении, броне и строительстве.В автомобильной промышленности клепка широко использовалась в ранних каркасах транспортных средств, прежде чем сварка стала доминирующей.Однако смещение в сторону легких материалов возродило интерес к клепке как к превосходному способу соединения алюминия, высокопрочной стали и композитных конструкций.Современные клепочные процессы высокоавтоматизированы и могут достигать времени цикла, измеряемого в долях секунды, что делает их пригодными для производственных линий большого объема.

Почему клепки имеют решающее значение для легких кадров

Экономия веса

Каждый грамм имеет значение в легком транспортном средстве. Сами клепки небольшие и легкие, особенно по сравнению с болтами и гайками, которые требуют дополнительного оборудования, или сварными швами, которые могут добавлять наполнитель и зоны, подверженные воздействию тепла, которые могут потребовать усиления. При соединении тонкоколейных алюминиевых или композитных панелей клепка придает ничтожную массу, обеспечивая при этом исключительные соотношения прочности к весу.

Сопротивление целостности и усталости

Клепаные стыки распределяют напряжение более равномерно, чем точечные сварные швы, которые концентрируют напряжение в дискретных точках. Это делает клепательные соединения более устойчивыми к усталости при циклической нагрузке — критический фактор в шасси и конструкциях кузова, которые испытывают постоянную вибрацию и дорожные нагрузки. Деформация клепки во время установки также создает большую несущую поверхность, которая сопротивляется силам вытягивания.

Совместимость материалов

Одним из самых больших преимуществ клепки является ее способность соединять непохожие материалы. Современные рамы транспортных средств часто сочетают в себе алюминиевые, стальные, магниевые и углеродно-волоконные композиты. Сварка этих материалов является сложной или невозможной из-за различий в точках плавления, тепловом расширении и металлургической совместимости. Клепка обеспечивает механическое соединение, которое позволяет избежать этих проблем, обеспечивая истинную многоматериальную легкую конструкцию.

Виды клепки, используемые в автомобильном производстве

Твердые заклепки

Твердые заклепки — традиционный тип, состоящий из цилиндрического вала с предварительно сформированной головой. Они устанавливаются путём помещения заклепки в отверстие и расстраивания хвоста молотком или пневматической пушкой. Пока ещё используются в некоторых сверхмощных приложениях, твёрдые заклепки в значительной степени заменены более совершенными типами в автомобильной сборке из-за требований к доступу к инструменту и скорости.

Слепые заклепки (Pop Rivets)

Слепые заклепки могут устанавливаться с одной стороны соединения, что делает их идеальными для закрытых или труднодоступных участков. Покрывало заклепки протягивается через корпус, расширяя его на слепой стороне. При широком использовании в ремонте и сборке малообъемных заклепок, слепые заклепки обычно предлагают меньшую прочность, чем другие типы, и могут не подходить для первичных конструктивных соединений в серийных автомобилях.

Самопиринговые заклепки (SPR)

Самопронзительные заклепки являются наиболее важной технологией клепки в современных легких автомобильных рамах. В отличие от обычных заклепок, SPR не требуют предварительно просверленного отверстия. Пунш прогоняет заклепку через верхний слой (слои) материала, в то время как штамп на задней стороне расстраивает хвост заклепки в нижний слой, создавая механическое блокирование. SPR могут объединять два, три или даже четыре слоя материала, включая алюминий, сталь и некоторые композиты. Процесс быстрый, чистый и производит соединения с отличной статической и усталостной прочностью. SPR широко используются в транспортных средствах, таких как Ford F-150 и Audi A8.

Трение, заливка

Новая технология, фрикционное заклепывание, использует вращающийся инструмент для генерации фрикционного тепла и размягчения материалов перед вставкой клепки. Этот процесс уменьшает силу, необходимую для установки, и позволяет объединять теплочувствительные материалы, такие как магний и композиты. Он все еще находится на стадии исследования и пилотного этапа, но показывает перспективы для будущего производства.

Riveting vs. Другие методы присоединения

сварка

Сварка с пятном сопротивления (RSW) является доминирующим методом соединения стальных корпусов в белых конструкциях. Однако RSW трудно применять к алюминию из-за его высокой теплопроводности и оксидного слоя. Лазерная сварка и дуговая сварка используются для некоторых алюминиевых соединений, но требуют точной установки и защитного газа. Клепка избегает зоны теплового воздействия и теплового искажения, что может быть проблематичным для тонкоклейких материалов. Кроме того, клепка не требует высокого расхода электроэнергии при резистентной сварке.

вязание

Сплетенные соединения предлагают преимущество разборки для ремонта и переработки, но они добавляют значительный вес из-за орехов, шайб и дополнительных крепежных элементов, необходимых. Болты также создают концентрации напряжения в резьбовой области и могут ослабевать под вибрацией без шлюзовых шайб или соединений, блокирующих резьбу. Клепаные соединения являются постоянными, более легкими и по своей сути вибрационно-стойкими.

Склеивание клея

Структурные клеи все чаще используются вместе с заклепками в так называемых «гибридных» соединениях. Клеи распределяют нагрузку на большой площади и улучшают жесткость и производительность NVH. Однако одни только клеи могут не иметь прочности на кожуре и могут быть чувствительны к условиям отверждения и подготовке поверхности. Клепки обеспечивают необходимую силу зажима и сопротивление кожуре, в то время как клей уплотняет сустав от коррозии. Эта комбинация теперь стандартна во многих транспортных средствах премиум-класса, таких как Audi Space Frame.

Ford F-150 2015 года был знаковым автомобилем, использующим полностью алюминиевую структуру кузова для снижения веса примерно на 318 килограммов (700 фунтов) по сравнению со своим стальным предшественником. Инженеры Ford использовали самопропускающиеся заклепки в качестве основного метода соединения кабины и кровати, а также винтовые винтовые винты для областей, требующих разборки. Более 6000 заклепок используются на грузовик, применяемый более чем 200 роботизированными клепательными ячейками. Результатом стал грузовик, который сохранил свою буксировочную и грузоподъемность при достижении значительно лучшей экономии топлива. Успех F-150 стимулировал широкое внедрение SPR в отрасли.

Audi A8 Space Frame

Audi впервые разработала концепцию многоматериальной рамы с A8, используя комбинацию алюминия, высокопрочной стали, магния и полимера с армированным углеродным волокном (CFRP). Для присоединения этих различных материалов требовалась смесь процессов: самопронзительные заклепки для алюминия-алюминий и алюминий-сталь, винтовые винтовые винты для стали-сталь и клеевое склеивание для CFRP. Заклепки и клеи работают вместе для достижения крутильной жесткости, которая является одной из лучших в своем классе, сохраняя при этом массу тела около 250 кг. Подход Audi демонстрирует, что клепка может обрабатывать самые сложные смеси материалов в производстве.

Проблемы и соображения

Коррозия

Для смягчения этого автопроизводители используют покрытия на заклепках (например, алюминиевая хлопья или цинк-никель) и применяют герметики между слоями. Самопроникающие заклепки создают плотную помехозащищенную посадку, которая ограничивает проникновение влаги, а добавление клеевого соединения обеспечивает дополнительный барьер. Правильный дизайн и выбор материала необходимы для долгосрочной долговечности.

Ремонт и эксплуатационная пригодность

Клепаные соединения являются постоянными и не могут быть просто разбиты для доступа. При ремонте при столкновении должны быть вырезаны поврежденные панели и новый материал, соединенный со специализированным клепательным оборудованием. Это потребовало учебных программ для кузовных магазинов и разработки портативных клепательных инструментов. Руководящие принципы по ремонту послепродажного обслуживания теперь стандартизированы такими организациями, как I-CAR для обеспечения безопасности и качества.

Стоимость

Самопронзительное клепающее оборудование дорогое, с роботизированными ячейками стоимостью в сотни тысяч долларов каждая. Однако стоимость компенсируется возможностью использования более дешевых материалов (алюминий вместо продвинутой высокопрочной стали) и устранением расходных материалов и энергии для сварочных моделей большого объема, общая стоимость владения может быть конкурентоспособной с сопротивлением сварки.

Будущее заездов в автомобиле

По мере того, как требования к облегчению усиливаются, технология клепки будет продолжать развиваться. Исследования направлены на улучшение конструкции клепки для еще более тонких датчиков и материалов с более высокой прочностью. Для присоединения новых сплавов и термопластов исследуются клепки с трением и ультразвуковым притяжением. Кроме того, цифровые двойники и машинное обучение используются для прогнозирования качества клепки в реальном времени, сокращения лома и переработки. Интеграция клепки с другими процессами, такими как лазерная сварка и клейкое склеивание, создаст многопроцессные соединительные элементы, которые могут обрабатывать любую комбинацию материалов с максимальной эффективностью.

Кроме того, рост электромобилей с их большими аккумуляторными батареями требует чрезвычайно жестких и аварийных конструкций. Клепаные алюминиевые и композитные космические рамы хорошо подходят для этого приложения. Tesla, Lucid и Rivian используют обширную клепку в своих конструкциях кузова. По мере увеличения веса батареи каждый килограмм, сохраненный в корпусе, становится еще более критичным для дальности.

Заключение

Ривтинг прошел путь от традиционной техники ремесла до высокотехнологичного автоматизированного процесса соединения, который необходим для разработки легких автомобильных рам. Его уникальная способность объединять непохожие материалы, обеспечивать отличную усталость и эффективность при столкновении и способствовать значительному снижению веса делает его незаменимым в современном производстве транспортных средств. В то время как проблемы остаются в предотвращении коррозии, ремонте и первоначальных инвестициях, постоянные инновации в дизайне клепки, управлении процессом и гибридном соединении гарантируют, что клепка останется ключевой технологией в обозримом будущем. Инженеры и дизайнеры будут все больше полагаться на клепку, чтобы помочь удовлетворить строгие экологические правила и поставить более безопасные, более эффективные транспортные средства на рынок.