Multe repere din componena autovehiculelor de astzi sunt realizate din materiale

compozite. Materialele compozite din care se realizeaz aceste repere se aleg funcie de rolul pe

care aceste componente l au n ansamblul autovehiculului. La alegerea materialului utilizat

pentru realizarea reperelor auto un rol important l are i tehnologia de obinere a acestor

componente. Reperele pot fi realizate din unul sau mai multe subansamble, din acelaii tip de

material compozit, sau din materiale diferite, demontabile sau nedemontabile.

- o fa exterioar;

- o ram interioar.

S-a optat pentru un model de portier existent i din metal pentru a se putea face ncercri

comparative.

Avnd n vedere rezultatele obinute n timpul ncercrilor realizate pe epruvetele din

diferite materiale compozite s-a stabilit ca faa exterioar a portierei s se realizeze din fibr de

carbon, iar rama interioar din fibr de sticl.

n figura 5.1.3 este prezentat modelul 3D al feei exterioare a portiere. Modelarea s-a

realizat folosind dimensiunile din desenul de execuie din figura 5.1.1.

1

n acestui proiect s-a optat pentru realizarea experimental a unei portiere de autoturism. Varianta aleas a fost o portier dreapta fa pentru un autoturism GOLF 3 n cinci

ui. Pentru construirea portierei auto a fost nevoie de realizarea a dou repere:

5.1. Realizarea unei fee exterioare de portier auto

Prima faz n realizarea feei exterioare a portierei a constat n prelevarea dimensional a

unei portiere de autoturism, de acelai tip, realizat din metal. Cu ajutorul acestor date s-a realizat

un desen de execuie al acestei fee de portier, care va fi folosit i pentru realizarea modelului

3D al acestui reper.

n figura 5.1.1 este ilustrat desenul realizat cu datele prelevate. n figura 5.1.2 se vede faa

exterioar a portierei realizate din rsin epoxidic armat cu dou straturi de estur din fibr de

carbon i un strat din poliester, la interior.

dany_ac2007@yahoo.comTypewritten textCrearea unei portiere din materiale compozite

Figura 5.1.1. Desenul feei exterioare a portierei auto

Figura 5.1.2. Faa portierei realizat din fibre de carbon

Figura 5.1.8. Modelul 3D al feei exterioare a portierei auto

2

5.2. Realizarea unei rame interioare de portiera auto

Execuia ramei interioare a portierei auto a nceput tot cu o aciune de prelevare

dimensional a portierei auto metalice. Cu ajutorul acestor date s-a realizat un desen de execuie

al ramei interioare a portierei, care va servi i pentru realizarea modelului 3D al acestui reper.

Desenul realizat cu datele prelevate este prezentat n figura 5.2.1. n figura 5.2.2 se vede

rama interioar a portierei realizate din rsin poliesteric armat cu dou straturi de mpslitur

din fibr de sticl.

Figura 5.2.1. Desenul ramei interioare a portierei auto

Figura 5.2.2. Rama interioar a portierei realizat din fibr de sticl

Modelul 3D al ramei interioare a portierei, realizat pe baza desenului de execuie din

figura 5.2.1, este prezentat n figura 5.2.3.

3

Figura 5.2.10. Modelul 3D al feei exterioare a portierei auto

5.3. Realizarea unei portiere auto

Portiera realizat din materiale compozite trebuie s fie conform desenului de ansamblu

realizat, cu datele prelevate de la portiera din metal. Ansamblul portierei este realizat prin

montarea mpreun a feei exterioare a portierei i a ramei interioare a portierei. Desenul de

ansamblu este prezentat n figura 5.3.1.

Figura 5.3.1. Desenul de ansamblu al portierei realizat din materiale compozite

Rama interioar i faa exterioar s-au fixat una de cealalt pentru a forma portiera

autoturismului cu ajutorul unor uruburi, de M4, pe intreg conturul, pentru a permite montarea i

demontarea de cte ori va fi nevoie n timpul probelor pe stand. Portiera realizat nu se va monta

pe un autoturism, ci va fi montata pe un stand, unde va fi supus unor probe de rezisten la

deformaii, comparativ cu o portier de acelai tip, dar realizat din tabl de oel.

4

Portierei din materiale compozite i s-au montat bara antimpnare, o pereche de balamale

i un mecanism de inchidere, identice cu cele ale variantei din tabl de oel.

n figura 5.3.2 se vede portiera realizat din materiale compozite, dup asamblare i

vopsire cu alb mat a feei exterioare.

Figura 5.3.4. Portiera montat

Figura 5.3.3 prezint modelul 3D al portierei, ce a fost realizat pornind de la desenul de

execuie din figura 5.3.1.

Figura 5.3.3. Modelul 3D al portierei auto

5

6.1. Modelarea matematica a structurii auto

Modelele 3D realizate ale elementelor portierei au servit pentru realizarea analizei cu

element finit. Metoda Elementului Finit (MEF): este o metod numeric de determinare a unor

soluii aproximative la probleme de condiii la limit. Folosete metode variaionale de

minimizare a funciei eroare i de obinere a unei soluii stabile.

Condiia la Limit (Boundary Condition) este o ecuaie diferenial care mpreun cu un

set de condiii suplimentare definete matematic un sistem fizic. Soluia acestei ecuaii este i

soluia problemei definite prin condiiile de limit.

Metoda elementelor finite s-a dezvoltat foarte mult odat cu apariia i perfecionarea

calculatoarelor electronice, n ultimii ani reuindu-se dezvoltarea unor sisteme mecanice

complete exclusiv virtual.

Analiza modal este studiul caracterului dinamic al unui sistem mecanic, definit

independent de ncrcarea extern aplicat i de rspunsul sistemului.

Mod Propriu (al unui sistem dinamic) este un model de micare al tuturor componentelor

unui sistem, micarea se realizeaz n faz i la aceeai frecven.

Pentru discretizarea modelului CAD s-a folosit suita software Hyperworks / Hypermesh.

n urma analizei fcute s-au determinat zece Moduri Proprii. n figura 6.1.1 este

reprezentarea grafic pentru Modul 10, la frecvena de 152.01Hz.

Figura 6.1.1 Reprezentarea Modului 10

6

dany_ac2007@yahoo.comTypewritten textTestarea portierei create din materiale compozite

6.2. Realizare stand de ncercare a structurii auto

Cercetarea experimental a portierei auto construit, din materiale compozite, se poate

realiza cu ajutorul unui stand. Standul trebuie s reproduc, ct mai fidel, modul de fixare a

portierei pe autoturism. Din acest motiv, pentru realizarea standului s-a folosit o caroserie, a unui

autoturism Volkswagen Golf 3, n cinci ui, pe care portiera realizat din materiale compozite s

se poat monta. Pe caroserie nu sunt montate portierele, capota, hayonul spate, prbrizul.

Caroseria nu dispune de sistemul de suspensie, direcie sau grupul de for.

Standul a fost realizat pe platforma metalic a Laboratorului de ncercri din cadrul

INSTITUTULUI DE AUTOVEHICULE RUTIERE INAR Braov. Pentru ca portiera s se poat

monta exact ca pe autoturism, pe caroserie s-au pstrat garnitura de etanare a portierei

(chederul), balamalele portierei, sistemul de zvorre al acesteia.

Pe stand portierele, att cea metalic, dar i cea din materiale compozite au fost solicitate

static i dinamic. Schema de principiu a standului este prezentat n figura 6.2.2.

Figura 6.2.2. Schema dispozitivului de ncrcare static

1. Platform metalic; 2. Caroserie de autoturism; 3. Montant; 4. Suport mecanism de ncrcare; 5. Piuli; 6. Tij mecanism de ncrcare; 7. Traductor de for; 8. Portier. 9. Difuzor fr membran; 10. Sonometru; 11. Camere ale sistemului VIC; 12. Trepied; 13. Unitate de calcul.

2

3

4

5 6 7

1

8 11

13

12 10 9

7

Pentru monitorizarea suprafeei din structura portierei supus solicitrilor, s-a utilizat

Metoda Corelrii Digitale a Imaginilor VIC (Video Image Correlation), prin utilizarea

sistemului produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania (11).

Pentru aceast ncercare, portierele auto, att cea metalic, ct i cea din materiale

compozite au fost acoperite, pe faa exterioar, cu un strat de vopsea alb mat. Peste acest strat de

vopsea alb, n zona monitorizat, se vor aplica, prin pulverizare, pete cu dimensiuni, form i

distribuie aleatoare, care vor asigura un bun contrast i o identificare ulterioar uoar pentru

camarele sistemului VIC.

Pentru nregistrarea comportamentului portierei n regim dinamic se utilizeaz un

sonometru.

6.3. Funcionarea standului de solicitare a portierei

Pe caroseria de autoturism, fixat pe platforma laboratorului, se vor monta, pe rnd,

portiera din metal i cea din materiale compozite pentru a fi solicitate att static, ct i dinamic.

Pentru monitorizarea suprafeei portierei supus solicitrii statice, se utilizeaz Metoda

Corelrii Digitale a Imaginilor VIC (Video Image Correlation). care permite efectuarea unor

investigaii experimentale de mare precizie (de ordinul micronilor, m). Aceasta este o metod

optic de investigaie, fr contact direct cu suprafaa piesei analizate i nu este dependent nici

de materialul acesteia. Nu intervine n procesul intim al modificrii cmpului de deplasri i de

deformaii al structurii sub aciunea unor factori de influen externi, la care piesa ar fi supus

sau interni.

Aplicarea acestei metode a fost posibil prin utilizarea sistemului produs de compania

ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania [124,125] i un soft-ware de la Correlated Solutions, USA

[94].

Metoda se bazeaz pe utilizarea a dou camere video, aflate la o distan una de cealalt,

ale cror imagini nregistrate simultan ofer o imagine spaial a obiectului analizat, asemntor

ochiului uman.

Prile principale ale sistemul VIC-3D sunt:

- dou camere video de nalt rezoluie;

- un trepied rigid

- o unitate de calcul.

Cele dou camere (1) sunt dispuse pe travers (2) astfel, nct s vad obiectul analizat

sub aceleai unghiuri, dispuse simetric (figura 6.3.1). Obiectul analizat este vopsit cu pete de

8

dimensiuni, form i distribuie aleatoare, care pe fundalul alb al suprafeei portierei, vor asigura

un bun contrast i o identificare ulterioar uoar ale acestora.

Mecanismul de solicitare static a portierei funcioneaz pe principiul urubului-piuli.

Astfel, rotind piulia (5) din figura 6.2.2, se produce o deplasare orizontal a tijei mecanismului

(6), care, la rndul ei solicit portiera, prin intermediul traductorului de for (8). n timp ce

traductorul de for nregistreaz fora de apsare sau de tragere aplicat pe faa portierei,

sistemul VIC nregistreaz deformaiile care apar pe suprafaa acesteia.

Figura 6.3.1. Elementele de baz ale sistemului VIC-3D

Pentru analizarea comportrii portierelor n timpul solicitrilor dinamice, pe acestea se va

monta, cu ajutorul dispozitivului realizat, difuzorul fr membran. Acesta este alimentat, prin

intermediul unui amplificator, de un generator de semnal, ai crui parametri sunt controlai. cu

ajutorul unui sonometru, amplasat n dreptul portierei, se va nregistra reacia acesteia.

6.4. Cercetare experimentala a unei structuri clasice din metal

Pentru portiera metalic s-au fcut nregistrri pentru 12 frecvene diferite de solicitare.

Frecvenele utilizate la solictarea portierei au fost: 80Hz, 90Hz, 100Hz, 115Hz, 130Hz, 160Hz,

170Hz, 200Hz, 250Hz, 360Hz, 500Hz i 600Hz.

1

4 3

2

1. Camer video de nalt rezoluie; 2. Suport; 3. Trepied; 4. Lamp LED.

9

Pentru fiecare frecven, cu ajutorul sonometrului s-au realizat cte dou grafice, unul de

nivel de zgomot i cellalt pentru spectru de frecvene.

Prima frecven de solicitare a portierei metalice a fost de 80 Hz. nregistrrile grafice

pentru nivelul de zgomot pentru aceast frecven se gseste n figura 6.4.1.

#1 Leq 1s A dB dBTHU 07/11/13 08h24m07 50.4 THU 07/11/13 08h24m27 49.9

Spectrum

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

24m10 24m20 24m30 24m40 24m50 25m00 Figura 6.4.1. Nivelul de zgomot pentru frecvena de 80 Hz

In figura 6.4.2 este ilustrat spectrul de frecvene pe care-l dezvolt faa exterioar a

portierei.

#1 Hz;(dB[2.000e-05 Pa], PWR) 80 71.3 160 51.3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

16 31.5 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 16 k Figura 6.4.2. Spectrul pentru frecvena de 80 Hz

Astfel de grafice s-au realizat i pentru celelalte frecvene analizate.

Deformrile panoului portierei metalice, solicitat static au fost puse n eviden cu

ajutorul sistemului VIC-3D. O astfel de nregistrare este ilustrat n figura 6.4.3.

10

Figura 6.4.3. O imagine 3D a deformaiei panoului portierei metalice, la apsare

n rezumat, din lips de spaiu nu se pot prezenta toate registrrile realizate.

6.5.Cercetare experimentala a unei structuri realizate din materiale compozite

Pentru portiera din materiale compozite s-au fcut nregistrri pentru 8 frecvene diferite

de solicitare. Frecvenele utilizate la solictarea portierei au fost: 80Hz, 100Hz, 130Hz, 160Hz,

200Hz, 250Hz, 500Hz i 600Hz.

i n acest caz, pentru fiecare frecven s-au realizat cte dou grafice, unul de nivel de

zgomot i cellalt pentru spectru de frecvene.

Prima frecven de solicitare a portierei metalice a fost tot de 80 Hz. nregistrrile grafice

pentru nivelul de zgomot pentru aceast frecven se gseste n figura 6.5.1. Astfel de grafice s-

au realizat i pentru celelalte frecvene analizate.

#1 Leq 1s A dB dBTHU 07/11/13 03h36m14 53.5 THU 07/11/13 03h36m17 50.0

Spectrum

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

36m10 36m20 36m30 36m40 36m50 37m00 Figura 6.5.1. Nivelul de zgomot pentru frecvena de 80 Hz

Deformrile panoului portierei din maeriale compozite, solicitat static au fost puse n

eviden cu ajutorul sistemului VIC-3D. O astfel de nregistrare este ilustrat n figura 6.5.3.

11

#1 Hz;(dB[2.000e-05 Pa], PWR) 80 71.5 160 55.9

0

10

20

30

40

50

60

70

80

16 31.5 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 16 k Figura 6.5.2. Spectrul pentru frecvena de 80 Hz

Figura 6.5.3. O imagine 3D a deformaiei panoului portierei din compozite, la apsare

6.6. Optimizarea structurii realizate din materiale compozit

Analiznd modurile de vibraie ale structurii s-a ajuns la concluzia c suprafaa feei

exterioare se poate rigidiza prin realizarea unui cheson, pe interior, din materiale compozite, ca

n figura 6.6.1. Chesonul se poate realiza cu ajutorul unui reper ondulat, din fibr de sticl, lipit

pe partea interioar a feei portierei, peste care se mai lipete nc un strat neted de fibr de sticl.

Figura 6.6.1. Chesonul realizat din materiale compozite

12

6.7. Evaluarea comparativ a componentelor din materiale clasice i compozite

Se constat c deformaiile suferite de portiera din materiale compozite au valori

apropiate cu cele nregistrate pentru portiera metalic.

Pentru deformarea portierei din metal a fost nevoie de fore mult mai mari, de ordinul sutelor de

Newtoni. Pentru portiera realizat din materiale compozite, forele de solicitare au fost doar de

ordinul zecilor de Newtoni. De aici se poate trage concluzia c portiera din materiale compozite

are o rigiditate mai mic dect portiera din metal

6.8. Concluzii

Portiera din materiale compozite prezint o rigiditate mai mare dect portiera metalic.

Realizarea unei structuri ntrite, nchise, similare unui cheson, crete rigiditatea reperului

solicitat. Dup cum s-a constatat n urma ncercrilor de anduran, efectuate pe epruvete,

datorit depformaiilor la care sunt supuse componentele realizate din materiale compozite, n

rin ncep s apar microfisuri, chiar dac solicitrile sunt n domeniul elastic al materialului.

Dac sarcinile care solicit aceste repere nu depesc valorile admisibile, piesele se vor deteriora

mai rapid dect cele metalice. Piesele nu se vor rupe brusc, ci vor ceda treptat, diminundu-i

proprietile n timpul exploatrii. Din momentul apariiei microfisurilor n rin, piesele

realizate din materiale compozite devin vulnerabile n faa condiiilor meteorologice.

13