Maksymalna sztywność mechaniczna konkretnego kadłuba pojazdu nie jest miarą jego technicznej doskonałości. Sztywność można łatwo uzyskać, zwiększając wytrzymałość użytych stopów metali. Własności mechaniczne nadwozi oceniane są według przeciwnych sobie kryteriów stabilności konstrukcji oraz jej selektywnej podatności na odkształcenia w trakcie kolizji drogowych.

Ogólna masa kadłuba ma bezpośredni wpływ na cechy eksploatacyjne pojazdu, w tym także na koszty i bezpieczeństwo jego użytkowania. Wiele elementów tworzonych jest w taki sposób, aby finalnie były elementami zamkniętymi o dużej sztywności.

Konstrukcje cienkościenne charakteryzują się dobrą sztywnością tak długo, dopóki nie zostanie naruszony ich przekrój poprzeczny. Dlatego ważne znaczenie w ich strukturze mają usztywnienia poprzeczne, nazywane wręgami lub żebrami. Odkształcenia zginające powodują spłaszczanie przekroju profili zamkniętych. Zapewnienie odpowiedniej sztywności przekroju jest również konieczne dla prawidłowej pracy całego kadłuba nadwozia, który można traktować jako belkę cienkościenną złożoną z wielu elementów.

Na poniższej ilustracji przedstawiono strukturę nośną nadwozia i zastosowane w niej profile cienkościenne.

Struktura nośna nadwozia i zastosowane w niej profile cienkościenne. © autoEXPERT

Konstrukcje cienkościenne są poza tym mało odporne na działanie sił skupionych prostopadłych do ich powierzchni. Tylko odpowiednio sztywne przekroje poprzeczne pozwalają na prawidłowe rozprowadzenie tych sił w strukturze nośnej nadwozia. Tak więc dla uzyskania wymaganej sztywności całego kadłuba podstawowe znaczenie ma rozmieszczenie jego elementów cienkościennych w sposób optymalny dla kierunków rzeczywiście działających sił.

Podczas naprawy

Ze względu na częste stosowanie profili o zmiennej grubości ścianki oraz stali o wysokiej lub ultrawysokiej wytrzymałości konieczne jest przestrzeganie pewnych reguł podczas naprawy. Tam, gdzie występują stale wysokowytrzymałe, należy przestrzegać techniki łączenia odpowiedniej dla tego materiału. W przypadku profili o zmiennej grubości ścianki konieczne jest zastąpienie uszkodzonego profilu profilem naprawczym dostarczanym przez producenta pojazdu. Nie jest dopuszczalne rozcinanie profilu i wymiana tylko najbardziej zniszczonych jego fragmentów, gdyż taka naprawa znacznie go osłabia.

Profile o zmiennej grubości (tailored blanks) mogą być też wykonane jako pakiety złożone z zespawanych laserowo różnych rodzajów blach. Mogą to być blachy głębokotłoczne o podwyższonej wytrzymałości lub ultrawytrzymałe. Blachy głębokotłoczne pochłaniają energię podczas zderzenia. Dzięki swojemu odkształceniu przejmują siłę uderzenia, a jeśli nie są w stanie przyjąć całej siły, to ta przenoszona jest dalej do elementu wykonanego ze stali o wysokiej wytrzymałości, który w zależności od wielkości siły odkształci się sprężyście lub zostanie trwale zdeformowany. Element najsztywniejszy może ulegać najwyżej nieznacznym odkształceniom, gdyż jego zadaniem jest zachowanie tzw. przestrzeni przeżycia w części nadwozia przeznaczonej dla kierowcy i pasażerów. Elementy nadwozia wykonane w technologii tailored blanks, takie jak konstrukcyjne profile zamknięte o zmiennych przekrojach, są wykorzystywane do określania stref zgniotu oraz stref przeżycia dla pasażerów w kabinie pojazdu.

Dla przykładu nadwozie nowego BMW X6 Sport Activity Coupe zawiera 61% wysoko wytrzymałych gatunków stali, w tym tłoczone na gorąco wsporniki o wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 1300 MPa. Chrysler Minivan wykorzystuje wysoko wytrzymałą stal w połączeniu z przednimi i bocznymi poduszkami powietrznymi, by zwiększyć bezpieczeństwo kierowcy i pasażerów. Podczas gdy od 2007 do 2015 roku całkowita waga pojazdów zmniejszyła się, wykorzystanie wysoko wytrzymałych rodzajów stali wzrosło o około 1/3 z 220 do 326 kg. Zastosowanie stali wysokowytrzymałych jest więc uzasadnione ze względu na trend „odchudzania” pojazdów i konieczność instalowania w nich coraz większej liczby systemów bezpieczeństwa. Tradycyjne blachy głębokotłoczne o wytrzymałości na rozciąganie poniżej 100 MPa używane są obecnie jako materiał główny wyłącznie do produkcji nieprzenoszących obciążeń elementów zewnętrznych, takich jak poszycie drzwi, błotniki pokrywa silnika i bagażnika. Należy jednak pamiętać o tym, ze stal w tych zastosowaniach jest wypierana przez tworzywa sztuczne oraz aluminium.

Rodzaje stali

Stale stosowane do produkcji nadwozi są sukcesywnie wzmacniane. Zwiększanie wytrzymałości odbywa się przez odpowiednią obróbkę cieplną wraz z nawęglaniem i azotowaniem. Kolejnym sposobem wzmocnienia elementu blaszanego jest jego tłoczenie. Stosowanie tego zabiegu powoduje wzmocnienie stali czego wynikiem jest większa wytrzymałość na rozciąganie. Materiał po tłoczeniu ma wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 180 MPa. Większą wytrzymałością mogą się poszczycić stale High Strength Steel (HSS), które osiągają 300 MPa wytrzymałości na rozciąganie dzięki dodatkom stopowym. Lepsze parametry osiągają stale dwufazowe (Dual Phase), których wewnętrzna warstwa ma strukturę ferrytową, natomiast zewnętrzne warstwy – martenzytową. W tym przypadku każda naprawa z użyciem urządzania spawającego czy palnika doprowadzi do nieodwracalnej zmiany struktury stali i jej osłabienia. Stale wielofazowe osiągają wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1000 MPa. Najwyższe wytrzymałości uzyskuje się w stalach stopowych z manganem utwardzanych w atmosferze boru. Ich wytrzymałość przekracza 1600 MPa.