Z wprowadzeniem na rynek nowego modelu wiążą się nie tylko zmiany w zakresie serwisowania części mechanicznych, takich jak silnik, skrzynia biegów czy podwozie. Często zmiany dotyczą także struktury lub budowy karoserii. Nie zawsze są one widoczne, tym bardziej, że przykrywa je lakier, materiał uszczelniający lub korozja. Inaczej jest w przypadku karoserii w stanie surowym, gdzie widać bezpośrednio jej strukturę i szczegóły techniczne.

Największym czynnikiem napędowym tych zmian jest tendencja do budowania konstrukcji lekkich, ponieważ zmniejszeniu masy pojazdu towarzyszy zmniejszone zużycie paliwa. Działania podejmowane w kierunku zmniejszenia masy karoserii wiążą się też z innymi czynnikami, takimi jak koszty produkcji i liczba egzemplarzy danego modelu. Rolę odgrywa także to, czy lekka konstrukcja to sposób na zaprezentowanie się jako przedsiębiorstwo szczególnie zaawansowane technicznie. Zastosowanie lekkich materiałów w strukturze karoserii wykorzystuje się także do integracji funkcji w pojeździe. Oznacza to, że funkcje kilku poszczególnych komponentów zostaną przejęte przez jedną większą część. W ten sposób producenci samochodów mogą tak skonstruować elementy karoserii w słupkach A i B lub w tylnej belce poprzecznej dachu, aby działały one jako wzmocnienia i prowadziły obciążenia, a jednocześnie stanowiły punkt mocowania zawiasów drzwi i klap bagażników. Takie usztywnienia rogów dachu znajdują się na przykład w Audi TT w postaci węzłów odlewanych z aluminium lub w BMW 5 GT w postaci blachy kształtowanej plastycznie na gorąco.

Zwykła blacha wychodzi z użycia
Dążenie do budowy lekkich konstrukcji wywodzi się ze sportów wyścigowych, a obecnie można się z nim spotkać we wszystkich modelach - od klasy wysokiej do samochodów małych. W zależności od filozofii producenci stawiają na blachy stalowe o różnych klasach wytrzymałości (wysoka, wyższa i najwyższa wytrzymałość oraz blachy kształtowane plastycznie na gorąco). Powoduje to zmniejszenie udziału zwykłej blachy głębokotłoczonej w karoserii do zaledwie 25% (np. VW Up). Tempo, w jakim pewne materiały przyjmują się w budowie karoserii, dobrze ilustrują części wykonane z blachy kształtowanej plastycznie na gorąco.

Pierwsze wzmocnienia kształtowane plastycznie na gorąco w słupkach B zaczęto stosować 15 lat temu. W ciągu kilku lat technologia ta rozwinęła się tak, że producenci samochodów zaczęli stosować ją także w innych elementach. Dzisiaj blachy takie spotyka się w tylnej podłużnicy, przy tunelu, w przestrzeni na nogi i w słupku A oraz w ramie dachu. Jednak lekka konstrukcja może też być realizowana inaczej: w modelu Opel Adam strukturę karoserii pokryto blachami zewnętrznymi o różnej grubości. Ta „strategia cienkiego metalu“ (ang. thin metal strategy) pozwoliła zaoszczędzić w sumie 9 kg właśnie poprzez zmniejszenie grubości blach. Opel zastosował możliwie cienkie blachy w następujących miejscach:

• 0,5 mm w przypadku wewnętrznej blachy pokrywy silnika,
• 0,6 mm w przypadku zewnętrznej blachy pokrywy silnika i poszycia dachu,
• 0,65 mm w przypadku zewnętrznej blachy drzwi, tylnej blachy bocznej, błotników i klapy bagażnika,
• 0,7 mm w przypadku wewnętrznej blachy drzwi, ramy drzwi, blach podłogi i dna bagażnika.

Masę słupka B zmniejszono o 1,4 kg. Karoseria w stanie surowym razem z drzwiami, maską silnika, klapą bagażnika i błotnikami waży tylko 297 kg. Kolejną możliwość daje zastosowanie węzłów odlewanych z aluminium lub profili aluminiowych czy stalowych. Przyszłość ma także zastosowanie wzmocnień z tworzywa wzmacnianego włóknami węglowymi w karoserii stalowej z elementami aluminiowymi.

Lekkie materiały mają przyszłość
Jak już wspomniano, producenci samochodów stosują blachy stalowe o wysokiej wytrzymałości oraz blachy kształtowane plastycznie na gorąco. Pozwala to zmniejszyć grubość materiału i/lub liczby elementów blaszanych. Skutkiem tego jest oszczędność masy karoserii. Aluminium było najpierw stosowane w drzwiach, klapach i pokrywach, a obecnie coraz częściej jako płyta dachowa lub element łączący w tylnej półce. W niektórych modelach materiałowy mix w karoserii jest jeszcze inny: karoseria zbudowana jest od spodu ze stali, a od góry z aluminium. Elementy dołączane również są wykonane z aluminium (Audi TT). Kolejny krok to części z odlewów aluminiowych do kielicha kolumny zawieszenia z przodu i z tyłu oraz w postaci węzłów odlewanych w miejscach wzmocnień. Szczególnej stabilności i wytrzymałości na skręcanie wymaga okolica mocowania zawiasów drzwi i klapy bagażnika. Odlewy świetnie się tutaj nadają ze względu na ich stabilność, lekkość, duże możliwości formowania i integrację funkcji. Przykładem jest Mercedes-Benz klasy C: jego podłużnice i poprzeczki tylne oraz mocowania amortyzatorów z przodu i z tyłu są wykonane właśnie z odlewów ciśnieniowych z aluminium.

Potencjał w magnezie
Duży potencjał ma też magnez. Obecnie jest on stosowany przez Porsche (w przegrodzie wewnętrznej) lub Ford (w strukturze belki poprzecznej deski rozdzielczej między słupkami A). Firmy te tak rozwinęły stopy tego metalu, że są one stabilne i jednocześnie dają się kształtować. Informacji na temat bieżącej sytuacji w rozwoju stopów udzielił w ubiegłym roku jeden z czołowych producentów stali, firma Thyssen-Krupp, w ramach realizacji projektu „Incar plus“. Oprócz udoskonaleń w zakresie części konstrukcyjnych w obszarze napędu, podwozia i układu kierowniczego, firma zaprezentowała swoje możliwości także w zakresie karoserii. Chodzi tutaj z jednej strony o zwiększenie wytrzymałości blach bez zbytniego ograniczenia możliwości kształtowania plastycznego. Z drugiej strony elementy blaszane mogłyby powstawać z wymiarowanych płyt – na przykład słupek A z ramą dachu, który w stanie gotowym cechuje się różnymi przekrojami poprzecznymi.

Ponadto można dodatkowo łączyć ze sobą blachy o różnych wytrzymałościach lub nawet różne materiały konstrukcyjne ze sobą. Wysoka wytrzymałość, niska masa i smuklejszy kształt to tylko kilka zalet, jak twierdzi producent. Zespolona blacha karoseryjna „Litecor“ (złożona z blachy stalowej o grubości 0,25 mm, rdzenia z tworzywa sztucznego 0,3 do 1,0 mm i blachy stalowej 0,25 mm) jest bardzo lekka i daje się zastosować w poszyciu zewnętrznym i podłodze. Thyssen-Krupp zaprezentował także pomysł na dalszy rozwój poprzeczki przedniego zderzaka z tak zwanymi crashboxami, czyli profilami odkształcającymi się w chwili wypadku: jeżeli dokona się porównania z elementem z otwartym dźwigarem pracującym na zginanie (ilustracja 4a) lub z modułowym dźwigarem pracującym na zginanie składającym się z trzech lub pięciu pojedynczych profili (ilustracja 4b i 4c) lub z jednym dźwigarem pracującym na zginanie jako profilem tłoczonym (ilustracja 4d), to przy takiej samej wytrzymałości można zaoszczędzić do 2 kg.

Technika łączenia w produkcji i naprawie
Materiały, które mają być użyte do budowania karoserii muszą posiadać połączenia kształtowe lub być zamknięte siłowo. Konieczna w tym celu technika łączenia stosowana w produkcji samochodów różni się znacznie od tej stosowanej w procesie naprawy. W produkcji ważną rolę odgrywają takie czynniki, jak krótki czas cyklu pracy i dostępność miejsca połączenia. Producenci dopasowują więc technikę łączenia do materiałów i warunków produkcji. Jeżeli wcześniej zgrzewali blachy stalowe punktowo, to obecnie stosowane blachy stalowe wymagają w zależności od ich wytrzymałości ograniczonego dopływu ciepła. Dzięki technikom łączenia na zimno, takim jak nitowanie nitami tłoczonymi, ściskanie i/ lub klejenie mogą osiągnąć wymaganą wytrzymałość połączeń. To właśnie w czysto aluminiowych połączeniach spawanie laserem, łączenie nitami tłoczonymi i śrubami FDS (Flow Drill Screw) należy do najbardziej zaawansowanych technik.
Niektórzy producenci opracowali również własne techniki łączenia lub zlecili ich opracowanie. Na przykład Mercedes-Benz opracował metodę Impact (Impulse Accelerated Tacking), która pozwala na łączenie blach stalowych z aluminiowymi, gdzie przez oba materiały prowadzi się swego rodzaju igłę. Dodatkowo powierzchnie łączone pokrywa się klejem. W ten sposób powstaje hybrydowe połączenie przy jednostronnej dostępności w konstrukcji karoserii. Jeżeli porówna się proces produkcji samochodu i proces naprawy karoserii, to zastosowane techniki łączenia ukazują jeszcze wyraźniej warunki pracy. Jeżeli w produkcji Mercedesa klasy C używa się przynajmniej dziesięciu różnych technik łączenia, to w procesie naprawy stosuje się już tylko pięć.
Poza tym proces naprawy musi być zgodny z zaleceniami producenta, co oznacza, że określa on liczbę i wielkość części zamiennych, przebieg krawędzi cięcia przy wymianie części karoserii oraz technikę łączenia, jaką należy zastosować. Niektóre z tych przepisów zdają się ograniczać możliwości warsztatu. Natomiast w niektórych modelach pojazdów naprawiający może odnieść wrażenie, że naprawa określonej szkody nie jest przewidziana jako czynność do wykonaniu na rynku niezależnym.

Jan Rosenow
Autor jest redaktorem czasopisma "kfz-betrieb"