Nowe materiały konstrukcyjne w nadwoziach

Udostępnij:

Aluminium w konstrukcjach nośnych zostaje zastępowane stalami o wysokiej wytrzymałości, tworzywami sztucznymi oraz materiałami kompozytowymi. W ten sposób otrzymuje się jeszcze lżejszą i bardziej wytrzymałą konstrukcję, która niestety ma znacznie wyższe wymagania podczas napraw.

Według informacji podawanych przez Audi, od 1994 r. firma ta wyprodukowała ponad 550 tys. samochodów z aluminiową ramą przestrzenną. Takim doświadczeniem w wytwarzaniu lekkich konstrukcji karoserii nie może poszczycić się żaden inny producent. Oprócz wykonanych całkowicie z aluminium modeli A8 i R8 Audi w szerokim zakresie stosuje lekki metal także w mającym konstrukcję łączoną modelu sportowym TT oraz w modelach A6 i A7.

Warto wiedzieć
Istota sprawy
Lekka konstrukcja jest rozwiązaniem przyszłościowym, ponieważ nowe układy napędowe, takie jak silnik elektryczny, sprawiają, że auta stają się cięższe. Bezpośrednio przekłada się to na osiągi podczas eksploatacji pojazdu. Koncepcja Audi bazuje na ramie przestrzennej z wielu materiałów, takich jak stal, aluminium czy GFK i CFK, której konstrukcja pozwoli w pełni wykorzystać możliwości każdego z nich.

Jednak bawarski producent nie spoczywa na laurach – tym bardziej, że swoje ambitne zamierzenia rozwija także konkurencja. BMW planuje produkcję serii pojazdów bazujących na nowoczesnej konstrukcji karoserii, która miejsce dla pasażera wykonane z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym lub węglowym łączy z podwoziem z aluminium.

Ponieważ w ostatnim czasie żadna inna marka nie uczyniła lekkiej konstrukcji centralnym punktem planowania, producent z Ingolstadt już planuje dalsze działania w tym kierunku. Na warsztatach poświęconych lekkiej konstrukcji Audi przedstawiło założenia swojej przyszłej strategii. Główny wniosek z tych warsztatów przedstawia się następująco: era samochodów z samego aluminium ma się ku końcowi.

Każda część spełnia określone zadanie

Rama przestrzenna Audi jest od dwóch dekad dominującym rozwiązaniem w zakresie lekkiej konstrukcji karoserii. Składa się ona z trzech elementów konstrukcyjnych: blach, profili wytłaczanych i komponentów odlewanych. Każdy materiał i każda część spełniają specjalne zadanie i mają określone zastosowanie.


TOP w kategorii





W przyszłości aluminium w ramie przestrzennej zostanie uzupełnione o nowe materiały, takie jak tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem szklanym, węglowym, ale także nowoczesne gatunki stali.

Według Audi klasyczna, samonośna karoseria stalowa o układzie modułowym wyczerpała już swój potencjał zmniejszania wagi pojazdów. Producent zamierza stopniowo wycofywać tę konstrukcję, zastępując ją nową ramą przestrzenną z wielu materiałów (Multimaterial Spacerframe, MSF).

Modele A6 i A7 Sportback już dzisiaj spełniają warunki założone przez Audi. Ich karoseria wykonana jest wprawdzie w głównej mierze ze stali o różnej klasie wytrzymałości, ale ich konstrukcja realizuje już częściowo zasadę ramy przestrzennej. Tylna podłużnica w A6 jest profilem ze stali ze spawanymi przegrodami, który pod względem wizualnym i funkcjonalnym jest łudząco podobny do porównywalnego elementu aluminiowego z A8. A stalowy próg boczny w A6 jest produkowany techniką walcowania i integrowany w karoserii w podobny sposób jak aluminiowy profil wytłaczany w większym modelu.

Przykłady te pokazują, w jak dużym stopniu materiał wpływa na stosowane techniki produkcyjne. Z aluminium przy stosunkowo niskich nakładach można produkować bardzo duże, złożone i cienkościenne odlewy. Przy zastosowaniu stali jest to niemożliwe – w takim przypadku należałoby montować bardziej złożone komponenty z pojedynczych części, np. węzeł, który w A6 łączy ze sobą słupek A, próg boczny i dźwigar poprzeczny ściany czołowej. W aluminiowym A8 całe to zadanie jest realizowane przez jeden odlew.

Sportowy model R8 jest wyposażony w typową ramę przestrzenną Audi z części aluminiowych. Źródło: Audi

W A6 i A7 liczne elementy montowane także wykonane są z lekkiego metalu (drzwi i klapa tylna), a w przypadku mocowań na kolumnie MacPhersona w części przedniej nowej biznesowej limuzyny stosowane są zaawansowane odlewy aluminiowe.

Koncepcja MSF wymaga zastosowania nowych technik łączenia, aby stal, aluminium i tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami po połączeniu tworzyły jednorodną strukturę. Jedną możliwością są śruby samogwintujące, które są mocowane przez robota. Dzięki dużej liczbie obrotów silnika elektrycznego i wysokiej sile docisku nadtapiają one element konstrukcyjny i formują własny gwint metryczny, który może być też powtórnie wykorzystany przy naprawie.

Warto wiedzieć
Co niesie ze sobą lekka konstrukcja
Lekka konstrukcja powinna być zagadnieniem oczywistym dla każdego inżyniera. Już na studiach zwraca się uwagę na konieczność rozwiązywania zadań konstrukcyjnych z jak najmniejszym zaangażowaniem materiału. Przy założeniu takich samych właściwości funkcjonalnych lżejsza konstrukcja jest w każdym przypadku lepsza.
W branży motoryzacyjnej zalety mniejszej wagi można w łatwy sposób wyrazić za pomocą liczb. Waga niższa o 100 kg przynosi oszczędność zużycia paliwa o 0,3–0,5 litra na 100 km. Oprócz tego redukcja wagi jednego komponentu sprzyja ograniczeniu masy kolejnych układów: jeśli karoseria waży mniej, potrzebuje ona mniejszego silnika, zredukowanego mechanizmu jezdnego i zbiornika o mniejszej pojemności. Mniejsza waga sprawia też, że auto lepiej przyspiesza i hamuje. Jeśli dojdzie do wypadku, pojazd o lekkiej konstrukcji słabiej oddziałuje na pojazd przeciwny, ponieważ jego energia kinetyczna jest mniejsza. Oprócz tego do produkcji lżejszego auta potrzeba mniejszej ilości materiału. Jest to coraz ważniejsza kwestia dla przemysłu motoryzacyjnego. W końcu stal, aluminium i ropa naftowa do produkcji tworzyw sztucznych występują w ilości ograniczonej i podlegają dużym wahaniom cen. W praktyce koncepcje tworzenia lekkich konstrukcji mają jednak liczne słabości. Tworzywa zmniejszające wagę są zwykle droższe niż stal, a ich obróbka jest trudniejsza. Zaś efekt końcowy jest daleki od oczekiwań. Producenci podkreślają w reklamach, że ich nowe auta są lżejsze, ale w większości przypadków chodzi tylko o kilkadziesiąt kilogramów. Wpływ takiej redukcji wagi na zużycie paliwa jest trudny do zweryfikowania. Dlatego wielu producentów decyduje się wykorzystać swój budżet na rozwój nowoczesnych silników i przekładni, które przynoszą oszczędność paliwa i łatwiej można je reklamować jako koncepcje „innowacyjne”.

Nowe techniki łączenia

Klej nie tylko utwardza strukturę, ale spełnia jeszcze jedno istotne zadanie: przy montażu aluminium i stali oddziela od siebie oba metale i w ten sposób zapobiega korozji kontaktowej.

Oprócz tego do łączenia metali w konstrukcji karoserii stosuje się wiele różnych technik spawania, np. spawanie laserowe czy tak zwany Cold Metal Transfer. Ta druga metoda, opracowana przez firmę Fronius, polega na tym, że drut spawalniczy porusza się do 70 razy na sekundę tam i z powrotem, a tym samym zapewnia stapianie praktycznie bez łuku elektrycznego. Równie nieduży jest ładunek ciepła przekazywany na element konstrukcyjny.

Większość tradycyjnych technik spawania ma jednak tę wadę, że możliwe jest w nich łączenie ze sobą tylko metali tego samego rodzaju. Inaczej wygląda to w przypadku zgrzewania tarciowego: element stalowy przypominający nit przechodzi z dużą rotacją i pod znacznym naciskiem przez blachę aluminiową. W efekcie powstaje połączenie zgrzewane tarciowo z blachą stalową położoną poniżej.
Według Audi koncepcja MSF już dzisiaj umożliwia zmniejszenie wagi pojazdu nawet o 10%. Znacznie większe redukcje będą możliwe, kiedy zastosuje się tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (GFK).

Włókno szklane do elementów wzmacniających

Pierwsze doświadczenia w obróbce materiałów z włóknem weglowym firma Audi zebrała w swojej spółce-córce Lamborghini. Modele tej marki oraz mający podobną konstrukcję model R8 zawierały już duże i nośne elementy CFK, a nowe Lamborghini Aventador bazuje na nadwoziu samonośnym z tego drogiego, ale odpornego i lekkiego materiału.

Audi zamierza stosować części CFK w niektórych swoich modelach tylko punktowo – w miejscach zespolenia ramy przestrzennej. Ich zalety można wykorzystać zwłaszcza wówczas, kiedy będą one obciążane tylko w jednym kierunku oddziaływania sił. Dlatego sprawdzą się one szczególnie jako elementy wzmacniające, łuki dachowe lub podłużnice.

Nowe materiały, zaawansowane techniki produkcji i łączenia oraz potencjał oferowany przez metale, takie jak stal, aluminium czy magnez, sprawiają, że jedyną barierą na drodze do popularyzacji lekkich konstrukcji stają się dziś ograniczenia finansowe samych producentów. Jednak we współczesnych autach lekkie konstrukcje współegzystują z ciężkimi komponentami.. Akumulatory do napędu hybrydowego lub elektrycznego, które mogą ważyć kilkaset kilogramów, i coraz bardziej rozbudowane systemy neutralizacji spalin do silników Diesla sprawiają, że samochody, mimo coraz lżejszych nadwozi, wcale nie są lżejsze.

Udostępnij:

Drukuj





Jan Rosenow



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również