Dodatkowe podzespoły w samochodzie - nawet jeśli są wykonane z bardzo lekkich materiałów - swoje ważyć muszą. Każdy dodany do samochodu gram powoduje zwiększenie emisji CO₂ do atmosfery, w związku z czym można zaobserwować tendencję polegającą na tym, że z masy nadwozia odejmuje się tyle, ile dodano, instalując nowe rozwiązania w innych miejscach pojazdu. Nie zawsze się to udaje, co widać w tendencji dotyczącej masy własnej. Samochody jednej klasy ważą coraz więcej. Model ważący jeszcze niedawno około tony aktualnie waży o 500 kg więcej. Dzieje się tak, mimo stosowania coraz lżejszych i wytrzymalszych materiałów.

Dobrze widoczną tendencją jest wspomniane odchudzanie nadwozia. Aktualnie stosowane blachy karoseryjne mają kilkukrotnie większą wytrzymałość od materiałów stosowanych 20 lat temu, dzięki czemu realne jest już tworzenie poszyć nadwozia z wytłoczek o grubości 0,4 mm. Podobnie jest z elementami nośnymi – profile są tłoczone w taki sposób, aby przy wykorzystaniu cieńszych blach o większej wytrzymałości zapewnić dostateczną sztywność nadwozia.

Najnowsze konstrukcje, takie jak BMW i3, i8 oraz Lamborghini, są przykładami skrajnie posuniętej walki o masę pojazdu. Nadwozie w tych samochodach wykonano z kompozytów bazujących na włóknach węglowych, co pozwoliło na drastyczne obniżenie masy. Dla przykładu, skorupa nadwozia w Lamborghini waży około 170 kg, a wraz z ramami szczątkowymi do mocowania przedniego zawieszenia, silnika i tylnego zawieszenia – troszkę ponad 250 kg. To oszczędność na poziomie 20% w stosunku do analogicznej konstrukcji wykonanej z aluminium i stali wysoko wytrzymałej.

Nadwozie to nie wszystko
Jeszcze niedawno tworzywa sztuczne nie cieszyły się zbytnim zaufaniem. Ich zastosowanie ograniczało się do elementów poszycia nadwozia (błotniki w Renault Espace czy Clio). W pewnym momencie pod maskę trafiły pierwsze elementy z tworzyw sztucznych. Okazało się, że doskonale sprawdzają się plastikowe rolki pośrednie w napędzie rozrządu. Dzięki zastosowaniu tworzywa sztucznego zamiast stali zwiększono żywotność paska rozrządu. Wynika to ze znacznie mniejszego momentu bezwładności, jakim charakteryzuje się rolka lżejsza w porównaniu do cięższej. Dzięki temu zewnętrzna strona paska nie jest narażona na zwiększone tarcie przy zmianie prędkości obrotowej silnika. Dalej w silniku stosuje się już powszechnie pokrywy zaworów i całe kolektory dolotowe wykonane z tworzywa sztucznego.

W poszukiwaniu możliwości zastosowania lekkich konstrukcji producenci samochodów zwracają uwagę na każdy szczegół. To dlatego, że względnie niewielkie oszczędności masy osiągane na drobnych częściach dają w sumie całkiem spore wielkości.

Przykładem może być tutaj już ogólnie stosowany moduł pedałów, który jest wykonany z tworzywa sztucznego. Nawet pedały są wykonane jako odlewy, co pozwala na oszczędność około 50% masy w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją stalową. Taki element wykonany z formowanego wtryskowo tworzywa sztucznego nazywany jest przez producentów blachami organicznymi. Są to wzmocnione włóknami, termoplastyczne tworzywa sztuczne, wyróżniające się wysoką wytrzymałością i sztywnością. Dodatkowo dzięki formowaniu wtryskowemu można je łatwo i tanio produkować. Jednocześnie materiał można poddać całkowitemu recyklingowi.

Dotyczy to także podpory silnika wykonanej z gumy i tworzywa zaprojektowanej przez ZF. Jest ono już stosowane w różnych małych i kompaktowych samochodach oraz autach elektrycznych. Tutaj wzmocniony włóknami poliamid oszczędza w porównaniu do odlewu aluminiowego około 25% masy. Decydującą kwestią jest to, że nie dochodzi przy tym do zmniejszenia wytrzymałości i stabilności.

Po drugiej stronie skali stoi element, który ma krytyczne znaczenie, jeśli chodzi o nośność i wytrzymałość. Chodzi tutaj o obręcz do samochodu, która wykonana jest całkowicie z tworzywa sztucznego. Do produkcji obręczy BASF we współpracy z Daimlerem zastosował materiał Ultramid, który jest termoplastycznym tworzywem sztucznym o wysokiej wytrzymałości. Wytrzymałość obręczy jest osiągnięta dzięki zbrojeniu tworzywa sztucznego długimi włóknami. Ta technologia pozwala na stworzenie tworzywa sztucznego wytrzymałością odpowiadającego metalowi, ale dodatkowo szczególnie dobrze absorbującego energię.

Tworzywa sztuczne
Ostatnim krzykiem mody związanej z ekologią i odchudzaniem różnych elementów samochodu jest zaprezentowana przez firmę Sogefi kompozytowa sprężyna zawieszenia. Firma ta – jako pierwsza – zaczęła produkcję sprężyn w technologii GFRP (Glass Fibre Reinfoced Plastics – tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami szklanymi).

Sprężyny są wykonane z materiału kompozytowego opartego na włóknach szklanych oraz żywicy epoksydowej. Według producenta będzie można je stosować w samochodach osobowych i pojazdach dostawczych. Ale co ciekawe, Audi ogłosiło już, że jeszcze przed końcem tego roku wprowadzi do modelu A6 sprężyny wykonane w tej technologii.

Nowe sprężyny są o 40 do 70% lżejsze od tych wykonanych z drutu stalowego, co przekłada się na oszczędność od 4 do 6 kg na wadze samochodu. W ujęciu bezwzględnym nie jest to wielka wartość, ale połowa jej przypada na masę nieresorowaną. A im mniejszy stosunek masy nieresorowanej do resorowanej, tym większy komfort tłumienia nierówności i lepsza precyzja prowadzenia. Dodatkowo producent podaje jeszcze jeden argument o samym problemie wykonawczym. Otóż, podczas obróbki stali konieczne jest wytworzenie dużej ilości energii do obróbki cieplnej (1000°C i 450°C – tworzywo, z którego wykonuje się sprężyny FRP potrzebuje jedynie 170°C) i powierzchniowej, takiej jak śrutowanie czy szlifowanie i malowanie. To oznacza, że przy produkcji tego typu elementu konieczne jest zużycie od 3 do 5 razy mniej energii. Jednocześnie produkcja sprężyn FRP generuje mniejszą liczbę odpadów i nie wymaga tak dużej ilości surowców, co stalowe sprężyny. Ostatecznym argumentem przemawiającym za tego typu sprężyną zawieszenia jest możliwość 100-proc. recyklingu.

Sprężyny kompozytowe różnią się od stalowych już na pierwszy rzut oka. Są jasnozielone, mają większą średnicę zwoju oraz mniejszą liczbę zwojów. Rdzeń sprężyny składa się z długich włókien szklanych, skręconych ze sobą i impregnowanych żywicą epoksydową. Na taki rdzeń, mający zaledwie kilka milimetrów średnicy, nawija się dodatkowe włókna na przemian pod kątem zbliżonym do 45^o do osi wzdłużnej. W ostatnim etapie element jest utwardzany w temperaturze ponad 100^oC.

Zestrojenie sprężyn z tworzywa sztucznego może być dopasowywane do konkretnych zadań, podobnie jak w przypadku sprężyn stalowych. Przez odpowiednie dobranie grubości i sposobu nawoju rdzenia sprężyny można zwiększyć lub zmniejszyć jej twardość na podobnej zasadzie, co przy modyfikacji rodzaju materiału lub średnicy drutu oraz średnicy nawoju w sprężynie stalowej.

Jak z bezpieczeństwem
Charakterystyka materiałów kompozytowych do produkcji nowego rodzaju sprężyn wiąże się z redukcją ryzyka nagłego pęknięcia, co zdarza się w sprężynach stalowych. Włókna kompozytowe podczas przeciążenia co prawda się rozwarstwiają, jednak nie obserwuje się gwałtownego pęknięcia. To oznacza, że kierowca nie jest narażony na sytuację bardzo gwałtownej zmiany charakterystyki zawieszenia. Podobnie jest w przypadku innych elementów wykonanych z tworzyw sztucznych zbrojonych włóknem węglowym czy innym rodzajem włókien.

W przypadku poszyć nadwozi tworzywa sztuczne wydają się mieć znacznie większy potencjał w dziedzinie bezpieczeństwa niż poszycia blaszane. Ich charakterystyka przyczynia się do zmniejszenia obrażeń u potrąconych osób, a pamięć kształtu w wielu przypadkach sprawia, że nie jest potrzebna naprawa takiego elementu.

W przypadku takich elementów, jak obręcze, sprawa ma się zupełnie inaczej. Jej uszkodzenie może doprowadzić do bardzo groźnego wypadku, więc podczas projektowania wzięto pod uwagę wszystkie aspekty wytrzymałościowe materiału. Dzięki zastosowaniu profilowania przestrzennego oraz zbrojenia długimi włóknami udało się osiągnąć lekki element, którego wytrzymałość pozwala jednak na bezproblemowe użytkowanie.

Maciej Blum
redaktor naczelny
fot. Sogefi - Kompozytowa sprężyna zawieszenia. Dzięki nowej technologii jest odporna na korozję, lżejsza i równie wytrzymała, co stalowa