Stale wysokowytrzymałe pozwalają na znaczną redukcję wagi karoserii

© Raven Media – Maciej Blum

Udostępnij:

Czasy, kiedy karoseria składała się z jednego rodzaju stali, odchodzą w przeszłość. Obecnie producenci samochodów stawiają na połączenie stali, metali lekkich i tworzywa sztucznego. Wszystko po to, żeby zmniejszyć masę pojazdów.

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, kiedy bezpośrednio widać jej strukturę i szczegóły techniczne.



Zastosowanie lekkich materiałów w strukturze karoserii wykorzystuje się do integrowania funkcji w pojeździe. Oznacza to, że funkcje kilku poszczególnych komponentów zostaną przejęte przez jedną większą część. W ten sposób producenci samochodów mogą 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.

aluminium i stali w konstrukcji nośnej
W Audi A8L zastosowano łączenie aluminium i stali w konstrukcji nośnej. Źródło: Audi

Zwykła blacha wychodzi z użycia

W zależności od filozofii producenci stawiają na blachy stalowe o różnych klasach wytrzymałości (wysoka, wyższa i najwyższa wytrzymałość oraz blachy kształtowane plastycznie na gorąco). Zmniejsza to udział 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.

materiały różnej grubości w VW Passat
Przy tzw. płycie piętowej w nowym Passacie firma VW zastosowała materiały różnej grubości. Źródło: „kfz-betrieb”

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 być realizowana także 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 liczbę elementów blaszanych. Efektem jest oszczędność masy karoserii. Najpierw aluminium stosowano w drzwiach, klapach i pokrywach, a obecnie coraz częściej stosuje się jako płytę dachową lub element łączący w tylnej półce. W niektórych modelach materiałowy miks w karoserii jest jeszcze inny: karoseria zbudowana jest od spodu ze stali, a od góry z aluminium.

Potencjał w magnezie

Duży potencjał ma też magnez. Obecnie jest stosowany przez Audi, Porsche (w przegrodzie wewnętrznej) lub Forda (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 ThyssenKrupp, w ramach realizacji projektu „Incar plus”. Firma – oprócz udoskonaleń w zakresie części konstrukcyjnych w obszarze napędu, podwozia i układu kierowniczego – 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 – np. 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. Wysoka wytrzymałość, niska masa i smuklejszy kształt to – jak twierdzi producent – tylko kilka zalet. Zespolona blacha karoseryjna „Litecor” (złożona z blachy stalowej o grubości 0,25 mm, rdzenia z tworzywa sztucznego 0,3–1,0 mm i blachy stalowej 0,25 mm) jest bardzo lekka i daje się zastosować w poszyciu zewnętrznym i podłodze.

ThyssenKrupp zaprezentował także pomysł na dalszy rozwój poprzeczki przedniego zderzaka z tzw. crashboxami, czyli profilami odkształcającymi się w chwili wypadku.

Lekkie konstrukcje stosuje się także w zderzakach: a, b, c to profile tłoczone i zamknięte o dużej masie. Profil d jest prawie 2 kg lżejszy i wykonany jako profil tłoczony. Źródło: „autoFACHMANN”


Jeżeli porówna się element wykonany z profilu otwartego pracującego na zginanie (a) z modułowym profilem pracującym na zginanie, który składa się z 3 lub 5 pojedynczych profili (b i c), lub z jednym profilem pracującym na zginanie jako profilem tłoczonym (d), to przy takiej samej wytrzymałości można zaoszczędzić do 2 kg.

Technika łączenia w produkcji i naprawie

Technika łączenia stosowana w produkcji samochodów, różni się 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. Dziś 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.

Punkt podparcia sprężyny i amortyzatora w BMW i3
Punkt podparcia sprężyny i amortyzatora w BMW i3 wykonano jako skomplikowany odlew aluminiowy. Poszycia nadwozia są do niego klejone, a inne elementy konstrukcyjne – przykręcane. Źródło: Raven Media – Maciej Blum

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 i w której przez oba materiały prowadzi się swego rodzaju igłę. Dodatkowo powierzchnie łączone pokrywa się klejem. 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 10 różnych technik łączenia, to w procesie naprawy stosuje się już tylko 5. 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. Część z tych przepisów zdaje się ograniczać możliwości warsztatu. Natomiast w niektórych modelach pojazdów naprawiający może odnieść wrażenie, że naprawa określonej szkody nie jest przewidziana jako czynność do wykonania na rynku niezależnym.

Na podstawie artykułu „Materialmix”, opublikowanego w czasopiśmie „kfz-betrieb”

Udostępnij:

Drukuj



kfz-betrieb




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również