Budowa nadwozi samochodowych: stosowane materiały i technologia wytwarzania - cz. 2

Dobór technologii wytwarzania elementów jest bardzo ważny. Ekonomicznie nieuzasadnione jest stosowanie wyrafinowanych procesów technologicznych, jeżeli będziemy wykonywać kilka części rocznie. Oczywiście są firmy, które tak robią. Części takie są wykonywane do bardzo zaawansowanych maszyn, którym powierzamy nasze życie, np. do przemysłu lotniczego lub kosmonautycznego.

Na dobór technologii duży wpływ ma skala produkcji. Wielkie koncerny stosują droższe, ale bardziej wydajne procesy technologiczne. Robotyzacja w ich fabrykach także nie jest czymś obcym. Dzięki takiemu rozwiązaniu samochody produkowane masowo są tańsze. Mniejsze firmy (np. Morgan, Caterham) stosują mniej zaawansowane procesy technologiczne. Wymaga to większego nakładu pracy, niekiedy rzemieślniczej. Znajduje to, rzecz jasna, odwzorowanie w cenach ich wyrobów.

Szczególną uwagę zwrócę na samochody produkowane wielkoseryjnie bądź masowo, ponieważ takimi samochodami poruszamy się codziennie. Na początek struktura nośna - jest to bardzo skomplikowana konstrukcja zbudowana z wielu elementów. Głównie są one tłoczone, czasem także odlewane.

Tłoczenie jest procesem obróbki plastycznej, który ma za zadanie rozdzielanie, kształtowanie i łączenie elementów metalowych i niemetalowych. Do tłoczenia służą elementy zwane tłocznikami. Składają się one z kilku części: stempla, matrycy oraz elementów prowadzących. Poniżej możecie obejrzeć film ilustrujący operację tłoczenia. Widać na nim bardzo dobrze matrycę (nieruchomy element dolny), stempel (element górny) oraz prowadnicę.

Maszyna służąca do tłoczenia nazywana jest prasą. Jest to urządzenie, którego zadaniem jest wywieranie nacisku na element znajdujący się pomiędzy jej elementami roboczymi, czyli matrycą i stemplem. Jest wiele rodzajów pras. Ze względu na rodzaj napędu wyróżniamy prasy mechaniczne, pneumatyczne, oraz elektromagnetyczne. Proces tłoczenia może przebiegać na zimno lub gorąco.

Tłoczenie na zimno stosowane jest w przypadku blach miękkich, dla których granica plastyczności Re sięga 300 MPa. Tłoczenie na gorąco, jak sama nazwa wskazuje, wykonywane jest po wcześniejszym nagrzaniu blachy. Stosowane jest ono, gdy chcemy uzyskać elementy bardziej odpowiedzialne za nasze bezpieczeństwo, takie jak słupek A. Materiały stosowane do operacji tłoczenia na ciepło są bardzo wytrzymałe, ich Re często przekracza 1000 MPa.

Przejdźmy teraz do samej budowy nadwozia. Na pierwszy rzut oka wygląda ono spójnie, przypomina jedną bryłę. W rzeczywistości tak nie jest. Jest to bardzo rozdrobniona struktura, zbudowana z wielu elementów, połączonych zwykle metodą zgrzewania lub spawania. Niekiedy też stosowane jest klejenie, jak ma to miejsce w przypadku BMW i3. Kompozytowe ściany boczne tego auta klejone są do podłogi, co z przyklejonym dachem tworzy jedną strukturę nośną zwaną monokokiem.

W naszych samochodach większość elementów nadwozia wykonana jest ze stali. Jest to bardzo dobry materiał, charakteryzujący się dużą wytrzymałością na rozciąganie i ściskanie oraz łatwą dostępnością. Obróbka stali została także dobrze opanowana przez technologów. Możemy wyróżnić wiele gatunków tego materiału, aczkolwiek nas będą interesować jedynie te przeznaczone dla przemysłu motoryzacyjnego. Jednym dużym minusem stali jest dość duża masa.

Cynk koroduje około 10 razy wolniej niż stal.

Blachy stosowane do produkcji nadwozi mają grubość od 0,6 mm do 2,5 mm. Zależy ona nie tylko od umiejscowienia elementu, ale też od funkcji jaką będzie on spełniać. Blachy mniej ważne, czyli takie, które w mniejszym stopniu wpływają na nasze bezpieczeństwo, są gorszej jakości niż blachy odpowiedzialne za nasze życie.

Elementy poszycia zewnętrznego pojazdów wykonywane są z blach ocynkowanych elektrochemicznie. Zapoczątkowało to Audi wprowadzając model 100 w 1986 roku. Grubość warstwy uzyskanej w ten sposób wynosi 7 – 10 µm. Zapobiega ona przedwczesnemu korodowaniu elementów.

Tłoczenie blach ocynkowanych wymaga innej technologii. Mianowicie należy stosować dokładniejsze tłoczniki i mocniejsze prasy. Przed operacją tłoczenia blacha musi być pokryta specjalną pastą. Ma ona za zadnie ochronę cienkiej warstwy materiału przed przerwaniem.

Blachy stosowane w produkcji nadwozi oraz poszycia pojazdów powinny charakteryzować się wysoką jakością powierzchni, łatwością przetwarzania oraz mieć dużą energochłonność. Do najczęściej stosowanych w budowie nadwozi rodzajów stali zaliczamy:

• stale miękkie, plastyczne stale niskowęglowe, stale głębokotłoczne,
• stale o wysokiej wytrzymałości, np. BH (Bake Hardening), HSLA (High Strength Low Alloy),
• stale o bardzo wysokiej wytrzymałości, np. AHSS

Są to zwykłe stale niskowęglowe o zawartości węgla 0,08 proc. oraz granicy plastyczności mniejszej od 300 MPa. Stosuje się je do budowy samonośnych nadwozi samochodowych. Wykorzystywane są one na mało odpowiedzialne elementy, takie jak poszycia zewnętrzne czy wnęki kół.

Ich wytrzymałość Re wynosi od 300 do 700 MPa. Materiał ten wykorzystywany jest w elementach opowiedzianych za nasze bezpieczeństwo. Aby uzyskać tak duże wartości dopuszczalne należy zastosować obróbkę cieplną.

Stal przewożona jest do fabryki w postaci ogromnych rolek. Zanim zostanie ona poddana jakimkolwiek procesom, musi zostać wyprostowana.

Stal BH (Ang. Bake Hardering) – jest to stal, która wzmacnia się pod wpływem temperatury, np. podczas wygrzewania warstwy lakieru w celu wyschnięcia i utwardzenia. W wyniku walcowania ziarna materiału stają się spłaszczone. Jest to podobny efekt do blachy trapezowej, ale w innej skali, dużo mniejszej. W wyniku nagrzania powstaje nowa, bardziej wytrzymała struktura. Następnie należy całość powoli schładzać. Taką operację, nagrzania, wygrzania w temperaturze oraz powolnego schładzana nazywamy starzeniem materiału.

Stal HSLA (Ang. High Strength Low Alloy) – uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych jest możliwe dzięki dodatkom, w postaci domieszek innych pierwiastków, takich jak tytan czy niob. Blachy te dobrze pochłaniają energię, dlatego też stosowane są w elementach odpowiedzialnych za nasze bezpieczeństwo, takich jak: progi, podłogi, słupki oraz inne części tworzące strefy kontrolowanego zgniotu.

Jest to materiał bardzo zaawansowany technologicznie. Jego granica plastyczności Re przekracza 1000 MPa. Zastosowanie stali AHSS (ang. Advanced High Strength Steel) powoduje zmniejszenie masy konstrukcji pojazdu, ponieważ jest ona na tyle wytrzymała, że można stosować cieńsze blachy. Dużą zaletą tego materiału jest także stosunkowo niska cena.

Wynika ona z małej liczby zastosowanych dodatków stopowych. Innym plusem stali AHSS są także dobre właściwości technologiczne, takie jak spawalność lub tłoczność. Elementy wykonywane z takiej blachy stosowane są w kluczowych elementach pojazdu, mających wpływ na bezpieczeństwo podróżujących.

Dzisiaj, często słyszymy o wprowadzaniu aluminium do budowy samochodów. Co spowodowało taki trend? Stop aluminium jest materiałem otrzymanym w wyniku stopienia aluminium z jednym lub kilkoma metalami w celu otrzymania struktury o wymaganych właściwościach.

Głównym czynnikiem decydującym o przewadze tego materiału jest stosunkowo niska masa właściwa, czyli gęstość. Wynosi ona od 2,67 do 2,85 g/cm³. Innym ważnym kryterium jest duża energochłonność aluminium. Od razu przychodzi na myśl, że warto byłoby zastosować ten materiał w strefach zgniotu.

Niestety, są tez minusy. Aluminium jest mniej wytrzymałe niż stal. Dlatego też aby uzyskać element aluminiowy o zbliżonej wytrzymałości do stali należy wykonać go w odpowiednio większym rozmiarze, tj. poszerzyć jego ścianki. Zmniejszenie masy elementu produkowanego ze stopów aluminium wynosi około 30 - 40 proc. w stosunku do elementu stalowego. Czy to znaczy, że nie jest źle, bo 30 proc. to i tak dużo, więc czemu by go nie stosować? Są jeszcze inne minusy.

Proces wytapiania aluminium w hutach jest bardziej energochłonny niż wytapianie stali. Zatem materiał ten musi być droższy, żeby zwróciły się koszty jego wytworzenia. Aluminium sprawia trudności technologiczne. Mianowicie pojawiają się problemy z łączeniem blach. Występują one także przy naprawach pojazdów.

Ze względu na zastosowanie tego materiału możemy wyróżnić aluminium stosowane do obróbki plastycznej oraz do odlewnictwa. Różnica polega na składzie oraz proporcjach poszczególnych dodatków stopowych. W produkcji nadwozi elementy wykonywane z aluminium mają grubości od 0,9 do 3 mm.

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu mało kto myślał o łączeniu elementów aluminiowych ze stalowymi. Dzisiaj jest to możliwe, m.in. dzięki zastosowaniu technologii spawania laserowego czy oporowego zgrzewania liniowego. Na poniższym filmie możecie zobaczyć, jak przebiega spawanie laserowe.

Aluminium stosowane jest m.in. do produkcji crashboxów, belek podzderzakowych, wzmocnień w komorze silnikowej oraz poszycia zewnętrznego samochodów.

Na przykładzie dwóch samochodów: Audi A3 i Volvo XC90, przedstawię, jak wygląda . Wybrałem te dwa modele z dwóch powodów. Po pierwsze obie marki słyną z troski o bezpieczeństwo ludzi. Drugim powodem jest fakt, że niewiele koncernów decyduje się na pokazanie takich litografii. Akurat Volvo i Audi są jednymi z tych, którzy nie wstydzą się tego, jak ich samochody są zrobione.

Na początek spójrzmy, jak wygląda struktura nośna Audi A3, czyli hatchbacka klasy premium.

Poduszki powietrzne mają wbudowane małe ładunki wybuchowe. Służą one do szybkiego napełnienia elastycznego pojemnika gazem. Początkowo gaz ten pochodził z wybuchu mikro ładunku. Zrezygnowano jednak ze tego pomysłu, ponieważ gorące powietrze parzyło twarz kierowcy i pasażerów. Dzisiaj, mikro ładunek służy do otworzenia pojemnika ze sprężonym gazem, najczęściej azotem.

Już po tym zdjęciu można wnioskować, dlaczego Audi jest autem klasy premium. Firma z Inglostadt nie stawia na kompromisy. Stosuje wysokiej jakości materiały w wielu miejscach. Szczególną uwagę zwracają elementy koloru brunatnego. Tutaj została zastosowana stal najwyższej jakości. Stosowanie tego materiału na słupku A albo na dachu jest bardzo zrozumiałe. Te elementy chronią kierowcę oraz pasażera podczas dachowania.

Warto zwrócić uwagę na zastosowanie tego materiału w drzwiach w postaci belek. Dlaczego się tu znajdują? W razie wypadku, np. zderzenia czołowego, energia jest rozpraszana w kontrolowanych strefach zgniotu, takich jak crashboxy - producenci stosują je z przodu i z tyłu w trosce o nasze bezpieczeństwo.

A co ze zderzeniem bocznym, np. gdy drugie auto wjeżdża w bok na skrzyżowaniu? Właśnie po to znajduje się tu ta belka oznaczona kolorem brunatnym. Mówiąc kolokwialnie, podczas zderzenia zapobiega ona wpadnięciu samochodu do środa, ponieważ usztywnia drzwi w bardzo dużym stopniu. Dzięki zastosowaniu m.in. takich materiałów samochód ten uzyskał najwyższy, bo 5-gwiazdkowy wynik w testach zderzeniowych Euro NCAP.

Szwecka firma bardzo dba o bezpieczeństwo kierowcy, pasażerów oraz pieszych. Świadczy o tym choćby pierwsze zastosowanie poduszki powietrznej dla pieszego, system Active High Beam, który umożliwia jazdę w nocy cały czas na długich światłach bez oślepiania innych pojazdów, czy funkcja Pedestrian Detection, czyli funkcja wykrywania pieszych w nocy oraz awaryjnego hamowania, gdy zajdzie taka potrzeba. Spójrzmy zatem na strukturę nadwozia:

Model ten, podobnie jak poprzednie auto, został wykonany z bardzo dobrych materiałów. Warta uwagi jest przestrzeń pasażerska, którą chronią elementy tłoczone, najprawdopodobniej na gorąco. Samochód ten ma zastosowaną belkę aluminiową, potocznie nazywaną rozpórką. Ma ona za zadanie wzmocnienie nadwozia oraz poprawienie sztywności skrętnej.

Sztywność skrętna jest jednym z głównych parametrów charakteryzujących nadwozie samochodu. Mówi ona, jak auto jest sztywne. Jest to stosunek momentu skręcającego do kąta obrotu nadwozia wywołanego działaniem tego momentu. Jednostką sztywności skrętnej jest Nm/stopień (niutonometr na stopień).

Volvo XC90, podobnie jak poprzednik uzyskało najwyższy wynik w teście zderzeniowym Euro NCAP.

Na przykładzie tych dwóch samochodów można wnioskować, że stal zadomowiła się w motoryzacji. Czy aby na pewno? W samochodach sportowych nadwozia często wykonywane są ze stopów aluminium lub tworzyw sztucznych.

W następnej części, bazując głównie na samochodach sportowych, przedstawię nadwozia wykonywane z kompozytu węglowego. Nie zabraknie też ciekawostek o tym materiale.