Materiały konstrukcyjne w nowoczesnych pojazdach samochodowych - cz. 1

Zacznijmy jednak od prostej definicji materiałów konstrukcyjnych. Są to materiały wykorzystywane do budowy urządzeń i maszyn. Zaliczają się do nich przede wszystkim metale (głównie stal i jej stopy) oraz stopy np. aluminium czy magnezu, a także ceramika, materiały kompozytowe i polimery.

Stal jest powszechnie wykorzystywana przy konstruowaniu pojazdów. Pojawiają się coraz nowsze jej gatunki. Charakteryzują się one lepszymi właściwościami wytrzymałościowymi i lepszą energochłonnością.

Są to wtedy stale o bardzo wysokiej, wysokiej i podwyższonej wytrzymałości, niskostopowe, stosowane w konstrukcji szkieletu nadwozi z udziałem przekraczającym 20 proc. i sięgającym nawet 50 proc. Nowoczesne technologie używane w motoryzacji to np. spawanie laserowe czy zgrzewanie, umożliwiające łączenie blach o różnej grubości, ich tłoczenie czy walcowanie.

Dla obniżenia masy profili stosuje się tzw. hydroformowanie. Jest to obróbka kształtowa zamkniętych form przy użyciu wody pod wysokim ciśnieniem. Wykorzystywanie najnowszych technologii i nowoczesnych materiałów wpływa bezpośrednio na obniżenie masy pojazdu. Może to zmniejszyć np. masę nadwozia do 25 proc.

Dobrym przykładem jest wykonanie nadwozia za pomocą technologii ULSAB (ang. The Ultralight Steel Auto Body). Charakteryzuje się ono wówczas masą własną na poziomie 200 kg i wytrzymałością na skręcanie 20 800 Nm/stopień. Dla porównania klasycznie wykonane nadwozie ma masę własną 250-270 kg i wytrzymałość na skręcanie od 10 000 do 20 000 Nm/stopień.

Stale stosowane przy produkcji samochodów to przede wszystkim:

• stale zwykłe (np. na poszycia zewnętrzne);
• stale o podwyższonej wytrzymałości (np. na struktury nośne nowoczesnych samochodów, konstrukcje ramowe - samochody ciężarowe);
• stale odporne na korozję (na kratownicowe, ramy autobusów, szkielety nadwozi samochodów użytkowych).

W nowoczesnych samochodach osobowych i ciężarowych aluminium wypiera stale. Powód? Oszczędność w zużyciu energii i obniżenie masy pojazdu. Przekłada się to bezpośrednio na zmniejszenie średniego zużycia paliwa, a co za tym idzie - emisji substancji szkodliwych spalin, przy zachowaniu wysokich wymogów bezpieczeństwa.

Aluminium jest używane przede wszystkim jako stop np. z innymi metalami. Wynika to z jego własności. Stop aluminium jest materiałem plastycznym, ale o przeciętnej wytrzymałości porównywalnej z blisko 3-krotnie cięższym żeliwem, także molibdenowym, ale ok. 2−2,5-krotnie gorszej wytrzymałości od stali o podwyższonej wytrzymałości.

Przeważnie jest ono mieszane z takimi pierwiastkami jak Si, Cu oraz z dodatkami Mg i Mn dla lepszej obróbki plastycznej. Z różnych względów stopy aluminium są droższe w produkcji od stali, ale jeśli rozważyć ich wady i zalety, są w użyciu korzystniejsze. W pojeździe łączna masa części wykonanych ze stopów lekkich na bazie aluminium to obecnie ok. 130 kg.

Stopy aluminium mają też coraz częstsze zastosowanie przy elementach poszycia samochodów, autobusów czy użytkowych samochodów ciężarowych.

W pojazdach wykorzystywane są stopy magnezu. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo niska masa (magnez – 1,74 g/cm3), ale za to charakteryzują się obniżoną wytrzymałością, są podatne na złamania i wrażliwe na korozję.

Stosuje się je jako stopy odlewnicze (z Mn, Al, Zn, Zr) lub do obróbki plastycznej. Zainteresowanie stopami magnezowymi rośnie ze względu na możliwość wykorzystania odlewów cienkościennych (grubość ścianek ok. 1,5-3 mm). Znanych jest ponad 200 rodzajów stopów magnezowych. Stopy te stosowane są na szkielety elementów wyposażenia pojazdów (np. szkielety foteli, kół kierownicy itp.).

Coraz częściej opisywane stopy wykorzystuje się w układach hamulcowych czy na obręcze kół. Są używane również pod maską pojazdu: robi się z nich np. korbowody silników samochodów sportowych czy obudowy skrzyń biegów.

Tworzywa sztuczne (materiały polimeryczne) należą do grupy tworzyw amorficznych. Odznaczają się stosunkowo dobrymi właściwościami mechanicznymi, są elektroizolatorami i cechują się odpornością na działanie czynników chemicznych. Do zalet tworzyw sztucznych zalicza się mały ciężar właściwy. Wadą zaś jest niska odporność na działanie wysokich temperatur (powyżej 200-300 stopni Celsjusza). Obecnie używa się tworzyw sztucznych w pojazdach coraz częściej. Taki trend powoduje wzrost ich produkcji.

Możliwość znacznego polepszenia cech mechanicznych przez tzw. zbrojenie (kompozyt), np. włóknami metalicznymi lub ceramicznymi, również wpływa na wybór tworzyw sztucznych. Materiały te to grupa materiałów przyszłościowych w motoryzacji, zwłaszcza w budowie lekkich nadwozi samochodów.

Współczesne samochody osobowe i ciężarowe produkowane seryjnie zawierają ok. 200-300 elementów zrobionych z tworzyw sztucznych o łącznej masie 40-100 kg na pojazd. Pojazdy jednośladowe są również wyposażone w wiele elementów z tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne są wykorzystywane w samochodach do wykonania wyposażenia wnętrza, pokrywy silnika, pokrywy bagażnika, zderzaków, błotników, listew bocznych i progowych, nadkoli, termicznych i akustycznych osłon silników, tablic przyrządów, podsufitek, wykładzin drzwi, boków i podłóg, zbiorników płynów, przewodów (np. paliwowe, hamulcowe) itp.

Istnieje wiele definicji kompozytu. Najprościej mówiąc, są to materiały składające się z co najmniej dwóch komponentów o różnych właściwościach. Tworzy się je po to, aby uzyskany materiał miał lepsze właściwości niż komponenty użyte osobno. Kompozyt jest materiałem monolitycznym, lecz z widocznymi granicami między komponentami. O nim jednak więcej w kolejnej części.