Jacek Łęgiewicz

Przegląd konstrukcji

   W ostatnich latach pojawiło się wiele interesujących konstrukcji nadwozi projektowanych z myślą o redukcji ich masy i w większości wdrożonych do produkcji seryjnej. Poniżej subiektywny wybór kilku najbardziej interesujących.

Aston Martin DB9 (2003 r.),
V12 Vanquish (2001 r.)
   Strukturę nośną nadwozia stanowi przestrzenna rama ze stopów aluminium. Tworzące ją elementy (odlewane, wyciskane i wytłaczane) łączy się przede wszystkim metodami klejenia i nitowania. Klejone do ramy są także panele poszycia - wykonane również z aluminium tylne błotniki i dach (aluminiowa jest też pokrywa silnika) oraz kompozytowe błotniki przednie i pokrywa bagażnika. Warstwę kleju nakładają roboty. Jest ona utwardzana gorącym powietrzem. Ramownica szyby przedniej to aluminiowy odlew, wewnętrzne ramki drzwi wykonano ze stopu magnezu. Dolną i górną część słupka C łączy się metodą spawania ultradźwiękowego, przy użyciu tzw. sonotrody, wibrującej z częstotliwością 20 kHz. Dzięki temu spojenie następuje na poziomie cząsteczkowym - w porównaniu z tradycyjnym jest o 90% wytrzymalsze, wymaga tylko 5% niezbędnej do jego wytworzenia energii, a w obrębie spoiny nie występują odkształcenia.
   W modelu V12 Vanquish centralnym elementem struktury jest tunel środkowy wykonany z włókien węglowych. Płyta podłogowa oraz przegrody (przednia i tylna) są wyciskane ze stopów aluminium i łączone z nim za pomocą klejenia i nitowania. Materiałem na wewnętrzne ściany boczne jest tworzywo kompozytowe; wraz z przednimi słupkami z włókien węglowych tworzą one swoistą klatkę bezpieczeństwa. Przednia rama podsilnikowa, przykręcana do przegrody czołowej, ma konstrukcję mieszaną, stalowo-aluminiową, wzmacnianą włóknem węglowym. Segment przedni (tzw. frontend) jest kompozytowy, podobnie jak podłoga i ściany boczne bagażnika oraz półka tylna. Wewnątrz drzwi umieszczono belki wzmacniające wyciskane z aluminium. Również aluminiowe (podobnie jak drzwi i pokrywy) wytłoczki poszycia zewnętrznego są (ręcznie) klejone do struktury.

Audi TT (2006 r.)
   Druga generacja sportowego Audi ma nadwozie o budowie hybrydowej, aluminiowo-stalowej. Różni się tym zarówno od dotychczas wytwarzanego modelu TT (o konwencjonalnej strukturze stalowej), jak i od wykorzystujących ramę przestrzenną wyłącznie ze stopów lekkich Audi A2 czy A8. Stal o wysokiej wytrzymałości stanowi 31% masy kadłuba (66 kg), zastosowano ją jako materiał na podłogę tylną, drzwi i pokrywę bagażnika. Pozostałe 140 kg to stopy aluminium (63 kg blach, 45 kg odlewów i 32 kg profili wyciskanych). Sumaryczna masa struktury nośnej wynosi więc 206 kg, całkowicie stalowy szkielet ważyłby o 48% więcej. Jednym z celów projektantów było uzyskanie bliskiego równomiernemu rozkładu mas pomiędzy osie, a w konsekwencji - korzystnych właściwości jezdnych. Odlewane węzły znajdują się w krytycznych wytrzymałościowo punktach ramy przestrzennej, jak np. w miejscu zbiegu podłużnicy, progu, słupka A i belki poprzecznej podszybia. Progi, wykonane jako wyciskane profile, w planowanym roadsterze będą miały wzmocnione użebrowanie w stosunku do coupe. Części stalowe są łączone z aluminiowymi techniką nitowania tłocznikowego (nity optymalizowano komputerowo pod kątem masy, wymiarów i wytrzymałości), zaciskania - czyli zakuwania (Clinchen) - i klejenia. W przypadku tej ostatniej metody zostaje rozwiązany problem korozji stykowej - warstwa kleju pełni także funkcję ochronną. Miejsca połączeń są ponadto uszczelnione polichlorkiem winylu lub zakonserwowane woskiem. Przewidziano geometryczną kompensację różnic w rozszerzalności cieplnej elementów wykonanych z różnych materiałów, istotną np. podczas lakierowania. Płat dachu jest szczelnie laserowo spawany ze ścianami bocznymi. Niektóre elementy są skręcane śrubami. Sztywność skrętna struktury nadwozia Audi TT jest o połowę większa niż w modelu dotychczasowym, nowa struktura odznacza się też lepszą zdolnością tłumienia i rozpraszania drgań.

BMW serii 5 (2003 r.),
serii 3 coupe (2006 r.), M6 (2005 r.)
   Struktura nadwozia obecnej generacji BMW serii 5 ma konstrukcję mieszaną. Zasadniczo stalowy kadłub współpracuje ze zbudowanym z lekkich stopów segmentem przednim (w jego skład wchodzą m.in. podłużnice, łoże podsilnikowe, kielichy mocowania kolumn McPhersona). Z aluminium są też wykonane błotniki przednie i pokrywa silnika. W pozostałej części na odpowiedzialne poprzeczki i podłużnice wykorzystano stal o wysokiej lub podwyższonej wytrzymałości. W rezultacie kompletny samochód waży przeciętnie o 75 kg mniej niż poprzedni model. Na osłony aerodynamiczne zespołów podwozia użyto dwuskładnikowego tworzywa termoplastycznego wzmacnianego włóknem szklanym (LWRT) o budowie przekładkowej ("sandwicz"). W wersji kombi (Touring) z panoramicznym dachem szklanym niezbędne wzmocnienia słupków i belek dachowych mają postać wkładek z plastikowej pianki, co umożliwia zaoszczędzenie 10 kg (w porównaniu ze wzmocnieniami stalowymi).
   Odmiana coupe nowej serii 3 otrzymała błotniki przednie z tworzywa termoplastycznego, o połowę lżejsze od stalowych (zmniejszenie masy o 3 kg). Nie wymagają one oddzielnego lakierowania - są malowane wraz z całym nadwoziem we wspólnym procesie technologicznym. Dodatkową zaletą tej koncepcji jest mała wrażliwość na drobne uszkodzenia, np. podczas manewrowania.
   W BMW serii 6 zastosowano podobne jak w serii 5 rozwiązanie segmentu przedniego, co oszczędza ok. 45 kg. Gniazda osadzenia kolumn McPhersona wykonano jako odlewy ciśnieniowe ze stopu aluminium. Aluminiowe są również drzwi i pokrywa silnika, z kolei materiał przednich błotników to tworzywo termoplastyczne, a pokrywy bagażnika - wzmacniany włóknem szklanym laminat SMC (Sheet Moulding Compound). Redukcję masy uzyskano także dzięki technologii "tailored rolled blanks". Sportowa wersja M6 otrzymała ponadto dach i belki zderzaków z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem węglowym (CFK), pięciokrotnie lżejszego od stali. Dach ten ma masę o połowę mniejszą od tradycyjnego i jest klejony do nadwozia. Jego proces technologiczny obejmuje kształtowanie wstępne na sucho, nasycanie żywicą (RTM - Resin Transfer Moulding) i malowanie lakierem bezbarwnym. Cienkościenne belki zderzaków są lżejsze odpowiednio o 20% (przód ) i 40% (tył), a produkuje się je metodą nakładania warstwa po warstwie na rdzeń, usuwany po nasyceniu żywicą i utwardzeniu.

   Dalsze plany BMW zakładają zastosowanie tworzyw wzmacnianych włóknem węglowym na duże części struktury nośnej (np. szkielet ściany bocznej nadwozia).

Lamborghini Murcielago (2001 r.)
   Funkcję nośną pełni przestrzenna rama z rur wykonanych ze stali stopowej o wysokiej wytrzymałości, wzmacniana wklejanymi i nitowanymi wstawkami z włókna węglowego o strukturze plastra miodu. Współpracujące w przenoszeniu obciążeń panele poszycia wykonano zarówno z włókna węglowego (płyta podłogowa), jak i z blachy stalowej (płat dachu). Sztywność skrętna ustroju przekracza 20 000 Nm/stopień.

Lotus APX/VVA (2006 r.)
   Brytyjska firma oznaczyła tym symbolem prototyp siedmiomiejscowego samochodu typu crossover z samonośnym nadwoziem ze stopów aluminium. Z materiału tego odlano węzły strukturalne, wyciśnięto profile i wytłoczono blachy, łącząc poszczególne części metodami klejenia (klejem utwardzanym na gorąco), nitowania i skręcania specjalnymi śrubami (w miejscach dostępnych tylko jednostronnie). Technologia ta ma służyć stworzeniu rodziny pojazdów o niszowym charakterze i modułowej konstrukcji.

Mercedes-Benz SLR McLaren (2003 r.)
   Głównym materiałem użytym do budowy nadwozia jest kompozytowe tworzywo sztuczne wzmacniane włóknem węglowym (CFK). Są z niego zbudowane: struktura nośna w postaci sztywnego przedziału pasażerskiego wraz z przegrodą czołową, drzwi, pokrywa silnika oraz energochłonne podłużnice przednie w kształcie zbliżonym do stożków i przekroju zmiennym na długości 620 mm oraz o masie 3,4 kg każda.
   Ocenia się, że ich zdolność pochłaniania i rozpraszania energii zderzenia przekracza cztero-, pięciokrotnie odpowiednie właściwości elementów metalowych, a procesy te zachodzą w nich ze stałym, programowanym opóźnieniem. Są one przykręcane do podsilnikowej ramy szczątkowej, wykonanej jako aluminiowy odlew piaskowy i również przykręcanej (oraz klejonej) do przegrody czołowej. Ich przednie końce łączy poprzeczka i poziomy panel o konstrukcji przekładkowej, także z włókna węglowego. Podłużnice są wytwarzane w sposób zautomatyzowany, cykl produkcyjny trwa 12 minut i obejmuje przygotowanie prefabrykatu (z 25 000 pojedynczych włókien), nasycenie żywicą oraz utwardzanie. Jednoczęściowy panel poszycia segmentu tylnego powstaje "na gotowo" jako wytłoczka na gorąco z arkusza laminatu wzmacnianego włóknem węglowym (Advanced SMC). W sumie ponad 50 elementów jest wykonywanych z tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem szklanym lub węglowym - m.in. płyta podłogowa wraz ze wzmocnieniami oraz kompozytowy szkielet obramowania płata dachu z przekrojami zamkniętymi wypełnionymi pianką - nitowanych i klejonych do kadłuba. W tylnej części struktury zatopiono metalowe punkty mocowania zawieszenia tylnego.

Porsche 911 Turbo (2006 r.)
   Konstrukcję nadwozia wersji Turbo (szczegółowy opis samochodu w nr 5'06 Auto Moto Serwisu) zmodyfikowano w stosunku do wyjściowego modelu 911 i "odchudzono" w stosunku do poprzednika o 5 kg (ale przy bogatszym wyposażeniu). Ze stopu aluminium powstaje pokrywa bagażnika ważąca 7,3 kg (jak w wersji 911 Carrera - o połowę lżejsza od stalowej) oraz kompletne boczne drzwi bez ramki szyby okiennej o masie 10,3 kg, czyli o 41% niższej niż analogiczne drzwi stalowe Carrery. Tworzy je 5 części (szkielet ze zintegrowanym dolnym profilem wzmacniającym, belka podokienna, mocowanie lusterka, płat poszycia zewnętrznego i boczna belka wzmacniająca), skręcanych 10 śrubami. Ramowy szkielet powstaje w czasie 0,25 s w temperaturze 700°C, jako odlew ciśnieniowy (ciśnienie wtrysku odpowiada naciskowi 4400 t) ważący 14 kg, z czego masa gotowego detalu to 4,95 kg. Pokrywa tylna ma budowę kompozytową (waży 4,5 kg, tj. o 62% mniej niż stalowa, a razem ze spoilerem - 7,1 kg). Jej część wewnętrzna (od strony komory silnika) jest wykonana z żywicy winylowo-estrowej wzmacnianej w 60% włóknem szklanym. Ma grubość 1,4 mm i masę 1,17 kg. Dzięki znacznej sztywności umożliwia zamocowanie zarówno wysuwanego tylnego spoilera wraz z mechanizmem unoszącym, jak i zamka, wentylatora oraz kanałów dolotowych powietrza.

   Podobne rozwiązanie zastosował koncern DaimlerChrysler w samochodzie Mercedes-Benz klasy S na wewnętrzną ramę drzwi o masie 3,7 kg, odlewaną ciśnieniowo ze stopu lekkiego AlMg5Si2Mn.

Rolls-Royce Phantom (2003 r.)
   Konstrukcję nadwozia oparto na największej w przemyśle motoryzacyjnym (rozstaw osi - 3570 mm) szkieletowej aluminiowej ramie przestrzennej. Tworzy ją ponad 200 elementów wyciskanych i 300 wytłaczanych, łączonych ze sobą ręcznie m.in. metodą spawania łukiem zwartym elektrodą topliwą w osłonie gazów obojętnych (MIG) w 2000 punktów z dokładnością +/- 0,5 mm. Nie pracujące panele poszycia są wykonane również ze stopu aluminium (pokrywa silnika, tylne błotniki, płaty drzwi klejone do odlewanego ciśnieniowo i tłoczonego szkieletu), stali (tylko pokrywa bagażnika) lub tworzywa sztucznego (przednie błotniki z laminatu wzmacnianego włóknem szklanym - SMC). Materiałem wspornika tablicy przyrządów jest stop magnezu - cały podzespół waży 7,6 kg. Masa kompletnej struktury nośnej wynosi 550 kg, a jej sztywność skrętna - 40 500 Nm/stopień (ok. dwukrotnie więcej niż przeciętne nadwozie stalowe).

 _________________________powrót___________________________