Témata
Reklama

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

S použitím nových materiálů se výrobní technologie zákonitě musejí měnit. Dominantní postavení tváření při výrobě karoserií se bude pochopitelně měnit také. V konstrukci vozu se ve větší míře začínají používat kompozitní materiály a umělé hmoty, což ovšem komplikuje otázka jejich ekologické likvidace a recyklovatelnosti jednotlivých dílů vozu po konci životnosti. Pro ocelové díly je toto zpravidla dobře vyřešeno a prakticky celá ocelová karoserie je dnes recyklovatelná. Pro kompozitní materiály a plastové díly je to otázka zcela jiná, což je ovšem z ekologického hlediska zásadní problém. Snížením emisí a spotřeby pohonných hmot není vyřešena problematika ekologické i ekonomické likvidace. Při hromadné výrobě je to podstatný problém, který se neustále rozrůstá.

Reklama
Reklama


Obr. 1. Audi A3, lehká konstrukce při použití dílů z ocelí tvářených za tepla.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Strategie zásadního rozhodnutí

Z akceptovatelných materiálů na bázi ocelí, hliníku, hořčíku, umělých hmot a kompozitů má každý svoji tvařitelnost nebo vyrobitelnost, jiné zásady technologičnosti konstrukce, jiné mechanické vlastnosti, chování i jiné možnosti recyklovatelnosti. Tlaky na zvýšení bezpečnosti posádky i chodců, komfortu, elektroniky a dalšího vybavení však hmotnost vozu naopak zvyšují. Tyto trendy se pak budou ukazovat zejména při výrobě elektromobilů. Vyšší hmotnost znamená horší nebo minimálně jinou jízdní dynamiku, zvyšování spotřeby pohonných hmot a zvyšování emisí. V dnešní době automobil prodává zejména jeho výbava, použitá elektronika apod. Strategie zásadního rozhodnutí, tj. z jakého materiálu se bude karoserie vyrábět, je tedy stěžejní a závisí na celé řadě aspektů, jako je cena vozidla, technologické možnosti, kategorie vozidla a počet výrobků. Firma Audi na konferenci EFB 2015 představila, jakou cestou se ubírala či ubírá při zásadních rozhodnutích. Podobné je tomu i u jiných výrobců. Jedná se v podstatě o pět možností.

Obr. 2. Nová lisovna – zařízení pro tváření za tepla s vícenásobnou komorovou pecí

Změna materiálu a nové výrobní procesy

První možností je zásah do designu, kde jsou limity v technologičnosti tvaru a podmínkách výroby. Druhou možností je použití monolitických ocelových konstrukcí. Zde existují alternativy náhrady měkkých ocelí ocelemi o vyšší pevnosti nebo ultra pevnými ocelemi, které lze tvářet pouze za tepla. Příkladem je model Audi A3 (obr. 1). Předpokladem bylo vyřešení technologie tváření plechů za tepla s příslušnou automatizací, s minimálním počtem výrobních kroků. Výsledkem jsou efektivní a flexibilní tvářecí postupy plechů za tepla. To vyžadovalo zcela nový výrobní proces použitý pro model Audi A4 (obr. 2). Ořez technologického odpadu a tvorba konstrukčních otvorů po tváření za tepla je prováděna pomocí laserové technologie. Přístřihy před tvářením a vytvrzením se zpravidla stříhají za studena a po zakalení se ořezávají laserem. Je možné vyrábět i díly zónově zpevňované tzv. Tailored Tempering. Výměna nástrojů na této lince probíhá zcela automaticky. Linka vykazuje snížené náklady na údržbu, nízké požadavky na zastavěnou plochu a kratší takt.


Obr. 3. Příklad změny materiálové koncepce karoserie u vozu Audi A6.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Třetí možností je substituce ocelových vnějších dílů karoserií díly z hliníku a jeho slitin – viz obr. 3, na kterém je model Audi A6. Audi zvládla výrobu těchto dílů i pro designové hrany, tzv. tornadolinie. Menší přetvárné možnosti Al plechů, např. při lemování, je možné krýt jedině dalším rozvojem výrobního procesu. U modelu Audi TT byl tento problém řešen novými materiály a přídavnými operacemi ostrého tažení a ražení.

Audi TT3: Modulární lehká konstrukce, substituce velikých stavebních skupin

Smíšené konstrukce a problematika spojování

Čtvrtou možností je materiálová substituce stavebních skupin karoserie pomocí kovových smíšených konstrukcí. Příkladem je třetí generace Audi TT3 (obr. 4). Pro tyto kovové smíšené konstrukce musí být řešena otázka spojování. Možnosti pro Audi TT třetí generace jsou na obr. 5. Minimální meze kluzu je docíleno teplotním procesem při vypalování kataforetického lakování, při němž se vytvrdí i lepené spoje karoserie. Příprava výroby má řadu dílčích problémů, např. posouzení vyrobitelnosti, technologičnost konstrukce, navrhování injekčních nástrojů, náběh výroby.


Spojovací technologie u modelu Audi TT 3. generace.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.


MSS konstrukce Lamborghini Huracán: 25 kg FVK ve struktuře.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Pátou možností je multimateriálový mix. Tímto způsobem lze docílit největší úspory hmotnosti. Kompozitní díly se vyrábějí v rámci platformy MSS-MultimaterialSpace-Frame-Bauweise v provozu RTM Resin-Transfer-Moulding. Jde o výrobu sportovních vozů. Jako příklad je uveden sportovní vůz Lamborghini Huracán (obr. 6). Jsou zde díly z Al plechů, tlakově lité Al díly, Al profily. Ostatní díly jako B sloupky či zadní stěna jsou z vláknových kompozitů. Musejí být přitom splněny podmínky vyrobitelnosti v hromadné výrobě. Díly mají být dostatečně robustní, hospodárně vyrobitelné. K dalším požadavkům patří vyšší využití materiálu, krátké výrobní časy, možnosti použití automatizace. Použití dílů z FVK (Faser Verbundwerkstoff) se zdá být do budoucna jedinou možnou cestou ke snižování hmotnosti karoserií při hromadné výrobě. Řešení vidí Audi ve smíšené konstrukci. Nazývá ji inteligentní smíšenou konstrukcí Audi ultra. Toto řešení rovněž odpovídá hospodárným a energetickým aspektům.

V článku byly použity podklady z Konference EFB-Tagungsband Nr.040 Intermezzo der Hybriden Werkstofflösungen: Hat Blech eine Zukunft?

ČVUT FS, Škoda Auto

Doc. Ing. Jan Šanovec, CSc., Ing. Tomáš Pilvousek, IWE

jan.sanovec@fs.cvut.cz

Reklama
Související články
Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Související články
Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Špičkové technologie dnes i zítra

Společnost Trumpf je renomovaný výrobce technologií na zpracování plechů a profilů a laserů pro průmysl. Výrobní historie se pomalu blíží celé stovce let a česká pobočka s obratem zhruba sto milionů eur za rok patří k důležitým průmyslovým hráčům nejen na českém trhu. Bylo proto jasnou volbou požádat ředitele společnosti Trumpf Praha Romana Haltufa, aby čtenářům MM Průmyslového spektra prozradil, kam se vývoj v tomto nepostradatelném oboru za minulá léta posunul.

Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Lehké konstrukce automobilů – využití hořčíku

Využití hořčíku a jeho slitin v automobilovém průmyslu má poměrně dlouhou tradici, sahající až do roku 1920, kdy byl tento materiál prvně použit v konstrukci sportovních vozů. O několik desetiletí později se objevil i v komerčních vozech, například u typu Volkswagen Beetle, kde jeho obsah činil téměř 20 kilogramů. Nicméně do popředí zájmu se tento specifický materiál dostává v posledních letech v souvislosti s nárůstem ekologických a legislativních požadavků na provoz vozidel.

Lehké konstrukce automobilů - použití lisů ve výrobě hybridních dílů

V předchozích článcích ze seriálu Lehké konstrukce automobilů o možném použití nových materiálů pro stavbu lehkých konstrukcí a jejich aplikacích na karoseriích osobních automobilů nebyly zpravidla detailně rozebrány možnosti výroby těchto specifických materiálů. Uvedeme je v tomto článku.

Lehké konstrukce osobních automobilu - použití hliníku

Kontinuální trend v oblasti snižování hmotností karoserií osobních vozů je důsledkem tlaku na eliminaci CO2 do roku 2020 až na 95 g.km-1. Konstrukční úpravy v oblasti hnacích agregátů nebo náprav vozů jsou do určité míry také možné, nicméně stále častěji obtížně realizovatelné. Již od 80. a 90. let se v konstrukci vozu využíval hliník a plastové hmoty, nicméně dominantním materiálem je i nadále ocel.

Lehčí a čistější řezání vysoce pevných dílů

Automobilový průmysl řeší u karoserií především nízkou hmotnost a bezpečnost při nárazu. Proto se na vybrané části karoserie používají vysoce pevné ocele schopné tváření za tepla. Typickým příkladem je nový VW Golf VII. Při řezání vysoce pevných ocelí se s výhodou používá laser.

Nové tvářecí technologie pro výrobu karoserií

V současné době jsme svědky stálého, ale pochopitelného zvyšování požadavků na konstrukci karoserií osobních automobilů. Jsou to požadavky na konstrukční, ekonomická a ekologická zlepšování.

Prostorově optimalizované skladování

Pro zásobování všech strojů bez prostojů využívá společnost Thomann v Hergatzu bei Lindau buňkový skladovací systém společnosti Remmert. Speciální stanice pro vychystávání zvyšuje rychlost procesu vyskladňování materiálu o více než šedesát procent.

Větší efektivita - nižší náklady

Průmysl 4.0 – čtvrtá průmyslová revoluce je v plném proudu a hraje stále větší roli i u skladování plechů. Aby firma mohla flexibilně reagovat na aktuální požadavky trhu, je rozhodující především plně automatizované spojení mezi skladovacími systémy a výrobou. Na následujících řádcích přinášíme krátký rozhovor s Matthiasem Remmertem, jednatelem společnosti Friedrich Remmert, o trendech automatizace a o tom, proč by měly firmy využívat Průmysl 4.0.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit