Lehké konstrukce osobních automobilu - použití hliníku

Úvodem je nutné podotknout, že tento článek se nevěnuje hořčíku, umělým hmotám nebo jejich kombinacím. Je patrné, že hliníkové materiály se stále častěji uplatňují v konstrukci vozu právě na úkor ocelových dílů, a to i přes vysoké náklady vynaložené v oblasti výzkumu a vývoje speciálních ocelových materiálů. Ty přinesly např. rozvoj nabídky ocelových slitin s vysokou nebo extrémně vysokou pevností.

Pozornost byla věnována také recyklaci. V rámci četných programů ULSAB v roce 1998, ULSAC v roce 2001, AVV v roce 2002 a FSV v roce 2013 byla prokázána použitelnost ocelí s vysokou pevností AHSS (Advanced High Strength Steel). Z vývoje nových typů oceli však vyplývala nutnost rozvoje nových zpracovatelských technologií, jako například tváření ocelových plechů za tepla s procesem kalení v lisovacím nástroji.

Odpovědi na tyto vývojové směry v automobilového průmyslu přinesl 4. program SLC (Super Light Car) v letech 2002 až 2006 v rámci programu EU. Koncept SLC prokázal možnost úspory hmotnosti až 37 % oproti ocelovým karoseriím, se zajímavou finanční úsporou – až 5 eur na jeden kilogram. U povrchových dílů karoserií je možná úspora až 50 % na hmotnosti. S použitím materiálů na bázi Al musely být logicky sledovány další problémy, jako možnosti spojování, problematika lakování nebo odolnost proti UV záření atp. Zásadním problémem je ovšem vysoká cena hliníku na trhu a není doposud vyřešena ekologická i ekonomická recyklace. V dnešní době existuje řada firem, které vyrábějí plechy, nebo lépe řečeno svitky z běžných či nově vyvinutých hliníkových slitin. Běžně používané získávání hliníku recyklací přináší pouze 5 % úspor nákladů v porovnání se získáváním slitin prvním tavením. Použití slitin hliníku je zatím omezeno na viditelné díly luxusních, zejména sportovních automobilů. Předními výrobci hliníkových karoserií nebo jejich komponent jsou firma Audi, následuje Mercedes, BMW a Jaguar-LandRover. Ve světě jsou to dále Ford, General Motors a Toyota s plánovaným velkoobjemovým Camry (2017). Největším výrobcem Al plechů v současné době je Čína s cca 53 miliony tun primárního Al. Očekávaný zlom bude ještě nějaký čas trvat, a to i přes poměrně velké surovinové zásoby hliníku na zemi. Nicméně i nadále bude stále platit filozofie, že správný materiál má být na správném místě a lze očekávat, že hliník a ocel budou i nadále využívány paralelně s progresivním vývojem obou typů materiálů.

Obr. 1. Diagram závislosti pevnosti na tažnosti pro různé hliníkové legované slitiny (Zdroj: Constellium)
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Z literatury Blech Rohre Profile jsou patrny další konkrétní cesty k hledání nových možností dalších úspor hmotnosti. Namátkou z nich za posledních pět let: Byla vyvinuta technologie pro svařování CMT (Cold Metal Transfer) pro spojování střech, podélníků a dalších tenkých plechů. Výrazný rozvoj technologií profilování s možností změny průřezu profilu nebo vývoj klinčovaných spojů a hybridního spojování. Zajímavou oblastí je i vývoj technologie výroby hliníku vyztuženého uhlíkovými vlákny. Výrazný je rozvoj v konstrukci lisů pro zpracování oceli, hliníku a CFK s uhlíkovými vlákny nebo rozvoj textilních kompozitů pro výrobu plechů. Použití temperovaných nástrojů pro tváření Al a jeho slitin a vůbec linek pro zpracování hliníku ve formě svitků nebo např. hliníková pěna ve stavbě sendvičových konstrukcí.

Klíčem k řešení dalšího vývoje jsou čtyři oblasti nutné k řešení: snižování hmotnosti, zvyšování bezpečnosti – crashové zkoušky, tvařitelnost a dále také design.

Karoserie mohu být z různých materiálů, které ovšem musejí být dobře tvařitelné. Podporu při náročném tažení lze zajistit okrajovými podmínkami, např. procesním mazivem na bázi suchých nebo minerálních olejů. V případě použití hliníkového plechu musí být jeho povrch definován s použitím pasivace. V dnešní době se běžně používají plechy s mezí kluzu 250 MPa, ale vyvíjejí se plechy s mezí kluzu 400 MPa a je možné, že se v budoucnu budou používat plechy s mezí kluzu 500 až 600 MPa. Vždy je nutné volit kompromis mezi nejvyšší pevnosti, možnými korozními problémy a technologickou zpracovatelností. Inovativní cestou ke zvýšení tvařitelnosti vysokopevnostních materiálů je tváření za vyšších teplot. Na obr. 1 je diagram závislosti A₈₀ [%] na Rp_{0,2 [}MPa] pro různé používané hliníkové slitiny. Používají se slitiny typu Al-Mg (5xxx) a slitiny o vyšší pevnosti typu 6xxx.

Obr. 2. Crashový test a jeho vyhodnocování u firmy Constellium
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Jednotlivé díly musejí při nárazu zajistit schopnost absorpce energie a možnosti ohýbání a lemování. Je nutné rozlišovat laterální a axiální crash. Díly zatěžované laterálním crashem musejí mít vysokou pevnost při nejvyšší tvařitelnosti. Pro zjišťování axiálního zatěžování byla vyvinuta speciální zkouška, kde je profil – trubka s přesně definovaným tvarem– zatěžován pěchováním na speciálním zařízení při vyšších rychlostech. Vyhodnocování probíhá vizuálně na crashové zkoušce – zkouška po napěchování je na obr. 2. Tvárná deformace bez trhlin garantuje maximální pohlcení energie a jisté lemování. Řešením by mohly být slitiny typu 6xxx s dobrou tvárností a pevností (obr. 1) o pevnosti přes 280 MPa až k 300 MPa.

Porovnání křivek mezních deformací pro ocel a slitiny hliníku
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Ve firmě Constellium řešili problematiku tvařitelnosti vedlejšího bočního rámu a jednodílného rámu vnitřních dveří, našli tři. Za prvé zvolili přetvárně optimalizovanou variantu pro slitinu určenou pro vnější povrchové díly. Za druhé vyvinuli inovativní slitinu, která se chová podobně jako ocel. Zde byl zvolen kompromis mezi nejvyšší přetvárnou schopností a s ní spojenou pevností. Za třetí vyvinuli optimalizovanou slitinu Formalex Plus, která má lepší tvařitelnost než standardně používaná slitina Surfalex 5182. Porovnání naměřených deformací s diagramy mezních deformací FLD pro uklidněnou ocel, standardní slitinu 5182 a optimalizovanou slitinu Formalex Plus je na obr. 3.

Otázka designu se týká pouze vnějších povrchových dílů. Použitím slitiny Formalex Plus byly vylepšeny všechny předchozí vlastnosti než u slitiny Surfalex 5182. Tento materiál splňuje požadavky na charakteristické ostré linie, tzv. tornado linie.

Článek byl vytvořen za použití podkladů firmy Constellium ze sborníku EFB-Tagungsband Nr. 40 Intermezzo der Werkstofflösungen: Hat Blech eine Zukunft?, ISBN: 978-3-86776-452-0, a článků publikovaných v posledních pěti letech v časopise Blech Rohre Profile.

ČVUT FS v Praze, Škoda Auto

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

jan.sanovec@fs.cvut.cz