Témata
Reklama

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.

Tento trend ve stavbě karoserií není možné zvládnout při zachování staré koncepce jejich konstrukce, ale stálými požadavky na snižování jejich hmotnosti. Proti trendům snižování hmotnosti jsou rostoucí požadavky na zvyšování komfortu a bezpečnosti cestujících. Stále více se dělá pro pasivní bezpečnost cestujících, při respektování crashových požadavků na karoserie.

Reklama
Reklama
Obr. 1 Inovace skeletů karoserií (zdroj: Audi)

Požadavky jsou jasné

CO2 emise by měly být do roku 2020 oproti stavu 1990 sníženy na 40 % a v roce 2050 na polovinu. To je možné cestou vývoje stávajících spalovacích motorů, ale současně také se snižováním hmotnosti karoserií. Jde tedy o zásadní zásahy do konstrukce karoserií a s tím spojenou řadu výrobních problémů. Jde tedy nejenom o použití jiných nových materiálů, ale také o vývoj zcela nových tvářecích technologií. Jejich vývoj musí předcházet vlastní konstrukci automobilu. Požadavky na kvalitu a přesnost rostou, stejně také na možnost použití dané technologie v sériové výrobě. S tím souvisejí požadavky na pokud možno snadnou a rychlou přestavitelnost toho určitého výrobního systému. Častým problémem je nerespektování zásad technologičnosti tvaru výlisků, při práci designéra karoserie. Může to znít laicky, protože k hodnocení lisovatelnosti máme počítačovou podporu a ta jasně řekne, zda to jde lisovat, či nikoliv. Realita může být ovšem jiná, komplikovaná, a taková také je. Hodnocení lisovatelnosti daného dílu je komplexní problém. Designéry příliš netíží problematika reálné lisovatelnosti daného výlisku. Také pohled konstruktéra lisovacího nářadí je při použití pouhé počítačové podpory značně zjednodušený.

Obr. 2 Možné varianty skeletů hybridních konstrukcí (zdroj: Audi)

Konstrukce samonosných karoserií

Původní karoserie byla dřevěná kostra doplněná plechovými díly či ocelový rám a na něm plechová nástavba. Na to navázala konstrukce samonosných karoserií. Cesta, kterou se vývoj konstrukce ubírá, je patrná z obr. 1 od firmy Audi. Konstrukce je vyrobena svařováním výlisků z ocelových plechů. Jako výztuhy jsou poprvé použity díly tvářené za tepla. Za představitele je zvolen model A4, jehož koncepci používají výrobci dodnes. V roce 1993 firma Audi přišla s návrhem karoserie vyrobené z Al a jeho slitin – Audi-Spac-Frame(ASF)Bauweise, viz obr. 1, označení A8. Skelet je vyroben z tvářených protlačovaných profilů. Při zpracování těchto polotovarů se jedná zejména o tváření ohýbáním. Tyto díly jsou spojovány do karoserie odlitky z Al či jejich slitin, lité pod tlakem. Možná je i kombinace se svařováním. Výsledkem je snížení hmotnosti minimálně o 40 %.

Obr. 3 Skelet karoserie nové Audi A8 (zdroj: Audi)

Obr. 4 Skelet karoserie nové A8 z vysokopevnostních slitin Al (zdroj: Audi)

Hybridní konstrukce

Následovala generace reprezentovaná novou A8, dále R8 a TT Coupe a Roadster. Tyto konstrukce používají ocelové a Al prvky a jsou to v podstatě hybridní konstrukce (Mischbau). U A8 se podařilo snížit hmotnost o 90 kg, u verze Coupé zvýšit tuhost na krut. Poslední typy se liší počtem protlačovaných dílů a velikostí odlévaných kusů. Různé příklady jsou představeny na obr. 2. Celková konstrukce skeletu i odlévané díly jsou podobné jako v přírodě – protlačované profily z důvodů zvýšení tuhosti zohledňují principy stavby lidských kostí. Cílem je snižování hmotnosti karoserie při zachování její funkčnosti. V případě A8 je hybridní konstrukce použita také u B sloupků. Zvolená místa výlisků jsou zevnitř vyztužena vnitřními díly vyráběnými tvářením speciálních ocelových plechů 20MnB5 za tepla. Někdy nazývané vytvrzování na lisech. Počet těchto vnitřních dílů se stále zvyšuje. B sloupek je na obr. 5.

Obr. 5 Sešívaný přístřih – vlevo a parciálně zušlechtěný B sloupek s definovanými pevnostními pásy (vpravo) (zdroj: Audi)

Protlačované profily a spojovací odlitky

Nová Audi A8 má vyloženě hybridní konstrukci. Oproti starému typu je hmotnost karoserie menší o 30 kg, ačkoliv jde o větší model. Pro skelet jsou výchozí protlačované profily a spojovací odlitky (viz obr. 3). Střecha a bočnice jsou na skelet pevně připojeny. Opět se kopíruje stavba lidských kostí. Materiál se používá tam, kde je bezpodmínečně nutný. Při použití různých jakostí materiálů z Al a jeho slitin a použitých profilů a spojovacích odlitků vznikla verze A13. Al odlitky jsou odlévány do vakua. Jenom tak je možné odlévat větší, složitější spojovací díly. Tvar protlačovaných profilů je navrhován pro jednotlivá použití. Špičkou těchto složitých dílů je střešní oblouk tvářený z protlačeného profilu současným ohýbáním za vnitřního přetlaku. Další možností je použití samovytvrditelných slitin Al, kde odpadá tepelné zpracování. Nová verze A8 z moderních slitin Al je na obr. 4. Lze používat také speciální Al slitiny, které se vytvrzují při vypalování laku.

Parciální zušlechťování ocelových polotovarů

Již od modelu A4 jsou používány díly tvářené za tepla. Tváří se technologií Tailored Welded Blank. Další novější cesta vede přes parciální zušlechťování ocelových polotovarů. O obojím bylo pojednáno v článku publikovaném v první polovině tohoto roku. Hlavním přínosem nových variant tváření za tepla je zvýšení pevnosti až na 2 000 MPa při tažnosti 12 %. Dále je to zkracování výrobních časů (na obr. 5).

Obr. 6 Způsoby spojování na nové A8 (zdroj: Audi)

Nové nároky na spojování

Hybridní materiály kladou nové nároky na spojování. Tavné svařování je vyloučeno. Nastupují nové technologie spojování prolisováním, jinak označené jako klinčování, které se uplatňují stále častěji. Jsou to nerozebíratelná spojení získaná klinčováním nebo dutými a polodutými nýty, dále děrovacími a závity tvářecími šrouby. Přehled způsobů spojování na nové A8 viz obr. 6.

Povrchové úpravy

Vedle těchto tvářecích technologií stále narůstají požadavky na povrchové úpravy a řízení procesu výroby. Trendem je zkracování výrobních časů a zlepšování povrchové kvality. S použitím různých konstrukčních materiálů a speciálních tvářecích technologií požadavky na povrchové úpravy dále narůstají.

Obr. 7 Audi e-tron (zdroj: laautoshow.de)

Vývoj nových tvářecích technologií a materiálů bude do budoucna nutný. Prototypy elektrických automobilů Audi představené na Detroid-Showcar Audi e-tron a na L. A. Design Challenge 2009 Audi eSpira je možné vidět na obr. 7 a 8.

Obr. 8 Audi eSpira (zdroj: laautoshow.de)

Zpracoval doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.

Tento příspěvek a obrázky byly získány ze sborníků z konferencí EFB v Bad Boll v Německu. Servopressen und Werkzeugsysteme 10-11. 3. 2009 ISBN 978-3-86776-326-4 a  Bauteile der Zukunft 2-3. 3. 2010 ISBN 978-3-86776-343-1, odborného časopisu BlechRohreProfile 2004 až 2009.

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.
jan.sanovec@fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 111113
Datum: 22. 11. 2011
Rubrika: Trendy / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
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.

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?

Směry rozvoje technologií tváření při výrobě karoserií

Stálé požadavky na snižování emisí oxidu uhličitého vyžadují soustavné snižování hmotnosti automobilu. U konvenčních pohonů automobilů lze jít jedině cestou lehčích karoserií. Lehké konstrukce vyžadují zachování crashových vlastností jako u ocelových karoserií.

Související články
Vláknový laserový řezací systém

LVD rozšiřuje svou řadu laserových řezacích systémů zavedením vysoce rychlostního vláknového laserového řezacího systému Electra FL.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Technologie zpracovaní profilů a plechu

Společnost Stierli-Bieger i Prinzing se zabývají výrobou strojů pro zpracování kovu s více jak 30. letou tradicí. Výrobce strojů Stierli se specializuje na výrobu horizontálních lisů pro ohýbání a rovnání kovových profilů, společnost Prinzing se zaměřuje na výrobu strojů ke tváření plechu. V Česku jsou oba výrobci zastoupeni společností Bickel and Wolf.

Tvářecí a výrobní procesy ve stavbě lehkých karoserií

Stále rostoucí nároky na zmenšování hmotnosti karoserií osobních automobilů a užitkových vozidel vytvářejí tlak na jejich konstruktéry a na výrobní technologie.

Lisy na lamely elektromotorů

V červnu, nejprve v závodě v Göppingenu a posléze v Berlíně na výstavě Coil Winding Expo, představila skupina Schuler svůj první vysokorychlostní lis řady Smartline SA-S pro vysekávání lamel vysoce energeticky účinných elektromotorů.

Možnosti technologie CNC ohýbání profilů

Technologie CNC ohýbání za studena v sobě skýtá přesně to, co současné požadavky trhu žádají - umožňuje vytvářet poměrně flexibilním způsobem designově zajímavé tvary ve výborné kvalitě za příznivých nákladů.

Technologie formování rohů

Společnost ACF Engineering & Automation, zastoupená v Česku firmou Bickel and Wolf, spol. s. r. o., uvedla na trh stroj pro formování rohů dveří a krytů za studena, který odstraňuje typické operace jako svařování a broušení.

Nový výrobní závod na Slovensku

LVD Company, a.s., přední světový výrobce strojů na zpracování plechu , jejichž prodej v České Republice a na Slovensku zabezpečuje firma Newtech, dokončil výstavbu nového výrobního závodu LVD S3 v Tornale na Slovensku.

Spojování plechů tvářením za studena

Co se týká požadavků na nové materiály plechů, jsou cílové představy všech konstruktérů prakticky stejné. V popředí stojí vysoká pevnost při nízké hmotnosti a s nízkými náklady. Tyto vlastnosti jsou předpokladem pro efektivní konstrukci jakéhokoliv produktu.

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.

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.

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