Dodatkowych kilogramów nie lubią nie tylko kobiety. Również w motoryzacji są one niemile widziane. Przyczyniają się bowiem do większego spalania, większej emisji CO2 do atmosfery i gorszych osiągów. Dlatego też producenci samochodów cały czas poszukują rozwiązań, które pozwoliłyby im ograniczyć masę swoich aut, bez uszczerbku dla pozostałych właściwości.
A trzeba przyznać, że mają niezwykle utrudnione zadanie. W dobie coraz bardziej restrykcyjnych norm dotyczących emisji spalin, nacisków na zapewnienie maksymalnego poziomu bezpieczeństwa i komfortu podróżnych, co się wiąże z dodatkowymi elementami wyposażenia, a przede wszystkim coraz większymi gabarytowo modelami, bez odpuszczania na osiągach utrzymanie takiej samej wagi, nie mówiąc już o jej zmniejszeniu, do łatwych zadań nie należy, a jednak koncernom motoryzacyjnym ta sztuka się udaje. Przykłady? Chociażby najnowsza generacja Opla Astry, która jest lżejsza od swego poprzednika w niektórych wersjach nawet o 200 kg. Z kolei BMW i3 – z wagą niecałych 1200 kg jest lżejszy od porównywalnego Renault Zoe o ponad 230 kg. Skrajnym przykładem może być sportowe Lamborghini. Jego nadwozie waży zaledwie 170 kg, a z ramą do mocowania silnika, zawieszenia i innych elementów – nieco ponad 250 kg. W stosunku do tradycyjnych konstrukcji to oszczędność na masie o ok. 20%.
Stal, aluminium i ponownie stal
Mówiąc w wielkim uproszczeniu, do produkcji samochodów jeszcze kilka dekad temu używano głównie stali oraz tworzyw sztucznych. Pozostałe materiały, jakie można było znaleźć w aucie (np. skóra, materiały tekstylne, drewno, chrom), stanowiły niewielką część całkowitej masy pojazdu. Zwiększające się z każdą kolejną generacją modelu gabaryty zewnętrzne powodowały jednak, że auta szybko przybierały na masie. O ile, dzięki rosnącej mocy jednostek napędowych, udało się utrzymywać osiągi na takim samym poziomie, a nawet je polepszać, to problemem stało się spalanie i związana z tym emisja zanieczyszczeń. Tym bardziej, że Komisja Europejska zaczęła naciskać na producentów, poprzez wprowadzanie nowych norm emisji spalin, by zmniejszać zużycie paliwa.
Dlatego też ważna stała się redukcja masy auta. Do konstrukcji nowych aut zaczęto stosować lżejsze aluminium, a żeby być precyzyjnym – stopy glinu z innymi pierwiastkami (krzem, magnez, miedź, żelazo). Ze stopów lekkich wykonywane są części karoserii, płyty podłogowej czy silnika. Całe nadwozie wykonane z aluminium jest o ok. 40% lżejsze od stalowego. I choć podnosi to cenę końcową takiego auta, to jednak nie wyższe koszty sprawiły, że do łaski powróciła stal. Decydujący okazał się tzw. moduł Younga, czyli współczynnik odkształcalności liniowej bądź sprężystości podłużnej. Aluminium po prostu jest materiałem mniej odpornym na odkształcenia i uszkodzenie nadwozia może okazać się niezwykle trudne do naprawy, co akurat w branży motoryzacyjnej ma dość spore znaczenie.
Aby jednak nie wrócić do punktu wyjścia, czyli przyciężkawej stali, zaczęto stosować stal o wysokiej bądź podwyższonej wytrzymałości. Elementy wykonane z takiej stali (nadwozie, elementy nośne) są kilkukrotnie bardziej wytrzymałe od materiałów, jakie były stosowane jakieś 20 lat temu. Co jednak ma równie duże znaczenie, obecnie stosowane w motoryzacji blachy są znacznie cieńsze (niektóre elementy mają grubość zaledwie 0,4 mm), a więc i lżejsze. Stal o podwyższonej wytrzymałości zapewni więc odpowiednią sztywność nadwozia, czyli nasze bezpieczeństwo.
Laminaty, czyli kompozyty szklane i węglowe
Obecny wiek to dalszy rozwój prac nad materiałami konstrukcyjnymi, które mają pozwolić na obniżenie masy współczesnych samochodów. Na pierwszy plan wysuwają się tu tzw. laminaty, które składają się z co najmniej dwóch materiałów bazowych o różnych właściwościach, a których połączenie zapewni im lepsze właściwości mechaniczne oraz fizyczne.
Jeszcze w ubiegłym stuleciu głównie w sportowych modelach zaczęto stosować, w celu obniżenia masy auta, kompozyty oparte o żywicę wzmacnianą włóknami szklanymi. Poza tym, że uzyskany w ten sposób materiał jest lekki, wytrzymały, nie ulega on również korozji. Z włókien szklanych powstawały zarówno całe nadwozia, jak i poszczególne jego elementy bądź inne części konstrukcyjne pojazdu.
W motoryzacji w najnowocześniejszych konstrukcjach coraz częściej pojawiają się jednak kompozyty węglowe, gdzie rolę włókien zbrojących pełnią włókna węglowe połączone najczęściej z chemoutwardzalną żywicą epoksydową (rzadziej z innymi metalami). Charakteryzują się one lepszymi właściwościami fizycznymi oraz mechanicznymi od włókien szklanych. Dzięki wysokiej sztywności i stosunkowo małej gęstości odznaczają się bardzo korzystnym stosunkiem wagi do wytrzymałości. W porównaniu do stali takie same elementy konstrukcyjne ważą nawet o 50 proc. mniej. Czasami, dla uzyskania jeszcze większej sztywności, stosuje się podwójne wzmocnienia. Poza włóknami węglowymi używa się włókien aramidowych, co zapewnia jeszcze korzystniejszy stosunek wytrzymałości do masy własnej.
Wysoka cena pozyskania kompozytów węglowych sprawia, że póki co można je spotkać wyłącznie w modelach z górnej półki cenowej. Nadwozia w całości wykonane z laminatów węglowych mają chociażby wspomniane wcześniej BMW i3 czy Lamborghini Aventador. W większości modeli, gdzie pojawia się taki materiał, stosuje się go w najbardziej przydatnych miejscach.
Tworzywa sztuczne
Odchudzanie auta to nie tylko walka ze zmniejszaniem masy nadwozia. To także redukcja wagi elementów kabiny, podwozia czy chociażby silnika. I tu coraz większą rolę zaczynają odgrywać tworzywa sztuczne. Dzięki nim można zmniejszyć masę danego elementu aż o 50% w porównaniu z konstrukcją stalową i o 25% z odlewem z aluminium. Nie mówimy tu jednak o typowych plastikach, a o odpowiednio wzmacnianych np. długimi włóknami materiałach. Ultramid to np. termoplastyczne tworzywa sztuczne, które są wysoce wytrzymałe i mają dużą sztywność, odpowiadającą metalowi. Dodatkowo szczególnie dobrze absorbują one energię. Ponadto ich produkcja jest tania i można je poddać całkowitemu recyklingowi.
Inną technologią coraz powszechniej stosowaną jest łączenie tworzyw sztucznych z włóknami szklanymi (GFRP – Glass Fibre Reinfoced Plastics). O tym, iż materiał taki może zapewnić odpowiednią wytrzymałość niech świadczy chociażby przykład zastosowania takiego kompozytu do produkcji sprężyn zawieszenia. Takie sprężyny są lżejsze od stalowych od 40 do 70%, ale dodatkowo zapewniają lepszy komfort resorowania.
Rozwój technologii w motoryzacji nie skupia się wyłącznie na jednostkach napędowych oraz systemach bezpieczeństwa. Jak widać, producenci aut dużą wagę przykładają do nowoczesnych materiałów. Z jednej strony mogą one pomóc zwiększyć bezpieczeństwo podróżnych, dają się łatwiej naprawić, są tańsze w produkcji, a z drugiej pozwalają ograniczyć masę samochodu. Dziś ciężko jednak powiedzieć, czy auta przyszłości będą zbudowane głównie w oparciu o stal, stopy lekkie czy włókna węglowe bądź szklane. Wydaje się, że raczej będziemy mieli do czynienia z mieszanką różnych materiałów konstrukcyjnych, chyba że pojawią się nowe, lepsze (lżejsze, bardziej wytrzymałe i tańsze) materiały, które będzie można niewielkim kosztem wytwarzać w dużych ilościach.
