Budowa nadwozi samochodowych - typy, historia i stosowane materiały

Nadwozie to nie tylko to, co użytkownik widzi i ocenia. Nadwozie to również struktura odpowiedzialna za nasze bezpieczeństwo. Jak jest ono zbudowane?

Nadwozia samochodowe przechodziły ewolucję zaczynając od adaptacji pojazdu zaprzęgowego, kończąc na teraźniejszości, gdzie auta w niczym nie przypominają swoich przodków. Wynika to przede wszystkim z wymogów bezpieczeństwa oraz z kwestii estetycznych.

W czasach, gdy powstawały pierwsze samochody, producent dostarczał jedynie podwozie wraz z silnikiem i układem jezdnym. Budowa nadwozia była zlecana warsztatom rzemieślniczym, często tym samym pracowniom, które odpowiadały za budowę zaprzęgów konnych. Już wtedy można było personalizować samochody.

Podczas pierwszej międzynarodowej wystawy samochodów osobowych, która odbyła się w 1899 r. w Berlinie, swoje pojazdy oraz zabudowy zaprezentowało 134 europejskich wytwórców. Widać, jak bardzo rynek był rozdrobniony.

Historia rozwoju samochodów została podzielona na sześć okresów, w których kolejne pokolenia konstruktorów pracowały nad udoskonalaniem pojazdów. Są to okresy:

• Antique
• Veteran
• Vintage
• Modern
• Total effective

Jak kształtowały się w tych okresach nadwozia samochodowe?

W tym czasie powstawały pierwsze pojazdy z silnikami spalinowymi. W 1885 r. Niemiec Carl Benz zbudował pojazd o nazwie Motorwagen. Miał on trzy koła, z czego jedno koło było umiejscowione z przodu. Maszyna ta została wyposażona w jednocylindrowy silnik umiejscowiony z tyłu.

W tym samym czasie, również w Niemczech, konstruktor Gottlieb Daimler procował nad swoim pojazdem. Był on zmodyfikowanym powozem konnym. Silnik w tym pojeździe był umieszczony centralnie, między kołem woźnicy a tylną kanapą siedziska. Co ciekawe, mimo niedużej odległości, która łączyła miejsca zamieszkania tych panów, nie znali się oni i nie mieli pojęcia, że w tym samym czasie tworzą tę samą maszynę, która później miała zrewolucjonizować świat.

Bardzo ciekawe, ale zarazem bardzo uciążliwe było nadwozie typu vis - a - vis. W tym układzie, cztery osoby mogły podróżować, siedząc na dwóch ławeczkach, skierowanych twarzami do siebie. Sterowanie odbywało się za pośrednictwem kierownicy umieszczonej pomiędzy tymi ławeczkami. Zrezygnowano z tego pomysłu przez słabą widoczność - obserwacja drogi przez kierowcę była bardzo trudna, jeśli nie niemożliwa w stopniu dostatecznym.

Następnym ciekawym rozwiązaniem był układ dos - a - dos. W przeciwieństwie do nadwozia vis - a - vis, pasażerowie podróżowali siedząc plecami do siebie, co znacząco polepszyło widoczność. Układ ten niestety nie przetrwał próby czasu i nie jest stosowany w dzisiejszych samochodach.

Na początku XX wieku nastąpiła mała zmiana proporcji nadwozia, polegająca na zwiększeniu rozstawu osi w stosunku do rozstawu kół. Dłuższe podwozie umożliwiało zamontowanie drugiego rzędu siedzeń. W ten sposób powstało nadwozie typu double phaeton. W okresie Antique forma nadwozia oraz jego budowa wciąż przypominały pojazdy konne. Podstawowym materiałem w budowie tej struktury było drewno.

Veteran (1906 r. - 1918 r.) - jest to okres, w którym nadwozia samochodowe były dalej rozwijane pod względem konstrukcyjnym oraz technologicznym. Umotywowane to było ciągłym zwiększaniem prędkości pojazdów oraz chęcią zdobycia jak największej liczby klientów.

Warto także odnotować, że w tym okresie po raz pierwszy zaczęto montować w samochodach przednie szyby, ustawiane pionowo. Niestety, przez duże gabaryty, szybkie pękanie oraz łatwe brudzenie się, kierowcy nie byli pozytywnie nastawieni do tego pomysłu. Kilka lat później zastosowano szyby dzielone, tj. szyby dwuczęściowe, gdzie dolna część była zamontowana na stałe, a górną można było podnieść lub opuścić.

Prawdziwy przełom nastąpił jednak w 1913 r. Pamiętacie co się wtedy wydarzyło? W grudniu 1913 r. Ford po raz pierwszy uruchomił linię produkcyjną. Pozwoliło to tworzyć samochody na skalę wielkoseryjną. W ten sposób kolejne auta opuszczały fabrykę co zaledwie 93 minuty!

Firmy wzbogacały także wyposażenie samochodu. W 1911 r. amerykańska firma Cadillac zaprezentowała swój samochód z elektrycznym oświetleniem. Kilka miesięcy później w swoim wyścigowym pojeździe po raz pierwszy zamontowali lusterko wsteczne. Pierwszym samochodem w Europie, który miał elektryczne oświetlenie była Lancia Theta z 1913 r. W tym modelu zastosowano po raz pierwszy również elektryczny rozrusznik. Tradycyjna korba ręczna wylądowała w skrzynce z narzędziami.

Firmy samochodowe od zawsze chciały trafić do jak największego grona odbiorców. Zaczęły one więc wytwarzać samochody dla mas. Były to tanie pojazdy, z małymi silnikami i lekkimi, zwykle otwartymi, nadwoziami. Ich głównym zadaniem było zmotoryzowanie ludności, dlatego też musiały być one tanie w naprawie i w utrzymaniu.

W okresie Veteran koncepcja samochodu nie uległa zmianie. Konstruktorzy wciąż udoskonalali konstrukcję nadwozia oraz podzespołów, m.in. poprzez zastępowanie drewnianych elementów blachą stalową. To tutaj Ford wraz z modelem T pokazał nadwozie typu station wagon, czyli ojca współczesnych kombi.

Pierwszą nowością w tym okresie był wprowadzony do produkcji w 1919 r. Dodge typu TA. Miał on całkowicie zamknięte, stalowe nadwozie, za które odpowiadała firma The Budd Co. Dwa lata później opracowane zostały zasady technologii produkcji seryjnej zamkniętych nadwozi, która pozwoliła na zmniejszenie pracochłonności oraz polepszenie jakości wykonania.

Ważnym osiągnięciem technologicznym było opracowanie techniki malowania natryskowego oraz zastosowanie lakierów nitrocelulozowych. Zapoczątkowała to firma Du Pont we współpracy z koncernem General Motors. W 1925 r. w wyniku ścisłej współpracy Citroëna i Budda powstał model 10 CV. był to samochód o stalowym nadwoziu zamkniętym.

Na początku lat dwudziestych inżynierowie zaczęli interesować się aerodynamiką. Celem tych prac było zmniejszenie oporów ruchu pojazdów. Jednym z pionierów był Edmund Rumpler. Jego pojazd Tropfenwagen, zaprezentowany w 1921 r. w Berlinie, był prawdziwą sensacją. Miał on kształt zbliżony do kropli wody. W 1979 roku niemiecki koncern Volskwagen postanowił przebadać ten pojazd w tunelu aerodynamicznym. Uzyskał on współczynnik oporu Cx wynoszący 0,28 . Dla porównania taki sam wynik uzyskała Mazda w swoim modelu Mazda3 z 2012 roku.

Jeszcze mniejszy, bo wynoszący zaledwie 0,23, współczynnik oporu ma samochód Bugatti 32, przygotowywany do wyścigów w 1923 roku. Jest to niższa wartość niż dla nowoczesnego BMW i8, którego Cx wynosi 0,26.

Lancia Lambda - pojazd, który wszedł do produkcji seryjnej w 1922 roku, był przełomem w zakresie konstrukcji nadwozi. Tradycyjna rama podłużnicowa zastąpiona. Nowym rozwiązaniem była przestrzenna, stalowa konstrukcja nośna. Dzięki takiej budowie samochód był sztywniejszy i niższy.

W 1928 r. ewolucja postawiła kolejny krok. Znana Wam już firma The Budd Co. podzieliła nadwozie samochodowe na duże wytłoczki. Została także opracowana technologia wykonywania tych wytłoczek, co pozwoliło na ograniczenie liczby części nadwozia oraz przyspieszenie produkcji. Opracowana została metoda zgrzewania punktowego i liniowego.

W tym okresie dalej rozwijana była koncepcja taniego auta dla ludu oraz stalowego nadwozia samonośnego. W 1934 r. Citroën pokazał światu modele 7 oraz 11, popularnie nazywane Traction Avant. Był to samochód przednionapędowy, gdzie przednia część nadwozia została wykonana w taki sposób, że silnik wraz z układem chłodzącym oraz układem jezdnym stanowił jedność i był mocowany za jednym razem.

Sylwetka tego samochodu wyróżniała się na tle konkurentów pochyloną tylną ścianą nadwozia. Konstruktorzy wygospodarowali tam więcej miejsca na bagaże. Dostęp do bagażnika umożliwiała pokrywa, do której zamontowano koło zapasowe. Rozwiązanie to szybko zdobyło uznanie wśród klientów.

Innym znanym wozem francuskiej firmy z tego okresu był model 2 CV, który trafił do produkcji w 1936 r. Jednak ze względu na II Wojnę Światową wytwarzanie tego samochodu zostało wstrzymane. Wznowiono je dopiero po zakończeniu tego tragicznego okresu. Dalej 2 CV produkowany był bezustannie do 1990 r.

W innych krajach Europy także nie próżnowano. Włosi w 1936 r. wprowadzili swój bardzo istotny samochód - malutkiego Fiata 500 nazywanego Topolino. Niemiecki inżynier Ferdinand Porsche także pracował nad autem dla wszystkich. Pojazd został zaprezentowany pod nazwą Volkswagen (samochód dla ludu) podczas salonu samochodowego w Berlinie w 1938 r.

Ciekawie rozwiązana została tutaj struktura nośna. Była to przetłaczana płyta podłogowa, do której górna część nadwozia była montowana przy pomocy śrub. Garbus , bo tak potocznie nazywano ten samochód, produkowany był do 2003 r. Powstał on w liczbie 21 529 464 egzemplarzy!

W Polsce także pracowano nad własnymi samochodami. Na szczególną uwagę zasługuje nadwozie modelu LS (Lux - Sport) powstałe w 1939 r. Zostało ono skonstruowane w Państwowych Zakładach Inżynierii w Warszawie, pod wodzą Stanisława Panczakiewicza.

Ur. 11 kwietnia 1900 w Warszawie, zm. 8 lipca 1982 w Warszawie - polski inżynier, konstruktor pojazdów. W latach 1921-1923, zaprojektował nadwozie pierwszego polskiego samochodu osobowego: CWS T1. Po wojnie, wraz z innymi polskimi konstruktorami zbudował prototyp pierwszej polskiej ciężarówki - Stara 20. Jest on również autorem wielu fantastycznych projektów, w tym karoserii do Syreny, był współautorem projektu motocykla Sokół, a pod jego kierownictwem opracowano nadwozie autobusu Fiat 666 RN.

Samochód ten został wyprodukowany w jednym egzemplarzu prototypowym, który prawdopodobnie spłonął w trakcie nalotów niemieckich na Warszawę we wrześniu 1939 r. Wyprodukowano także podwozie pokazowe, które odnaleziono na złomowisku. Można je dzisiaj oglądać w Muzeum Techniki w Warszawie.

Dochodzimy tutaj do małej rewolucji. Klienci zaczęli narzekać na wygląd samochodów, który ich zdaniem zaczął się robić zbyt archaiczny. Styliści musieli jakoś zareagować. Postanowili oni ukryć błotniki oraz przednie lampy w bryle pojazdu. Takie nadwozie nazywamy pontonowym. W praktyce obecnie nie stosuje się już tej nazwy. Współcześnie taki rodzaj bryły określany jest mianem nadwozia trójbryłowego.

W latach 50. i 60. zwiększyło się zapotrzebowanie na małe samochody z silnikami od motocykli.

Głównymi reprezentantami tego nurtu było między innymi BMW Isetta, produkowana od 1955 r. Zaskakującym rozwiązaniem były tam drzwi, które znajdowały się z przodu samochodu, a nie z boku, jak ma to miejsce w tradycyjnych nadwoziach.

W tym samym czasie Włochy zostały zmotoryzowane przez malutkie Fiaty: 500 oraz 600. Wart uwagi jest także inny model włoskiej marki - Fiat Multipla, który mógł pomieścić trzy rzędy siedzeń. Nadwozia tych samochodów były bardzo wypukłe, dzięki czemu wizualnie pojazdy stawały się większe. Konstruktorzy starali się unikać głębokich przetoczeń na karoserii. Wszystko to sprawiało, że tych pojazdów po prostu nie dało się nie lubić.

Za oceanem samochody rosły wzdłuż i wszerz. Nikogo tam nie dziwiły 6-metrowe bestie z silnikami V8, o pojemnościach skokowych często przekraczających 6 litrów. Na początku lat 60. bardzo modne stało się nawiązywanie do lotnictwa. Ogony stawały się coraz to większe, podobnie jak zderzaki i wloty powietrza, które przypominały elementy silników odrzutowych. W przeciwieństwie do aut włoskich, samochody amerykańskie charakteryzowały ostre, kanciaste nadwozia.

Wraz ze zmianami kształtów nadwozia rozwijana była technologia wytwarzania blach nadwoziowych oraz ich tłoczenia. Zaczęto wykorzystywać tworzywa sztuczne. Początkowo do drobnych elementów, takich jak obudowy lamp tylnych. Niektóre firmy poszły o krok dalej.

W 1953 r. amerykański koncern Chevrolet zaprezentował swój sportowy model Corvette C1. Był to pierwszy samochód, w którym nadwozie zostało wykonane w włókna szklanego. Zostało ono osadzone na stalowej ramie. Samochód zyskał wielką popularność. Jest on produkowany do dzisiaj, już jako siódma generacja C7.

W Niemieckiej Republice Demokratycznej w 1957 r. powstał mały Trabant (niem. - satelita), upamiętniający wystrzelenie pierwszych sztucznych satelitów ZSRR Sputnik. Był to samochód z nadwoziem wykonanym z tworzyw sztucznych, dokładnie z duroplastu. Jest to tworzywo bardzo twarde, wytrzymałe na rozciąganie i ściskanie. Duroplast jest materiałem ciężko topliwym. Jego temperatura topnienia zbliżona jest do temperatury topnienia aluminium (ok. 660 stopni Celsjusza). Zastosowanie elementów z tworzyw sztucznych miało jeszcze jedną korzyść. W ten sposób została zwiększona odporność auta na korozję.

W 1965 r. Renault zaprezentowało model 16. Auto uznawane jest za pierwszy samochód seryjnie produkowany z nadwoziem typu hatchback. Ze względu na swoją innowacyjność, w 1966 r. zdobył on tytuł samochodu roku.

Audi wraz z wprowadzeniem na rynek modelu 100 zaczęło używać blach ocynkowanych. Było to w 1986 roku. Celem takiego działania było zwiększenie odporności samochodu na korozję. Niestety, przez takie rozwiązanie modele niemieckiego koncernu były nieco droższe. Dzisiaj stosowanie blach ocynkowanych jest bardzo popularne.

Opel Calibra - kolejny wspaniały samochód wyprodukowany przez Niemców. Wyróżniała go sportowa sylwetka, za którą zdobywał nagrody (nawet przed produkcją). Inżynierowie Opla zadbali o ten model pod względem aerodynamicznym. Współczynnik oporu powietrza dla tego auta wynosił 0,26. Jest to świetny wynik nawet dzisiaj. Dla porównania, inny sportowy samochód - Nissan GTR, czy wspomniane przeze mnie wcześniej BMW i8, mają taką samą wartość tego współczynnika. Niestety, przez szybki spadek cen oraz częste poddawanie tego auta, delikatnie mówiąc, mało gustownym modyfikacjom, ciężko jest już znaleźć ten samochód w dobrym stanie.

Dzisiaj głównym celem konstruktorów jest zmniejszenie współczynnika oporów powietrza. Jest to bardzo istotne, ponieważ zmiany te odczujemy my, kierowcy. W skrócie można powiedzieć, że im mniejsza wartość tego współczynnika, tym mniej paliwa samochód zużyje, aby pokonać dystans z punktu A do punktu B. Drugim celem konstruktorów jest produkowanie nadwozi multimateriałowych, tj. wykonanie całej struktury stosując wiele materiałów, np. stal, aluminium, tworzywa sztuczne.

Funkcjonalność samochodu w dużej mierze zależy od samego nadwozia. Powinno być ono tak zaprojektowane, żeby w jak największym stopniu umożliwiało łatwe użytkowanie samochodu. Jakie wyróżniamy funkcje nadwozia?

Przy porównywalnym zaawansowaniu technicznym dzisiejszych samochodów, kształt nadwozia oraz jego wnętrze często są czynnikami decydującymi o wyborze konkretnego modelu.

Ogólnie bezpieczeństwo możemy podzielić na dwa rodzaje: bezpieczeństwo czynne i bierne.

Pod nazwą tego pierwszego kryją się wszelakie systemy, głównie elektroniczne, które czuwają nad nami, kiedy podróżujemy samochodem, np.: ABS, ESP, ASR, ACC. Mają one za zadanie pomóc nam utrzymać auto w stanie sterowalnym, kiedy niespodziewanie stracimy nad nim kontrolę i zmniejszyć prawdopodobieństwo zajścia kolizji lub wypadku.

Jeżeli jednak tak się nie stanie i dojdzie do niechcianego zdarzenia drogowego, tutaj w do gry wchodzą systemy bezpieczeństwa biernego. Nie są to systemy elektroniczne, tak jak w przypadku bezpieczeństwa czynnego, ale opracowane na etapie projektowania systemy, mające za zadanie przyjęcie jak najwięcej energii oraz rozproszenie jej.

Ma to na celu zmniejszenie skutków kolizji lub wypadku na kierowcy i pasażerach lub po prostu uratowanie ich życia. Są to takie systemy jak: wzmocnienia boczne w konstrukcji nadwozia, strefy kontrolowanego zgniotu, klatki bezpieczeństwa, łamana kolumna kierownicza, poduszki powietrzne, zagłówki, pasy bezpieczeństwa, napinacze pasów, elementy wykonane z materiałów niepalnych. W ciągu kilkunastu ostatnich lat producenci zaczęli zwracać większą uwagę także na bezpieczeństwo pieszych.

Właściwy ze względu na rozmiary człowieka dobór wymiarów stanowiska kierowcy jest jedną z kluczowych kwestii w trakcie projektowania samochodów. Wszystkie elementy wyposażenia pojazdu takie jak radio, klimatyzacja, nawigacja itp. powinny być umieszczone w zasięgu ręki. Coraz popularniejsza staje się możliwość regulacji z poziomu kierownicy. Bardzo ważna jest także widoczność. Słupki A, których zadaniem jest wzmocnienie konstrukcji w przypadku dachowania, w znaczącym stopniu ograniczają także naszą widoczność, np. podczas dojazdu do skrzyżowania.

Możliwości przewozowe kierowcy, pasażerów, oraz ich bagaży są ściśle powiązane z budową nadwozia. Wpływ na tę funkcję mają same wymiary wnętrza oraz przestrzeni bagażowej oraz swobodny dostęp do nich. Dzisiejsze samochody powinny zaspokoić potrzeby kierowców związane z rekreacją.

Od tego, jak jest zaprojektowane oraz z jakich materiałów wykonane jest nadwozie, zależą także właściwości jezdne pojazdu. Istotne są w tym przypadku między innymi rozkład mas i sztywność skrętna.

Więcej o współczesnych konstrukcjach nadwozi oraz materiałach, z których są one wykonywane, dowiecie się już wkrótce z kolejnej części.