Kabriolety - czym różnią się od innych aut?

Okazuje się, że skonstruowanie kabrioletu nie jest takie proste. Nie jest to tylko obcięcie dachu, tylko żmudne, wielotygodniowe obliczenia metodami elementów skończonych, które sprawiają, że taka karoseria sprosta obciążeniom (czyli naprężeniom) powstałym w codziennej jeździe.

Żeby było ciekawiej, producenci proponują samochody otwarte w co najmniej kilku wariantach. Są zwykłe kabriolety z dachem płóciennym, inne mają dach sztywny, a osobną kategorię należałoby stworzyć dla roadsterów.

Przyjrzyjmy się na początek tym ostatnim. Mają one jedną istotną przewagę nad pozostałymi – są od początku projektowane jako nadwozia otwarte. Oznacza to uwzględnienie braku przenoszenia obciążeń przez dach już na etapie wczesnego projektowania karoserii. Pozwala to zaprojektować ją w taki sposób, aby była w pełni wytrzymała skrętnie.

Roadstery to często produkowane w niewielkiej liczbie samochody sportowe. Dlatego mogą być projektowane i wytwarzane na nieco innych zasadach. Stosowane są w nich np. ramy przestrzenne lub kratownicowe. Te części karoserii zrobione są z wysokowytrzymałych stali lub stopów lekkich. Na nich umieszczane są bardzo lekkie i nieprzenoszące obciążeń elementy poszyć (zazwyczaj z aluminium lub tworzywa sztucznego).

Roadstery zazwyczaj występują jedynie w wersjach otwartych lub czasem również jako coupé, ale z dominacją wersji z nadwoziem otwartym. Dlatego projekt, zakładając od początku brak dachu, nie odbiega sztywnością od samonośnych nadwozi zamkniętych. Ciekawym przykładem jest słynny Mercedes 300 SL – kultowe podnoszone do góry drzwi wymuszone były m.in. przez układ kratownicy użyty do budowy nadwozia roadstera.

Co jednak z tradycyjnym kabrioletem? Brak dachu przenoszącego obciążenia powoduje spadek sztywności skrętnej nadwozia. Brzmi średnio ciekawie, a w rzeczywistości jest jeszcze gorzej. Zmniejszona sztywność powoduje większą odkształcalność, mniejszą wytrzymałość, większą podatność na korozję. Przekłada się to bezpośrednio na niższy komfort podróżowania, bo jest więcej drgań i hałasu, oraz na gorsze właściwości jezdne gnącej się pod obciążeniem konstrukcji.

Dla współczesnych klientów jest to nie do przyjęcia, dlatego taką karoserię należy poddać modyfikacji. Jak można temu zaradzić? Zmienia się płytę podłogową, uzupełniając ją o poprzeczki i podłużnice, a niekiedy przy użyciu specjalnie skonstruowanych zastrzałów.

Elementami, które również można wzmocnić, są tunel środkowy oraz przednia i tylna przegroda. Tam, gdzie w zwykłej odmianie znajdują się składane i dzielone tylne siedzenia, w kabriolecie zazwyczaj będzie zamontowana sztywna przegroda wzmacniająca karoserię, a do dyspozycji użytkowników pozostanie co najwyżej rękaw do przewozu długich przedmiotów.

Przegroda czołowa narażona jest głównie na naprężenia skręcające, dlatego wzmocnienia mają zredukować odkształcenia sprężyste karoserii podczas narażenia na skręcanie, np. przy pokonywaniu zakrętów.

Coś trzeba zrobić także z dachem. Należy wygospodarować odpowiednią przestrzeń na jego złożenie. O ile dachy materiałowe są jeszcze stosunkowo małogabarytowe, to konstrukcje dachów stalowych, stalowo-szklanych czy kompozytowych zabierają już znaczną przestrzeń. Mimo zadziwiająco sprawnych mechanizmów składających dla pasażerów pozostają istotne ograniczenia.

Tylna kanapa zazwyczaj jest wąska i wystarcza jedynie dla dwóch osób. Po bokach należy zostawić miejsce na mechanizm składający dachu. Wygospodarowanie przestrzeni na złożony dach odbywa się kosztem pasażerów tylnej kanapy. Trzeba ją przesunąć do przodu, co sprawia, że nawet jeśli w zwykłej odmianie pasażerowie podróżują z tyłu dość komfortowo, to w kabriolecie miejsca będzie jak na lekarstwo.

Wszystkie wzmocnienia konstrukcji powodują, że mimo braku dachu kabriolety nie są konstrukcją lżejszą, a często cięższą nawet o 100 czy 150 kilogramów od oryginału. Oznacza to pogorszenie osiągów (które i tak są gorsze poprzez zmniejszenie sztywności nadwozia) oraz zwiększenie zużycia paliwa.

Wpływ na to ma również niedoskonałość aerodynamiczna. Już sama bryła np. dachu materiałowego jest dość nieaerodynamiczna, ale najgorzej jest z otwartym dachem. Za krawędzią przedniej szyby tworzą się zawirowania powietrza, co utrudnia przepływ i zwiększa opory. Jest to znaczna składowa, bo opór zwiększany jest o około 20 proc. (oczywiście zależy to od konkretnego przykładu).

Modyfikacje usprawniające niedoskonałości braku przenoszenia naprężeń są jeszcze bardziej potrzebne, gdy mowa o bezpieczeństwie podróżnych. Znaczna część wypadków z udziałem kabrioletów to dachowanie, a przecież w takiej konstrukcji ochrona pasażerów jest utrudniona.

Dlatego inżynierowie modyfikują szczególnie narażone na obciążenia okolice przedniej szyby, głównie samą ramownicę. Do słupków wprowadzane są dodatkowe poprzeczki. Wzmacniane są także górna i dolna część ramy okiennej. Do najważniejszych miejsc, którym bacznie przyglądają się spece od bezpieczeństwa, zaliczają się okolice deski rozdzielczej. To tam następuje najczęściej kumulacja naprężeń podczas wywrotki.

Jednym ze sposobów jest wprowadzanie tam żeber łączących słupki z przegrodą czołową. W ten sposób uodparnia się karoserię na działanie momentów gnących przy kontakcie dachu z podłożem (podczas wywrotki). Jednak same wzmocnienia ramy okiennej to nie wszystko. Konieczne jest zastosowanie pałąków przeciwkapotażowych, aby zapewnić przestrzeń do przeżycia pasażerom.

Pałąki stanowią drugi punkt podparcia, zapobiegający obrażeniom głowy. Występują one w kilku formach. W jednych modelach stosuje się jeden pałąk ochronny, w innych dwa w kształcie odwróconej litery "U" (np. Audi TT). Ciekawym rozwiązaniem jest automatyczne wysuwanie pałąków przy wykryciu niebezpieczeństwa. Dzięki temu gdy są niepotrzebne, nie burzą harmonijnej sylwetki kabrioletu, a gdy trzeba, chronią pasażerów.

W jaki sposób auto wie o niebezpieczeństwie? Zbierając dane z czujnika przechyłu nadwozia i/lub przyspieszeń poprzecznych i wzdłużnych. Jeśli ktoś z Was jechał kiedyś Mercedesem W124 w wersji kabriolet, ten wie, że po odpowiednio szybko i brawurowo pokonanym uślizgiem zakręcie tylne pałąki potrafią się otworzyć w dość widowiskowy sposób.

Zazwyczaj pałąki wysuwane są w czasie 0,1-0,4s poprzez uwolnienie sprężyny blokowanej elektromagnesem. Tak wysunięte pałąki są później zblokowane w tej pozycji i należy przejść całą procedurę ich schowania, aby powtórnie zamknąć cały dach.

Ta idea jest na tyle ciekawa, że podchwycili ją producenci innych rodzajów aut, np. SUV-ów. Niekiedy czujniki wykrywają również np. odciążenie którejś z osi i sprzężone są z czujnikami poduszek powietrznych, które dzięki temu są gotowe do działania.

Dla kabrioletów groźne są także uderzenia z boku nadwozia. Brakuje bowiem górnego mocowania drzwi. Oznacza to, że konieczne są odpowiednie wzmocnienia konstrukcji drzwi w rejonie mocowania przy słupku B. Drugą sprawą jest konieczność przeniesienia punktów mocowania pasów bezpieczeństwa, ale ten problem został skutecznie rozwiązany poprzez integrację pasów z fotelami.