Materiały konstrukcyjne w nowoczesnych pojazdach samochodowych [cz. 2] 

Materiał kompozytowy to tworzywo złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Jednym z jego składników jest osnowa (nadająca kompozytowi twardość, elastyczność i odporność na ścieranie), a drugim materiał konstrukcyjny (wzmacnia kompozyt). Rolą osnowy jest ochrona materiału wzmacniającego i przenoszenie naprężeń zewnętrznych. Materiał konstrukcyjny odpowiedzialny jest za zapewnienie kompozytowi wysokich właściwości mechanicznych i wzmocnienie osnowy w różnych kierunkach.

Monokok z włókien węglowych w Lamborghini LP700-4 AventadorMonokok z włókien węglowych w Lamborghini LP700-4 Aventador
Maciej Gis

Materiał kompozytowy to tworzywo złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Jednym z jego składników jest osnowa (nadająca kompozytowi twardość, elastyczność i odporność na ścieranie), a drugim materiał konstrukcyjny (wzmacnia kompozyt). Rolą osnowy jest ochrona materiału wzmacniającego i przenoszenie naprężeń zewnętrznych. Materiał konstrukcyjny odpowiedzialny jest za zapewnienie kompozytowi wysokich właściwości mechanicznych i wzmocnienie osnowy w różnych kierunkach.

Opisywane materiały są coraz szerzej stosowane. Wynika to z ich korzystnych właściwości w zakresie wytrzymałości i sztywności. Co najważniejsze, charakteryzują się zdecydowanie mniejszą masą własną od materiałów tradycyjnych. Właściwości kompozytu są zależne od właściwości fizycznych osnowy i materiału wzmacniającego oraz względnej zawartości osnowy i wzmocnienia w materiale. Można opisać to wzorem: Vo+Vw= 100%, w którym Vo to osnowa, a Vw to wzmocnienie. Przykładowo w kompozytach wzmacnianych włóknami wyróżnia się osnowy polimerowe, metalowe i ceramiczne.

Podział kompozytów włóknistych
Podział kompozytów włóknistych

Do wykonania materiałów wzmacniających służą zwykle: włókna węglowe, włókna szklane, włókna aramidowe, włókna ceramiczne czy włókna borowe. Rozróżnia się również materiały włókniste długie (inaczej nazywane ciągłymi) oraz krótkie (nazywanymi nieciągłymi). Do zalet kompozytów polimerowych z włóknami długimi w porównaniu z tym samym materiałem z włóknami krótkimi należą:

Kompozyty z osnową polimerową
  • włókna szklane,
  • włókna węglowe,
  • włókna aramidowe.

Ze względu na niską cenę i dobre właściwości mechaniczne często używa się kompozytów z włókna szklanego, nazywanych GFRP (ang. Glass Fibre Reinforced Plastics). Jednak nie wszystkie konstrukcje mogą być wykonane z najtańszych materiałów. Konstrukcje występujące np. w elementach samolotów pasażerskich bądź wojskowych budowane są z lepszych materiałów. Dlatego też wykorzystuje się kompozyty z włókna węglowego, nazywane CFRP (ang. Carbon Fibre Reinforced Plastics) lub z włókna aramidowego - AFRP (ang. Aramid Fibre Reinforced Plastics). Charakteryzują się one wyższą wytrzymałością, większą sztywnością i mniejszą masą własną. Lepsze właściwości kompozytów CFRP i AFRP przekładają się na wyższą cenę. Jednak przy wyżej wymienionych konstrukcjach cena jest drugo- albo nawet i trzeciorzędną sprawą.

Zastosowanie kompozytów włóknistych w motoryzacji

Stosowanie materiałów kompozytowych w tej branży staje się coraz bardziej popularne. Dla przykładu w 2004 roku w USA użycie polimerów w transporcie wśród materiałów wyniosło 8,4%. W Europie poziom ten to aż 10%. Główne zalety wykorzystania tych materiałów w pojazdach to zmniejszenie masy, a co za tym idzie - niższe zużycia paliwa, oraz poprawa sztywności konstrukcji do 40% w stosunku do konstrukcji stalowych.

Opcjonalne hamulce węglowo-ceramiczne w Audi R8 V10 kosztują 51 490 zł (fot. Mariusz Zmysłowski)
Opcjonalne hamulce węglowo-ceramiczne w Audi R8 V10 kosztują 51 490 zł (fot. Mariusz Zmysłowski)

Jednym z pierwszych aut, w których zastosowano w dużej mierze kompozyty, było Porsche Carerra GT (produkcja 2004-2006). Do konstrukcji jego podwozia użyto kompozytów CFRP z osnową z żywicy epoksydowej. Kolejny przykład to Bugatti Veyron. Jest on w dużym stopniu wykonany z włókien węglowych. Również w Audi wykorzystuje się kompozyty. Na przykład model A8 W12 można doposażyć w ceramiczne tarcze hamulcowe zrobione z węglika krzemu (oznaczenie chemiczne: SiC) wzmacnianego włóknami węglowymi. Pozwala to zmniejszyć masę do 5 kg przy jednoczesnej poprawie właściwości układu hamulcowego (bardziej efektywne hamowanie, mniejsza podatność tarcz na nagrzewanie się, mniejsza podatność na zużycie).

Obecnie materiały polimerowe znajdują zastosowanie w ponad 1000 elementów samochodu. Tak zwane tworzywa wielkocząsteczkowe stanowią 10-15% masy samochodu osobowego średniej klasy. Najwięcej polimerów (ok. 60%) używa się do wykończenia wnętrza, w nadwoziu jest ich ok. 30%. Reszta jest przeznaczona na osłony jednostki napędowej i elementy wykończenia podwozia.

Przemysł motoryzacyjny to nie tylko pojazdy, ale również maszyny, które je wytwarzają. Wykorzystanie kompozytów z włókien węglowych do budowy maszyn pracujących w fabrykach pojazdów zmniejsza ich masę, a co za tym idzie - odciążone są elementy obrotowe, takie jak wrzeciona.

Monokok z włókien węglowych w McLarenie MP4-12C
Monokok z włókien węglowych w McLarenie MP4-12C

Stosowanie materiałów kompozytowych w motoryzacji jest przyszłościowe i będzie rozpowszechniane w coraz szerszym zakresie. Obecnie są one wykorzystywane również w motosporcie w celu obniżenia masy pojazdów, a w niektórych przypadkach także po to, aby wzmocnić konstrukcję. Przykładowo nadkola samochodów przystosowanych do driftu wykonane są z kompozytów, materiałów tych używa się też w bolidach formuły F1. Również nadwozia samochodów i konstrukcje nośne w dużej mierze zrobione są z włókna węglowego. Poprawia to jakość konstrukcji, zmniejsza masę pojazdu, obniża zużycie paliwa oraz, co istotne, ogranicza emisję substancji szkodliwych (obecnie jest to priorytet przy budowie nowoczesnych samochodów).

Opcjonalna komora i osłona silnika z włókien węglowych w Audi R8 V10 kosztuje 18 510 zł (fot. Mariusz Zmysłowski)
Opcjonalna komora i osłona silnika z włókien węglowych w Audi R8 V10 kosztuje 18 510 zł (fot. Mariusz Zmysłowski)

Ustalenia Unii Europejskiej dotyczące pojazdów samochodowych do 3,5 ton narzucają firmom motoryzacyjnym, aby do 2015 roku odzyskiwały i przetwarzały 95% materiałów użytych do produkcji pojazdów. Jest to kolejny argument przemawiający za wykorzystaniem w bardzo szerokim zakresie materiałów kompozytowych.

Źródło artykułu: WP Autokult
Wybrane dla Ciebie
Test: Ford Transit Custom Nugget - przemeblowali mi mieszkanie
Test: Ford Transit Custom Nugget - przemeblowali mi mieszkanie
Ej Toyota, dajcie nam tego Land Cruisera FJ!
Ej Toyota, dajcie nam tego Land Cruisera FJ!
Pokazali, na jakie auta stać przeciętnego Polaka
Pokazali, na jakie auta stać przeciętnego Polaka
Pierwsza jazda: Volvo ES90 - dla nowej generacji klientów
Pierwsza jazda: Volvo ES90 - dla nowej generacji klientów
Gigant inwestuje w Polsce. Wiemy, czemu chce produkować u nas
Gigant inwestuje w Polsce. Wiemy, czemu chce produkować u nas
Czy używane Tesle staniały przez Elona? Jeden model trzyma wartość jak szalony
Czy używane Tesle staniały przez Elona? Jeden model trzyma wartość jak szalony
Doskonała jazda Verstappena w Austin i kiepski weekend McLarena
Doskonała jazda Verstappena w Austin i kiepski weekend McLarena
Silnik Mercedesa 2.1d (OM 651) - wtopa czy dobry wybór?
Silnik Mercedesa 2.1d (OM 651) - wtopa czy dobry wybór?
​Analiza: Gwałtowny wzrost rejestracji na polskim rynku. Najważniejsi gracze komentują, czy to na pewno zasługa aut elektrycznych i chińskich
​Analiza: Gwałtowny wzrost rejestracji na polskim rynku. Najważniejsi gracze komentują, czy to na pewno zasługa aut elektrycznych i chińskich
Czyli jednak się da. Obniżyli cenę SUV-a o prawie 25 tys. zł
Czyli jednak się da. Obniżyli cenę SUV-a o prawie 25 tys. zł
Prawie 14 tys. zł taniej. Jedno z ulubionych aut Polaków na wyprzedaży
Prawie 14 tys. zł taniej. Jedno z ulubionych aut Polaków na wyprzedaży
Sejm zdecydował - odebranie prawa jazdy również za szaleństwa poza terenem zabudowanym
Sejm zdecydował - odebranie prawa jazdy również za szaleństwa poza terenem zabudowanym