Jak obniżyć wagę samochodu?

BMW
Maciej Blum
18.7.2022
Reklama
Reklama

Obniżenie emisji substancji szkodliwych jest dziś priorytetem każdego producenta samochodów. Wynika to przede wszystkim z nakładania przez Unię Europejską kar za przekroczenie ustalonych limitów. Ilość emitowanego CO2 stała się więc ważniejsza niż osiągi samochodu czy jego parametry jezdne.

Podstawową informacją w ulotkach reklamowych samochodu jest dziś ilość emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla (CO2) na każdy przejechany kilometr. Problem jest jednak ciągle ten sam – jest nim rachunek energetyczny. Do poruszania się samochodem konieczne jest zużycie pewnej ilości energii. Aby ją pozyskać, konieczne jest zużycie danej ilości paliwa. Przy spalaniu paliwa (reakcji utleniania węglowodorów zawartych w paliwie) jednym z produktów jest dwutlenek węgla. Mimo galopującego postępu w dziedzinie sterowania silnikiem, wyposażenia samochodu i systemów wspomagających problem ten ciągle nie został rozwiązany.

Reklama

W najbardziej sprawnych silnikach spalinowych energia powstająca ze spalania paliwa wykorzystywana jest w ok. 40% do napędzania samochodu. Reszta energii jest rozpraszana w postaci energii cieplnej, energii koniecznej do pokonania tarcia w silniku, skrzyni biegów, oporów powietrza. Pod względem sprawności silniki z zapłonem samoczynnym wygrywają na tym polu z jednostkami benzynowymi. Dzięki innemu obiegowi termodynamicznemu uzyskują bowiem nieznacznie wyższą sprawność, co przekłada się na jednostkowo niższe zużycie paliwa.

Jednak rachunek energetyczny jest bezlitosny. Aby rozpędzić 1,5 t konieczne jest zużycie pewnej ilości energii. A należy pamiętać, że na przestrzeni lat samochody znacznie przybrały na wadze i rozmiarach. Polski Fiat, który uważany był za duże auto rodzinne, dziś wielkością nie zachwyca. A ważył w okolicach 1 t. Uznawana dziś za auto małe Toyota Yaris szerokość i wysokość ma równą z Fiatem 125p. Jest za to krótsza od niego o 30 cm i waży tyle samo – 1 t. W Toyocie zastosowano jednak znacznie nowocześniejsze i lżejsze materiały, więc silnik, skrzynia biegów i inne komponenty także są lżejsze. Natomiast dołożono wiele nowości, które składają się na to, że z wagi jest coraz trudniej zejść. Popularne średnie auta dziś ważą ok. 1300–1500 kg.

Silnik Toyoty ma więc to samo zadanie co silnik starego Fiata – rozpędzić 1 t do zadanej prędkości w zadanym czasie. Aby wynik był jak najlepszy, trzeba zwiększyć moc silnika. Odbywa się to na 3 polach:

  • zwiększenie prędkości obrotowej,
  • zwiększenie pojemności skokowej,
  • zwiększenie ilości dostarczanego paliwa.

Do tego należy dodać jeszcze naturalną ewolucję silnika, która polega na tym, że lepiej wykorzystuje się energię, zmniejsza się tarcie, zmniejsza się masy wirujące i te poruszające się ruchami posuwisto zwrotnymi, udoskonala się proces spalania. Dzięki temu silnik w Yarisie ma więcej mocy niż silnik Fiata i jest w stanie rozpędzić go nieporównywalnie szybciej do 100 km/h.

Lżej znaczy lepiej

Co jednak zrobić, aby osiągnąć lepszy wynik? Tutaj kłaniać się zaczyna inżynieria materiałowa. Na tym polu największe pole do popisu mają nowoczesne materiały konstrukcyjne. Blacha wykorzystywana na nadwozia dzięki swojej wysokiej wytrzymałości może mieć nawet 0,4 mm grubości, co 20 lat temu było nie do pomyślenia.

Początkowo aby zredukować masę samochodu, stosowano aluminium, a dokładniej stopy glinu z innymi pierwiastkami (krzemem, magnezem, miedzią lub żelazem). Ze stopów lekkich wytwarza się m.in. części karoserii, płyty podłogowej czy silnika. Całe nadwozie wykonane z aluminium jest o ok. 40% lżejsze niż stalowe. I choć podnosi to cenę końcową auta, to nie wyższe koszty sprawiły, że do łaski powróciła stal.

Reklama

Decydujący okazał się tzw. moduł Younga (E), czyli współczynnik sprężystości. Moduł Younga dla stali wynosi 210 GPa, natomiast dla aluminium – 69 GPa. To oznacza, że aluminium jest sztywniejsze, czyli znacznie mniej się odkształca, zanim ulegnie pęknięciu. Stal natomiast może się znacznie bardziej odkształcić, zachowując przy tym początkową wytrzymałość. To zdecydowało, że w niektórych przypadkach, mimo przewagi wagowej aluminium i jego stopów, zdecydowano się na powrót do stali jako bazowego materiału konstrukcyjnego. Oczywiście mowa tutaj o stali niskowęglowej z odpowiednimi dodatkami, dzięki którym jest ona znacznie wytrzymalsza od standardowo stosowanych stopów.

Stale, które stosuje się do produkcji nadwozi, są sukcesywnie wzmacniane. Zwiększanie wytrzymałości odbywa się przez odpowiednią obróbkę cieplną oraz nawęglanie i azotowanie. Kolejnym sposobem wzmocnienia elementu blaszanego jest jego tłoczenie. Stosowanie tego zabiegu powoduje wzmocnienie stali, czego wynikiem jest większa wytrzymałość na rozciąganie. Materiał po tłoczeniu ma wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 180 MPa.

Większą wytrzymałością mogą się poszczycić stale High Strength Steel (HSS), które dzięki dodatkom stopowym osiągają wytrzymałość rzędu 300 MPa. Lepsze parametry mają stale dwufazowe (Dual Phase), których wewnętrzna warstwa ma strukturę ferrytyczną, natomiast zewnętrzne warstwy – martenzytyczną. W tym przypadku każda naprawa z użyciem urządzania spawającego czy palnika doprowadzi do nieodwracalnej zmiany struktury stali i jej osłabienia. Stale wielofazowe osiągają wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1000 MPa. Najwyższe wytrzymałości uzyskują stale stopowe z manganem utwardzane w atmosferze boru. Ich wytrzymałość przekracza 1600 MPa.

Znaczną część elementów metalowych zastąpiono polimerami lub kompozytami, które mają podobną do stali wytrzymałość przy znacznie mniejszej wadze.

Kompozytowa sprężyna zawieszenia
Kompozytowa sprężyna zawieszenia jest odporna na korozję, lżejsza i równie wytrzymała jak stalowa. Źródło: Sogefi

Tworzywa sztuczne i laminaty

Przemysłowe wytwarzanie laminatów rozpoczęło się, kiedy możliwe stało się kontrolowanie procesów związanych z łączeniem polimerów z materiałami zbrojonymi. Pierwszym laminatem wytwarzanym przemysłowo były laminaty uzyskane na bazie bakelitu, w którym zatapiano płótno z włókien bawełnianych, konopnych lub nawet jedwabnych.

Cechą laminatu jest to, że składa się on z dwóch materiałów bazowych, które różnią się właściwościami mechanicznymi i fizycznymi, a każdy ze składników osobno ma gorsze właściwości niż laminat stworzony z ich połączenia. Jest to więc materiał kompozytowy. Laminat powstaje zazwyczaj przez usztywnienie włókien zbrojących spoiwem. Włókna zbrojące pełnią funkcję konstrukcyjną i przenoszą naprężenia ściskające i rozciągające. Spoiwo, które unieruchamia włókna, przenosi siły tnące, czyli te, które mogłyby spowodować przesuwanie się włókien zbrojących względem siebie.

Na podstawie tych założeń można już wysnuć wniosek, że w laminacie kluczową rolę odgrywa samo rozmieszczenie włókien, kierunek rozmieszczenia oraz rodzaj i ilość substancji wiążącej. Zbyt duża ilość substancji wiążącej w stosunku do liczby włókien zbrojących powoduje spadek wytrzymałości laminatu, a zbyt mała – niedostateczne połączenie włókien także skutkujące spadkiem wytrzymałości.

Z laminatów wykonuje się wzmocnienia, konstrukcje podnoszące wytrzymałość, a nawet całe nadwozia, jak ma to miejsce w BMW i3 lub Lamborghini. Spotyka się też elementy zawieszenia, takie jak resory i sprężyny, a niekiedy nawet obręcze kół.

obręcz z laminatu
Obręcz o średnicy 19 cali wykonana z laminatu węglowego waży tylko 6,15 kg,
czyli o ponad 4 kg mniej niż najlżejsze koło ze stopów lekkich o tych samych wymiarach. Źródło: Ford

Nie zawsze jednak potrzebna jest tak wysoka wytrzymałość. Postęp w dziedzinie tworzyw sztucznych pozwolił na skuteczne zastępowanie wielu elementów metalowych tymi właśnie wykonanymi z polimeru. Kolektor dolotowy z „plastiku” to już żadna nowość. Tworzywa sztuczne potrafią znieść i obciążenia mechaniczne, i wysokie temperatury.

Przykładem szerszego zastosowania może być moduł olejowy,w którym zintegrowany jest filtr oleju, grupa zaworów i chłodnica. Moduł filtracyjny z tworzywa sztucznego, stosowany w silniku Volkswagena EA288 EVO z systemem mild hybrid dzięki swojej konstrukcji optymalizującej zarządzanie temperaturą i przepływem cieczy chłodzącej oraz oleju pozwala zredukować emisję CO2 nawet o 10 g na każdy przejechany kilometr. Integracja filtra i zaworów pozwalają dodatkowo zmniejszyć spadki ciśnienia oleju, co ma szczególne znaczenie w systemach start-stop.

Moduł olejowy do silników 2-litrowych serii EA288 evo z systemem mild hybrid
Moduł olejowy do silników 2-litrowych serii EA288 evo z systemem mild hybrid. Źródło: UFI Filters

 

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama