Korszerű szerkezeti anyagok a gépkocsigyártásban Készítette: Gáspár Tamás

Történelmi áttekintés Az ábrán a 20-as években gyártott BMW Dixi anyagválasztékát láthatjuk, a gépkocsinál felhasznált fémes szerkezeti anyagok aránya mintegy 71 százalék volt. A könnyűfémeket ekkor még csak kis mennyiségben használták.

A korszerű gépkocsik gyártásához ma megközelítőleg ugyanilyen nagyságrendben használnak fel fémes szerkezeti anyagokat. Az utóbbi évtizedekben a vasalapú ötvözetek, az acél és az öntöttvas részesedése visszaesett , kb. 50tömeg%-ra, miközben a könnyűfémek mennyisége csak kis mértékben növekedett. Az ábrán a BMW 7-es sorozat anyagválasztékát mutatja a kép. Ezek a korszerű szerkezeti anyagok szükségesek az egyre növekvő műszaki követelmények, a könnyűszerkezet, a kisebb fogyasztás és a nagyobb biztonság biztosításához.

Vasalapú ötvözetek, acélok és öntöttvasak A vasalapú ötvözeteket, acélokat és öntöttvasakat a gépkocsik sok részterületén (karosszéria, futómű, hajtás) ma is nagy mennyiségben használják. A növeltszilárdságú acélok területén végzett fejlesztések és korszerű gyártástechnológiák a jövőben is az acélok versenyképességét a könnyűfémekkel és a műanyagokkal szemben. Ma a karosszériagyártás minden területén használják, és jelentősen hozzájárulnak a követelmények (könnyűszerkezet, merevség és biztonság) teljesítéséhez. Az acél-könnyűfém karosszéria „küzdelmében” csak az első időben állt vesztésre az acél. Nyertes pozíciót azonban csak úgy tudott ismét kivívni magának, ha mindenhova a szükséges mechanikai jellemzőkkel bíró fajtát építik be, így akár ötféle minőségű acélból áll össze ma a kocsiszekrény. Az acélok sokféleségének összeépítése révén a kocsiszekrény merevségi és ütközési energia - elnyelési jellemzői kedvezően alakulnak, amellett, hogy ezzel a gyártó tömeg és költségcsökkentést ért el.

Volvo C30-as teljes acélkarosszéria

Az öntöttvasak, mint eddig mindig, jelentős szerepet játszanak (forgattyús házak, hengerfejek, fedelek) a gépkocsigyártásban. Kifejlesztették féktárcsák gyártásához a HC típusú öntöttvasat, amelynek nagyobb a kopásállósága és a termikus terhelést is jobban bírja mint a másfajta öntöttvasak. Készítenek öntöttvasból forgattyús tengelyeket stb.

Könnyűfémek, alumínium és magnéziumötvözetek A könnyűfémeket ma mind a karosszéria, mind a futómű és a hajtás elemeinek a gyártásához is használják. Az alumínium mint a könnyűszerkezetes gépkocsigyártásnál felhasznált, több évtized óta ismert, hagyományos szerkezeti anyag. Különféle eljárásokkal készítenek a gépkocsikhoz alumíniumötvözetekből darabokat, öntenek öntvényeket, sajtolnak szelvényeket, és lemezből belső nagy nyomású alakítással különféle elemeket. Az ábrán a BMW 5-ös sorozathoz készített alumínium karosszéria mellső részt mutatjuk be. Ez a konstrukció igazolja, hogy az alumíniumot tartalmazó, könnyűszerkezetes gépkocsiknál a tömegcsökkentés20 kg az acéllal szemben. Ma a gépkocsik tömegcsökkentéséhez jelentősen hozzájárul, hogy az elemeket kis sűrűségű alumíniumból készítik. Az 5-ös ábrán a BMW 6-os sorozatnál használt anyagok választékát láthatjuk. A 90-es évek közepén a gépkocsi hátsó tengelyét elsöízben teljesen alumíniumból készítették. Az alumíniumból készített, könnyűszerkezetes hátsó futóműnél előny a hasonló, acélból készített konstrukcióval szemben a több mint 20 %-os tömegcsökkenés és ez kedvezően hat ki a kisebb rugózatlan tömeg miatt a járműdinamikára is.

A hajtás sok elemének (forgattyúház, hengerfejfedél, sebességváltóház, kardántengely) a gyártáshoz az alumíniumot, mint a klasszikus könnyűszerkezetes anyagot, már sok év óta sikeresen használják. Az alumínium és a magnézium felhasználás kombinációja a motorgyártásban időszerű forradalmat jelent, hogy a belsőégésű motorok tömegét jelentősen tovább csökkenthették. Ezt az innovatív vegyes gyártási módszert (alumínium és magnézium egyidejű felhasználása) először 2004-ben az új hathengerű BMW motorgenerációnál használták. Összehasonlítva a csak alumíniumból készített konstrukcióval, a tömeget kb. 10 kg-mal tudták csökkenteni.

A magnézium a kis 1,7 g/cm3-es sűrűsége miatt kiváló könnyűszerkezetes anyag. A nagy sorozatban gyártott, korszerű gépkocsikhoz ma mintegy6 kg magnéziumot használnak fel. A felhasznált minőségek AZ91, AM60 és AM50 jelű ötvözetek. A felhasználására jellemző példák a kormánykerékzár és a műszertáblatartó. A mini magnéziumötvözet tartója amelynél sok funkciót egy elembe vontak össze. Középtávú elemzések szerint feltételezik hogy a felhasznált magnézium mennyisége gépkocsinként 25 kg-ra növekszik.

A fémhabok Az utóbbi években intenzíven kezdtek foglalkozni a fémhabokkal és elhatározták annak felhasználását a könnyűszerkezetes gépkocsikhoz. A stabilizált alumíniumhab (SAF, stabilized alumínium foam) gyártója, a kanadai Cymat fő feladatának a hab piacra dobását és elterjesztését tartja. Az alumínium hab forradalmian új anyag, számos autóipari felhasználási lehetőséggel. Az SAF különlegesen habosított anyagának gyártási folyamatát szabadalom védi. Alapja egy fémmátrix kompozit, ami kerámiaszemcsék hozzáadásával alumíniumötvözetből készül. A szemcsék a habba zárt buborékok stabilizálására kellenek, mert különben a keletkező buborékok rögtön össze is omlanának. A stabilizáló szemcsék lassítják az olvadt alumínium visszahúzódását a buborékcellák falából, és növelik a viszkozitást. Gyártástechnológiák: - táblaöntés - kisnyomású öntés - előalak-technológia A stabilizált alumíniumhab sokoldalúan és költséghatékonyan használható az ipar számtalan területén.

Terroson termékek

Tulajdonságai: - minden irányba nagy mechanikai energiaelnyelő képesség - kiváló fajlagos szilárdság és merevség - hőmérsékletre és nedvességre érzéketlen tulajdonságok - újrahasznosítható - bemetszésre érzéketlen ( a furatok nem csökkentik a szilárdságát) - tűzgátló hatás - jó akusztikai és hőszigetelő ( a zaj 90%is visszatartja) - tulajdonságait alig befolyásolja a deformáció sebessége

Autóipari alkalmazása Crashbox: a crashbox, mint ismert, egy energiaelnyelő elempár a lökhárító geresztgerendája és a kocsiszekrény első hossztartói között. Közepes sebességű ütközéskor ez veszi fel a deformáció legnagyobb részét, megkímélve ezzel a hossztartókat és a többi mögötte lévő elemet a sérüléstől, az autóst pedig a nagyobb javítási költségtől. A crashbox „doboza” extrudált alumínium vagy hegesztett acél zártszelvény, kitöltve alumíniumhabbal. Hossztartók: a kocsiszekrény nagy része, az első és hátsó hossztartókat is beleértve, üres/üreges zártszelvényekből készül. Ezek hajlítási merevsége normális igénybevételnél nagy, de koncentrált erőhatásra összeroskadhatnak. A habbal töltött hossztartók előnyei a következők: - a habbal töltött hossztartók szilárdsága, energiaelnyelése és alakváltozási tartománya nagyobb, mert a töltés kizárja a zárszelv ény esetleges korai összeomlását egy hibás ívhelynél.

- a merevítőfoltok elhagyása csökkenti a gyártási költséget - azonos energiaelnyelés és szilárdság esetén a habbal töltött zártszelvény könnyebb, mint a hagyományos folttal merevített. - jobb utastérbiztonság nagy sebességű ütközésnél, mert kisebb a behatolás lehetősége A és B oszlop: a tetőoszlopok is kitölthetők a habbal, mely rögzíthető bennük ragasztóval, táguló műanyag habbal, ill. mechanikai kötéssel. A hajlítóvizsgálat szerint 40 mm a behajlításhoz üres tetőoszlop esetén kb. 25 kNewton erő szükséges, besajtolt habbal kb. 50kNewton, ragasztottal pedig 65kNewton.

Műanyagok A műanyagokat, különösen a hőre lágyuló és a hőre keményedő műanyagokat jelenleg, mint szabványos szerkezeti anyagokat a korszerű gépkocsigyártásban, nagy mennyiségben használják fel. Hőre lágyuló műanyagok: számos, fröccsöntéssel vagy fúvótechnolgiával készített elemeken kívül, pl. motoralkatrészek vagy üzemanyagtartály műanyagból, jelenleg hőre lágyuló műanyagokból készített karosszériaelemek fontosak a gépkocsigyártásban. A képen a BMW 6-os sorozathoz nagy hőállóságú, PPE-PA-Blend jelű, hőre lágyuló műanyagból készített oldalfalat mutatjuk be. Tulajdonságai: nagy ütésállóság, nagy hőállóság, kis zsugorodás, rövid ideig tartó hőterhelhetőség, jó alaktartóság, kis vízelnyelőképesség.

Hőre keményedő műanyagok: a hőre keményedő műanyagokból készített elemeket a gépkocsigyártásban már sok év óta ismerik. Az RRIM műanyag különösen alkalmas a karosszéria oldalsó elemeinek, oldalfalak gyártásához, mert a merevítő bordázatot, rögzítőelemeket és más megerősítő anyagokat egy művelettel készítik el.

Új anyagok

Smart anyagok: az ilyen anyagok az úgynevezett alakra emlékeztető ötvözetek. Ezek az anyagok olyan állapotban vannak, hogy a hőmérsékletváltozásra alakváltozással reagálnak. Nano anyagok: a nano anyagokat már a nagysorozatú gépkocsigyártás különböző területein megtalálhatjuk. Tulajdonságai: nagy mechanikai szilárdság, nagy kopás és karcállóság, kis súrlódás, öntisztító képesség. Ezek a tulajdonságok széles potenciát kínálnak az innovatív gépkocsigyártástechnológiánál: öntisztító felületek, karcálló lakkok, kopásálló rétegek, nanorészecskékkel dúsított műanyagok és fémek. Számos nanotechnológiai felhasználás a gépkocsigyártásban jelenleg még a fejlesztés állapotában van. Feltétel a nagy sorozatban való használatra mindenek előtt az ismertetett jellemzők nagy biztonsága.

VW Passat kocsiszekrénye

A hatodik generációs Passat az első a típus történetében, melynek tömege kisebb mint a az elődmodellé. A Volkswagen mérnökei annak ellenére érték el ezt a teljesítményt, hogy a követelmények a karosszériamerevség, az ütközési biztonság, az utas és gyalogosbiztonság és egyéb fontos vevői igények területén jelentősen megnőttek. A fejlesztés célja egy tömegoptimalizált, könnyű acélkarosszéria létrehozása volt, teljes körű ütközésbiztonsággal és különlegesen nagy karosszériamerevséggel. A szerkezetet optimalizálták a vibrációkomfort és a lokális karosszériamerevség legszigorúbb követelményei szerint azért, hogy minimalizálják az akusztikai terjedési útvonalak számát. A Passat eleje nem csak fontos dizájnelem, hanem lényeges ütközőelemeket is tartalmaz. Annak ellenére, hogy a passzív biztonság és vibrációkomfort követelményei, a jármű méretei és a megengedett maximális össztömeg egytől-egyig nőttek, a Passat karosszériájának tömege nem változott jelentősen. A 296kg-os kocsiszekrény nagyjából megfelel az elődmodell tömegének. A könnyű, de ezzel együtt ütközésbiztos és merev konstrukció visszavezethető a különböző acéloknak az igények által meghatározott kiválasztására. A karosszériaszerkezet alapja a nagyon stabil utasfülke. A frontális, oldal ill. hátoldali ütközéseknél, ill. az átforduláskor fellépő igénybevételeknek megfelelően egy nagy és növelt szilárdságú, optimalizált vastagságú és minőségű acélokból álló biztonsági cellát hoztak létre. Extrém merevségük biztosítja, hogy az utascellában a „ túlélőzóna” még a legsúlyosabb balesetek esetén is megmarad.

Felhasznált irodalom: - Autotechnika - Dr. Rudolf Stauber - Dr. Christina Cecco BMW Group Moderne Werkstoffe im Automobilbau - www.geplastics.com - AFS – Prozesskette – Der Verbund – werkstoffm Aluminium Foam Sandwich - ATZ/MTZ extra – Der neue Passsat