Bohatší vybavení automobilů působí proti redukci jejich hmotnosti

Tu vyjadřují holá fakta, která jsou neúprosná: jestliže např. osobní vůz Golf I z roku 1974 se základní výbavou vážil 750 kg, pak 5. generace této značky vyráběná v současné době už váží 1155 kg. První automobil série 3er z BMW v roce 1975 vážil 1066 kg, ale jeho nástupce už 1320 kg...

Lehčí konstrukce, ale bohatší vybavení
Znamená to tedy, že úsilí vývojových týmů nemá smysl a že se jim nedaří snižovat hmotnost vozů? Není tomu tak, takový pohled by byl jen povrchní a příliš zjednodušený. Pravdou je, že nebýt vývojářského snažení (které, jak už tomu ve výzkumu a vývoji bývá, není vždy korunováno úspěchem a vede občas do slepé uličky), byly by dnes zmíněné dva automobily a většina dalších ještě těžší, než jsou.
Kdyby totiž vývojáři a výrobci neusilovali o redukci hmotnosti, pak by zmíněný Golf I, opatřený výbavou obvyklou v dnešní době, vážil více než 1 400 kg - to je výsledek propočtů odborníků z Ústavu tvářecí techniky a lehkých konstrukcí při universitě v Dortmundu. U Golfu dokonce během posledních asi 30 let došlo ke snížení hmotnosti karosérie. Vypočetlo se, že během této doby se snížil ukazatel daný hmotností dělenou torzní tuhostí, což se pak násobí dotykovou plochou, z hodnoty 6,2 na 2,5.
Avšak tento a jiné pokroky přinášející snížení hmotnosti byly pohlceny instalací mnoha prvků a zařízení, které před několika desetiletími ještě ve vozech nebyly obvyklé a které podstatně zlepšují pohodlí a bezpečnost řidičů a pasažérů. Jinak řečeno: zatímco podvozek a karosérie jsou, obecně vzato, stále lehčí, výbava vozů je, také obecně vzato, stále těžší.

Bezpečnost a pohodlí se "platí" kilogramy navíc
Výhody dodatečných prvků instalovaných do vozů jsou pro lidi používající auta nesporné - při těžších nehodách, které dříve lidé nemohli přežít, se jim dnes díky bezpečnostnímu vybavení aut mnohdy stane jen málo anebo nic, i když vůz samozřejmě dozná úhony. To platí i pro nákladní automobily. Kladně se tu projevuje vliv vymožeností, jako jsou rychlobrzdné systémy, posilovače řízení (systémy ABS, ASR, ESP aj.) či adaptivní naklápění reflektorů do zatáček. Karosérie jsou dnes stabilnější, brzdy fungují rychleji, a narostl i výkon motorů - to vše ale za cenu zvyšování hmotnosti vozů.
Snahou je a bude i při instalaci stále nových a nových přídavných zařízení celkovou hmotnost vozů nezvyšovat, a není-li možno hmotnostní křivku srazit směrem dolů, aspoň ji udržovat na dosažené úrovni.
Mnoho odborníků zabývajících se automobily proto zaujímá tento názor, o němž lze říci, že je napůl optimistický a napůl pesimistický: hmotnost automobilů se základní výbavou bude klesat, ale u aut s dodatečným vybavením, jehož je a bude stále více, bude přirozeně stoupat. Jde o souboj, jehož výsledek se v perspektivě jeví jako nerozhodný. Poněkud cynicky k tomu lze dodat: jak by také ne, když platí, že čím bohatší je dodatečné vybavení vozů, tím vyšší zisk z toho má jejich výrobce.

Sázka na hliník
Přitom však určité možnosti snižování hmotnosti existují. Tak např. Heinrich Timm, šéf konstrukčního střediska ve firmě Audi, má tento názor: "Vycházejme ze spotřeby pohonných hmot, která by se měla samozřejmě snižovat, alespoň relativně. Z tohoto hlediska se nám hmotnost vozu může zpočátku jevit jako druhotná záležitost. Jenže je to jinak: jestliže vůz bude spotřebovávat méně paliva, lze snížit hmotnost mnohých součástí vozu, např. některých dílů náprav anebo brzd. Takto se dá hmotnost snížit aspoň o 150 kg."
Ke snižování hmotnosti se samozřejmě přistupuje především nahrazováním těžších materiálů lehčími. U Audi vsadili na hliník. Ostatně, už v roce 1911 vyrobila firma NSU, z níž se pak stalo Audi, model 8/24 s hliníkovou karosérií. Ke hliníku se firma vrátila v roce 1993, když vyrobila limuzinu A8 s karosérií z tohoto kovu. Výzkum a vývoj, který výrobě A8 předcházel, trval skoro deset let. Na jeho začátku byla studie provedená firmou Alcoa, která uváděla, že díky hliníku lze snížit hmotnost karosérie o 46 %.
To znělo lákavě, a proto se začalo s pokusy, které měly ocelové součásti nahradit hliníkovými. Po několika letech se ukázalo, že snížení hmotnosti je sice o něco nižší než slibované - "jen" kolem 40 % - ale přínosem byla vyšší pevnost a tuhost konstrukcí a zkrácení výrobních časů, jež podle informací manažerů firmy dostatečně kompenzovalo vyšší náklady na nákup materiálu. Ukázalo se však, že karosérie z hliníku nelze vyrábět stejným technologickým postupem jako ocelové. Na některých místech karosérie se hliník neprojevuje jako dostatečně pevný. Tloušťku stěn nebo vrstev hliníku sice bylo možno zvětšit a dosáhnout potřebných hodnot, jenže potom se ztrácel efekt úspory na váze.

Inspirace přírodou a fem
Díky takovým zkušenostem došli vývojáři v Audi k poznatku, že potřebnou pevnost je nutno dosáhnout nikoliv díky materiálu, nýbrž díky jinému přístupu k řešení geometrie vozu. To si vyžadovalo jinou konstrukci a jiné výrobní postupy než dosavadní způsoby výroby skořepinových konstrukcí. Rozhodující význam tu měly hliníkové odlitky lité pod tlakem, z nichž se vyráběly spojovací uzly vozů.
Při hledání optimální formy pro odlévání těch či oněch součástí si Timm a jeho spolupracovníci vzali na pomoc IT - jako první aplikovali do automobilového průmyslu metodu konečných prvků (FEM). Její aplikace probíhala přibližně takto: na simulovaný model karosérie byl počítačově nenesen naprosto nestrukturovaný kus materiálu, svého druhu výřez. Pak bylo formulováno zadání, odkud kam se mají v tomto výřezu materiálu přenášet síly a tlaky (podle poznatků, jakým silám a tlakům je v daném místě vůz vystaven v reálné situaci). Poté se simulačně z prezentované situace odstraňovalo vše, co nemělo s přenosem sil a tlaků nic společného. Výsledkem byl uzel bez konstantních šířek stěn, žebroví. Toto pojetí umožňuje optimální využívání materiálu k výrobě potřebných odlitků. Přitom součásti, sloužící dříve k jednotlivým funkcím, se dají odlévat najednou. Zatímco při výrobě součástí karosérie z oceli se např. kloubový závěs dveří vyráběl v několika kusech, zde se dá vyrábět jako jeden kus. Tím odpadá pozdější sestavování závěsu dohromady, a samozřejmě také problém přesnosti rozměrů součástek dohromady tvořících závěs.

Space-frame
Pro výrobu karosérií z hliníku se používá termínu "space-frame" (resp. "space-structure"). To je lehká, ale pevná a tuhá příhradová konstrukce, složená z do sebe zapadajících či k sobě připojených podpěr podle určitého geometrického schématu. Síly a zátěže, resp. komprese působící na konstrukci, jsou přenášeny po celé délce jednotlivých vzpěr, což mohou být nosníky (trámky), ale také trubky. Konstrukce vozu je složena z odlévaných uzlů a protlačovaných profilů, jež jsou potom potahovány hliníkovými plechy. Karosérie se dají vyrábět i z oceli, nicméně, hliníkové karosérie jsou lehčí a k jejich tváření je zapotřebí mnohem menší kvantum energie než při použití ocele. A u hliníku je obecně možno jak při odlévání, tak při extruzi dospět ke kusům, které mají tenčí stěny.

Argument proti hliníku - platný, ale jen zčásti
Častým argumentem odpůrců používání hliníku při výrobě nejen automobilů je, že při jeho výrobě (z bauxitu) se spotřebuje velké množství energie. To je ale pravda jen zčásti. Primární výroba hliníku je sice v přepočtu na jednotku produkce dražší než u oceli, jenže pokud se vezme celková spotřeba energie, které je zapotřebí nejen k výrobě, ale také k recyklaci výrobků z obou kovů, získá se rázem odlišný obraz: Recyklace hliníku je totiž 10-15krát méně energeticky náročná než recyklace oceli. Přitom podíl ocelového šrotu přidávaného do taveb vyrábějících novou ocel je stejně vysoký jako podíl hliníkového šrotu - něco nad 30 % nových vsádek do pecí. Vcelku tedy úspory z recyklace hliníku převyšují vícenáklady (ve srovnání s ocelí) při jeho primární výrobě.

Pořizovací i provozní náklady versus velikost sérií
Při zvažování, zda přejít při výrobě aut na hliníkovou konstrukci, resp. rozšiřovat počet hliníkových součástí v automobilech vyráběných v podstatě z ocelových součástí, je nutno mít na paměti ještě jinou okolnost: pomine-li se cena hliníku, pak počáteční investice do výstavby provozu pro karosérie typu space-frame jsou sice poměrně nízké, ale je nutno počítat s tím, že provozní náklady příslušného zařízení budou o něco vyšší než v případě klasické výroby používající především ocelové součásti.
Je tomu tak proto, že zatímco výroba a montáž ocelových součástí se dá z velké míry automatizovat, v případě techniky space-frame to v takové míře možné není. Specifika výroby je např. taková, že některé operace, které při montáži ocelových součástí do podvozků či karosérií vykonává robot, při sestavování hliníkových konstrukcí musí vykonávat člověk, což výrobu prodražuje.
Hospodárnost použití techniky space-frame souvisí i s počtem vozů, které mají být v té které sérii vyrobeny. Podle údajů velkého producenta hliníku firmy Alcan se vyplatí vyrábět vozy s hliníkovými karosériemi v sériích do 100 tisíc kusů, zatímco od této hranice nahoru jsou výhodnější vozy s ocelovými karosériemi.
Audi sice své kalkulace porovnávající výrobní náklady nezveřejnila, nicméně za ni hovoří praxe: luxusní limuzínu A8 a sportovní vůz R8, což jsou vozy vyšších tříd vyráběné v malých sériích, vyrábí kompletně z hliníku. Naproti tomu A4, což je automobil určený pro střední třídu automobilistů, vyrábí z ocele.

Ocel není v klatbě
I když hliníku se při výrobě autodílů a celých vozů používá stále více, nelze počítat s tím, že ocel ustoupí ze scény. Inovace v ocelářském průmyslu nabraly v posledním desetiletí tempo, mj. i díky vyostřené konkurenci mezi výrobci materiálů, z nichž se sestavují automobily, a odborníci přicházejí se zajímavými výsledky. Zjednodušeně se dá říci, že "ocel je těžký materiál, ze kterého se však dneska dají vyrobit lehké součásti".
Realizačním výstupem intenzivního ocelářského vývoje jsou v posledních letech např. extrémně tvrdé druhy oceli, resp. ocelových slitin, vykazující rekordní pevnost v tahu, a to až do 1600 Megapascalů (běžná ocel dosahuje max. 300 Megapascalů).
Takže ocel z automobilové výroby nezmizí. Dnes vyráběné vozy Golf jsou ze 7 % montovány z komponentů z vysokopevných ocelí, jež se používá hlavně na těch místech karosérie, které jsou z hlediska bezpečnosti řidiče a pasažérů nejkritičtější, jako jsou např. sloupky mezi bočnicemi a střechou.
Ocel jako materiál s vysokou pevností v tahu má i svou druhou stránku: dá se jen těžko tvářet anebo svařovat. Východisko z tohoto dilematu nicméně skýtá tzv. vícefázová ocel. Pevnost oceli totiž podstatně závisí na uspořádání atomů v krystalické mřížce, neboli "fázi".
Při výrobě automobilů se používá pro dveřní profily dvojfázová ocel, v níž je spojena fáze vysoké pevnosti s měkkou krystalickou strukturou, což umožňuje dobrou tvárnost.

Plechy na "míru"
Jinou výhodou poskytovanou oceláři autovýrobcům je to, že plechy a trubky pro výrobu vozů nejsou už nabízeny pouze v konstantních tloušťkách, se standardní tloušťkou stěn a průměry, nýbrž s variabilními rozměry, jako tzv. "tailored blanks" (tj. plechy či díly vyrobené na míru, přizpůsobené individuálním požadavkům klienta).
Jinou inovací či službou je svařování či jiný způsob spojování ocelových plechů s jinými materiály - jde o tzv. "Hybrid Tailored Blanks", dnes považovaný za významný trend v konstrukci autokarosérií do budoucna, protože zde jde o kombinaci různých materiálů - oceli, hliníku a hlavně hořčíku.
Víceméně "módní" záležitostí, určenou spíše jen pro malosériovou výrobu luxusních vozidel, je prosazování titanu anebo plastů vyztužených vlákny do konstrukce automobilů. Odborníci soudí, že aplikace těchto materiálů i nadále zůstane v technickém vývoji vozů spíše jen okrajovým jevem.