Projekt "Super LIGHT-CAR"

Vysoce pevné materiály sice déle vydrží, ale obtížně se obrábějí a jinak zpracovávají. Moderní materiály jako např. kompozity, je nutno zpracovávat i manuálně.
Při použití moderních materiálů navíc nelze použít starých způsobů konstrukce a montáže. Spojování kusů z nových materiálů se také nedá vždy provádět klasickými technikami spojování. S tím vším je nutno při výrobě a vývoji automobilů počítat.
Uvedený výčet neřeší otázku pohodlí řidiče a cestujících a jejich bezpečnost. Kvůli nim je třeba vozy vybavovat silnějšími motory, stabilnějšími karosériemi a množstvím přídavných zařízení, čímž také narůstá hmotnost vozů.
Vědci z Ústavu pro nákladní automobily při Vysoké technické škole Severního Porýní-Vestfálska v Cáchách (RWTH) vypočetli, že každých 100 kg navíc, o něž se zvýší hmotnost vozidla, zvýší i spotřebu paliva o 0,3 až 0,4 litru na 100 km jízdy. Pokud jde o účinek snižování hmotnosti vozidel na snižování spotřeby paliva, zjistili toto: jestliže se sníží o 10 % hmotnost vozů s běžnými spalovacími motory, sníží se jejich spotřeba o 2 až 3 %. Jestliže je však vůz vybaven menším, úspornějším motorem, dosáhne se úspory 5,5 až 8,2 % paliva.

Kombinace různých materiálů
Hmotnost samozřejmě úzce souvisí s materiály, z nichž je vyroben podvozek, karosérie a pohonné ústrojí vozu. Současná doba se v automobilové výrobě vyznačuje tendencí ke stále širšímu používání hliníku. V jistém smyslu je to pochopitelné - hliník je při stejném objemu třikrát lehčí než materiál s ním v automobilkách soupeřící - ocel. Jenže ocel zase vykazuje o faktor 3 vyšší tuhost než hliník.
To znamená, že pokud by např. trubky z hliníku měly mít stejnou pevnost jako trubky z ocele, stěny hliníkových trubek by musely být silnější, protože jinak by se snadno promáčkly. Musely by tedy být patřičně tlustší, tím by se však vytrácela přednost hliníku jako lehčího materiálu.
Otázku "Jaký materiál je pro konstrukci automobilů nejvhodnější" si položili zástupci 38 výzkumných ústavů, výrobců aut a jejich dodavatelských firem z celé Evropy, a zahájili spolupráci na projektu "SuperLIGHT-CAR", podporovaného EU. Projekt má zcela konkrétní cíl: odlehčit karosérii automobilu VW Golf V, který se vyrábí v současné době převážně z ocele, aspoň o 85 kg (tj. o 30 %), a to tak, aby náklady na 1 kg hmotnosti nebyly vyšší než 5 eur.
Lidé, podílející se na projektu, vidí cestu k dosažení tohoto cíle v kombinaci různých materiálů. Pokud jde o to, zda se orientovat více na ocel anebo na hliník, což je v současnosti otázka zřejmě nejžhavější, vidí zástupci zmíněného ústavu, který je jedním z řešitelů, jako optimální řešení kompromis: pro určité části vozů, zejména nákladních, byly a budou ocelové součásti nenahraditelné, např. podélné nosníky v podvozcích. Jiné mají být vyráběny z hliníku, plastů a jiných materiálů.
První prototyp SuperLIGHT-CARu by měl být představen veřejnosti už v roce 2009. Z velké části bude karosérie zhotovena z ocelových dílů, nicméně podíl hliníkových a hořčíkových součástí, jak plyne z uvedeného "kompromisu" mezi řešiteli, bude poměrně vysoký. Podlaha vozu bude zhotovena z kompozitů vyztužených vlákny.

Netradiční metody spojování dílů
Aby uvedené materiály mohly být spojeny, bude nutno nově vyvinout anebo ověřit nové způsoby jejich spojování, což přirozeně vede k tomu, že náklady na vývoj vozu jsou poměrně vysoké. Při výrobě vozu bude použito svařování a lepení ocelových součástí, ale vedle toho také šroubování, nýtování, obrubování, zakliňování.
Podíl kompozitů bude vyšší než v dosud vyráběných vozech, hlavně kompozitů vyztužených uhlíkovými a skleněnými vlákny. Zde je nutno především vyřešit, jak se tyto látky budou spojovat s těmi klasickými. Problémem je, že u všech těchto materiálů dosud není dostatečně známo, jak se chovají, jsou-li vystaveny trvalému zatížení anebo nárazům, přičemž u nich záleží více než u oceli anebo hliníku na tom, z jakého směru, nebo v jakém úhlu na ně zátěž anebo náraz zapůsobí.
Dosud to bylo tak, že každá firma, která se chováním kompozitů uvažovaných pro výrobu vozů zabývala, stanovila pro testování vlastní pravidla. V rámci projektu je snaha tyto činnosti koordinovat a fixovat společná pravidla. Nicméně, současná situace je taková, že mezi kritérii jednotlivých účastníků, pokud jde např. o pevnost zkoumaných materiálů, jsou značné tolerance.

Simulační topologická optimalizace
Naproti tomu poměrně daleko pokročil vývoj v oblasti tzv. topologické optimalizace pomocí simulačních nástrojů, jež se při práci na konstrukci nového vozu hojně nasazují. Používá se přitom metody FEM (Finite Elemente Method - metoda konečných prvků). Díky tomuto postupu lze dopodrobna zjistit, která místa materiálů, respektive dílů z nich pořizovaných jsou vystavena velikým tlakům a pnutím, a která místa jsou naopak v tomto smyslu "hluchá" respektive méně zatížená. Pomocí toho se pak dá konstrukce dílů měnit, upravovat.
Počítačový obraz takovéhoto dílu připomíná řez větví stromu anebo celým jeho kmenem, a není to náhoda. V přírodním organismu jsou nejsilnější ty kořeny či větve a v nich cévy přivádějící vodu a jiné důležité živiny, které mají pro existenci tohoto organismu životní význam, resp. které jej chrání před nebezpečím zvenčí. Strom má také nejhustější síť vlásečnic a dřevních vláken na té straně, ze které je nejvíce vystaven náporům větru a deště. Těmito zásadami, od přírody okopírovanými, se řídí i navrhovatelé dílů pro nový automobil. Geometrie vozů zde, jak je zřejmé, souvisí s přírodou více než by se mohlo laikovi zdát.
Při navrhování konstrukcí karosérií, jak bočnic vozů, tak jejich střech, kapot a zadních partií, se konstruktéři, činní v projektu, poučili i ze studia způsobu života mořských škeblí a lastur, hlavně pokud jde o pevnost a životnost a také tvary jejich ochranných povrchů - skořápek. Uvažované skořepinové konstrukce karosérii se jimi v mnohém inspirují.

Systémový přístup - sjednocení vícekolejného vývoje
Kromě hmotnosti, materiálů a geometrie se vývojáři v projektovém týmu, mnohem více než lidé pracující ve vývoji v jednotlivých firmách, zabývají otázkou funkcí, které mají díly automobilů splňovat. K tomu lze uvést následující příklad: v BMW se pracuje na vývoji a zdokonalování přední části karosérie - kapoty. Jde o část karosérie, která je při jízdě vystavena proudění vzduchu, chrání součásti ukryté pod ní, je to nosná součást celé karosérie, a současně má tlumit hluk a teplo, vycházející z motoru. Pro každou z těchto funkcí se dosud navrhoval samostatný díl, a na každém se pracovalo víceméně samostatně: akustici se starali o tlumení hluku, karosáři o to, aby kapota měla dokonalou geometrii a aerodynamiku, a dekoratérům šlo o myšlenku, jaký potah dají na sedadla a jaký kobereček bude na podlážce.
Nyní, v souvislosti s projektem SuperLIGHT-CAR, se nově klade otázka, zda není na čase tyto přístupy spojit v rámci "celostní" koncepce, a zda některé funkce nelze řešit instalací jediného dílu - například, zda by ochrana před horkem z motoru nemohla zároveň tlumit hluk, nebo zda by kanálky zajišťující ve voze klimatizaci nemohly být využity i k vedení kabelů elektřiny. Jde prostě o to, aby se při navrhování konstrukce aut prosadil více systémový přístup a koordinace ve firmách.

Ekologický aspekt
V rámci projektu Super LIGHT-CAR se věnuje mimořádná pozornost kritériím ochrany životního prostředí, a v té souvislosti i míře spotřeby energií na výrobu aut a problematice recyklace poté, co automobily doslouží. Účastníci projektu např. poukazují na dosud ve veřejnosti málo známou pravdu, že hořčík, pokud není zajištěna jeho recyklace, má ze všech pro výrobu aut v úvahu přicházejících kovů nejhorší energetickou bilanci - to je jeden z problémů, který bude nutno v dohledné době řešit.
Někteří už na tom pracují. Například v Kompetenčním středisku pro lehké kovy v Ranshofenu pracují na způsobu efektivního zpracování hořčíkových residuí odborníci z organizace PE International, jedné z účastnických institucí projektu. Ti vypočetli, že pokud se nevezme v úvahu recyklace, pak by nový vůz byl energeticky výhodnější než standardní vůz Golf až po ujetí 105 000 km. Jestliže se však kalkulují recyklační faktory, pak k tomu dojde už po ujetí 7 000 km.

Srovnání hlavních vlastností základních materiálů používaných pro výrobu automobilů