Samochody z lekkich stopów. Aluminiowy horror?

Od kilku lat w motoryzacji trwa ogólnoświatowa walka z nadwagą samochodów obciążonych wzmocnieniami, systemami bezpieczeństwa, czy coraz liczniejszym wyposażeniem dodatkowym. Na konstrukcji nadwozia można zaoszczędzić najwięcej kilogramów, dlatego producenci od pewnego czasu chętnie stosują nowoczesne materiały, do jakich zaliczamy stale o bardzo wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, nawet trzykrotnie większej od zwykłej stali. Ich zastosowanie pozwala zmniejszyć grubość części, co przekłada się na niższą masę. Przykładowo najnowszy Opel Astra (K) dzięki takim zabiegom odchudzania konstrukcji ma strukturę nadwozia lżejszą o 77 kg w stosunku do poprzedniej generacji (J). Zastosowanie mocnej stali to nie jest to jedyna metoda na lżejszą konstrukcję, niektórzy producenci, głównie marek premium, coraz chętniej sięgają po stopy lekkie.

Zastosowanie stopów aluminium w przemyśle motoryzacyjnym jest powszechne od wielu lat. Wykonuje się z nich m.in. felgi, głowice i bloki silników, a także elementy zawieszeń w droższych samochodach. Zastosowanie aluminium w konstrukcji nadwozi samochodowych także nie jest nowym pomysłem. Przykładowo inżynierowie Citroena projektując model 2CV w latach 30. XX wieku zbudowali prototypy wykorzystując stopy aluminium. Prognozowali bowiem, że w nadchodzących latach cena tego materiału znacząco spadnie. Po II Wojnie Światowej niektórzy producenci z braku stali, która była reglamentowana, też sięgnęli po stopy lekkie. Stąd nadwozia Land Roverów serii I-III oraz Defenderów wykonane są od początku właśnie z aluminium. Ceny surowca pozostały jednak długo na wysokim poziomie i dopiero w latach 90. zaczęto poważnie myśleć o zastosowaniu tego materiału w produkcji masowej.

Konstrukcje

Zacznijmy od tego, że mówiąc o aluminium mamy na myśli stopy glinu z innymi pierwiastkami, jak krzem, magnez, miedź, żelazo, czy cynk. Czyste aluminium ma niską masę, ale też jest bardzo miękkie, dodatki znacząco zwiększają jego twardość i sztywność nie wpływając znacząco na masę. Dlatego mówimy o stopach lekkich.

Użycie aluminium w budowie nadwozi możemy podzielić na trzy kategorie. Do pierwszej możemy zaliczyć samochody, których poszycia poszczególnych elementów karoserii wykonano ze stopów lekkich. Należą do nich m.in. Land Rover Defender i Ford F150, ich konstrukcję zaś oparto na stalowych ramach nośnych. W drugiej są tzw. nadwozia hybrydowe, czyli łączące elementy aluminiowe ze stalowymi. Tu znajdziemy droższe modele producentów premium, jak BMW Serii 5 (F10), czy Mercedesa Klasy E (W212). W obydwu przypadkach ze stopów lekkich wykonano w nich górne mocowania przednich amortyzatorów, czyli tzw. kielichy oraz wybrane elementy karoserii, jak dach w Mercedesie. W tym przypadku nie ma reguły, stopy lekkie można spotkać w różnych miejscach, w zależności od marki, a nawet modelu samochodu. Do trzeciej kategorii można zaliczyć konstrukcje w znacznym stopniu wykonane ze stopów lekkich. Dobrym przykładem jest Audi A8 (D4), jego konstrukcję nośną wykonano niemal w całości a aluminium. Wyjątkiem są słupki środkowe zrobione z wysokowytrzymałej stali. Za to np. Jaguar XE wykorzystuje aluminium w konstrukcji w mniejszym stopniu, bo w ok. 75%.

Zalety

Najważniejszą zaletą stopów lekkich, jak sugeruje sama nazwa, jest ich niska masa. Problem związany z niższą twardością w stosunku do stali można zrekompensować stosując odpowiednie stopy i zwiększając grubość części. Nawet czterokrotnie grubsze elementy aluminiowe będą znacząco lżejsze od stalowych. Konstrukcja nadwozia wykonana całkowicie z aluminium jest o 40% lżejsza od stalowej. W ten sposób można uzyskać oszczędność dochodzącą do kilkudziesięciu kilogramów, co przekłada się na lepsze osiągi i niższe zużycie paliwa.

Kolejną zaletą jest większa sztywność skrętna, co wpływa pozytywnie na precyzję prowadzenia oraz na pracę nadwozia podczas jazdy po nierównościach. Dotyczy to jednak głównie nadwozi, których struktura wykonana jest w znacznej części ze stopów lekkich.

Korozja
Wiadomo powszechnie, że aluminium podlega korozji, choć w innym stopniu, niż stal. Stopy lekkie są odporne na korozję atmosferyczną i o ile nie znajdą się w agresywnym środowisku, nie powinny jej ulegać. Najgroźniejsza dla stopów aluminium (głównie tych z dodatkiem miedzi) jest sól, która jak wiadomo jest w Polsce ulubionym środkiem używanym zimą do walki ze śniegiem i lodem na drogach. Z tego powodu elementy narażone na kontakt z solą muszą być zabezpieczone, podobnie jak stalowe.

Stopy lekkie podlegają także korozji elektrochemicznej. Występuje ona, gdy aluminium styka się bezpośrednio z takimi materiałami, jak stal węglowa, stal nierdzewna, a nawet stal ocynkowana. Także i w tym wypadku potrzebny jest czynnik zewnętrzny w postaci chlorków, np. pod postacią soli drogowej lub morskiej.

Producenci samochodów zdają sobie sprawę z istnienia tych zjawisk, dlatego elementy wystawione na korozję pokrywane są środkami ochronnymi, lub stosują izolatory w ochronie przed korozją elektrolityczną. Jeśli mamy wątpliwości, czy są skuteczne pomyślmy o innych częściach wykonanych ze stopów lekkich w naszych autach. Alufelgi renomowanych producentów bez problemu radzą sobie z solą drogową i można używać ich zimą, a silniki wykonane ze stopów lekkich nie rozpadają się po kilku latach. Tak więc i inne aluminiowe elementy konstrukcji samochodu przez długi czas powinny spełniać swoją rolę. Przekonującym przykładem powinno być też Audi A2 z 1999 roku, najstarsze egzemplarze mają już swoje lata, a na korozję nadwozia nikt się nie skarży.

Nieco inaczej jest z Land Roverem Defender i nowym Fordem F150. Ich nadwozia wykonano ze stopów lekkich, ale osadzone są na stalowych ramach. Eksploatacja tych samochodów nawet w niezbyt agresywnym środowisku i tak z czasem może oznaczać pojawienie się rdzy na elementach nośnych.

Naprawy
Często można spotkać się z opinią, że nadwozie aluminiowe to cecha samochodu, której należy unikać. Powodem mają być horrendalnie wysokie ceny części, skomplikowana budowa i możliwość naprawy blacharskiej jedynie w Autoryzowanych Stacji Obsługi. Czy to wszystko prawda?

Rzeczywiście, części wykonane ze stopów lekkich są drogie, często wyraźnie droższe od stalowych. Prawdą jest też, że warsztat musi mieć pojęcie o naprawach elementów ze stopów lekkich i nie każdy blacharz będzie w stanie podjąć się naprawy. Ale liczba warsztatów specjalizujących się w „lekkich” samochodach stale rośnie i nie jest prawdą, że jesteśmy skazani jedynie na usługi ASO.

Stłuczka, słupek parkingowy, czy nawet wózek sklepowy – do uszkodzenia karoserii może dojść bardzo łatwo. Problem z aluminium jest taki, że nie posiada ono pamięci kształtu, więc „wypchnięcie” wgniecenia nie jest możliwe. Wyklepanie też nie jest proste, częstszą metodą jest wyciąganie za pomocą serii przylutowanych uchwytów. Trzeba do tego dużej wprawy, gdyż aluminium ma tendencję do rozrywania się, a to często kwalifikuje dany element do wymiany.

Znacznie większym problemem jest naprawa uszkodzonej struktury nadwozia. Metoda będzie zależeć przede wszystkim od zaleceń producenta. To ważne w przypadku samochodów, w których tylko część elementów wykonanych jest ze stopów lekkich. Podczas naprawy trzeba wziąć kilka czynników pod uwagę, sposób wykonania (odlew, kształtowana blacha), czy właściwy sposób połączeń (np. spawanie, nitowanie, nito-klejenie, klejenie).

W przypadku samochodów, których konstrukcja w dużej mierze opiera się na stopach lekkich, duże uszkodzenia struktury mogą być niemożliwe do usunięcia. Trzeba się liczyć z tym, że zalecana metoda naprawy może oznaczać konieczność... wymiany kompletnego nadwozia.

Błędy w sztuce
Przy przygotowywaniu elementów aluminiowych do malowania ważne jest, by powierzchnia nie miała styczności z wodą. Narzędzia używane do napraw, choć nie różnią się od tych do napraw blach stalowych, nie powinny być używane zamiennie z powodu ryzyka zanieczyszczenia aluminium drobinkami żelaza. Zaniedbania w tym zakresie będą prowadzić do korozji stopu, co objawi się pod postacią purchli wyglądających niemal identycznie, jak rdza na stali wychodząca pod lakierem. Tego typu korozja elementów ze stopów lekkich pojawia się w zasadzie tylko po nieprawidłowo przeprowadzonej naprawie.

Nie taki diabeł straszny...

Jak widać stopy lekkie nie przeszkadzają w normalnej eksploatacji samochodu. Wręcz przeciwnie, pozwalają zmniejszyć masę, co korzystnie wpływa na zużycia paliwa i osiągi. Nie powinniśmy się też martwić o korozję, gdyż fabrycznie zabezpieczone aluminium powinno być równie bezproblemowe, co dobrze ocynkowana stal. Kłopoty mogą się pojawić, gdy przytrafi nam się poważna kolizja, zwłaszcza w przypadku samochodów, których główne elementy konstrukcji nośnej wykonano ze stopów lekkich.

Pocieszeniem dla kierowców poszukujących samochodu pod kątem kosztów napraw blacharskich może być fakt, że zdecydowana większość samochodów popularnych nadal wykorzystuje w konstrukcji stal o różnych stopniach twardości, a aluminium póki co jest w nich rzadkością.

Nie tylko aluminium
We współczesnych konstrukcjach samochodowych coraz częściej znajdziemy materiały inne niż stal i aluminium. Oprócz nich można spotkać części wykonane ze stopów magnezu, czy włókna węglowego wzmacnianego plastikiem (CFRP). Nie inaczej jest z poszyciem nadwozia, które przykładowo może być częściowo wykonane z włókna węglowego (np. elementy BMW M3, M4), czy z tworzyw sztucznych. Ten ostatni materiał jest już tak powszechny, że np. plastikowe błotniki nie są dziś niczym szczególnym (np. rożne modele Renault, Peugeot, Nissan). To zjawisko będzie mieć tendencję wzrostową w najbliższych latach, choć drogie materiały nie prędko zagoszczą w samochodach popularnych.

Przykłady starszych samochodów o konstrukcji i poszyciu nadwozia w większości wykonanej ze stopów lekkich:
Audi: A2 (1999-2005), A8 (1994-2002, 2003-2010)
Jaguar: XJ (2002-2007)

Przykłady starszych samochodów z elementami nadwozia ze stopów lekkich:
Audi: A6 (2004-2011)
BMW Seria 5 (2003-2010)

Przykłady starszych samochodów o poszyciu nadwozia w większości wykonanym ze stopów lekkich:
Land Rover: Seria I/II/III (1948-1985), Discovery (1989-1997)

Przykłady nowych samochodów o konstrukcji i poszyciu nadwozia w większości wykonanej ze stopów lekkich:
Audi: A8, TT (od 2014)
Jaguar: XE (od 2015), XF (od 2015), XJ (od 2010)
Land Rover: Range Rover (od 2012), Range Rover Sport (od 2013)
Mercedes: SL (od 2012), AMG-GT (od 2014)

Przykłady nowych samochodów z elementami ze stopów lekkich w konstrukcji:
Audi: A6 (od 2011), Q7 (od 2015)
BMW: Seria 5 (od 2011)
Mercedes: C Klasa (2014), E Klasa (od 2009), S Klasa (od 2013), GLK (od 2008)
Porsche: 911 (od 2012), Cayman (od 2012), Panamera (od 2010), Cayenne (od 2010)
Volvo: XC90 (od 2015)

Przykłady nowych samochodów o poszyciu nadwozia w większości wykonanym ze stopów lekkich:
Audi: A6 (od 2011)
BMW: Seria 5 (od 2011)
Ford: F150 (od 2014)
Land Rover: Defender (od 1983)

Przykłady samochodów z elementami poszycia z tworzyw sztucznych:
BMW: Seria 3 (2005-2013)
Nissan: X-Trail (2000-2007)
Peugeot: 307 (2001-2008), 308 (2008-2013)
Renault: Clio (1998-2005), Megane (2008-2016)

Przykłady samochodów z elementami poszycia z włókna węglowego:
BMW: M3, M4 (od 2014)

Przykłady nowych samochodów z elementami z magnezu w konstrukcji:
Porsche: 911 (od 2012)

Przykłady samochodów o konstrukcji z włókna węglowego wzmacnianego plastikiem:
BMW: i3 (od 2013), i8 (od 2014)