Nie wystarczy obciąć…

, 7 lipca 2008, 0:00

Kabriolet, roadster, spider, czyli samochody bez dachu. Jak czegoś nie ma, to nie sprawia kłopotu? Niezupełnie. Nadwozia otwarte to konstrukcje bardziej skomplikowane niż zamknięte.

Pierwszą część problemu przedstawiliśmy w poprzednim numerze ATM – konstrukcja składanego dachu jest skomplikowana, a gdy ma to być dach sztywny, potrzeba do tego naprawdę dużej wiedzy specjalistycznej. Pozostaje jeszcze kwestia samego nadwozia. I tu problemy są większe, niż można by przypuszczać. Popularne przed drugą wojną światową nadwozia otwarte ustąpiły miejsca zamkniętym wraz z odejściem od konstrukcji ramowych na rzecz samonośnych.

Fot. 1

Kiedyś wszystko było proste, żadnych pałąków, wiatrochronów ani poduszek gazowych…(Volkswagen 1303 LS „Garbus” sprzed 1980 r.)

Płat dachu pełni bowiem istotną funkcję w zapewnieniu wymaganej sztywności struktury nośnej. Z punktu widzenia mechaniki kadłuba mogą istnieć nadwozia pozornie zamknięte, o formie zewnętrznej sedana, hatchbacka czy limuzyny, ale strukturalnie otwarte. Przykładem takiego rozwiązania był słynny Citroën DS/ID z przykręcanym płatem dachu wykonanym z tworzywa sztucznego. Obecnie kontynuację tej koncepcji stanowią wielkopowierzchniowe dachy szklane, o sztywności mniejszej niż metalowe. Zyskujące ostatnio na znaczeniu samochody typu coupé-cabrio, choć na pierwszy rzut oka po zamknięciu dachu nie różnią się od typowych coupé, w świetle zasad wytrzymałości mają oczywiście kadłuby otwarte.

Wytrzymałość

W produkowanych w niewielkich liczbach samochodach o charakterze sportowym bywają stosowane ramy przestrzenne, platformowe i kratownicowe, wykonane ze stali lub stopów lekkich, często współpracujące z nieprzenoszącymi obciążeń (lub przenoszącymi je tylko w małym stopniu) elementami poszycia z aluminium lub tworzywa sztucznego.

Fot. 2

Spawana z rur kratownicowa rama przestrzenna tworząca ustrój lekki, a zarazem wystarczająco sztywny, także w wypadku nadwozia otwartego. Unoszone drzwi typu “gullwing” były tu wymuszone właśnie przez budowę kratownicy. (Mercedes-Benz SL z lat 50. XX w)

Pojazdy takie są z reguły budowane od podstaw i przeważnie występują także w wersjach otwartych. Ze względu na specyfikę konstrukcji nie ustępują one sztywnością struktury odmianom zamkniętym. Podobnie jest w wypadku otwartych nadwozi samonośnych (głównie typu roadster) niemających swych zamkniętych analogów. To jednak wyjątki. Podstawowym problemem w wypadku typowego, wielkoseryjnego samonośnego nadwozia otwartego pozostaje spadek sztywności skrętnej w porównaniu z jego zamkniętym odpowiednikiem (jak wiadomo z doświadczenia, tekturowe pudełko bez pokrywki jest bardziej wiotkie niż pudełko z pokrywką). Oznacza to nie tylko mniejszą wytrzymałość i większą odkształcalność, ale też i niższą trwałość, większą podatność na korozję, obniżenie komfortu podróżowania (hałas i drgania odczuwalne np. podczas pokonywania poprzecznych nierówności drogi) oraz gorsze własności jezdne. Aby temu zapobiec, w strukturze nośnej wprowadza się niezbędne modyfikacje (w wypadku konstrukcji pochodnej) lub uwzględnia ten fakt już na wczesnym etapie projektowania (w wypadku konstrukcji odrębnej).

Fot. 3

W tej przestrzennej ramie nośnej zastosowano lekkie elementy ze stopów aluminium i magnezu, jako materiał poszycia wykorzystano tworzywa sztuczne (Chevrolet Corvette)

Wzmocnieniu podlega przede wszystkim najważniejsza i najdroższa z wytłoczek – płyta podłogowa. Zostaje ona zwykle uzupełniona o dodatkowe podłużnice i poprzeczki lub wyposażona w dosztywniające zastrzały. Przekonstruowania wymagają belki progów, czasem także tunel centralny. Elementy usztywniające kadłub pojawiają się również w przegrodzie tylnej, w miejscu uskoku wysokości podłogi.

Fot. 4

To współczesna ramowa konstrukcja nośna w postaci ramy platformowej z hydroformowanych profili stalowych; panele poszycia z tworzywa sztucznego (Cadillac XLR z dwumiejscowym nadwoziem otwartym)

Przegroda ta traci zwykle wykrój, co uniemożliwia powiększanie pojemności bagażnika po złożeniu tylnego siedzenia (jeśli występuje); przeważnie do dyspozycji użytkownika pozostaje tylko otwór o niewielkim przekroju, ułatwiający przewóz długich przedmiotów (np. nart) w tzw. rękawie. Za siedzeniami należy wygospodarować miejsce na składany miękki dach, a w wypadku nadwozia typu coupé-cabrio odpowiednio zmodyfikować przestrzeń użytkową, by pomieścić kilkuczęściowy dach sztywny (patrz ATM 5/2008)

Fot. 5

Rozwiązanie typowe dla produkcji jednostkowej – w roli struktury nośnej kratownica spawana z rur i profili stalowych (roadster Leopard 6.0)

Przegroda przednia może przybierać postać odpornego na obciążenia skręcające przestrzennego kesonu. W konsekwencji tych zabiegów samochody pozbawione stałego dachu nie są lżejsze, ale z reguły cięższe od tych z zamkniętymi nadwoziami, mają gorsze osiągi i są mniej funkcjonalne. Nawet kabriolety z dwoma rzędami siedzeń mieszczą przeważnie co najwyżej cztery osoby – szerokość użyteczną kanapy tylnej skutecznie ogranicza mechanizm składania i rozkładania dachu oraz jego wnęka, uszczuplająca również pojemność bagażnika.

Bezpieczeństwo

W tym zakresie główną trudność stwarza zapewnienie podróżującym, w przypadku wywrócenia samochodu, niezbędnej przestrzeni przeżycia (według danych koncernu Daimler AG 27% wypadków z udziałem kabrioletów i roadsterów to właśnie dachowanie).

Fot. 6

Najwyższy stopień wtajemniczenia, czyli technologia rodem z torów Formuły 1 – bardzo sztywny i wytrzymały kokpit (tzw. monocoque) z kompozytowego tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem węglowym, wypie-kany w autoklawie, oraz tworzące strefy zgniotu energochłonne segmenty przedni i tylny, ze stali stopowej najwyższej jakości H400 (Porsche Carrera GT)

Za jej przednią część odpowiedzialna jest ramownica przedniej szyby. Zostaje ona odpowiednio wzmocniona, poprzez wprowadzenie do wnętrza słupków A (przednich) i górnej oraz ewentualnie dolnej belki poprzecznej dodatkowych profili lub rur o przekroju kołowym albo owalnym i średnicy ok. 20–25 mm.

Fot. 7

Rurowe wzmocnienie słupka A w nadwoziu otwartym pochodzące od zamkniętego (Audi A3 Cabrio)

Krytyczny jest przy tym obszar na wysokości tablicy przyrządów. Tam podczas wywrotki występują najwyższe wartości momentów gnących. W tym miejscu wprowadza się więc niejednokrotnie usztywniające żebra łączące słupki z przegrodą czołową. Pozostałe punkty oparcia po wywrotce daje jeden pałąk ochronny (tzw. przeciwkapotażowy), w postaci wręgi o przekroju zamkniętym łączącej specjalnie wzmocnione słupki B (środkowe). Alternatywą są tu stosowane głównie, choć nie tylko, w dwuosobowych roadsterach – dwa indywidualne pałąki w kształcie odwróconej litery „U”, w postaci osobnych elementów albo – rzadziej – zintegrowane z tylnymi zagłówkami, a wykonane zazwyczaj z rurze stali o wysokiej wytrzymałości.

Fot. 8 i 9

Elementy systemu zapewnienia podróżującym bezpieczeństwa w razie dachowania ROPS (Volvo C70). Składają się na nie wysuwane pałąki przeciwkapotażowe, sterownik systemu ROPS, napinacze pasów bezpieczeństwa, sterownik poduszek gazowych i napinaczy pasów, a także słupki A wzmocnione wstawką ze stali borowej.

W kabriolecie problemem jest wytrzymałość nadwozia i strefa zgniotu przy uderzeniu bocznym i z tyłu. Volvo stosuje rozbudowaną belkę poprzeczną za fotelami, usztywnienia na wysokości foteli, oraz szczególną konstrukcję drzwi przenoszącą obciążenia. Kolejnym problemem jest mocowanie pasów bezpieczeństwa oraz umiejscowienie bocznych poduszek.

Pałąki te mogą być również stałe albo – by nie szpecić sylwetki samochodu – samoczynnie wysuwane w czasie rzędu 0,15–0,35 s za pomocą wstępnie napiętych sprężyn. Zwalnia je elektromagnes, po rozpoznaniu takiej konieczności przez czujnik przechyłu nadwozia i/lub przyspieszeń wzdłużnych i poprzecznych (wartości progowe to np. odpowiednio ok. 30–50 stopni i 5 g). System wyzwalający wykrywa też odciążenie jednej z osi, a następnie przekazuje stosowną informację do sterownika elektronicznego, często wspólnego z urządzeniem sterującym wyzwalaniem poduszek gazowych. Następnie pałąki zostają w sposób pewny zablokowane w położeniu roboczym, czemu towarzyszy z reguły zwolnienie zamka centralnego drzwi. Obecnie układ taki wchodzi coraz częściej w skład zintegrowanego pokładowego systemu bezpieczeństwa, a czujniki wykrywające niebezpieczeństwo wywrotki zaczynają pojawiać się także w pojazdach o nadwoziach zamkniętych i wysoko położonym środku masy (np. w SUV-ach). W nowoczesnych kabrioletach pojawiają się też specjalne konstrukcje, zwiększające wytrzymałość samochodu podczas uderzenia z boku. W tym przypadku również problemem jest brak górnego oparcia dla drzwi, zatem muszą one być wyjątkowo dobrze połączone z konstrukcją nadwozia w obszarze słupka B oraz oferować efektywną strefę pochłaniającą energię uderzenia.

Fot. 10

Obniżony wobec braku pełnowymiarowych słupków środkowych górny punkt kotwiczenia przedniego pasa bezpieczeństwa, zapinanego za pomocą wysuwanego wysięgnika (Mercedes- Benz CLK)

Jeśli w otwartym pojeździe słupki środkowe są pozbawione swych górnych części, pojawia się także problem umiejscowienia punktów kotwiczenia pasów bezpieczeństwa. Mogą one być wówczas zintegrowane ze szkieletem fotela lub usytuowane na podajnikach wysuwanych ze ścian bocznych nadwozia. W kabrioletach i roadsterach pozbawionych belek nadokiennych nie spotyka się bocznych kurtyn powietrznych (a właściwie gazowych). Przejmujące częściowo ich rolę poduszki ograniczające obrażenia głowy bywają umieszczane w drzwiach, zaś poduszki boczne chroniące klatkę piersiową – w oparciach foteli przednich.

Fot. 11

Specjalnej konstrukcji fotel przedni z aktywnym zagłówkiem, poduszką boczną w oparciu i zintegrowanym pasem bezpieczeństwa (Saab)

Aerodynamika

Pod względem doskonałości aerodynamicznej samochody z otwartym nadwoziem ustępują pojazdom ze stałym dachem. Wyjątkiem są rozwiązania typu coupé-cabrio, ale tylko podczas jazdy z dachem zamkniętym. Jego otwarcie, niezależnie od konstrukcji (miękki/sztywny), powoduje powstawanie zawirowań powietrza w obszarze za głowami kierowcy i pasażera.

Fot. 12

W VW EOS zastosowano na górnej krawędzi ramy przedniej szyby małą wysuwaną owiewkę, która kieruje strugę powietrza w ten sposób, że – gdy podniesione są szyby boczne – zawirowania praktycznie nie trafiają do kabiny ze zdjętym dachem

Ten niekorzystny efekt, któremu towarzyszy także wzrost hałasu, można doraźnie ograniczyć, pozostawiając podniesione boczne szyby w drzwiach lub/i stosując specjalną ażurową osłonę (z niem. tzw. windschott), mocowaną pionowo za oparciami przednich siedzeń. Inżynierowie Saaba twierdzą, że przy szybkości 100 km/h wiatrochron taki redukuje o 75% odczuwalną prędkość przepływu powrotnego. Dobre rezultaty daje też deflektor (kierownica aerodynamiczna) instalowany na górnej belce poprzecznej ramownicy przedniej szyby, a więc w strefie występowania podciśnienia i odrywania się strugi powietrza opływającego pojazd. Praktyka pokazuje ponadto, że pozytywny wpływ na własności aerodynamiczne może mieć właściwie ukształtowany stały pałąk ochronny oraz (spotykane w samochodach o charakterze sportowym) sztywne, celowo wyprofilowane osłony na tylnej pokrywie. Z zasady współczynnik czołowego oporu powietrza cx jest o około 25% wyższy podczas jazdy z otwartym dachem. Po rozłożeniu dachu sztywnego (hardtop, coupé- -cabrio) warunki opływu są porównywalne jak w przypadku nadwozi zamkniętych; jednak falujący dach miękki nadal, choć w mniejszym stopniu, zaburza przepływ. Pogarsza to dodatkowo dynamikę samochodu, dlatego wersje otwarte, i tak o większej masie, mają dłuższe czasy rozpędzania i niższą prędkość maksymalną.

Komfort

Podczas jazdy z otwartym dachem w kabinie odczuwalne jest wychłodzenie będące konsekwencją występujących wówczas przeciągów. Toteż ogrzewanie wnętrza odgrywa ważną rolę nie tylko zimą, przy eksploatacji samochodu z zamkniętym dachem. Oryginalnym rozwiązaniem w tym zakresie jest nadmuch ciepłego powietrza kierowany w okolice głów kierowcy i pasażera przez wentylatory zabudowane w zagłówkach ich foteli (system Airscarf Mercedesa), niwelujący skutki tego niekorzystnego zjawiska.

Fot. 13 i 14

Schemat działania osłony aerodynamicznej, umieszczonej za przednimi fotelami. Okazuje się, że ten element może być ażurowy, a jednak wydatnie ogranicza zawirowania powietrza przy głowach pasażerów

Starannego dopracowania wymaga akustyka, zarówno z punktu widzenia wygłuszenia i wytłumienia niepożądanych dźwięków, generowanych np. przez trzepoczący na wietrze miękki dach, lub przedostających się z komory silnikowej, jak i pod kątem możliwości korzystania z zainstalowanego systemu audio. W tym przypadku pojawiają się dodatkowe problemy – rozbudowany system audio wymaga użycia wielu głośników, w tym niskotonowych, o dużej objętości. Tymczasem jest dużą sztuką znalezienie na nie miejsca, szczególnie wobec faktu, że znaczna część przestrzeni za fotelami użyta jest do magazynowania składanego dachu. Podsumowując, kabriolety pod każdym prawie względem, jeżeli mają utrzymać współczesne standardy bezpieczeństwa, komfortu i ekonomii, są bardziej skomplikowane konstrukcyjnie od samochodów zamkniętych. Nie dziwmy się zatem, że ich parametry są zwykle gorsze, a ceny wyższe od porównywalnych modeli ze stałym dachem.

Tekst: Jacek Łęgiewicz
Artykuł ukazał sie w nr 6 miesięcznika "AutoTechnikaMotoryzacyjna"

Komentarze

Komentarz musi być dłuższy niż 5 znaków!

Proszę zaakceptuj regulamin!

Brak komentarzy!