ZESZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: TR A N SPO R T z. 43
2001 N r kol. 1529
Jan ŁU KO W SK I M arcin S TA Ń C ZY K K rzysztof SZA R O W ICZ
ZASTOSOWANIE PROFILI ZIMNOGIĘTYCH W NOWOCZESNYCH KONSTRUKCJACH POJAZDÓW
Streszczenie. W opracow aniu przedstaw iono głów ne zagadnienia dotyczące now ocze
snych technologii produkcji stalow ych kształtow ników giętych na zim no. A rtykuł obejm uje również tem atykę zw iązaną z zastosow aniem pow yższych elem entów w now oczesnych kon
strukcjach pojazdów , ja k rów nież przykłady rozw iązań podstaw ow ych problem ów konstruk
cyjnych.
A PPLICATIO NS OF RO LL FO RM ED SFIAPES IN M ODERN CO NSTRUCTION S OF CARS
Sum m ary. The paper presents a principal topic in the area o f cold roll form ing. The paper also introduces a question connected w ith its application in m odem fram ew ork o f cars and the exam ples o f fundam ental answ ers to the structural problem s.
1. W STĘP
Przem ysł sam ochodow y w raz z technologią inform atyczną charakteryzuje się najw yższą dynam iką rozw oju. Ż adna inna gałąź przem ysłu nie rozw ija się tak prężnie, ja k rów nież żadna inna produkcja w tak istotny sposób nie w pływ a na rozwój gałęzi kooperujących.
Podstaw ow ym tw orzyw em konstrukcyjnym w budow ie pojazdów i w szelkiego rodzaju konstrukcji pochodnych je st stal. Pom im o dużych m ożliw ości i ogrom nych starań przy w prow adzaniu now ych m ateriałów : stopów alum inium oraz innych metali nieżelaznych, jak rów nież kom pozytów z tw orzyw sztucznych, w iększość konstruktorów i projektantów nadal traktuje stal ja k o m ateriał priorytetow y.
Jednym z w ażniejszych kryteriów w produkcji m asow ej, z k tó rą m am y do czynienia w dzisiejszych czasach, je st kryterium ekonom iczne. To w łaśnie ekonom ia pow oduje, że kon
struktor w ybiera taki a nie inny m ateriał spełniający odpow iednie w ym ogi bezpieczeństw a i w ytrzym ałości.
Do w yrobów hutniczych, które znalazły szerokie zastosow anie w elem entach konstruk
cyjnych pojazdów zalicza się w szelkiego rodzaju kształtow niki gięte na zim no otw arte ja k i zam knięte.
30 J. Łukow ski, M. Stańczyk i in.
2. P O D ST A W O W E T Y PY I R O D ZA JE K SZ T A Ł T O W N IK Ó W
Pod w zględem produkcji profili giętych na zim no należy zw rócić uw agę na dw a typy kształtow ników , a m ianow icie kształtow niki o przekroju otw artym i zam kniętym . Przy czym w śród profili zam kniętych rozróżnia się produkty, których przekrój „zam ykany” je st poprzez zaginanie końców bądź ich zgrzewanie. Obecnie praw ie w yłącznie stosuje się technologię zgrzewania.
N ależy rów nież w spom nieć o czterech głów nych grupach kształtow ników . Podstaw ow ą grupę stanow ią elem enty standardow e typu: kątow niki, ceow niki, zetow niki itd., których pa
ram etry geom etryczne przekrojów są ściśle określone wg norm (rys. 1 i rys.2). Produkty tego typu s ą ogólnie stosow ane w różnego rodzaju konstrukcjach. Z aletą tych produktów jest ogólna dostępność na rynku oraz łatw ość unifikacji konstrukcji. Isto tn ą zaletą je st także uproszczenie m ontażu i serw isu gotow ych zespołów konstrukcyjnych.
Rys. 2. Standardowe kształtowniki gięte na zim no o przekroju zam kniętym [1]
Fig. 2. Standard roli formed shapes o f the close cross - section [1]
D ru g ą grupę stan o w ią kształtow niki specjalne, charakteryzujące się dow olnym , niejedno
krotnie bardzo skom plikow anym ukształtow aniem przekroju poprzecznego (rys. 3). Profile specjalne w ykonyw ane są najczęściej na indyw idualne zam ów ienie i są stosow ane do ściśle określonego ty p u konstrukcji. N iejednokrotnie zdarza się, iż dany kształtow nik je st opatento
wany lub produkcja je s t zastrzeżona w yłącznie dla w ybranego producenta. W w ielu przypad
kach zastosow anie w danej konstrukcji podstaw ow ych kształtow ników o znorm alizow anych kształtach i przekrojach je st utrudnione. Składanie i łączenie ze so b ą norm alizow anych profili przyczynia się do w zrostu kosztów oraz masy konstrukcji. W tego typu przypadkach korzysta się z szerokiej gam y produktów specjalnych.
c
Rys. 1. Standardowe kształtowniki gięte na zim no o przekroju otwartym [1]
Fig. 1. Standard roli formed shapes o f the open cross - section [1]
Z a s to s o w a n ie p r o fili. 31
Rys. 3. Kształtowniki specjalne [2]
Fig. 3. Special roli formed shapes [2]
K ształtow niki o zm iennym przekroju poprzecznym stanow ię trzecią grupę produktów . Zm iana grubości ścianek w tym w ypadku je st w ynikiem połączenia dw óch technologii: w al
cow ania na gorąco i gięcia na zim no taśm stalow ych. Efektem tego typu procesu je s t kształ
tow nik popularnie określany m ianem „ekonom icznego”, posiadający m n iejszą m asę (od 7 do
1 0 % ) p rzypadającą na m etr długości w stosunku do produktów standardow ych oraz nieco w yższe param etry jakościow e [3]. Pom im o cieńszych ścianek kształtow niki te nie trac ą sw o
ich w łasności w ytrzym ałościow ych. W ręcz przeciw nie, elem enty te poprzez odpow iednie ukształtow anie zm iennego przekroju taśm y charakteryzują się lepszym i w łasnościam i w y
trzym ałościow ym i od standardow ych kształtow ników z tego sam ego typoszeregu. Poniżej przedstaw iona została przykładow a charakterystyka porów naw cza dla ceow nika standardo
wego oraz specjalnego o zm iennym przekroju poprzecznym (tabl. 1 i rys. 4).
T a b lic a 1 [3]
P aram etr Ceow nik standardow y Ceownik o zmiennym
przekroju h = 200 h = 200
b = 80 t = 6 R = 9 R, = 15
h, = 140
Wymiary gabarytowe kształtownika [mm]
h2 = 14,5 b = 80
t = 4 t, = 6,5
R = 9 Ri = 15,5
Pole przekroju [cm ] 20,26 18,37
Masa [kg/m] 15,9 14,42
M om enty bezwładności [cm 4] Ix = 1170 Iv = 119
Ix = 1202 Iv = 119 W skaźniki w ytrzym ałości [cm 3] W x = 117
W v = 20,1
W x = 120,2 W v = 21,12
Promienie bezwładności [cm] ix = 7,61
iv = 2,43
ix = 8,04 iv = 2,54
3 2 J. Łukow ski, M. Stańczyk i in.
n
,
3 c
. I
3
Rys. 4. Szkic porów naw czy ceow nika standardowego i specjalnego o zm iennym przekroju poprzecz
nym [3]
Fig. 4. Comparative sketch o f standard and special channel iron o f variable cross - section [3]
O statnią grupę stanow ią kształtow niki perforow ane (rys.5). Perforacja m oże być w ykona
na ja k o szereg w ytłoczeń bez usuw ania m ateriału bądź z usuw aniem m ateriału. Tego typu kształtow niki obecnie zn ajdują coraz szersze zastosow anie ze w zględu na m ożliw ości uzy
skiw ania różnego rodzaju złożeń bez konieczności zw iększania zabiegów na linii produkcyj
nej lub m ontażow ej. W ykonanie otw orów lub odpow iednich w ytłoczeń na długości kształ
tow nika zw iększa uniw ersalność om aw ianych elem entów pod w zględem zastosow ania. N aj
częściej spotka się perforację w postaci okrągłych bądź też podłużnych otw orów , których rozm iar, usytuow anie i tolerancja w ykonania są ściśle określone w edług norm . Otwory w w iększości przypadków s ą w ykorzystyw ane do połączeń śrubow ych lub nitow anych w złoże
niach konstrukcyjnych. C zęsto m ożna spotkać także perforacje o skom plikow anym i prze
strzennie uform ow anym kształcie, służące jako belki pom ostowe, w sporniki wielopoziom ow e itp.
Rys. 5. Przykłady kształtow n ik ów perforowanych [3]
Fig. 5. Exam ples o f perforated roll formed shapes [3]
Z a s to s o w a n ie p r o f ili. 33
3. P R A K T Y C Z N E W Y K O R Z Y S T A N IE K SZ T A Ł T O W N IK Ó W W K O N S T R U K C JA C H PO JA Z D Ó W
W projektow aniu i konstruow aniu uporządkow anie w ym agań, konieczność ich przeanali
zow ania i konieczność dokonania w łaściw ego w yboru stanow ią istotny elem ent skuteczności działania tw órczego. W ostatnich latach w konstrukcji pojazdów położono szczególny nacisk na oszczędność m ateriałów użytych do w ytw arzania sam ochodu, oszczędność paliw a po
trzebnego do napędu sam ochodu, niezaw odność je g o działania oraz trw ałość i bezpieczeń
stwo [4],
K ształtow niki gięte na zim no znalazły głów nie zastosow anie w ram ow ych konstrukcjach nośnych będących nieodzow nym elem entem konstrukcyjnym sam ochodów : dostaw czych, ciężarow ych itp. T a grupa złożeń je st najbardziej reprezentatyw na pod w zględem w szech
stronności w ykorzystania om aw ianych elem entów . G łów ne elem enty ram , czyli podłużnice i poprzeczki w ykonyw ane są najczęściej ja k o złożenia z różnych profili, tw orząc w ten sposób odpow iednio szty w n ą i w ytrzym ałą konstrukcję (rys.6).
A-A* A-A B-B Ć-C
Rys. 6. Przekroje podłużnie ramy samochodu dostawczego VOLKSWAGEN LT [5]
Fig. 6. Cross - section o f longitudinal members o f frame o f delivery van VOLKSWAGEN LT [5]
W w iększości konstrukcji szkieletow ych autobusów w ykorzystuje się szeroką gamę kształtow ników specjalnych w ykonyw anych przez w yspecjalizow ane firm y kooperujące, w yłącznie do danego m odelu pojazdu. K ształtowniki specjalne m ają tę zaletę, że oprócz od
pow iedniej w ytrzym ałości w zależności od przekroju i m ateriału m o g ą stanow ić estetyczną część poszycia w ew nętrznego lub zew nętrznego, np. w yprofilow aną ram ę okna lub słupków w zm acniających. R ysunek 7 ukazuje przestrzenną strukturę górnej części autobusu wraz z przekrojam i poszczególnych profili.
34 J. Łukow ski, M. Stańczyk i in.
R ys. 7. Struktura autobusu wraz z przekrojami poszczególnych profili składow ych [6]
Fig. 7. Bus structure with cross - section o f the each com position o f roli formed shapes [6]
Ram a je st głów nym elem entem pojazdu stanow iącym bazę konstrukcyjną do m ocow ania poszczególnych podzespołów i elem entów pojazdu. W w iększości przypadków podzespoły są m ocow ane za pośrednictw em połączeń rozłącznych typu śrubowego. Aby ułatw ić m ontaż i technologię produkcji, stosuje się kształtow niki perforow ane, które bez dodatkow ych zabie
gów technologicznych pozw alają na znaczne zróżnicow anie konstrukcji pod w zględem po
trzeb nabyw cy. N a rys. 8 uw idoczniony je st sposób w ykorzystania perforow anych podłużnie stosow anych w ciągnikach siodłowych.
Rys. 8. Przykład wykorzystania perforacji kształtow ników podłużnie ramy [7]
Fig. 8. Exam ple o f application o f perforated roll formed shapes for the longitudinal m embers o f frame [V]
Zastosow anie profili. 35
W iększość konstrukcji ram ow ych charakteryzuje się dużą w ytrzym ałością na zginanie z jednoczesnym skręcaniem , co czyni je elem entam i w ysoce niezaw odnym i, zw łaszcza w cięż
kich w arunkach eksploatacyjnych, jakim i są m .in . place budów, kam ieniołom y itp. Sam ocho
dy ciężarow e pracujące w tak ekstrem alnych w arunkach niejednokrotnie przy zm iennych tem peraturach i m niej lub bardziej agresyw nym oddziaływ aniu środow iska m o g ą ulegać przeciążeniu. Jak każda konstrukcja tak i ramy posiadają sw oje słabe punkty, które m o g ą ulec aw arii. Z adaniem konstruktorów je st odpow iednie zabezpieczenie takich punktów . W iększość uszkodzeń w ystępuje głów nie w m iejscach łączenia profili składow ych ze sobą. W celu po
praw y tej sytuacji stosuje się dodatkow e elem enty łączące: nakładki, w sporniki itp. Jako w zm ocnienie sam ych podłużnie lub poprzeczek stosuje się częściow e zam knięcie profilu lub pogrubienie przekroju narażonego na przeciążenie elementu. Zm ianę w ym iarów przekroju m ożna uzyskać np. poprzez złożenie dw óch kształtow ników o odpow iednich w ym iarach (rys. 9).
Rys. 9. Schem aty w zm ocn ień podłużnie ceow ych [8]
Fig. 9. Schem es o f the U - iron longitudinal frame [8]
O prócz konstrukcji nośnych pojazdów , w których w ykorzystuje się kształtow niki gięte, należy w spom nieć o szerokiej gam ie nadwozi specjalnych zabudow yw anych na pojazdach.
Sam ochody dostaw cze o nadw oziach adaptow anych z sam ochodów osobow ych po niew iel
kiej zm ianie struktury - to grupa pojazdów , która stosunkow o niedaw no pow stała na rynku.
N iew ielkie zm iany struktury nadw ozia s ą w ynikiem kom prom isu m iędzy dążeniem do zw ięk
szenia przestrzeni ładunkow ej a kosztam i uruchom ienia produkcji. N ajkorzystniejszym i po
jazdam i do takiej adaptacji są sam ochody o nadw oziach typu hatchback, kom bi i pick-up.
Pojazd tego rodzaju pow staje w w yniku usunięcia fragm entu struktury nadw ozia sam ochodu osobow ego, a następnie w prow adzenia now ych elem entów nośnych o innych w ym iarach i now ego poszycia zew nętrznego. N ow e elem enty w ykonane w postaci konstrukcji stalowej tw orzą szkielet, który je s t spawany i dokręcany do podstaw owej części nadw ozia. N ow e po
szycie zew nętrzne zw ykle je st jednym elem entem w ykonanym z lam inatu w zm ocnionego w łóknem szklanym , które je st m ocow ane do głównej części nadw ozia poprzez klejenie, nito
w anie lub przykręcanie.
O prócz lekkiej zabudow y stosowanej do pojazdów osobow ych i dostaw czych kształtow niki gięte na zim no znalazły zastosow anie głów nie w konstrukcjach specjalnych nadwozi m ontow anych na pojazdach ciężarow ych, przyczepach i naczepach. K onstrukcje tego typu nadwozi m ożna podzielić na proste sam odzielne pojem niki, skrzynie ładunkow e (rys. 1 0) oraz skom plikow ane zestaw y sam ow yładow cze.
36 J. Łukow ski, M. Stańczyk i in.
Rys. 10. Przykład zastosowania giętych na zimno kształtowników specjalnych do konstrukcji burt skrzyń ładunkowych [2]
Fig. 10. Example o f application of special roll formed shapes in constructions o f the load - carrying body [2]
4. PO D SU M O W A N IE
Stalow e kształtow niki gięte na zim no w now oczesnych rozw iązaniach stanow ią nie
odzow ną bazę m ateriałow ą dla wszelkiego rodzaju konstrukcji w ykorzystyw anych w budo
w ie pojazdów. E lem enty te ja k o produkty w w iększości znorm alizow ane są najczęściej sto
sowane. W szelkiego rodzaju aw arie i uszkodzenia nie nastręczają w ielu problem ów zw iąza
nych z w y m ia n ą lub naprawą. W obecnej sytuacji rynkowej zunifikow ane produkty hutnicze poszerzają m ożliw ości konstruktorów stojących przed w yborem optym alnych kryteriów do
boru m ateriału i elem entów konstrukcyjnych. K ształtowniki gięte są produktam i, które m ają dom inujący w pływ na opłacalność produkcji pojazdów , czyli na obniżenie kosztów , a co się z tym w iąże na ostateczną cenę gotow ego wyrobu.
Literatura
1. Bogucki W ., Ż yburtow icz M.: Tablice do projektow ania konstrukcji m etalow ych. Porad
nik A R K A D Y , W arszaw a 1996.
2. K ształtow niki specjalne ze Schw erte Profile - technika w ykonania. K atalog handlowy firm y H oesch H ohenlim burg AG.
3. Praca zbiorow a pod redakcją Triszew skiego I. S.: W ytwarzanie profili giętych. M oskw a 1982.
4. Praca zbiorow a pod redakcją Jaśkiew icza Z.: Poradnik inżyniera sam ochodow ego - ele
m enty i m ateriały. W KL, W arszaw a 1990.
37 J. Łukow ski, M. Stańczyk, i in.
5. D okum entacja techniczna firm y V O LK SW A G EN - schem at LT 28/31/35E.
6. D okum entacja techniczna firm y K M T Profile.
7. M ajak M.: Z w iększym sercem . „A uto Transport” n r 6/2000, s. 1 0 - 1 1 .
8. W iduch A., W elzel A ., M usioł J., Szczeszek B., H ołota H., Loranty M.: K ształtowniki stalow e gięte - poradnik. W ydaw nictw o „Śląsk” , K atow ice 1983.
9. Z ieliński A.: K onstrukcja nadw ozi sam ochodów osobow ych i pochodnych. W KŁ, W ar
szaw a 1998.
Recenzent: D r hab. inż. M arek Sitarz, Prof. Pol. Śl.
A bstract
The follow ing conclusions can be drawn:
• roll form ed shapes constitute base material for all kinds o f car fram ew ork,
• roll form ed shapes are standardized,
• roll form ed shapes are alternative for constructors,
• roll form ed shapes reduce production costs.
