Wybitne nadwozie może ułatwić sprzedaż samochodu o zupełnie przeciętnych parametrach technicznych lub odwrotnie: zmarginalizować sprzedaż pojazdu, który poza nieudanym nadwoziem ma zupełnie przyzwoite właściwości eksploatacyjne. Za przykład możemy wziąć Fiata Multiplę – samochód, który miał unikalną cechę w postaci przedniego rzędu foteli dla trzech osób, dzięki czemu był interesującą propozycją dla większych rodzin.

Mimo tego w 1998 roku Multipla została uznana przez amerykański tygodnik „Time” za jeden z 50 najgorszych samochodów wszech czasów. Zawinił wyłącznie wygląd nadwozia. Samochód przeszedł lifting, ale miano „paskudy” przylgnęło do niego bardzo mocno.

Materiały

Na początku XX wieku, czyli w czasach pionierskich dla motoryzacji, do budowy aut wykorzystywano mniej więcej te same materiały, które wcześniej stosowano w pojazdach konnych. Elementy samochodów wykonywano z żelaza i stali, ale też z drewna, skóry, tkanin i gumy. Z drewna zrezygnowano stosunkowo szybko – po przeniesieniu produkcji z manufaktur na linie montażowe.

Dziś drewno służy przede wszystkim do produkcji elementów ozdobnych do samochodów luksusowych. Jest jednak co najmniej jeden wyjątek od tej reguły. Brytyjski Morgan Motor Company wciąż używa do produkcji nadwozi drewna jesionowego. Przy rocznej produkcji rzędu 800 pojazdów nie wpływa to zasadniczo na ocenę całego przemysłu, ale fakt pozostaje faktem: drewniane nadwozia wciąż powstają.

Najbardziej popularnym materiałem na nadwozia są blachy stalowe. Wykonuje się z nich zarówno elementy konstrukcyjne (odpowiedzialne za sztywność i wytrzymałość nadwozia oraz przenoszenie sił), jak i fragmenty poszycia. O tym, jak wielkie znaczenie ma dobór odpowiedniej stali, możemy się przekonać na ulicach, obserwując newralgiczne miejsca pojazdów różnych marek pochodzących z podobnych roczników. Słuszność decyzji konstruktorów weryfikuje wszechobecny proces chemiczny: korozja.

Nie bez powodu jedne auta mają opinię „czasoodpornych”, podczas gdy inne słyną z podatności na korozję. Różnica bierze się z jakości wykorzystanej stali oraz sposobu jej zabezpieczenia. Standardowo stosuje się cynkowanie elektrochemiczne, ale proces ten może przebiegać w różnych warunkach. Warstwa ochronna najczęściej ma grubość od 7 do 10 µm. Im więcej cynku, tym lepiej, ale za zmniejszoną podatność na korozję trzeba zapłacić, i nie chodzi jedynie o koszt cynku użytego do zabezpieczenia. Blachy ocynkowane wymagają modyfikacji procesu tłoczenia; w konsekwencji staje się on droższy, bardziej wymagający i w niektórych przypadkach mniej wydajny niż tłoczenie niepowlekanych blach stalowych.

Radykalnym sposobem na wyeliminowanie korozji nadwozia było zastosowanie blachy ze stali nierdzewnej. Nadwozie wykonane w całości z tego materiału zastosowano w kultowym DeLorean DMC-12. Problem korozji rzeczywiście zniknął, ale w jego miejsce pojawiły się poważne kłopoty z tłoczeniem i łączeniem elementów. Każdy, kto próbował spawać stal nierdzewną, zrozumie, dlaczego pomysł nie przyjął się u innych producentów.

Dzisiejsze nadwozia wykonuje się z różnych gatunków stali (często łącząc w jednym nadwoziu elementy wykonane z kilku rodzajów tego materiału), aluminium oraz tworzyw sztucznych. Do drzwi fabryk pukają nowe materiały, jak kompozyty czy włókna karbonowe. Samochody z nadwoziami wykonanymi z karbonu także jeżdżą już po drogach, ale częściej można je spotkać na torach wyścigowych.

Dlaczego stal tak dobrze się trzyma, skoro nie od dzisiaj wiadomo, że aluminium jest mniej podatne na korozję i lżejsze, a kompozyty praktycznie eliminują proces korozji, a w dodatku można je kształtować w niemal dowolny sposób? Przyczyn jest kilka, ale najważniejszą pozostaje koszt produkcji. Blachy stalowe i wykonane z nich elementy można szybko i tanio łączyć przy pomocy spawania, zgrzewania, nitowania, klejenia, skręcania i wielu innych metod. Są one tanie i dostępne zarówno w zakładzie produkcyjnym, jak i w warsztatach.

Obsługa pojazdów z nadwoziem aluminiowym wymaga przygotowania osobnego stanowiska wyposażonego w komplet narzędzi oraz mechanika posiadającego unikalną wiedzę i doświadczenie. Poziom trudności wzrasta w przypadku kompozytów, chociaż przemysły lotniczy i morski dostarczają dowodów na to, że kompozyty można opanować zarówno na poziomie produkcji, jak i napraw.

Największym jak dotąd wyzwaniem są kompozyty na bazie włókien węglowych (carbonu). Autoryzację do wykonywania prac rekonstrukcyjnych na pojazdach znanych (najczęściej luksusowych marek) stosujących karbon mają wyłącznie pojedyncze warsztaty.

Pisząc o nadwoziach kompozytowych i wykonanych z tworzyw sztucznych, trudno nie wspomnieć kultowego Trabanta. Jego nadwozie nie było całkowicie pozbawione elementów stalowych (wykonywano z nich szkielet). Duroplast wykorzystany do produkcji elementów poszycia był całkowicie odporny na korozję, ale stwarzał problemy w przypadku stłuczek. Wielu surowo ocenia pomysł konstruktorów z NRD, ale jeśli odłożymy na bok kwestie ideologiczne, to okaże się, że ten eksperyment się udał. Trabanty jeździły i osiągały całkiem przyzwoite przebiegi przed złomowaniem. Może i były one zaledwie namiastką tego, co oferował przemysł motoryzacyjny RFN, ale stanowiły potwierdzenie faktu, że tworzywa sztuczne nadają się do masowej produkcji aut.

Wyzwania konstrukcyjne

Nadwozie nie jest monolitem. To skomplikowana konstrukcja, złożona z wielu elementów o różnym przeznaczeniu i właściwościach mechanicznych, połączonych przy pomocy kilku technik. Aby pokazać, jak złożonym procesem jest projektowanie i testowanie nadwozia, przyjrzyjmy się kilku bardziej lub mniej oczywistym problemom, z którymi zmagają się konstruktorzy.

Pierwsze to wytrzymałość i sztywność poszczególnych elementów oraz ich połączeń. Przez lata sprawa była prosta: im większa sztywność i wytrzymałość, tym lepiej, bo nadwozie jest wtedy bardziej odporne na uszkodzenia. Jest więc nadzieja na dłuższą eksploatację i mniejszą podatność na drobne uszkodzenia w wyniku niewielkich kolizji. W latach 50. i 60. XX wieku konstruktorzy zweryfikowali to podejście i doszli do wniosku, że jest ono oparte na błędnych założeniach.

Duża wytrzymałość jest korzystna z punktu widzenia pojazdu, ale nie dla podróżujących nim osób. Sztywna i bardzo wytrzymała konstrukcja podczas poważnego wypadku, ze szczególnym uwzględnieniem zderzenia czołowego, staje się śmiertelną pułapką. Gwałtowne zatrzymanie podczas zderzenia oznacza, że bardzo duża część energii kinetycznej pojazdu zostanie przeniesiona na osoby znajdujące się w pojeździe. Można więc oczekiwać poważnych urazów, często prowadzących do śmierci na miejscu.

Zauważono, że celowe osłabienie niektórych elementów nadwozia pomaga uratować więcej ofiar wypadków. Dobrze zaprojektowana wolna przestrzeń, która w chwili zderzenia umożliwi bezpieczne przemieszczanie się względem siebie odkształcających się i pękających elementów, umożliwi rozproszenie przynajmniej części energii i zmniejszy narażenie ludzi na poważne (a nawet śmiertelne) urazy. Tak powstała koncepcja strefy kontrolowanego zgniotu.

Pomysł jest logiczny i zrozumiały, ale wykonanie rzadko kiedy jest łatwe. Samochód ma przecież ograniczone rozmiary i każda wolna przestrzeń jest potrzebna, gdyż służy do montażu układu napędowego, akumulatora, osprzętu silnika, chłodnicy itp. Wyobraźmy sobie zderzenie takiego pojazdu o maksymalnie wykorzystanych przestrzeniach. Jeśli elementy konstrukcyjne komory silnika pękną albo odkształcą się w płaszczyźnie podłużnej pojazdu, to kierowca i pasażer podróżujący z przodu muszą się liczyć z tym, że silnik „wjedzie” do wnętrza, nie przejmując się przegrodą oddzielającą silnik od kabiny. Sztuka polega na tym, aby strefę zgniotu zaprojektować w taki sposób, żeby była skuteczna, ale niekoniecznie całkowicie pusta (nie może sztucznie wydłużać pojazdu).

Drugi problem, o którym rzadko się wspomina, jest związany z akustyką. Ruchome elementy pojazdu, w szczególności silnika, układu przeniesienia napędu czy zawieszenia, są źródłem drgań o różnych częstotliwościach. Wiele z nich mieści się w zakresie częstotliwości akustycznych (słyszalnych dla ludzi). Nadwozie składające się z wielu elementów oddzielonych pustymi przestrzeniami jest z punktu widzenia akustyki pudłem rezonansowym.

Jeśli rozmiary elementów zostaną niewłaściwie dobrane, pojawi się efekt wzmacniania dźwięków o określonych częstotliwościach. Jeżeli częstotliwości rezonansowe poszczególnych części nadwozia pokryją się z częstotliwościami wibracji występujących podczas normalnej eksploatacji, to natężenie hałasu wewnątrz i na zewnątrz pojazdu może być tak duże, że samochód nie będzie nadawał się do użytku.

Eliminowanie rezonansów jest sztuką, której w pewnym sensie trzeba będzie nauczyć się od nowa. Silniki samochodów elektrycznych mają inną charakterystykę akustyczną niż silniki spalinowe, co oznacza, że także nadwozia tych pojazdów muszą być projektowane w nieco inny sposób (być może z użyciem innych materiałów tłumiących).

Nieustanne zmiany

Sztuka projektowania i produkcji nadwozi nieustannie ewoluuje, starając się odpowiedzieć na aktualne potrzeby rynku. Zmian jest naprawdę dużo, a ich tempo coraz większe. Pojawiają się nowe metody łączenia elementów i nowe powłoki lakiernicze. Zastosowanie silników elektrycznych i akumulatorów trakcyjnych spowodowało zmianę rozłożenia obciążeń w konstrukcji nadwozia. Coraz większa liczba urządzeń elektronicznych powoduje wzrost zapotrzebowania na przestrzeń, w której można bezpiecznie poprowadzić wiązki przewodów miedzianych i światłowodów. Na te zmiany muszą być gotowi nie tylko producenci pojazdów, ale także mechanicy.