Karoserie železničního vozu: konstrukce, materiály a výroba

Stále přísnější omezení týkající se životního prostředí a stále rozšířenější užívání automobilů ve velkých městech nutí výrobce v automobilovém průmyslu myslet nově. Nejpozději do roku 2014 bude většina automobilek nabízet hybridní automobily, a to je jenom začátek. Další odhady říkají, že během příštích deseti let se ročně prodá dvacet čtyři miliónů elektrických automobilů. A to je konzervativní odhad, uvedl Dudenhöffer. Všechny automobilky se však budou potýkat se stejným problémem - s hmotností.

Současné výzvy a hledání řešení

Volvo Cars se v současné době snaží najít řešení. Společně s vědci z katedry Aeronautiky na londýnské Imperial College a s inženýry z Göteborgu ve Švédsku vyvinuli kompozitní materiál ze směsi uhlíkových vláken a polymerů, který lze nabíjet a lze v něm uchovávat energii. V podstatě by automobily firmy Volvo měly mít v budoucnosti karoserii, která bude fungovat jako elektrochemická baterie.

Per-Ivar Sellergren, inženýr ze střediska pro vývoj materiálů ve firmě Volvo Cars, je optimista. „Pokud vše půjde podle plánu, budeme mít prototyp karoserie hotový do konce roku 2012,” říká. Podle výpočtů firmy Volvo se náklady na výrobu jedné karoserie z materiálu, který funguje jako baterie, budou rovnat nákladům na výrobu dosavadní karoserie plus náklady na výrobu lithium-ionové baterie.

Podle Ulfa Carlunda, odborníka firmy Volvo Cars na kompozitní materiály, byly výrobní postupy dosud příliš pomalé, a nejprve bylo potřeba využít dřívější investice do tradičních automobilek. Dále se ukázalo, že automobilkám, které tradičně pracují s ocelí, se práce s kompozitními materiály zdála příliš náročná.

Firma Audi má díky svému hliníkovému automobilu A2 ve výrobě lehkých vozidel náskok. Ve sportovních vozech Audi R8 Spyder, které stojí více než 120 000 eur a vyrábí se v počtu asi patnácti až dvaceti kusů denně, firma Audi použila polymery vyztužené uhlíkovými vlákny na boční stěny karoserie a střechu. Základní podmínkou snížení nákladů pro výrobu levnějších vozů pro masovou spotřebu je nahrazení součástek z hliníku kompozitním materiálem na bázi uhlíku.

Zde se také pracuje na projektu, jehož cílem je zvýšení podílu uhlíkových vláken v kompozitních materiálech na 25 procent v porovnání se 17-18 procenty v případě hliníku, což přispěje ke snížení hmotnosti. Projekt závisí na materiálu, který má stejnou pevnost v tahu a tlaku jako hliník. „Kromě toho je zapotřebí vyřešit ještě několik dalších větších i menších problémů,“ říká Durst, „jako je například vznik koroze ve spojích mezi kompozitními a ostatními materiály. Dalším problémem je hluk. S každým kilogramem, o který se hmotnost vozu sníží, se míra hluku zvýší. Následně se musí použít izolace, která hmotnost vozu opět zvýší.“

Nedílnou součástí diskuse je nutnost, aby se automechanici po celém světě seznámili s novými materiály. Výrobní proces se musí vylepšit. Lars Herbeck, manažer ve Voith Composites, vidí prostor pro zlepšení v několika oblastech: plynulý přísun materiálu, rovnoměrná výroba nejméně sta tisíc součástek ročně a výrazné zrychlení výrobního cyklu. U větších součástek může výroba trvat až hodinu oproti minutě u hliníkových dílů.

Oliver Geiger ze Fraunhofer-Institut pro chemische Technologie hledá způsoby spolupráce mezi velkými společnostmi z různých sektorů. Daimler využívá kompozitní materiály v závodním voze SLR McLaren od roku 2004 a dnes věnuje velké úsilí jejich vývoji. V dubnu 2010 zahájila spolupráce s japonskou petrochemickou společností Toray, předním výrobcem uhlíkových vláken.

BMW a konkurence v masové výrobě

Hlavní rival Daimleru, firma BMW, podniká mnohem odvážnější kroky. V partnerství se SGL Carbon investovala do továrny v Moses Lake v USA 100 milionů dolarů. Cílem je vyrábět uhlíková vlákna ve velkých objemech za přijatelné ceny. Uhlíkové vlákno bude vyráběno na dvou linkách s kapacitou asi 1 500 tun ročně a bude použito pro nový elektrický automobil BMW Megacity Vehicle, čtyřmístný sedan s 35 kWh lithium-iontovou baterií a dojezdem nad 100 km na jedno nabití. První Megacity má sjíždět z výrobní linky v Lipsku v letech 2013-2014, a v plánu je vyrobit karoserii z lehkého kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken a podvozek z hliníku.

Ředitel Norbert Reithofer je si rizik plně vědom. Kompozitní materiály používané ve výrobě pro letecký a automobilový průmysl se skládají z epoxidu nebo vinylesteru, vyztužených uhlíkovým vláknem. Mezi výhody patří nízká hmotnost a vysoká pevnost; uhlíková vlákna se však dají upravit pro absorpci energie. Pro masovou výrobu je potřeba řešit další výzvy a zrání technologií pro sériovou produkci.

Průmyslové kontexty a současné trendy

V automobilovém i leteckém průmyslu se kompozity stávají rostoucím odvětvím. Sandvik Coromant nabízí celou řadu nástrojů pro obrábění uhlíkových vláken, včetně PCD a karbidových vrtáků. Materiály s uhlíkovými vlákny se již běžně používají ve formule 1 a v drahých luxusních vozech. Francis Richt z Sandvik Coromant zdůrazňuje, že pro masovou výrobu je stále ve fázi výzkumu a vývoje, ale očekává rychlý nástup používání nového materiálu zejména k redukci hmotnosti vozidel.

Richt poznamenává, že díly pro letecký průmysl jsou složitější než díly pro automobily a vyžadují jiné postupy. Avšak existují nástroje vhodné pro automobilový průmysl a již dnes je možné některé postupy adaptovat pro nové materiály. Výroba dílů z kompozitů ve velkém objemu pro masovou spotřebu se teprve rozvíjí, ale trend směřuje k výraznému využití uhlíkových vláken v budoucích elektrických a hybridních vozech, hlavně kvůli snížení hmotnosti.

V každém případě je zřejmá nutnost zlepšit výrobní procesy, logistiku materiálů a školení pracovní síly pro práci s novými kompozitními materiály. Budoucnost karoserii z uhlíkových vláken v automobilovém a železničním průmyslu bude vyžadovat širokou spolupráci mezi výrobci, dodavateli a výzkumnými institucemi, aby bylo možné dosáhnout cílových redukcí hmotnosti, snížení nákladů a plnění environmentálních standardů.

Typy a konstrukční aspekty karoserií železničních vozů

V koncepční části průmyslu je třeba brát v úvahu typy karoserií, jejich nosné konstrukce a spojovací technologie. Základní druhy karosérií zahrnují svařované karosérie a budky nákladních vozidel, které vyžadují odolnost vůči korozím, zatížení a změnám teplot. Při návrhu a výrobě karoserie pro železniční vůz se klade důraz na pevnost, tuhost a odolnost proti únavě. Důležité jsou i akustické vlastnosti a aerodynamika, které ovlivňují hlukové emise a energetickou efektivitu.

1. Povrchy z hlediska geometrie a dosažení optimálních tvarů pro snížení odporu.
2. Technologie svařování, tvarování a montáže jednotlivých dílů.
3. Materiálová skladba a korozní odolnost komponentů, zasklívání a těsnění.
4. Ovládání hluku, izolace a akustická optimalizace.
5. Metodiky projektování a umístění řidiče a sedadel, včetně seřizovacích drah.

Hlavními výzvami zůstávají trvanlivost, úspora hmotnosti a stabilita při dlouhodobém provozu. S postupnou integrací pokročilých kompozitů se očekává, že několik částí karoserie nahradí tradiční kovové prvky a přispějí k celkové úspoře hmotnosti železničního vozu.

tags: #karoserie #zeleznicniho #vozu