Moja przygoda z rekonstrukcja samochodów zabytkowych rozpoczęła się od dość trudnego zadania odbudowania wojskowego Volkswagena z 1943 r. Niezorientowanych informuję, że militarna wersja słynnego Garbusa była popularnym samochodem łącznikowym wojsk niemieckich w czasie II wojny światowej. Ogółem wyprodukowano około 55 tysięcy tych pojazdów w różnych wersja i odmianach [1].
Doprowadzenie mojego pierwszego Kübelwagena do przyzwoitego stanu zajęło mi około 15 lat. Z procesu odbudowy wyciągnąłem bardzo wiele wniosków. Nie tylko natury technicznej, bo to jest oczywiste. Dla młodego inżyniera po studiach była to świetna praktyka warsztatowa. Równie ciekawe, a może ciekawsze od technicznych, były moje obserwacje natury psychologicznej. W tym samym czasie co ja, decyzję o zakupie zrujnowanego zabytku motoryzacji, podjęło kilku moich kolegów. W mojej ocenie ja byłem z nich wszystkich najgorszym blacharzem, spawaczem, tokarzem, elektrykiem, tapicerem i lakiernikiem, ponieważ ukończyłem liceum ogólnokształcące, a nie technikum, jak niektórzy z nich. Nie wszystkim jednak z naszej grupy było dane zakończyć rekonstrukcję. Czas pokazał, że ważniejszy od konkretnych umiejętności zawodowych jest upór i wytrwałość w dążeniu do celu. Moja żona jest filologiem i uczy młodzież języka angielskiego. Ma możliwość obserwacji rozwoju umiejętności uczniów od samego początku. Jej obserwacje prowadzą do zbliżonych wniosków. Największy postęp obserwuje się nie u uczniów uzdolnionych językowo, tylko u tych, którzy ciężko pracują.
W latach osiemdziesiątych, w realiach PRL, kiedy trwała rekonstrukcja mojego samochodu, oryginalne części do zabytkowych pojazdów były prawie nieosiągalne. Z zasady wszystko się dorabiało. W takich warunkach bardzo istotne były tzw. materiały wsadowe. W przypadku półosi napędowych do samochodów osobowych, znakomitym surowcem była półoś samochodu ciężarowego STAR (Rys. 2) [2]
Po pierwsze, była ona większa od wszystkich półosi do samochodów osobowych, nie było zatem problemu z naddatkiem materiału na obróbkę skrawaniem. Po drugie, była produkowana z dobrych stali do ulepszania cieplnego typu 40H i 40HM. Każdy z nas, trudniących się wówczas rekonstrukcją, starał się taką półoś zdobyć i mieć ją w garażu „na wszelki wypadek”. W tamtych czasach STAR był bardzo popularnym samochodem ciężarowym i nie było z tym większych problemów. Szczególnie dlatego, że do naszych celów mogła to być półoś zużyta lub uszkodzona. Uszkodzeniom ulegały te półosie dość często, pomimo zastosowania dobrego materiału. Przyczyną był wzrost mocy silnika i masy pojazdu, przy niezmienionej konstrukcji półosi. Układ napędowy STARA miał rodowód jeszcze przedwojenny. Współtwórcą tej konstrukcji był wybitny polski naukowiec profesor Mieczysław Dębicki. Jego książka pod tytułem „Teoria samochodu. Teoria Napędu”, prezentuje po dziś dzień bardzo wysoki poziom naukowy. Nie jest niestety wznawiana, choć na szczęście bez trudu można ją jeszcze kupić na aukcjach internetowych. Ja mam w swojej bibliotece zawodowej aż dwa egzemplarze – jeden w pracy, a drugi w domu.
W pierwotnej, oryginalnej wersji układu napędowego półosie nie ulegały przedwczesnemu zużyciu, ponieważ sześciocylindrowy silnik z zapłonem iskrowym rozwijał moc 85 KM . Po zastosowaniu silników z zapłonem samoczynnym o mocy 100 KM w samochodzie STAR 28 rezerwy wytrzymałościowe półosi już nie wystarczały. Silniki z zapłonem samoczynnym charakteryzują się znaczne „twardszym biegiem”, będącym wynikiem szybszego narastania ciśnienia w komorze spalania i wymagają odpowiednio mocniejszych układów napędowych. Typowym uszkodzeniem półosi STARA było uszkodzenie kołnierza mocującego półoś do piasty koła. Zastosowana konstrukcja wymagała częstego dociągania śrub, widocznych na rysunku 3. W przypadku ich poluzowania się, zaczynały one pracować jak zabieraki, zamiast wywoływać odpowiednią siłę tarcia. W konsekwencji prowadziło to rozbicia otworów w kołnierzu półosi i do jej zniszczenia. Dziś takie rzeczy można sprawdzić i wyeliminować przez, czasem niewielką, zmianę konstrukcji przy użyciu narzędzi MES. W tamtych czasach nie było to możliwe.
W każdym razie ja również stałem się posiadaczem półosi STARA, choć na szczęście mój VW miał półosie w stanie nie wymagającym szybkiej wymiany. Półosie w samochodach VW Kübelwagen miały ciekawą konstrukcję. Na końcu półosi znajdowała się dodatkowa przekładnia walcowa. Jej zdaniem było ostateczne zwiększenie momentu obrotowego i prześwitu samochodu, o ambicjach trochę terenowych. Szczegóły tego rozwiązania pokazano na rysunku 4. Wadą tej konstrukcji jest wzrost tzw. masy nie-resorowanej. Wpływa ona negatywnie na prowadzenie pojazdu na nierównych nawierzchniach.
Pewnego dnia mój przyjaciel Marek, który wprowadził mnie w świat pojazdów zabytkowych, znając mój stan posiadania, poprosił mnie o tę półoś, właśnie w celach rekonstrukcji jakiegoś zabytku. Bez zwłoki wydałem mu mój skarb. On zobowiązał się do oddania mi podobnego materiału. Po pewnym czasie kolega zgłosił się do mnie z inną półosią, która wyglądała identycznie, jak ta od STARA. Wyjaśnił mi z dumną miną, że oddaje mi coś lepszego, bowiem jest to oryginalna amerykańska półoś od tzw. „Dżemsa”. Młodszym czytelnikom należy się wyjaśnienie, że w tamtych czasach wydawało się nam, podobnie jak większości obywateli PRL, że wszystko co amerykańskie jest najlepsze. Ciężarówki GMC, zwane potocznie „Dżemsami” znalazły się w Polsce wskutek II wojny światowej.
Z wdzięcznością przyjąłem zwrot i wciągnąłem do mojego garażu. Jak wspomniałem, cała historia miała miejsce w latach osiemdziesiątych. W tym samym czasie mój zakład pracy zakupił ówczesny cud techniki, czyli niemiecki analizator do analizy chemicznej stali. Było to jedno z pierwszych w kraju urządzeń do błyskawicznej analizy stali stopowych metodą iskrową. Wiedziony naturalną ciekawością, zabrałem amerykańską półoś do pracy, w celu zbadania jej składu chemicznego. Myślałem sobie naiwnie, że skoro półoś STARA jest zrobiona z takiego dobrego materiału, to amerykańska stal będzie jeszcze lepsza. Jakież było moje rozczarowanie gdy kolega, który prowadził analizy oznajmił mi, że półoś jest wykonana ze stali węglowej, bez jakichkolwiek składników stopowych. Zawiedziony zwróciłem ją koledze i poinformowałem go co to za materiał. Polski odpowiednik tej stali miał w tamtych czasach oznaczenie 55 (Obecnie jest to stal niestopowa jakościowa do ulepszania cieplnego o oznaczeniu 1C55). Zastanawiałem się jak to jest możliwe, że tak rozwinięty technicznie kraj produkuje półosie do pojazdów militarnych z takiego pospolitego materiału. W tych samych latach osiemdziesiątych, Polska kupiła od ZSRR licencję na produkcję czołgu T-72. Wraz z tą licencją pojawiły się u nas wysoko stopowe stale do elementów układu napędowego typu 18H2N2 i 20H2N4A. Były one bardzo drogie, ale niezbyt wrażliwe na błędy obróbki cieplno-chemicznej. Wykonane z nich koła zębate charakteryzowały się po nawęglaniu i hartowaniu wysoką twardością rdzenia i bardzo wysoką twardością powierzchni. Wysoka zawartość składników stopowych powodowała bowiem dobrą hartowność i drobnoziarnistą strukturę.
Wracając do ciężarówek GMC, nigdy jednak nie słyszałem, aby w samochodach z USA, dostarczanych w wielkich ilościach na wszystkie fronty w czasie II wojny światowej masowo ukręcały się półosie. Przemyślałem sprawę i doszedłem do wniosku, że jeżeli panuje się nad procesem obróbki, to można zrobić dobrą półoś z przeciętnego materiału. I odwrotnie, jeżeli nie panujemy nad procesem, to musimy za to zapłacić stosując lepszy i droższy materiał.
Życie samo zafundowało mi pogłębione korepetycje w tym zakresie. Kilkanaście lat później po wspomnianych wydarzeniach, byłem dyrektorem odpowiedzialnym za produkcję w amerykańskiej firmie, która uruchamiała w Polsce fabrykę części samochodowych. Pośród innych części mieliśmy produkować półosie napędowe. W chwili gdy rozpoczynałem pracę, linia produkcyjna półosi napędowych była w zasadzie uruchomiana. Zwrot „w zasadzie” jest tu uzasadniony. Już w pierwszych dniach pracy dowiedziałem się, że jest problem z obróbką cieplną wału półosi. Półoś kompletna tego typu składa się bowiem z wału i dwóch przegubów. Przykładową półoś o podobnej konstrukcji pokazano na rysunku 6. Końcówka przegubu z lewej strony jest montowana w samochodzie do koła koronowego mechanizmu różnicowego, a końcówka prawego przegubu łączy się z piastą koła. Przegub zewnętrzny bywa nazywany równobieżnym lub homokinetycznym. Amerykanie nazywają go CV joint od słów Constant Velocity, czyli przegub stałej prędkości. Proces produkcji tego przegubu kryje w sobie tak wiele niuansów technologicznych, że można by nim napisać książkę. Co ciekawe, przeguby te w ramach jednej firmy, są produkowane całkowicie inną technologią w USA i w Europie. Przyczyną takiego stanu rzeczy są inne wielkości rynków sprzedaży. W USA większość dokładnych powierzchni sferycznych jest wytwarzana metodą obróbki plastycznej, a w Europie te same powierzchnie są obrabiane obróbką skrawaniem.
W czasach, w których miały miejsce opisane zdarzenia, większość produkowanych półosi miała oba wały pełne. Dla wyeliminowanie drgań na wale dłuższej półosi montowano tłumik drgań. Obecnie coraz częściej spotyka się półosie, w których wał jest wykonany jako pusty. Czasem, dla uzyskania podobnej sztywności skrętnej półosi o różnych długościach, jedna półoś jest pełna a druga pusta. Stosując w dłuższej półosi rurę o większej średnicy niż w krótszej półosi, można uzyskać zbliżoną sztywność skrętną i wyeliminować tłumik drgań skrętnych.
Wracając do fabryki, natychmiast zapytałem Inżyniera Procesu z jakiego materiału jest wał. Miałem niejasne przeczucie co mi odpowie. I tak się stało. Odpowiedź brzmiała: ze zwykłej stali węglowej o składzie zbliżonym do naszej (polskiej) stali o oznaczeniu 55, czyli tak jak w starym GMC. Główny problem obróbki cieplnej polegał na tym, że wały po hartowaniu albo uzyskiwaliśmy zbyt miękkie i nie wytrzymywały one testów zmęczeniowych, bo się ukręcały, albo były zbyt twarde i pękały nawet bez testów. Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że nasz pływ na proces hartowania indukcyjnego jest zbyt mały i niepowtarzalny. Hartownica indukcyjna umożliwiała nam regulację dopływu ciepła do półosi podczas jej nagrzewania, przez zmianę napięcia i częstotliwości prądu wzbudzenia na wzbudniku. Szybkość chłodzenia, w czasie hartowania, mogliśmy regulować przez stężenie emulsji chłodzącej składającej się z wody i oleju, oraz pewnych dodatków. W czasie prób okazało się, że nawet przy stałym składzie emulsji, kontrolowanym codziennie refraktometrem optycznym i stałych parametrach elektrycznych wzbudzenia, uzyskujemy rano dobre wyniki, a w miarę upływu czasu – gorsze. Doszliśmy do wniosku, że przyczyną tego zjawiska był wzrost temperatury emulsji chłodzącej w zbiorniku – pod wpływem ciepła odbieranego od chłodzonych w procesie hartowania części. W tej sytuacji wprowadziliśmy układ chłodzenia i stabilizacji temperatury do zbiornika z emulsją. Działania te spowodowały natychmiastową poprawę. Okazało się jednak, że duże zmiany temperatury na hali utrudniają zapewnienie bardzo stabilnej temperatury cieczy chłodzącej. Prowadząc ciągle próby, rozumieliśmy nasz proces coraz lepiej. Postanowiliśmy skompensować wahania temperatury chłodziwa prędkością jego przepływu. Przy wyższej temperaturze chłodziwa zwiększaliśmy prędkość jego przepływu, co pozwalało utrzymać właściwą prędkość chłodzenia. We wszystkie nasze działania byli zaangażowani operatorzy pracujący na tej hartownicy. Wiedzieli co i dlaczego zmieniamy w ich maszynie.
Ostateczny rezultat był znakomity. Wpływając na wszystkie wymienione parametry procesu potrafiliśmy wyprodukować wał półosi doskonały. Spełniał on wszystkie wymagania specyfikacji technicznej. Najlepszym jego sprawdzianem był jednak test zmęczeniowy polegający na skręcaniu kompletnej półosi w obu kierunkach o pewien kąt, aż do jej zniszczenia. Zniszczenie polegało na zmęczeniowym pęknięciu wału. Specyfikacja klienta wymagała aby półoś wytrzymywała 22 000 cykli. Nasze najsłabsze produkty wytrzymywały ich 50 000. Po rozwiązaniu wszystkich problemów i pełnym opanowaniu procesu wszyscy odczuwaliśmy dużą satysfakcję zawodową, dla której warto było spędzić wiele trudnych godzin przy maszynie. Myślę, że właśnie dla tych, niezbyt niestety częstych, chwil satysfakcji warto wykonywać nasz inżynierski zawód. Te chwile nazywam czystymi radościami mojego życia. Jest też znakomita książka o takim samym tytule (autor: Jan Šmid), ale to już zupełnie inna historia.
Jerzy Mydlarz
Literatura:
[1] Mydlarz J.: Samochód terenowy VW Kübelwagen Typ 82, Dom Wydawniczy i Agencja Wydawnicza CB, Warszawa 1998
[2] http://www.polskie-auta.pl/stara/star200.htm
[3] Jaśkiewicz Z.: Mosty Napędowe, WKŁ 1979
[4] http://www.military-zone.pl/pojazdy/?page=towar&towid=23
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (34/35) lipiec-sierpień 2010
