W związku z przemianami, które dokonują się w przemyśle motoryzacyjnym, w centrum uwagi znajdują się takie aspekty jak efektywność energetyczna, poprawa osiągów i troska o środowisko naturalne. Zasadniczego znaczenia w tym kontekście nabiera redukcja masy pojazdów samochodowych.
Jednak nawet najlżejsza konstrukcja pojazdu musi wciąż spełniać wymagania w zakresie bezpieczeństwa, komfortu podróżowania i funkcjonalności. Wobec sukcesywnie zaostrzanych norm i regulacji, projektanci i konstruktorzy samochodów, korzystając z najnowszych osiągnięć w dziedzinie inżynierii materiałowej i innowacyjnych rozwiązań technologicznych, starają się osiągnąć nie tylko samą redukcję masy, lecz także zwiększenie integralności i wytrzymałości zderzeniowej konstrukcji. Uwzględniając w budowie pojazdów nowe materiały i procesy produkcyjne, należy zadbać o równowagę między korzyściami, płynącymi z redukcji masy, a ograniczeniami, wynikającymi z charakterystyki technologii wytwarzania, również w ujęciu ekonomicznym.
Przekonali się o tym pionierzy wykorzystania lekkich materiałów w budowie samochodów. Historycznie pierwszy samochód z nadwoziem kompozytowym – Soybean Car Forda z 1941 roku, zbudowany był na stalowej ramie rurowej, na której zainstalowano złożone z czternastu paneli nadwozie, wykonane z włókien sojowych w matrycy z żywicy fenolowo-formaldehydowej. Całość ważyła około 900 kg, podczas gdy seryjne modele Forda z tego czasu ważyły ponad 1300 kg. Reklamowany jako samochód z plastiku, prototypowy Ford miał zademonstrować możliwość redukcji zużycia stali w produkcji motoryzacyjnej, która jednak wkrótce została drastycznie ograniczona w związku z przystąpieniem Stanów Zjednoczonych do wojny. W takich warunkach zaniechano dalszego rozwoju idei samochodu z tworzywa, a sam Soybean Car uległ zapomnieniu do tego stopnia, że nie zachował się nawet prototypowy egzemplarz.
Do koncepcji samochodu z tworzywa wrócono zaraz po wojnie, z nowym entuzjazmem i bagażem doświadczeń zdobytych w przemyśle lotniczym w dziedzinie technologii kompozytowych. W 1946 amerykański konstruktor, wizjoner i wynalazca, William Bushnell Stout, zaprezentował samochód własnej konstrukcji – Stout Forty Six, zbudowany z kompozytu GFRP (glass fiber reinforced plastic). Był to pierwszy pojazd z monolitycznym kadłubem kompozytowym. Jego podłogę wykonano z grubej na 5 cm płyty z kompozytu przekładkowego z rdzeniem o strukturze plastra miodu. Stout był świadomy tego, że w tamtych czasach auto, które miałoby kosztować dziesięć tysięcy dolarów, nie odniosłoby rynkowego sukcesu. Jak sam tłumaczył, zbudował Forty Six raczej jako demonstrator możliwości kompozytu zbrojonego włóknami szklanymi w zastosowaniach strukturalnych, zgodnie z zasadą, która przyświecała wszystkim jego projektom: uprościć i dodać więcej lekkości.
Na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych powstał szereg hobbystycznych nadwozi samochodowych z laminatu poliestrowo-szklanego, takich jak Brooks Boxer, Glasspar G2 oraz Alembic I i II. Wybuch wojny w Korei spowodował jednak przestawienie amerykańskiej gospodarki i przemysłu na wojenne tory. Cała produkcja żywic poliestrowych trafiała na potrzeby przemysłu zbrojeniowego.
W 1953 roku zadebiutował Chevrolet Corvette, pierwszy seryjnie produkowany samochód z nadwoziem kompozytowym na ramie stalowej. Dla przyspieszenia produkcji, jego nadwozie podzielono na 62 większe i mniejsze, wytwarzane oddzielnie segmenty z GFRP, łączone w jedną całość na linii montażowej. Według szacunków planistów, wykonanie oprzyrządowania do produkcji blach karoseryjnych dla metalowego nadwozia Corvette wiązałoby się z kosztami rzędu pięciu milionów dolarów. Tymczasem koszt kompletu form i narzędzi do produkcji nadwozia z kompozytu zamknął się w granicach pięciuset tysięcy dolarów. Całość nadwozia ważyła 162 kilogramy, trzy razy mniej, niż gdyby było wykonane ze stali.
Nie obyło się jednak bez problemów. Pierwsze egzemplarze kompozytowych nadwozi Chevroleta przeciekały i miały pofalowane powierzchnie zewnętrzne, a włókna zbrojenia pękały wzdłuż spoin. Duża część z pierwszej serii trzystu egzemplarzy trafiła na wystawy na targach i w salonach sprzedaży. Na sukces modelu trzeba było poczekać do 1955 roku, kiedy po przeniesieniu produkcji do St. Louis, zaczęto montować w Corvette silnik V8, co sprawiło, że auto nabrało bardziej sportowego charakteru.
Rok 1957 kieruje naszą uwagę z kolei do Europy, gdzie w zakładach Lotusa powstał pierwszy seryjnie produkowany samochód z kompozytowym kadłubem typu monocoque – Lotus Elite (Type 12). Dzięki kompozytowej konstrukcji z GFRP auto było lżejsze i sztywniejsze. Napędzany silnikiem o mocy zaledwie 75 koni mechanicznych samochód zyskiwał sportową charakterystykę właśnie dzięki niskiej masie – ważył 673 kg. Jego kompozytowe nadwozie, którego bryłę zaprojektował Peter Kirwan-Taylor, było również bardzo aerodynamiczne jak na swoje czasy (współczynnik oporu aerodynamicznego Cd = 0,29).
Colin Chapman, twórca i główny konstruktor Lotusa, podobnie jak wcześniej Stout, w pracy nad samochodami kierował się zasadą: uprościć, a następnie dodać lekkości. O wielkim znaczeniu, jakie przywiązywał do niskiej masy może świadczyć fakt, że w kontrakcie na budowę nadwozi dla pierwszej serii 250 samochodów modelu Elite z firmą Maximar Boats zawarto klauzulę, która zakładała penalizację za każdym razem, gdy masa któregoś kompletu nadwozia przekroczyła 138 kg. Niestety wyśrubowane wymagania Chapmana trochę wyprzedziły tamte czasy. Nadwozie, choć było w stanie udźwignąć ciężar silnika i kierowcy, było tak cienkie, że uginało się pod naciskiem dłoni. Dały się słyszeć pogłoski, że w jednym z prototypów doszło do zerwania mechanizmu różnicowego, który okazał się zbyt ciężki dla punktów mocujących do nadwozia. Zerwaniu miały ulegać także mocowania zawieszenia. Nowa seria produkcyjna, zamówiona u Bristol Aeroplanes, wyposażona była już w nieco grubsze, poprawione nadwozia.
W kolejnych dekadach technologie kompozytowe stały się ważnym elementem rozwoju konstrukcji bolidów F1, zarówno w aspekcie strukturalnym, jak i aerodynamicznym. W zaprezentowanym w 1970 roku Lotusie 72, zamiast pojedynczej chłodnicy w nosie pojazdu, zainstalowano dwie chłodnice, po jednej z każdej strony kokpitu. Z laminatu szklanego wykonane były wystające z kadłuba obudowy chłodnic i poszycie spłaszczonego nosa, lepiej zintegrowanego z przednimi skrzydłami. W krótkim czasie wszystkie zespoły podchwyciły pomysł Lotusa, co spowodowało odejście od dotychczasowego, cylindrycznego kształtu kadłuba bolidów, które przyjęły formę bardziej zbliżoną do znanej obecnie.
Lotus 78 z 1977 roku i Lotus 79 z 1978 skonstruowano z myślą o wykorzystaniu efektu przypowierzchniowego w celu zwiększenia docisku aerodynamicznego. Były wyposażone w specjalne kurtyny boczne z laminatu szklanego, uszczelniające przepływ powietrza w przegrodach bocznych, funkcjonujących na zasadzie dyszy Venturiego. Wszystkie one, począwszy od Lotusa 25 z 1962 roku, były zbudowane w oparciu o jeszcze aluminiowy monocoque. W 1981 roku Lotus przedstawił z kolei model 88, który jako pierwszy wykorzystywał na większą skalę kompozyty węglowe CFRP (carbon fiber reinforced plastic) do budowy elementów strukturalnych, w tym pierwszego monolitycznego kadłuba monocoque z tego materiału. Zbudowany według koncepcji podwójnego kadłuba (wewnętrznego i zewnętrznego, z przepływem powietrza między jednym a drugim na zasadzie dyszy Venturiego), bolid Lotusa okazał się jednak zbyt kontrowersyjny, a naciski konkurencji doprowadziły do jego dyskwalifikacji. W tym samym roku zadebiutował McLaren MP4/1, który ostatecznie przeszedł do historii jako pierwszy bolid z kompozytowym kadłubem monocoque z CFRP.
cały artykuł jest dostępny w wydaniu płatnym 7/8 (214/215) lipiec/sierpień 2025
