Rozwój konstrukcji nadwozi (cz. I)

Fot. CTS, Flickr, CollectorCar, Classic Car Museum, Wikipedia, Brusselspictures, Picasa, Caretro, Autoverwertung-Schulz, Brusselspictures, Classiccarart, Flickr

Na początku XX wieku samochodowe nadwozia miały jeszcze wiele cech charakterystycznych dla pojazdów zaprzęgowych

Pasażerskie nadwozia mają historię starszą niż motoryzacja. Do pierwszych samochodów trafiły już w dojrzałej postaci i zróżnicowanych formach ze znanych od wieków odmian pojazdów konnych.

Dzięki doświadczeniom wielu pokoleń rzemieślników trudniących się budową rozmaitych pojazdów zaprzęgowych pierwsza eksperymentalna i bardzo uproszczona konstrukcja Carla Benza mogła bardzo szybko nabrać cech samochodu już w pełni użytecznego. Tradycyjne nadwozia odkrytych bryczek i powozów, zamkniętych karet z oszklonymi oknami, dawały się bowiem adaptować do celów motoryzacyjnych bez radykalnych przeróbek.

Stare dobre koncepcje

W zachowanych do dziś wozach konnych przeznaczonych do przewozu osób zadziwia śmiałość konstruktorskich koncepcji, takich jak ramy przestrzenne lub skorupowe i szkieletowe kabiny samonośne, do których przejęcia projektanci samochodów musieli stopniowo dojrzewać przez lat kilkadziesiąt. Początkowo trwali uparcie przy konstrukcji zapożyczonej z ciężarowych platform i kolejowych wagonów, osadzając wszystkie części pojazdu na masywnej belkowej ramie.

O wiele bliższa rozwiązań współczesnych wydaje się klasyczna karoca, stworzona w XVI wieku we Włoszech, a potem systematycznie doskonalona aż do postaci XIX-wiecznego dyliżansu. Od jej włosko-francuskiej nazwy pochodzi obecny motoryzacyjny termin „karoseria” równoznaczny w Polsce z pojęciem „nadwozia”. Dwuosobowa wersja karocy nosiła we Francji używaną do dzisiaj nazwę coupé. We wszystkich wersjach stosowano zamknięty przedział pasażerski o typowej konstrukcji samonośnej, ponieważ z osobnym podwoziem łączyły go tylko skórzane pasy mocowane do czterech sprężystych wysięgników ramy. Z kolei w powozach odkrytych, na przykład w wiejskich bryczkach i miejskich dorożkach, głównym elementem nośnym była skomplikowana w swym kształcie podłoga wzmocniona po bokach odpowiednio wygiętymi, niskimi burtami, a w sumie przypominająca… dzisiejsze płyty podłogowe.

Pierwsze samochody wykonywane przez Carla Benza na zamówienia klientów to konne powozy z zamontowanymi układami napędowymi i kierowniczymi

Za podstawowy materiał do budowy pasażerskich pojazdów konnych i samochodów osobowych w pierwszych dziesięcioleciach ich historii służyło drewno. Z twardych jego odmian wykonywano konstrukcyjne szkielety nadwoziowych brył, a z wodoodpornej sklejki – przytwierdzane do nich elementy osłonowe, czyli: dachy, ściany czołowe i boczne, podłogi i poszycia drzwi. Sklejkę malowano farbami olejnymi lub oklejano po wierzchu dermą, a po pierwszej wojnie światowej zaczęto ją zastępować łatwiejszą w obróbce stalową blachą, którą mocowano nadal wkrętami do drewnianych stelaży.

Równocześnie jednak w okresie międzywojennym pojawiły się rozwiązania całkiem inne, zapowiadające radykalny przewrót w projektowaniu i wytwarzaniu samochodowych nadwozi.

Epoka tłoczonej blachy

Trudno dokładnie określić czas, w którym przy budowie samochodów zaczęto wykorzystywać tradycyjne techniki blacharskie. Zadecydowały o tym z pewnością względy estetyczne, cenione niemal od początku przez nabywców pojazdów. Dobrzy blacharze już od czasów średniowiecznych potrafili z płaskim kawałkiem blachy zrobić znacznie więcej, niż tylko odpowiednio go przyciąć do określonych wymiarów, i wykonać na krawędziach otwory dla mocujących wkrętów. Mogli na przykład młotkiem wyklepać z blachy na kowadle pancerz rycerskiej zbroi, miskę lub garnek o bardzo regularnych kształtach. Nic więc nie stało na przeszkodzie, by taką samą metodą formować niecki błotników, obudowy reflektorów i maski silników.

Dawało to zadowalające efekty przy jednostkowej lub małoseryjnej produkcji pojazdów. Jednak od 1912 roku w amerykańskiej fabryce Forda działały już taśmy montażowe, a podobne systemy wytwarzania wprowadzali kolejno i inni producenci. Pierwszy wielki przełom w konstruowaniu samochodowych nadwozi nastąpił dopiero w 1928 roku, gdy amerykańska firma BUDD zaczęła tłoczyć wszystkie ich strukturalne elementy z cienkiej blachy stalowej na przemysłowych prasach. Tak powstawały jednoczęściowe wytłoczki dachów, błotników, ścian przednich, tylnych i bocznych z otworami drzwiowymi oraz okiennymi. Drewniane szkielety przestały być potrzebne, ponieważ powstające w wyniku tłoczenia trójwymiarowe elementy były już same w sobie wystarczająco sztywne, a dodatkową sztywność całej konstrukcji nadawały ich wzajemne połączenia, wykonywane od początku lat 30. zeszłego stulecia udoskonaloną wtedy metodą zgrzewania punktowego.


Rolls Royce z 1929 r. i (po prawej) Chevrolet z 1930 r. W okresie międzywojennym zarówno w limuzynach, jak i kabrioletach stosowano niemal wyłącznie konstrukcje złożone z płaskiej stalowej ramy nośnej i nadwozia o drewnianym szkielecie poszytym blachą lub lakierowaną sklejką. Płytkie błotniki wyklepywane były przeważnie ręcznie

Tłoczone i następnie zgrzewane kadłuby nadwozi mocowane były wciąż tradycyjnie do belkowych lub kratownicowych ram podwoziowych. Okazało się przy tym, iż w takim układzie oba te elementy wzajemnie się usztywniają. Wybitni konstruktorzy samochodów nie byli tym faktem zaskoczeni, gdyż już parę lat wcześniej doszli do wniosku, że rama i nadwozie niepotrzebnie dublują swe nośne funkcje, zwiększając w ten sposób ogólną masę pojazdu. Dlatego w 1924 roku duński inżynier Joergen S. Rasmussen zaprojektował w Niemczech pierwszy na świecie samochód bez ramy. Był to całkowicie blaszany model P 15, prototyp bardzo popularnych później dwusuwowych aut DKW. Miały one niemal identyczny kształt nadwozia, ale uzyskany dzięki zdecydowanie mniej awangardowej, bo osadzonej na rurowej ramie konstrukcji, wykonanej… z drewna, sklejki i dermy.

Pełny sukces natomiast odnieśli inżynierowie z włoskiej fabryki Lancia, gdyż ich model Lambda trafił w 1925 roku do seryjnej produkcji, choć nie miał właściwie nadwozia. Zastępowała je blachownicowa rama przestrzenna o formie podobnej do jej drewnianego odpowiednika we wspomnianych już konnych bryczkach i dorożkach.

Prawdziwe samonośne nadwozie w obecnym rozumieniu powstało w pierwszej połowie lat trzydziestych we francuskiej fabryce André Citroëna i znalazło zastosowanie w sławnych modelach BL 11 i 15, produkowanych następnie aż przez 20 lat. Miały one bardzo sztywne i lekkie kadłuby, wykonane wyłącznie z blaszanych wytłoczek i cienkościennych stalowych profili, wyposażone w rozbudowane płyty podłogowe. Podobne rozwiązanie starał się nieco później wprowadzić Ferdynand Porsche w swym „garbatym” Volkswagenie KDF, lecz ograniczył się tylko do jednoelementowej płyty podłogowej, do której górna część nadwozia mocowana była tradycyjnie śrubami.

Przed wojną samonośna konstrukcja Citroëna nie miała innych konkurentów ani naśladowców. Po pierwszych piętnastu powojennych latach już wszystkie nowe modele liczących się w świecie producentów budowane były podobnie. W trwającym aż do lat 70. powszechnym dążeniu do redukcji masy pojazdów wielu projektantów wykorzystywało w charakterze elementów nośnych nawet wybitnie osłonowe dawniej części struktury nadwozia, takie jak przednie i tylne błotniki zewnętrzne lub czołowe ścianki komór silnikowych i bagażników.

Typowym przykładem takich właśnie rozwiązań były obydwa modele Fiatów produkowanych w Polsce na włoskiej licencji. Nadwozia konstruowane w tym czasie wykazywały zadowalającą sztywność w normalnej eksploatacji, lecz nie były w stanie sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie odporności na skutki kolizji drogowych. Nadmierna skala ich odkształceń przy wszystkich rodzajach zderzeń sprawiała, iż przedział pasażerski nie zapewniał bezpieczeństwa podróżnym, a powypadkowe naprawy musiały być w tej sytuacji bardzo skomplikowane i kosztowne.

W związku z tym w późniejszych, do dziś stosowanych konstrukcjach nadwozi funkcję nośną zaczęły pełnić kratownicowe szkielety, zawdzięczające swą lekkość i sztywność używanym do ich budowy materiałom o coraz większej wytrzymałości. W całej strukturze nadwozia zaczął obowiązywać wyraźny podział na maksymalnie sztywną część pasażerską i strefy zewnętrzne, zdolne do kontrolowanych odkształceń, absorbujących w znacznym stopniu kinetyczną energię ewentualnego zderzenia. Elementy osłonowe najbardziej narażone na drobne uszkodzenia w intensywnym, lecz niezbyt szybkim ruchu miejskim, mocowane są do szkieletów śrubami, aby dawały się łatwo i tanio wymieniać.

Kształty, wymiary, proporcje

Pionierskie pojazdy drogowe z silnikami spalinowymi trudno nawet uznać za samochody w obecnym znaczeniu tego określenia, ponieważ ich formy zewnętrzne były bardzo zróżnicowane i w pełni podporządkowane konstrukcji zastosowanych w nich układów napędowych. Nadwozia w tych prototypach, a także w modelach sportowych konstruowanych przed pierwszą wojną światową, miały postać absolutnie szczątkową, ograniczoną przeważnie do uproszczonych siedzisk dla kierowcy i ewentualnie pasażera. Wyraźniej zaznaczone konstruktorskie i stylistyczne trendy pojawiły się dopiero wraz z powstaniem samochodowego rynku, czyli profesjonalnej produkcji samochodów dla ich potencjalnych użytkowników.


Pierwszą konstrukcję samonośną w formie przestrzennej blachownicowej ramy, pokrywanej dowolnym poszyciem, opracowali inżynierowie z firmy Lancia	*Za prawdziwy jednak początek epoki nadwozi całkowicie samonośnych uznaje się ten przedwojenny model CitroËna, pozbawiony jakiejkolwiek ramy*

Wtedy właśnie wykształciła się standardowa, do dziś stosowana architektura nadwozi dwu- lub trójbryłowych. Oczywiście pojawiały się też rozmaite odstępstwa od tej koncepcji, lecz można je uznać za wyjątki potwierdzające zasadniczą regułę. Jest ona konsekwencją upowszechnienia się tzw. klasycznego układu napędowego, w którym silnik umieszczony w przedniej części pojazdu napędzał tylne koła za pośrednictwem mechanizmu transmisyjnego, znajdującego się pod podłogą przedziału pasażerskiego. Wprowadzenie wariantów z silnikiem umieszczonym z tyłu lub z napędem kół przednich nie miało już istotnego wpływu na samą strukturę nadwozia.

Ostatnie poważne zmiany kształtów i proporcji nadwozi miały miejsce w latach międzywojennych. Wiązały się one ze wzrostem prędkości ruchu na coraz lepszych drogach i wynikającym stąd większym zainteresowaniem konstruktorów czynnikami aerodynamicznymi. Już wcześniejsze doświadczenia praktyczne wykazywały, iż przy zastosowaniu napędów o tej samej mocy znacznie cięższe zamknięte limuzyny osiągały większe prędkości maksymalne, niż odkryte „wyścigówki”, zwłaszcza te z wysoko umieszczonymi fotelami. Gdy prawidłowość tę potwierdziły teoretyczne osiągnięcia aerodynamiki, rozwijanej głównie dla potrzeb lotnictwa, rozpoczęła się trwająca przez lat dwadzieścia (z wojenną przerwą) rywalizacja projektantów nadwozi o maksymalne ich upodobnienie do idealnego kształtu kropli. Odbywało się to nawet kosztem wygody i bezpieczeństwa jazdy, więc musiało się zakończyć powrotem do rozwiązań rozsądnie kompromisowych.


Pod koniec lat 30. zeszłego wieku zapanowała moda na nadwozia „aerodynamiczne”. Uzyskiwanie ich opływowych kształtów umożliwiła rozwinięta już wcześniej technologia seryjnego tłoczenia elementów poszycia na przemysłowych prasach	*Po II wojnie światowej w USA zaczęły dominować wielkie (nawet w wersjach dwudrzwiowych), luksusowe samochody, zwane „krążownikami szos”*

Mimo tych wszystkich wspólnych cech konstrukcyjnych poszczególne modele samochodów osobowych zawsze różniły się wyraźnie między sobą i podlegały wielokierunkowym ewolucjom. Zawsze też zależało to głównie od zróżnicowanych i zmiennych oczekiwań użytkowników, które producenci i konstruktorzy starali się spełniać lub nawet uprzedzać.

W początkowym okresie rodzaje oferowanych nadwozi samochodowych były niemal identyczne jak w przypadku tradycyjnych pojazdów zaprzęgowych, czyli zróżnicowane odpowiednio do ówczesnej struktury społeczno-ekonomicznej. Produkty przeznaczone dla najbogatszych dzieliły się na tzw. sportowe, przeznaczone w zasadzie do zabawy, i luksusowe, zapewniające maksymalnie wygodne warunki podróżowania. Komfort zarezerwowany był jednak tylko dla właściciela lub dysponenta pojazdu, a kierowca, zwany wtedy szoferem, miał, jak wcześniej woźnica, swoje miejsce pracy na zewnątrz zamkniętej, oszklonej i wyposażonej w miękkie kanapy kabiny pasażerskiej.

Klientom średniozamożnym, używającym pojazdu do wykonywanej pracy, a więc lekarzom, weterynarzom, geodetom itp., proponowano modele uniwersalne, wyposażone skromnie, w których ochronę przed niesprzyjającymi czynnikami klimatycznymi stanowiła jedynie przednia szyba i rozkładany brezentowy dach. Potem, w latach międzywojennych, wraz z postępującą demokratyzacją obyczajów i wzrostem zamożności klas pracujących, a niezależnie od stref klimatycznych, zaczęły dominować nadwozia zamknięte, zapewniające jednakowe warunki jazdy dla wszystkich podróżujących. Modele tańsze od droższych różniły się już tylko wielkością oraz standardem wyposażenia, i tak już pozostało. Jednak i pod tym względem historia motoryzacji odnotowała dwa przeciwstawne trendy skrajne, wykraczające poza optymalne reguły ergonomii.


W tym samym czasie różni producenci europejscy tworzyli swe modele „masowe”, czyli maksymalnie tanie, dzięki: uproszczeniu konstrukcji (z lewej Citroen 2CV), ograniczeniu funkcji użytkowej (w środku BMW Isetta) lub stosowaniu tańszych materiałów poszycia nadwozia (z prawej enerdowski poprzednik Trabanta, czyli winidurowo-bawełniany model P70)

Pierwszy z nich to amerykańska koncepcja „krążowników szos”, czyli nadmiernie przestronnych limuzyn, wykazujących niezaprzeczalne zalety podczas transkontynentalnych, autostradowych podróży, lecz zupełnie anachronicznych w dobie maksymalnego natężenia ruchu w aglomeracjach miejskich, powszechnej oszczędności paliwa i walki z emisją spalin.

Drugim była rozpowszechniona w odbudowującej się z wojennych zniszczeń Europie klasa tzw. minisamochodów. Pojawiło się wówczas wiele tego rodzaju konstrukcji o bardzo przystępnych cenach, lecz niskiej wartości użytkowej. Umożliwiały one bowiem pomieszczenie maksymalnej liczby podróżnych w minimalnej przestrzeni, kosztem wygody i bezpieczeństwa jazdy. Tu również konieczny stał się pewien „krok wstecz” na rozwojowej drodze, aktualna natomiast jest wciąż tendencja do zmniejszania zewnętrznych gabarytów nadwozi, ponieważ samochód XXI wieku musi być wygodny nie tylko w czasie jazdy, lecz także w trakcie parkowania.