Platforma Komunikacyjna Krakowa

AUTOBUSY O KONSTRUKCJI ALUMINIOWEJ

W Polsce autobusy miejskie o konstrukcji aluminiowej są jak dotychczas prawie nieznane, za wyjątkiem autobusów DAB i Scania OmniCity. W Wielkiej Brytanii są wytwarzane przez wszystkich producentów nadwozi dużych autobusów miejskich jak Aleksander, Duple / Metsec, East Lancs, Northern Counties, Optare, Plaxton i Wright.

Są też rozpowszechnione w Skandynawii, oprócz Scanii i jej filii - DAB, przez Lahti (Finlandia), a zwłaszcza Volvo - Säffle (Szwecja) i Volvo - Aabenraa (Dania).

W nadwoziach aluminiowych specjalizuje się włoski BredaMenariniBus, portugalski Caetano oraz jedyny obecnie szwajcarski producent Hess. Niektórzy producenci europejscy wytwarzają określone typy autobusów ze swego programu produkcyjnego, w konstrukcji aluminiowej, jak np. EvoBus autobusy miejskie średniej pojemności Mercedes Benz Cito i autobus turystyczny midi Setra S309 HD. Poza Europą autobusy aluminiowe produkują brazylijskie firmy - Busscar, Ciferal i MarcoPolo, a także Metrotrans w USA, Volgren w Australii, DesignLine w Nowej Zelandii i Xian Silver Bus w Chinach. Głównym dostawcą specjalnych profili aluminiowych o szerokości nawet do 800mm jest szwajcarska firma Alusuisse, która już w 1948r., wspólnie wówczas z firmą Säffle wykonała autobus o strukturze aluminiowej, opracowała też najczęściej stosowany system montażowy M5438. Od wprowadzenia do produkcji w 1978r. wytworzono już ponad 6000 autobusów w tym systemie. W 1989r. niemiecka firma Kassbohrer, obecnie EvoBus wykonała jeden z pierwszych miejskich autobusów niskopodłogowych Setra S300NC - wg w/w systemu . Produkcję uruchomiono we francuskiej filii, ale nie zdobył rynku niemieckiego. Oprócz Alusuisse systemy montażowe oferuje też Hess - system CO-BOLT /licencje dla Caetano, Volgren i Design Line/ oraz Säffle - System 2000 (licencje dla Alexander, Volvo / Aabenraa i Xian Silver Bus).

Na świecie znajduje się w eksploatacji ponad 20000 autobusów konstrukcji aluminiowej, w tym ok. połowa to autobusy miejskie. W Europie najwięcej tego typu autobusów jest eksploatowanych w Londynie (LT), Kopenhadze (HT) i Mediolanie (ACT).


Argumenty przemawiające za stosowaniem aluminiowej struktury wg producentów

1. Konstrukcja autobusu jest lżejsza o ok. 500 kg w porównaniu z analogicznym wymiarowo i funkcjonalnie autobusem o konstrukcji stalowej, co z jednej strony zwiększa pojemność użyteczną autobusu przy tej samej masie całkowitej, a z drugiej strony, przy tej samej pojemności, pozwala na osiągnięcie większych przyspieszeń albo na zmniejszenie zużycia paliwa o ok. 2 l/100km.

2. Profile aluminiowe są w większości jednocześnie elementem struktury wytrzymałościowej szkieletu jak i poszyciem zewnętrznym nadwozia.

3. Duża precyzja wykonania profili zapewnia wysoką jakość powierzchni zewnętrznej nadwozia bez dodatkowych prac wykończeniowych.

4. Odporność korozyjna jest co najmniej równorzędna stali nierdzewnej.

5. Cicha i czysta technologia produkcji /cięcie i skręcanie profili/ eliminująca prace spawalnicze, nie wymaga drogiego oprzyrządowania i narzędzi oraz sprzyja ochronie środowiska, a przedewszystkim zmniejsza udział płac w całkowitym koszcie autobusu.

6. Duża elastyczność wykonywania różnorodnych odmian nadwozia np. ilość, wielkość i usytuowanie wnęk drzwiowych i okiennych.

7. Możliwość osiągnięcia bardzo szybkiego wzrostu produkcji bez istotnych nakładów inwestycyjnych.

8. Szybki i łatwy montaż umożliwia równoczesne wytwarzanie autobusu w kilku zakładach produkcyjnych.

9. Większy stopień recyclingu tj. ponownego odzyskiwania materiałów przy likwidacji pojazdu.

10. Wyższa cena złomu przy likwidacji.

11. Kompleksowa analiza całkowitych kosztów całego cyklu "życia" autobusu (Life cycle analysis) - tj. kosztów produkcji, eksploatacji, obciążenia środowiska i likwidacji wykazuje, zdaniem producenta, że aluminium jest najbardziej ekonomicznym materiałem.


W autobusie OmniCity struktura materiałowa (masowa) jest następująca:


stal - 36%

aluminium - 32%

tworzywa sztuczne - 11%

szkło -10%

drzewo / sklejka - 7%

guma - 2%


Profile aluminiowe są droższe niż stalowe, ale koszt zastosowanego aluminium jest mniejszy niż 10% ca łkowitych kosztów materiałowych, tak więc mimo stosowania droższego materiału, dzięki w/w zaletom całkowity koszt autobusu nie musi być wyższy.

Oczywiście nie ma materiałów optymalnych pod każdym względem - konstrukcja aluminiowa wymaga stosowania:

większych wymiarów niż stalowa w krytycznych wytrzymałościowo punktach,
wyższej klasy izolacji przestrzeni pasażerskiej (większa przewodność cieplna),
specyficznych metod naprawczych w przypadku dużego uszkodzenia struktury.




Materiały zebrał i opracował Jerzy Kierecki

Materiały pochodzą z opracowania pt."Technologia wykonania struktur nośnych autobusów miejskich" wydanego przez Izbę Gospodarczą Komunikacji Miejskiej, jako zbiór referatów z Komisji Autobusowej, która odbyła się w maju 1999 roku w Słupsku.

AUTOBUSY O KONSTRUKCJI ZE STALI NIERDZEWNEJ

Od wielu lat stale nierdzewne są stosowane w autobusach wytwarzanych w Ameryce Płn. (USA, Kanada), m.in. w autobusach miejskich RTS (Rapid Transit Series) produkowanych w dużych ilościach od 1977r. do dziasiaj przez General Motors, a obecnie NovaBus. Autobusy mające zarówno strukturę jak i poszycie ze stali nierdzewnej są eksploatowane od już 20 lat w 160 miastach amerykańskich. W Europie stale nierdzewne zostały zastosowane początkowo głównie w autobusach turystycznych np. Neoplan, Padane (I), Duple (GB) - obecnie Plaxton, Volvo w autobusie C10M z nadwoziem wytwarzanym w Szwajcarii, a Scania w autobusie miejskim CL113.

Od kilku lat można obserwować wzrastające ich zastosowanie w Europie - szczególnie w Skandynawii (Carrus - szkielet i poszycie) i Wielkiej Brytanii (firmy Marshall i Mellor - szkielet).

W Polsce autobusy o strukturze ze stali nierdzewnej oferuje Jelcz, Kapena i Volvo.

Najbardziej znane marki handlowe specjalnych stali nierdzewnych stosowanych w europejskich autobusach to:

3CR12 /producenci Crominox i Cromweld/,
Nirosta /producent Thyssen Krupp/,
Polarit /producent Outokumpu polarit/,
Uginox /producent Ugine - Division Usinor /Sacilor/.
Argumenty przemawiające za stosowaniem stali nierdzewnej wg producentów

Profile i blachy ze stali nierdzewnej posiadają dobre własności wytrzymałościowe i wystarczającą spawalność.

Wyższa cena profili i blach ze stali nierdzewnej jest już na etapie produkcyjnym częściowo rekompensowana możliwością zastosowania mniejszych przekrojów dzięki wyeliminowaniu naddatków na korozję i obróbkę zabezpieczającą a także znacznie mniejszym kosztem położenia niewielkich, znacznie lżejszych, powłok ochronnych. Szkielet nadwozia to tylko 2-3% ceny całego autobusu, stąd nawet duży wzrost kosztów szkieletu nie powoduje znaczącego wzrostu całkowitego kosztu autobusu.

Niższe koszty eksploatacji - nie są konieczne częste przeglądy struktur względem ewentualnego występowania ognisk korozyjnych, nie jest wymagane powtarzanie czasowych powłok ochronnych, istnieje możliwość zmniejszenia masy autobusu, a więc i zmniejszenia zużycia paliwa.

Większa pewność bezpieczeństwa struktur nośnych w autobusach po wieloletniej eksploatacji.

Materiały zebrał i opracował Jerzy Kierecki

Materiały pochodzą z opracowania pt. "Technologia wykonania struktur nośnych autobusów miejskich" wydanego przez Izbę Gospodarczą Komunikacji Miejskiej, jako zbiór referatów z Komisji Autobusowej, która odbyła się w maju 1999 roku w Słupsku.

WYBRANE PROBLEMY LEKKICH KONSTRUKCJI W BUDOWIE AUTOBUSÓW MIEJSKICH



Lekkie elementy konstrukcyjne od wielu lat są liczącą się ideą w produkcji autobusów i ciężarówek. Ta idea z różnych przyczyn, szybciej lub wolniej, ale konsekwentnie wpływa na konstrukcję struktur autobusów. Czynnikiem napędowym wprowadzania lekkich elementów jest mniejsze zużycie paliwa przez lżejsze pojazdy. Koszt paliwa stanowi największą część kosztów eksploatacyjnych i zmniejszenie zużycia paliwa o 10% może wpłynąć na znaczną obniżkę kosztów (szczególnie w przypadku przedsiębiorstwa o taborze np. 120 autobusów miejskich). Kolejnym uzasadnieniem wprowadzania lekkich konstrukcji jest zmniejszenie ilości emisji CO2, określonej przepisami, przy zmniejszeniu zużycia paliwa. Z najnowszych badań wynika, że samochody użytkowe (ciężarówki i autobusy) wytwarzają 6% ogólnej emisji CO2. W porównaniu z innymi "producentami" CO2 jest to znacznie mniej niż powszechnie się uważa.

Wszelkie ograniczenia i przepisy dotyczące konstrukcji z lekkich elementów jednak podlegają wzrastającym wymogom bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Prawie każdy zaoszczędzony kilogram w szkielecie autobusu zostaje natychmiast stracony na nowe pomysły w zakresie bezpieczeństwa jazdy. Tylko ograniczenie nacisków osi określa górną granicę masy i zmusza do ograniczeń. Dotyczy to nie tylko szkieletu, lecz wszystkich zespołów autobusu.

Problemy konstrukcji lekkich odnoszą się w pierwszej kolejności do zagadnień konstrukcji stalowej. Masa napędu i układu jezdnego wynosi razem 38% masy autobusu. Na tę część masy producent autobusu nie ma praktycznie wpływu. Również masa płynów, farb, kleju, akumulatorów, tablic informacyjnych, siedzeń, szkła jest trudnna do zmniejszenia przez producenta autobusów. Producent autobusów nie ma więc wpływu na 60% masy autobusu.

Do rozważań na lekką konstrukcję pozostaje około 40% masy autobusu.

Masę autobusu można zmniejszyć poprzez:

1. zwiększony udział metali lekkich,

2. powiększony wkład tworzyw sztucznych wzmocnionych,

3. lepsze wykorzystanie tradycyjnych materiałów,

4. inne drogi w konstrukcji szkieletu autobusu.

Ad.1) Aluminium jest około trzy razy lżejsze od stali. Poza tym jest obok tlenu i krzemu, najczęściej występującym składnikiem na ziemi. Aluminium nadaje się doskonale na konstrukcje lekkie. Ale aluminium ma też duże wady. Wytrzytmałość aluminium jest wyraźnie mniejsza w porównaniu ze stalą. Żeby to zrównoważyć niezbędne jest rozbudowanie struktury konstrukcji. Poza tym wytwarzanie i obróbka oraz zagospodarowanie odpadów i zużytego aluminium jest kosztowne.

Ad. 2) Wzmocnione tworzywa są bardzo lekkie i posiadają wystarczającą wytrzymałość dla niektórych elementów. Różne grubości ścianek i lokalne wzmocnienia można wytworzyć także tanim kosztem. Wadą tworzyw wzmocnionych jest trudne i drogie przetworzenie odpadów i zużytych materiałów.

Ad.3) W tradycyjnych konstrukcjach stalowych istnieją jeszcze możliwości wprowadzenia lekkich konstrukcji. Jedną z metod jest konsekwentne prowadzenie obliczeń wytrzymałościowych konstrukcji metodą elementów skończonych, przez co można uzyskać wyraźne korzyści. Inną metodą jest ukierunkowane formowanie elementów z blach zastępując profile zamknięte. Wadą formowania jest ewentualność przestawienia linii produkcyjnej.

Ad. 4) Przez wykorzystanie wcześniej wyprodukowanych modułów konstrukcja szkieletu będzie się zdecydowanie zmieniać. Nie tylko wsad takich zespołów jak osie i układ kierowniczy będzie konstruktorowi stawiać nowe zadanie lecz także budowane całe moduły napędowe lub drzwiowe wymuszać będą nowe drogi w konstrukcji. Te zespoły będą w przyszłości dostępne w samodzielnych ramach samonośnych, które przejmą wycinkowe funkcje wytrzymałościowe ramy kratownicowej i szkieletu nadwozia.

Korozja

Obok wszystkich pomysłów o zmniejszaniu masy nie należy zapominać o ochronie przed korozją. Wiodącą rolę w ochronie przed korozją odgrywa aluminium i tworzywa sztuczne. Metody jak ocynkowanie, lakierowanie lub inne zabezpieczenia są ogólnie znane. Przy stosowaniu stalowych profili zamkniętych chroni się także przestrzeń wewnętrzną profili. Woskowanie, a szczególnie malowanie zanurzeniowe są najkorzystniejszymi obecnie metodami. Stosowanie profili otwartych ułatwia ochronę przed korozją. Wkład materiałów antykorozyjnych takich jak aluminium ułatwia ochronę antykorozyjną. Ta metoda ma także swoje wady. Wszystkie spawy bowiem muszą być zabezpieczone antykorozyjnie. Połączenia materiałów ferrytycznych i austenitycznych są również miejscami krytycznymi na działanie korozji.

Naprawy i części zamienne

Znaczącym elementem w ocenie różnych materiałów są późniejsze naprawy i zaopatrzenie w części zamienne. Stal jest wszędzie w świecie dostępna i wszędzie są możliwe naprawy części ze stali. Aluminiowe części są do naprawy przez przeszkolony personel wyposażony w specjalne oprzyrządowanie. To samo jest ze wzmocnionymi tworzywami - naprawy części wymagają specjalnych kwalifikacji i oprzyrządowania. Części ze stali nierdzewnych kwasoodpornych można naprawiać środkami wiejskich warsztatów, jednak efekty są krótkotrwałe, bo wykonawstwo nie spełnia produkcyjnych wymagań. Ponadto zaopatrzenie w aluminium, tworzywa i stale nierdzewne nie zawsze jest zapewnione w sposób ciągły.

Przetwarzanie zużytych części

Konstruktor produktu o trwałości 22 do 30 lat musi już dzisiaj wybierać materiał pod kątem jego przetworzenia po zużyciu. Stal, stal nierdzewna oraz aluminium można przetworzyć bez problemów. Obok szkła są to materiały najczęściej przetwarzane. Zarówno zbieranie jak i przetwarzanie jest dobrze zorganizowane i znośne dla środowiska. Tworzywa dają się przetworzyć, gdy materiał podstawowy i pozostałe składniki są od początku przetwarzalne. Niewłaściwy dobór materiałów może spowodować, że zastosowane tworzywa wymagają termicznego przetworzenia lub są w ogóle nie przetwarzalne. Oznacza to, że zagospodarowanie odpadów jest bardzo drogie. Niżej podane zestawienie przedstawia porównanie stopnia przetworzenia klasycznej konstrukcji i konstrukcji z elementami lekkimi na przykładzie samochodu osobowego.

Tabela 1 Zestawienie przedstawia porównanie stopnia przetworzenia klasycznej konstrukcji i konstrukcji z elementami lekkimi na przykładzie samochodu osobowego.


Składnik Konstrukcje klasyczne Konstrukcje lekkie
Materiały nieżelazne 250 kg 250 kg
Stal 750 kg 500 kg
Masa całkowita 1000 kg 750 kg
Materiały przetwarzalne 800 kg 600 kg
Odpady nieprzetwarzalne 50 kg 100 kg
Pozostałe np. popiół 150 kg 50 kg

To porównanie można przenieść na budowę autobusów. Można dokonać radykalnej redukcji masy przez zastosowanie lekkich materiałów, ale źle przetwarzalnych przez co zwiększają się odpady nieprzetwarzalne. Istotną tutaj rolę odgrywają przepisy obowiązujące w budowie autobusów. Przy czym oczekuje się od prawodawcy przepisów spełnialnych i możliwych do sfinansowania przez przemysł. Rolę przepisów w konstrukcji odczuwa się na każdym stanowisku. Konstrukcje muszą spełnniać nie tylko przepisy drogowe, ale także wydzielania spalin i zagospodarowywania odpadów i zużytych produktów. Aby zająć wyraźne stanowisko co do zastosowania różnych materiałów konieczne jest uwzględnienie strony ekonomicznej. Aby redukcja masy była zaletą, konieczne jest zaoszczędzenie na masie tyle, aby na przykład można było na osi tylnej zastosować pojedyncze koła.

Wymaga to zaoszczędzenia ok. 6000kg, zakładając, że obciążenie osi z podwójnymi kołami wynosi 120 kN.

Powstaje więc pytanie, gdzie można zmniejszyć masę jeżeli struktura waży ok. 3000 kg, co stanowi 29% masy własnej autobusu. Możliwe obniżenie masy struktury o 20% wynoszące ok. 600 kg zostaje natychmiast wykorzystane na inne zespoły. Żeby uzyskać w/w 6000 kg musi się włożyć wiele pracy w konstrukcje i produkcję. Trudności z tym związane uwidaczniają niżej podane liczby. Struktura autobusu składa się z około 1800÷2000 elementów co oznacza, że zaoszczędzenie 6000kg, wymaga zmniejszenia średnio o 3 kg masy każdego elementu.

Inna metoda to zmniejszenie grubości materiału o ok. 0,5mm na wszystkich elementach przez co uzyska się zmniejszenie masy o ok. 250 kg.

Wszystkie zwiększone nakłady pracy powodują wysokie koszty, które poprzez cenę sprzedaży przechodzą na u żytkownika. Tutaj z mojego punktu widzenia osiąga się gdzieś maksymalną cenę sprzedaży dla klienta i minimalne koszty dla producenta. Konstrukcje lekkie i ochrona środowiska podrażają w równej części produkt. Należy więc zawsze rozważyć jaki materiał i w jakim zastosowaniu go użyć.

Podsumowanie

Wkład aluminium i tworzyw sztucznych jest godny zalecenia, gdyż wszystkie warunki techniczne, handlowe oraz ochrony środowiska zostaną uwzględnione.

Zastosowanie stali nierdzewnej jest rozsądnym rozwiązaniem.

Największe korzyści widzę w mądrym wykorzystaniu stali z wykorzystaniem nowych metod formowania na posiadanych maszynach i przy tanich mocach przerobowych.

Materiały zebrał i opracował Jerzy Kierecki

Materiały pochodzą z opracowania pt. "Technologia wykonania struktur nośnych autobusów miejskich" wydanego przez Izbę Gospodarczą Komunikacji Miejskiej, jako zbiór referatów z Komisji Autobusowej, która odbyła się w maju 1999 roku w Słupsku.