En god bil er lett – og stiv. Å bygge noe lett og stivt hørte til i flyenes verden. Nå bygges også biler slik. Men hvordan?
Bildet øverst: Lancia var – ved siden av André Citroën – tidlig ute med lett og stiv skallkonstruksjon. Her en førkrigs Aprilia. (Foto: Tony Harrison)
Av Stein Bekkevold
Da unge flyingeniører skulle lage nymotens maskiner til luftkampene i første verdenskrig, måtte de finne opp ny teknikk: Huden på flyet måtte være glatt og aerodynamisk, så de prøvde å lage den av lett metall og feste det til et rammeverk av profiler og spant på innsiden.
Teori: Da ville hud og skjelett samvirke og ta opp lastene under start og landing, og i hissige luftkamper. Men metallene hadde dårlig kvalitet, så de måtte også bruke treskjelett med platekledsel – og før dette med flak og strimler av finér – duk var ikke lenger godt nok.
Dette fortsatte til tyske ingeniører rundt 1916 fikk tøffere duraluminium – og de flyene fikk moderne metallhud. Teoriene om knekkstivhet (i staver og platefelt) var rundt år 1760 utviklet av det sveitsiske matematikkfenomenet L. Euler, det som manglet var materialene. Skroget ble nå et «rør» med forsterkede åpninger, vingene var buede platekonstruksjoner. Skall. Naturens beste skall er egget …
Det Euler hadde oppdaget var de fire ulike innspenningsformer for staver og/eller platefelt, der de som er fast innspent i begge ender er de stiveste – logisk nok – mens de som bare er hengslet i en ende flagret vilt.
Han satte opp ligninger for dette og de er like aktuelle i dag.
Naturen er best. Egget er beste skallkonstruksjon! (Foto: wikipedia)
Stivhet
i metall viser evnen til å motstå elastisk deformasjon (bøying eller strekking) når en last påføres, og til å gå tilbake til opprinnelig form når lasten fjernes. Dette er en molekylær materialegenskap som angis med Young´s modul, etter den engelske forsker, lege og naturforsker T. Young (1773-1829).
Stivhet kontra styrke: En vanlig misforståelse er at styrke og stivhet er det samme. NEI: De er svært forskjellige: Stivhet viser hvor mye noe bøyer seg ved påkjenning. Den bestemmes av metallets atombindinger/molekyler og er konstant – uansett varmebehandlinger eller produksjonsprosesser. Styrke/fasthet sier hvor mye last et objekt tåler før det deformeres permanent.
Bygging av JAS 39 kampfly hos Saab, der huden er sentral i strukturen for opptak av laster (påkjenninger) – du ser stivt innfestede platefelt av høylegert 2 millimeter aluminium. (Foto: Saab)
Lettere
Rammeverk og metallhud ble i 1920-årene bedre beregnet og satt enda bedre sammen, og de første egentlige skallene så dagens lys. Og flyshow ble fort en folkeforlystelse.
Nå ville også bilbransjen bygge lettere og rimeligere biler, ved å sveise sammen platedeler til et romformet karosseri (3D spaceframe), og ikke lenger bygge den tunge overdelen (karosseriet) for seg og så skru den fast på en stigeformet, stor og tung stålramme med hjul og drivlinje, et chassis.
Det er lett å se hvilken utfordring dette var: Ingeniørene måtte tenke full laststrømning (kraftfordeling); her skulle laster styres gjennom hele 3D-konstruksjonen, fra hjul og fjærer opp gjennom platesider til platetak, og tas opp som i et eggeskall uten knekking og utbuling av platedeler og støttekonstruksjon. Alt måtte være vristivt og trykkfast, men samtidig lett. Og rimelig. Kollektiv hodepine.
Porsche og andre har videreutviklet en skallkonstruksjon kalt unibody som først kom på 1920-tallet. (Foto: Porsche)
Lancia
En av de første bilingeniørene som gransket dette, var den ganske selvlærte italiener Vincenzo Lancia, tett fulgt av den franske ingeniør André Citroën.
Lancia Lambda kom i 1922 med delvis selvbærende karosseri, og Citroën kom senere med sin «skallkonstruksjon» i Traction Avant, med forhjulstrekk …
Strengt tatt er biler ikke egentlige skall, de har en omfattende indre struktur av pressede stålplater kledd med platepaneler som gir formen, og mer eller mindre god aerodynamikk. Årsaken er sikkerhetskravene – de kan ikke i våre dager møtes med skalløsninger som de første fra Lancia og Citroën.
Stivhet og styrke
Styrken i et skall er størst når det er uten åpninger. En åpning ble av vår noe intense fysikkprofessor kalt en diskontinuitet: Laststrømmen gjennom skallet brytes når det er hull der, så kreftene må strømme rundt hullet. Da lærte vi å lage hullet glatt og pent for å gi jevn laststrøm – uten slemme spenningskonsentrasjoner – og innså at det matematisk beste hullet er en sirkel. Det nest beste er en oval, og alt annet er dårligere – de gir fort spenningskonsentrasjoner. Med sprekkvekst og sammenbrudd.
Dessverre har selv den tøffeste flyaluminium en materialstivhet – E-modul – på 1/3 av stålets, ca 71 GPa mot ca 210. Med aluminium får du altså ikke ut hele vektfordelen (aluminium veier 2,7 kg/dm3 og stål 7,9) men allikevel sparer du omtrent 50% – med samme styrke og stivhet, bare du konstruerer riktig. Stivhet = geometri!
Fysiker, matematiker osv. L. Euler, en av sin tids STORE rockestjerner ved siden av Isac Newton. Euler satte opp formlene for stivhet i romlige konstruksjoner (3D). (Malt av J E Handmann, henger i Kunstmuseum Basel)
Supersterke lim
Som om ikke dette er nok må flyfolk også tenke vristivhet på tvers av skroget og bøyfasthet langsetter. Alt dette må også bilfolk tenke på, i dag har de digre datamaskiner til hjelp. Nå lager tusj-gutta og -jentene i designavdelingen skisser som oversettes til data i snitt etter snitt langsetter, og mates inn i datamaskinen. Den foreslår avstivende elementer i alle åpninger og under skallet, pluss steder der store laster tas inn, som i drivverk og hjuloppheng.
Til slutt har de fått et databasert forslag som konstruksjonsavdelingen fordøyer bit for bit. Fortsatt må det jo lages egne beregninger og detaljtegninger som utgangspunkt for pressverktøy – som skal stanse/pressforme en myriade av store og små platebiter; alt blir til slutt et karosseri med ytre former og indre forsterkinger. Ikke noe av dette er bare-bare.
En god ting er at limte sammenføyninger er stivere enn punktsveisede. Og det er en fin nyhet, særlig med de nye, avanserte og hurtigtørkende, supersterke epoksy- og polyesterlimene. De ser vi på en annen gang.
