بدنه خودرو چگونه آگاهانه تغییر شکل می‌دهد؟ مهندسی منطقه تغییر شکل (Crumple Zone)

Crumple zone، یعنی ناحیه تغییر شکل آگاهانه، ناحیه ایمنی سازه‌ای است که در لحظه برخورد، عمداً له شده و انرژی برخورد را جذب می‌کند. یعنی له شدن خودروی ما یک نقص نیست، بلکه برعکس، بزرگ‌ترین هدیه مهندسان است: بدنه خود را فدا می‌کند و کابین سرنشین حفظ می‌شود. اما چگونه طراحی می‌شود که یک فلز چنین هوشمندانه له شود؟ دقیقاً در همین صفحه درباره همین موضوع صحبت خواهیم کرد.

چرا له شدن جان نجات می‌دهد؟ پاسخ بی‌رحمانه اما روشن فیزیک

ابتدا این پرسش عالی را از ذهنمان پاک کنیم: "اگر ماشین محکم باشد، من در امانم، درست است؟" نه! قانون طلایی فیزیک برخورد این است: تغییر اندازه حرکت ثابت است، اما هرچه این تغییر در مدت زمان طولانی‌تری رخ دهد، نیرویی که در آن زمان وارد می‌شود کمتر است. می‌توانیم فرمول را به شکل F·t = m·v خلاصه کنیم؛ یعنی نیروی متوسط با زمان اعمال رابطه عکس دارد.

حالا این را به زندگی گره بزنیم. تصور کن در حال دویدن به سمت دیوار هستی و نتوانی بایستی و برخورد کنی - دو سناریو وجود دارد: یا دیوار سخت، یا یک کارتون بزرگ. کارتون با له شدن تو را کند می‌کند، اما دیوار تو را ناگهانی متوقف می‌کند. همان ضربه، نتایج کاملاً متفاوت. حتی در یک برخورد کاملاً کشسان، یعنی با بازگشت، ضربه وارد شده به خودرو و سرنشینانش ممکن است تا دو برابر نیز برسد؛ crumple zone دقیقاً برای جلوگیری از همین وجود دارد.

Crumple zone دو کار را همزمان انجام می‌دهد: نیروی اولیه برخورد را کاهش می‌دهد و نیروی باقی‌مانده را پیش از رسیدن به سرنشین دوباره توزیع می‌کند. انرژی جنبشی با فروریختن به داخل ریل‌های چارچوب جلویی موسوم به uzuneron و لوله‌های crush، به گرما و انرژی تغییر شکل ساختاری تبدیل می‌شود. فلز له‌شده، به نوعی نقش اسفنج جذب‌کننده انرژی را ایفا می‌کند. کاملاً منطقی است، نه؟

Béla Barényi و بهترین "ایده بد" تاریخ

Béla Barényi، مهندس Mercedes، با زیر سؤال بردن دیدگاه حاکم بر دوره خود مبنی بر اینکه "خودروی ایمن باید صلب باشد"، به تاریخ پیوست. او در سال 1937 نخستین ایده و در سال 1952 شکل توسعه‌یافته آن را ثبت اختراع کرد. نبوغ او در این بود که بدنه را به سه بخش تقسیم کرد: یک کابین سرنشین صلب در وسط، و نواحی تغییر شکل آگاهانه در جلو و عقب.

مرسدس "پونتون" سال 1953 اجرای جزئی این ایده‌ها بود؛ نخستین اجرای کامل اما در W111 سال 1959 با "باله دم"ی ارائه شد. در آن مدل، میانه بدنه یک سلول ایمنی صاف و صلب بود و تکیه‌گاه‌های جلو و عقب به‌گونه‌ای طراحی شده بودند که با خمیدگی خود تغییر شکل داده و انرژی را جذب کنند. پس از آن تحول سریع بود: به اعضای طولی، ساختارهای تلسکوپی "جعبه ضربه" تضعیف‌شده با دنده‌های عمودی و افقی افزوده شد و ولوو در اوایل دهه 1990 با سیستم محافظت از ضربه جانبی به نام SIPS، مفهوم ناحیه له‌شدگی جانبی را معرفی کرد.

یک آزمایش افسانه‌ای هم هست که میزان این تفاوت را نشان می‌دهد: آزمایش برخورد آفست میان یک شورولت بل ایر مدل 1959 و یک مالیبو مدل 2009، برتری طراحی مدرن را به‌طور کامل عیان کرد. کابین خودروی قدیمی متلاشی شده بود؛ در خودروی جدید کابین پابرجا ماند. یعنی جمله "قبلاً ماشین‌ها مثل سنگ بودند" دقیقاً عکس واقعیت را نشان می‌دهد: ماشین سنگی، ضربه سنگی را به سرنشین منتقل می‌کند.

بدنه چگونه طراحی می‌شود؟ تعادل میان مناطق نرم و سلول مقاوم

اینجاست که ظریف‌ترین تعادل مهندسی آغاز می‌شود. اگر همه‌جا را از فولاد سخت بسازی، هیچ چیز برای جذب انرژی نیست و ضربه مستقیماً به سرنشین می‌رسد. اگر همه‌جا را نرم بسازی، کابین له می‌شود. به همین دلیل بدنه، همچون لوله آزمایش یک شیمی‌کار باتجربه، به مناطق مختلفی تقسیم می‌شود: در مناطق تغییر شکل، فولاد نرم و آلومینیومی که به‌آسانی له می‌شود، و در سلول سرنشین از فولاد فوق‌پرمقاومت و آلیاژهای بور استفاده می‌شود.

هسته طراحی Crashworthiness نیز دقیقاً همین است: تنظیم از پیش و تا حد میلی‌مترِ ناحیه له‌شدگی (crumple zone) برای جذب انرژی جنبشی خودرو در برخورد. در یک ناحیه له‌شدگی خوش‌طرح، تغییر شکل فقط در مکان‌های انتخاب‌شده و به‌صورت کنترل‌شده رشد می‌کند و حداکثر جذب انرژی حفظ می‌شود. یعنی له‌شدگی تصادفی نیست، بلکه بر اساس نقشه‌ای که مهندس ترسیم کرده پیش می‌رود.

AHSS: تعادل مادهای هم سخت و هم سبک

"پس سختی و قابلیت له‌شدگی چگونه در یک خودرو جا می‌شود؟" ممکن است بپرسید. پاسخ در علم مواد است: فولادهای پیشرفته پرمقاومت (AHSS) هم در مدیریت انرژی برخورد عملکرد بهتری از فولادهای کلاسیک HSLA دارند و هم شکل‌پذیری بهتری عرضه می‌کنند. ورق فولادی پرمقاومت، مقاومت تسلیم و گسیختگی بالاتری از فولاد ملایم دارد؛ این امر راه را برای سبک‌سازی بدنه در عین تقویت سلول ایمنی باز می‌کند. گریدهای کنونی AHSS می‌توانند وزن ساختاری را تا 25 درصد کاهش دهند که این امر انتشار CO2 در چرخه عمر را تا 15 درصد کاهش می‌دهد. یعنی ایمنی و بهره‌وری با هم دست می‌دهند.

یک قطعه کوچک اما حیاتی هم وجود دارد: crash box، یعنی لوله ضربه. این پروفیل‌های فولادی توخالی که در نصب سپر استفاده می‌شوند، حدوداً 20 کیلومتر بر ساعت'ye kadar olan hafif çarpışmalarda profile را به شکل لوله درآورده و انرژی را تبدیل می‌کند و از آسیب‌دیدن ساختاری که بار اصلی را تحمل می‌کند جلوگیری می‌کند. آن حالتی که وقتی به ماشینی که در پارکینگ آرام کوبیده‌ای نگاه می‌کنی و می‌گویی «سپر ریست شد، شانس آوردیم»، پشت آن مهندسی جدی نهفته است. دنیای مسابقه هم بی‌کار نمی‌ماند: impact attenuator های ساخته‌شده از آلومینیوم، honeycomb فیبر کربن یا فوم جاذب انرژی، با حجم و وزنی بسیار کمتر از خودروهای جاده‌ای، انرژی را توزیع می‌کنند. یک نکته جالب هم هست: چون در جلوی خودروهای الکتریکی بلوک موتور وجود ندارد، مهندسان می‌توانند crumple zone جلویی عمیق‌تری طراحی کنند.

مسیرهای انتقال قدرت: مسیری که برای نرسیدن انرژی به سرنشین ترسیم می‌شود

جذب انرژی کافی نیست؛ باید بخش جذب‌نشده را هم به آدرس درست هدایت کرد. اینجا مفهوم load path یعنی مسیر انتقال بار وارد می‌شود. مهندسان با نواحی تغییر شکل کنترل‌شده و load path ها، انرژی برخورد را به اطراف سلول سرنشین هدایت می‌کنند؛ هدف طراحی، کمینه کردن باری است که به سایر سازه‌ها منتقل می‌شود. در برخورد جلویی، سازه جلو و crumple zone ها باید انرژی را با تغییر شکل پلاستیک به شکل کنترل‌شده جذب کنند.

چرا این مسیر در جلو و عقب پیشرفته‌تر است؟ این یک آمار جالب است: 65 درصد آسیب‌های خودروهای سرنشین‌دار در جلو، 25 درصد در عقب و باقی‌مانده 10 درصد در کناره‌ها رخ می‌دهد. دلیل اینکه بزرگ‌ترین crumple zone ها در جلو قرار دارند همین است. توسعه‌های جدید هم به آن اضافه شد؛ سازه‌های جدید انتقال بار که در ابتدای برخورد بار را افزایش می‌دهند و تغییر شکل بدنه را مهار می‌کنند، هنوز در حال پژوهش هستند. بهینه‌سازی crashworthiness قاب‌های S با دیواره نازک نیز موضوع پژوهشی فعالی است. ایده‌های رادیکالی هم وجود دارد: Pininfarina Nido آزمایشی سال 2004، طراحی‌ای را امتحان کرد که crumple zone ها را داخل سلول بقا قرار می‌داد - سلول روی سورادی decelerate می‌شود. ولوو نیز برای خودروهای کوچک مفهوم صندلی سورادی مشابهی توسعه داد؛ صندلی تا 20 سانتی‌متر به جلو سُر می‌خورد و shock absorber در نقطه اوج انرژی را جذب می‌کند.

ساختار بدنه در تست‌های Euro NCAP چگونه امتیازها را تعیین می‌کند؟

مهندسی نظری خوب است، اما آیا نباید در میدان ثابت شود؟ Euro NCAP دقیقاً همین‌جا وارد عمل می‌شود. ارزیابی با تحلیل نیروهای برخورد اندازه‌گیری‌شده، شدت احتمالی آسیب در نواحی بحرانی بدن مانند سر، لگن و پاها را بررسی می‌کند. اصل بنیادین پروتکل بسیار روشن است: حفظ یکپارچگی ساختاری هدف‌گذاری شده و خطر پرتاب شدن سرنشین به حداقل می‌رسد. برای dummy های تست، در چهار ناحیه اصلی نیرو اندازه‌گیری می‌شود: سر-گردن، قفسه سینه، لگن/فمور/زانو و ساق پا/پا/مچ پا.

فرمت آزمون پایه، آزمون سپر تغییرشکل‌پذیر آفست است که برخورد مستقیم سر به سر دو خودروی هم‌جرم با سرعت 50 کیلومتر بر ساعت با 50 درصد همپوشانی را شبیه‌سازی می‌کند؛ نسخه Global NCAP اما با سرعت 64±1 کیلومتر بر ساعت انجام می‌شود. و این هم نمونه‌های ملموسی از تأثیر مستقیم ساختار بدنه بر امتیازها: در آزمون یک مدل، شکست جوش در نقاط جوش حین برخورد باعث از دست رفتن یکپارچگی سازه و افزایش خطر تغییرشکل در اطراف کابین شد - یعنی حتی کیفیت جوشکاری هم روی ستاره‌ها اثر می‌گذارد. در آزمونی دیگر در سال 2018، تغییرشکل کف پا نشان داد که سازه به مرز یکپارچگی رسیده است. نکته کوچک دیگر: گرفتن پنج ستاره تضمینی برای عملکرد خوب در آزمون‌های برخورد کم‌سرعت نیست. ستاره‌ها بر محافظت از کابین متمرکزند؛ کاری به کار سپرها و بخش‌های زیر آن ندارند.

پرسش‌های پرتکرار و واقعیت‌های گیج‌کننده

"چرا خودروهای مدرن به اندازه خودروهای قدیمی محکم به نظر نمی‌رسند؟"

چون ظاهر فریبنده است. تغییرشکل کنترل‌شده عمدی است؛ یک بدنه صلب نمی‌توانست انرژی را جذب کند و آن را مستقیماً به سرنشین منتقل می‌کرد. همان «آسیب کم» خودروهای قدیمی چیزی بود که آن‌ها را کشنده می‌کرد: چون شاسی صلب انرژی را جذب نمی‌کرد، نیرو مستقیماً به سرنشین منتقل می‌شد و زمان شتاب منفی طولانی نمی‌شد. وقتی خودرویی مجهز به ناحیه تغییرشکل کنترل‌شده با SUV صلبی برخورد می‌کند، ممکن است آسیب بیشتری ببیند، اما معمولاً سرنشینانش کمتر متأثر می‌شوند. افزون بر این، چون «نقاط سخت» روی شاسی SUVها بالاتر از خودروهای سواری است، می‌تواند از ناحیه تغییرشکل کنترل‌شده خودروی مقابل رد شود؛ به همین دلیل با افزودن سازه‌های زیر سپر به SUVهای جدید، هدف این است که ناحیه تغییرشکل طرف مقابل وارد عمل شود.

"آیا ناحیه تغییرشکل کنترل‌شده جایگزین کمربند و کیسه هوا است؟"

نه، و این بسیار مهم است. ناحیه تغییرشکل کنترل‌شده نیرویی را که به محدوده سرنشین می‌رسد کاهش می‌دهد؛ کمربند و کیسه هوا اما سرنشین را نگه می‌دارند و نرم می‌کنند. باقی ماندن مقداری نیروی جذب‌نشده اجتناب‌ناپذیر است و درست در همان نقطه است که کمربند به عنوان عنصر مکمل وارد عمل می‌شود. آن‌ها به عنوان یک سیستم با هم کار می‌کنند - هیچ‌کدام به تنهایی کافی نیست.

"آیا خودروی له‌شده قابل تعمیر است؟"

اگر تغییرشکل یکپارچگی کابین را از بین نبرده باشد، معمولاً بله. اما اینجا نکته مهم است: حتی چند میلی‌متر جابه‌جایی ریل هم می‌تواند بر هندسه تعلیق و محل سنسورهای ADAS اثر بگذارد. به همین دلیل در تعمیر، بازگشت به مشخصات OEM با سیستم‌های اندازه‌گیری الکترونیکی ضروری است. یعنی دوره «با چکش صافش می‌کنیم» خیلی وقت است تمام شده.

یک جمله آخر بگذارم: دفعه بعد که در ویدیویی از آزمون برخورد دیدی فلز له می‌شود، عصبانی نباش - آن له شدگی، ملایم‌ترین نتیجه ممکن برای آن مانکن داخل کابین در آن سناریو بود.

منابع

• منطقه له‌شدگی
• منطقه له‌شدگی چیست؟ چگونه خودروها ضربه را جذب می‌کنند
• مناطق له‌شدگی چگونه کار می‌کنند و در تصادفات جان انسان‌ها را نجات می‌دهند
• منطقه له‌شدگی - مروری کلی
• آرشیو تصادفات - راهنماهای AHSS
• انواع فولادهای پرسختک در خودروها
• طراحی سازه خودرو برای مدیریت انرژی تصادف
• مدل‌سازی و تحلیل منطقه له‌شدگی یک خودروی نمونه
• چگونه ایمنی خودروها آزمایش می‌شود - Euro NCAP
• پروتکل ارزیابی Euro NCAP - AOP - نسخه 9.1.3
• ارزیابی رتبه‌بندی‌های ایمنی آزمون تصادف Euro NCAP
• چرا خودروهای مدرن هنگام تصادف له می‌شوند