Dlaczego nadwozie celowo się odkształca? Inżynieria stref zgniotu

Strefa zgniotu, czyli celowo odkształcalny obszar, to konstrukcyjna strefa bezpieczeństwa pojazdu, która w momencie zderzenia celowo się zgniata, pochłaniając energię uderzenia. Tak więc zgniecenie naszego samochodu to nie wada, a wręcz przeciwnie - największy gest inżynierów: nadwozie poświęca siebie, kabina pasażerska jest chroniona. Ale jak projektuje się tak inteligentne zgniatanie metalu? Właśnie o tym będziemy rozmawiać na tej stronie.

Dlaczego Zgniecenie Ratuje Życie? Bezwzględna, ale jasna odpowiedź fizyki

Najpierw oczyśćmy wspaniałe pytanie, które mamy w głowie: "Jeśli samochód jest solidny, to jestem bezpieczny, prawda?" Nie! Złota zasada fizyki zderzeń brzmi tak: zmiana pędu jest stała, ale im dłuższy czas tej zmiany, tym mniejsza siła działająca w tym czasie. Wzór można podsumować jako F·t = m·v; czyli średnia siła jest odwrotnie proporcjonalna do czasu działania.

Teraz przełóżmy to na życie. Wyobraź sobie, że biegniesz w stronę ściany i nie możesz się zatrzymać - są dwa scenariusze: albo uderzasz w twardą ścianę, albo w gigantyczny karton. Karton zgniatając się, spowalnia cię, a ściana zatrzymuje cię nagle. Ten sam impuls, zupełnie inne skutki. Co więcej, przy całkowicie sprężystym, czyli odbijającym zderzeniu impuls działający na pojazd i jego pasażerów może nawet się podwoić; strefa zgniotu istnieje właśnie po to, by temu zapobiec.

Strefa zgniotu robi dwie rzeczy jednocześnie: redukuje początkową siłę zderzenia i rozprasza pozostałą siłę, zanim dotrze do pasażera. Energia kinetyczna zamienia się w ciepło i energię deformacji strukturalnej poprzez wewnętrzne zgniatanie przednich ram podłużnych zwanych longeronom i rur crush. Zgniatający metal pełni w pewnym sensie rolę gąbki pochłaniającej energię. Całkowicie logiczne, prawda?

Béla Barényi i najlepszy "zły pomysł" w historii

Béla Barényi, inżynier Mercedes, przeszedł do historii, kwestionując panujące w jego czasach przekonanie, że "bezpieczny samochód musi być sztywny". W 1937 roku opatentował swoją pierwszą koncepcję, a w 1952 roku jej zaawansowaną wersję. Jego geniuszem było podzielenie nadwozia na trzy części: pośrodku sztywna komora pasażerska, a z przodu i z tyłu strefy celowo odkształcalne.

Mercedes "Ponton" z 1953 roku był częściowym wdrożeniem tych idei; pierwsze pełne zastosowanie przyszło w 1959 roku z modelem W111 "tail fin". W tym modelu środek nadwozia był płaską i sztywną klatką bezpieczeństwa, a przednie i tylne wzmocnienia zaprojektowano tak, aby odkształcały się, zachowując krzywiznę, i pochłaniały energię. Później rozwój był szybki: do elementów podłużnych dodano teleskopowe konstrukcje "crash can" osłabione pionowymi i poziomymi żebrowaniami, natomiast Volvo na początku lat 90. wprowadziło koncepcję bocznej strefy zgniotu wraz z systemem ochrony przy uderzeniu bocznym o nazwie SIPS.

Istnieje też legendarny test pokazujący, jaką różnicę to robi: test zderzenia z przesunięciem Chevroleta Bel Air z 1959 roku z Malibu z 2009 roku pokazał w pełnej krasie, jak bardzo nowoczesny design jest przewyższający. Kabina starego samochodu była doszczętnie rozbita; w nowym pojeździe kabina pozostała nienaruszona. Czyli zdanie "kiedyś samochody były twarde jak skała" pokazuje dokładnie odwrotność: samochód twardy jak skała przenosi uderzenie twarde jak skała prosto do pasażera.

Jak Projektuje się Nadwozie? Równowaga między strefami zgniotu a klatką bezpieczeństwa

I właśnie tu zaczyna się najpiękniejsza równowaga inżynierii. Jeśli zrobisz wszystko z najtwardszej stali, nie będzie niczego, co pochłonie energię, a uderzenie pójdzie prosto do pasażera. Jeśli zrobisz wszystko miękkie, kabina się zgniecie. Dlatego nadwozie dzieli się na strefy niczym probówka doświadczonego chemika: w strefach deformacji stosuje się łatwo ulegającą zgniotowi miękką stal i aluminium, a w klatce pasażerskiej stal o ultrawysokiej wytrzymałości oraz stopy boru.

Sedno projektowania crashworthiness polega dokładnie na tym: na tym, by strefa zgniotu, która ma pochłonąć energię kinetyczną pojazdu podczas zderzenia, była z góry dostrojona co do milimetra. W dobrze zaprojektowanej strefie crush zone deformacja rośnie tylko w wybranych lokalizacjach i w kontrolowany sposób, przy zachowaniu maksymalnego pochłaniania energii. Czyli zgniot nie jest przypadkiem, lecz postępuje według mapy narysowanej przez inżyniera.

AHSS: Równowaga materiału twardego i lekkiego jednocześnie

Możesz zapytać: "Jak więc twardość i podatność na zgniot mieszczą się w jednym samochodzie?" Odpowiedź leży w nauce o materiałach: zaawansowane stale o wysokiej wytrzymałości (AHSS) sprawdzają się w zarządzaniu energią zderzenia lepiej niż klasyczne stale HSLA, a przy tym oferują lepszą podatność na formowanie. Blacha ze stali o wysokiej wytrzymałości ma granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie wyższą niż mild steel; to otwiera drogę do wzmocnienia klatki bezpieczeństwa przy jednoczesnym odchudzeniu nadwozia. Dostępne gatunki AHSS potrafią zmniejszyć masę konstrukcji nawet o 25%, co obniża emisje CO2 w cyklu życia nawet o 15%. Czyli bezpieczeństwo i efektywność podają sobie ręce.

Jest jeszcze jedna mała, ale krytyczna część: crash box, czyli crash tube. Te puste w środku stalowe profile stosowane przy montażu zderzaka podczas lekkich zderzeń do 20 km/h pełnią funkcję _from_to_, przekształcają energię i w _to_to_ sposób zapobiegają uszkodzeniu konstrukcji. Ta sytuacja, gdy patrzysz na samochód lekko uderzony na parkingu i mówisz "zderzak się zresetował, mieliśmy szczęście", kryje w sobie poważną inżynierię. Świat wyścigów też nie próżnuje: impact attenuatory z aluminium, kompozytu plastra miodu z włókna węglowego lub pianki pochłaniającej energię rozpraszają energię przy znacznie mniejszej objętości i masie niż samochody osobowe. Jest też zabawny szczegół: ponieważ z przodu pojazdów elektrycznych nie ma bloku silnika, inżynierowie mogą projektować głębsze przednie strefy zgniotu.

Ścieżki przenoszenia napędu: Trasa wyznaczona tak, aby energia nie docierała do pasażera

Wchłonięcie energii to za mało; niewchłoniętą część trzeba skierować we właściwe miejsce. Tu wkracza pojęcie load path, czyli ścieżki przenoszenia obciążenia. Inżynierowie kierują energię zderzenia wokół komory pasażerskiej za pomocą kontrolowanych stref deformacji i ścieżek load path; celem projektowania jest zminimalizowanie obciążenia przenoszonego na inne konstrukcje. Przy zderzeniu czołowym przednia konstrukcja i strefy zgniotu muszą wchłaniać energię w kontrolowany sposób poprzez deformację plastyczną.

Dlaczego ta trasa jest bardziej rozwinięta z przodu i z tyłu? A oto ciekawa statystyka: w samochodach osobowych 65% uszkodzeń powstaje z przodu, 25% z tyłu, a pozostałe 10% po bokach. Właśnie dlatego największe strefy zgniotu znajdują się z przodu. Doszły do tego nowe rozwiązania; nadal prowadzi się badania nad nowymi strukturami przenoszenia obciążenia, które zwiększają obciążenie na początku zderzenia i tłumią deformację nadwozia. Aktywnym tematem badań jest także optymalizacja pod kątem bezpieczeństwa zderzeniowego cienkościennych ram S-frame. Są też radykalne pomysły: eksperymentalny Pininfarina Nido z 2004 roku wypróbował projekt umieszczający strefy zgniotu wewnątrz komory przeżycia - komora na płozie jest wyhamowywana. Volvo rozwinęło podobną koncepcję fotela na płozie dla małych samochodów; fotel przesuwa się do przodu o 20 cm, a amortyzator u szczytu pochłania energię.

Jak oceny konstrukcji nadwozia wpływają na wyniki testów Euro NCAP?

Teoretyczna inżynieria jest piękna, ale czy nie potrzeba dowodów na scenie? Właśnie tu wkracza Euro NCAP. Ocena, analizując zmierzone siły zderzenia, bada prawdopodobną ciężkość urazów krytycznych części ciała, takich jak głowa, miednica i nogi. Podstawowa zasada protokołu jest bardzo jasna: chodzi o zachowanie integralności strukturalnej i zminimalizowanie ryzyka wyrzucenia pasażera. Dla manekinów testowych siłę mierzy się w czterech głównych obszarach: głowa-szyja, klatka piersiowa, miednica/udo/kolano oraz dolna noga/staw skokowy/stopa.

Podstawowy format testu to test z przesuniętą odkształcalną barierą, imitujący zderzenie czołowe dwóch pojazdów o tej samej masie z prędkością 50 km/h i nakładaniem 50%; wersja Global NCAP odbywa się przy prędkości 64±1 km/h. A oto konkretne przykłady, w jak stopniu konstrukcja nadwozia wpływa bezpośrednio na wyniki: w teście jednego modelu siły zderzenia skupiły się w punktach źródłowych, co doprowadziło do utraty integralności struktury, a ryzyko deformacji wokół kabiny wzrosło - jakość źródła wpływa nawet na gwiazdki. W jednym z testów z 2018 roku deformacja podłogi nad podnóżkami pokazała, że konstrukcja osiągnęła granicę integralności. Jeszcze jedna drobna uwaga: zdobycie pięciu gwiazdek nie gwarantuje dobrych wyników w testach zderzeń przy niskich prędkościach. Gwiazdki koncentrują się na ochronie kabiny; odgm pod zderzakiem się nie zajmują.

Najczęściej zadawane pytania i mylące fakty

"Dlaczego nowoczesne samochody nie wyglądają na tak solidne jak dawne?"

Bo wygląd zwodzi. Kontrolowane odkształcenie jest zamierzone; sztywne nadwozie nie pochłonęłoby energii i przekazywałoby ją bezpośrednio pasażerom. To, że starsze auta "mniej się niszczyły", czyniło je śmiertelnie niebezpiecznymi: sztywna rama nie pochłaniała energii, więc siła przenosiła się bezpośrednio na pasażerów, a czas opóźnienia się nie wydłużał. Pojazd ze strefą zgniotu może się bardziej uszkodzić przy zderzeniu z twardym SUV-em, ale pasażerowie zwykle cierpią mniej. Co więcej, "twarde punkty" w ramie SUV-ów są położone wyżej niż w samochodach osobowych, więc mogą przeskakiwać nad strefą zgniotu przeciwnego pojazdu; dlatego w nowych SUV-ach dodaje się konstrukcje poniżej zderzaka, aby strefa odkształceń drugiej strony mogła zadziałać.

"Czy strefa zgniotu zastępuje pas i poduszkę powietrzną?"

Nie i to jest bardzo ważne. Strefa zgniotu zmniejsza siłę docierającą do strefy pasażerskiej; pas i poduszka powietrzna natomiast przytrzymują i amortyzują pasażera. Pewna ilość niedopochłoniętej siły jest nieunikniona i właśnie wtedy pas wchodzi w grę jako element uzupełniający. Jako system działają razem - żaden z osobna nie wystarcza.

"Czy zgnieciony pojazd da się naprawić?"

Jeśli odkształcenie nie naruszyło integralności kabiny, zwykle tak. Ale tu uwaga: nawet przesunięcie szyn o kilka milimetrów może wpłynąć na geometrię zawieszenia i pozycje czujników ADAS. Dlatego w naprawie konieczny jest powrót do specyfikacji OEM za pomocą elektronicznych systemów pomiarowych. Era "prostowania młotkiem" dawno się skończyła.

Zostawię jedno ostatnie zdanie: następnym razem, gdy w filmie z testu zderzeniowego zobaczysz gnioty metalu, nie złość się - to zgniecenie jest dla manekina w kabinie najłagodniejszym możliwym scenariuszem.

Źródła

• Strefa zgniotu
• Czym jest strefa zgniotu? Jak samochody pochłaniają uderzenie
• Jak działają strefy zgniotu i jak ratują życie w wypadkach samochodowych
• Strefa zgniotu - przegląd
• Archiwum zderzeń - AHSS Guidelines
• Types of High Strength Steels in Cars
• Projektowanie konstrukcji pojazdów do zarządzania energią zderzenia – praca inżynierska
• Modelling and Analysis of the Crush Zone of a Typical Vehicle
• Jak testuje się samochody – praca licencjacka NCAP
• Euro NCAP Assessment Protocol - v9.1.3
• Ocena wyników bezpieczeństwa testów zderzeniowych EuroNCAP
• Why do modern cars crumple up when they crash