ทำไมห้องโดยสารจึงตั้งใจให้เสียรูป? วิศวกรรมเขตยุบตัว (Crumple Zone)

Crumple zone หรือโซนยุบตัวตั้งใจ คือโครงสร้างด้านความปลอดภัยของยานพาหนะที่ยุบตัวลงอย่างตั้งใจในช่วงเกิดการชนเพื่อดูดซับพลังงานจากการปะทะ นั่นหมายความว่าการที่รถของเรายุบตัวนั้นไม่ใช่ข้อบกพร่อง แต่กลับเป็นสัญลักษณ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของวิศวกร: โครงรถเสียสละตัวเอง ส่วนห้องโดยสารได้รับการปกป้อง แล้วโลหะถูกออกแบบให้ยุบตัวอย่างชาญฉลาดขนาดนี้ได้อย่างไร? ในหน้านี้เราจะมาคุยกันถึงเรื่องนี้โดยเฉพาะ

ทำไมการยุบตัวจึงช่วยชีวิตได้? คำตอบจากฟิสิกส์ที่โหดแต่ชัดเจน

ก่อนอื่นขอเคลียร์คำถามสุดยอดที่อยู่ในหัวของเรา: "ถ้ารถแข็งแรงก็ปลอดภัยใช่ไหม?" ไม่ใช่! กฎทองในฟิสิกส์การชนคือ: การเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมคงที่ แต่ถ้าการเปลี่ยนแปลงนั้นเกิดขึ้นช้าลงเพียงใด แรงที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานั้นก็จะน้อยลงเท่านั้น สรุปเป็นสูตรได้ว่า F·t = m·v นั่นคือแรงเฉลี่ยแปรผกผันกับระยะเวลาที่ออกแรง

ทีนี้มาโยงเข้ากับชีวิตจริงกัน ลองนึกว่าคุณวิ่งไปที่กำแพงแล้วหยุดไม่ทันจนชนเข้าไป - มีสองสถานการณ์: ชนกำแพงแข็ง หรือชนลังกระดาษยักษ์ใบใหญ่ กระดาษยุบตัวลงเพื่อลดความเร็วของคุณ แต่กำแพงหยุดคุณทันที แรงกระแทกเท่ากัน แต่ผลลัพธ์ต่างกันคนละเรื่อง แม้แต่ในการชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ คือแบบเด้งกลับ แรงกระแทกที่กระทำต่อรถและผู้ที่อยู่ข้างในอาจเพิ่มขึ้นถึงสองเท่า crumple zone ก็มีอยู่เพื่อป้องกันสิ่งนี้โดยเฉพาะ

Crumple zone ทำสองงานพร้อมกัน: ลดแรงแรกของการชน และกระจายแรงที่เหลือใหม่ก่อนที่มันจะไปถึงผู้โดยสาร พลังงานจลน์ถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนและพลังงานการเสียรูปโครงสร้าง ผ่านการยุบตัวเข้าด้านในของรางโครงหน้าที่เรียกว่า Uleneron และท่อ crush โลหะที่ยุบตัวทำหน้าที่เปรียบเสมือนฟองน้ำที่ดูดซับพลังงาน สมเหตุสมผลมากใช่ไหม?

Béla Barényi และ "ไอเดียเลวร้าย" ที่ดีที่สุดในประวัติศาสตร์

Béla Barényi วิศวกรแห่ง Mercedes ได้เขียนประวัติศาสตร์ด้วยการตั้งคำถามกับความเชื่อที่ครอบงำยุคสมัยนั้นว่า "รถที่ปลอดภัยต้องแข็งแกร่ง" เขาจดสิทธิบัตรไอเดียแรกในปี 1937 และจดสิทธิบัตรฉบับพัฒนาแล้วในปี 1952 ความอัจฉริยะของเขาคือการแบ่งโครงรถออกเป็นสามส่วน: ตรงกลางเป็นห้องโดยสารที่แข็งแกร่ง ด้านหน้าและด้านหลังเป็นโซนที่ยุบตัวลงอย่างตั้งใจ

Mercedes "Ponton" ปี 1953 เป็นการนำไอเดียเหล่านี้ไปใช้บางส่วน ส่วนการนำไปใช้ครั้งแรกแบบเต็มรูปแบบมาถึงใน W111 "tail fin" ปี 1959 ในรุ่นนั้น ตรงกลางโครงรถถูกออกแบบเป็นโซนความปลอดภัยที่ตรงและแข็งแกร่ง ส่วนค้ำหน้าและค้ำหลังถูกออกแบบให้ยุบตัวโดยคงความโค้งไว้เพื่อดูดซับพลังงาน หลังจากนั้นทุกอย่างพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว: เพิ่มโครงสร้างเทเลสโคปิกแบบ "crash can" ที่ทำให้อ่อนแอลงด้วยริบริบแนวตั้งและแนวนอนเข้ากับสมาชิกตามยาว ส่วน Volvo นำเอาแนวคิด crumple zone ด้านข้างมาใช้ในต้นทศวรรษ 1990 ด้วยระบบป้องกันการชนด้านข้างชื่อ SIPS

และยังมีการทดสอบในตำนานที่แสดงให้เห็นว่าสร้างความแตกต่างได้มากเพียงใด: การทดสอบชนแบบ offset ระหว่าง Chevrolet Bel Air ปี 1959 กับ Malibu ปี 2009 เผยให้เห็นอย่างโจ่งแจ้งว่าการออกแบบสมัยใหม่เหนือกว่าเพียงใด ห้องโดยสารของรถคันเก่าแตกกระจายยับเยิน ส่วนรถคันใหม่ห้องโดยสารยังคงสภาพเดิม นั่นคือประโยคที่ว่า "สมัยก่อนรถแข็งเหมือนหิน" กลับแสดงให้เห็นสิ่งที่ตรงข้ามโดยสิ้นเชิง: รถที่แข็งเหมือนหินจะส่งต่อแรงกระแทกที่แข็งเหมือนหินไปยังผู้โดยสาร

ออกแบบโครงสร้างตัวถังอย่างไร? สมดุลระหว่างโซนอ่อนและห้องโดยสารที่แข็งแรง

สมดุลที่งดงามที่สุดของวิศวกรรมเริ่มต้นตรงนี้ ถ้าทำทุกส่วนด้วยเหล็กที่แข็งที่สุด ก็จะไม่มีอะไรคอยดูดซับพลังงาน แรงกระแทกจะส่งตรงไปยังผู้โดยสาร ถ้าทำทุกส่วนให้นุ่ม ห้องโดยสารก็จะถูกบดขยี้ ด้วยเหตุนี้ตัวถังจึงถูกแบ่งออกเป็นโซนต่าง ๆ เหมือนหลอดทดลองของนักเคมีที่ฝึกฝนมาอย่างช่ำชอง: ใช้เหล็กอ่อนและอะลูมิเนียมที่ยุบตัวได้ง่ายในโซนการเสียรูป ส่วนในห้องโดยสารใช้เหล็กความแข็งแรงสูงพิเศษ (ultra high strength steel) และโลหะผสมโบรอน

แก่นแท้ของการออกแบบ crashworthiness ก็คือสิ่งนี้: การปรับแต่ง crumple zone ที่จะดูดซับพลังงานจลน์ของยานพาหนะในการชนล่วงหน้าอย่างแม่นยำถึงระดับมิลลิเมตร ใน crush zone ที่ออกแบบมาอย่างดี การเสียรูปจะขยายตัวเฉพาะตำแหน่งที่เลือกไว้และอย่างมีการควบคุม ทำให้รักษาการดูดซับพลังงานสูงสุดไว้ได้ นั่นคือการยุบตัวไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่ดำเนินไปตามแผนผังที่วิศวกรเขียนไว้

AHSS: สมดุลของวัสดุที่ทั้งแข็งและเบา

คุณอาจถามว่า "แล้วความแข็งแกร่งกับความสามารถในการยุบตัวจะอยู่ร่วมกันในรถคันเดียวกันได้อย่างไร?" คำตอบอยู่ที่วิทยาศาสตร์วัสดุ: เหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ให้ประสิทธิภาพในการจัดการพลังงานจากการชนดีกว่าเหล็ก HSLA แบบดั้งเดิม และยังให้ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีกว่าด้วย เหล็กแผ่นความแข็งแรงสูงมีความแข็งแรงแบบยืดตัวและแบบขาดสูงกว่าเหล็กอ่อน (mild steel) ซึ่งเปิดทางให้เสริมความแข็งแรงให้ห้องโดยสารไปพร้อมกับการลดน้ำหนักตัวถัง เกรด AHSS ที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้ถึง 25% ซึ่งช่วยลดการปล่อย CO2 ตลอดวงจรชีวิตได้ถึง 15% กล่าวคือความปลอดภัยและประสิทธิภาพจับมือกัน

ยังมีชิ้นส่วนเล็ก ๆ ที่สำคัญอีกชิ้นหนึ่ง: crash box หรือก็คือ crash tube โปรไฟล์เหล็กกลวงเหล่านี้ที่ใช้ในการติดตั้งกันชน จะม้วนตัวเพื่อแปลงพลังงานในการชนเบาที่มีความเร็วสูงถึงประมาณ 20 กม./ชม. และป้องกันไม่ให้โครงสร้างหลักที่รับน้ำหนักจริงได้รับความเสียหาย สถานการณ์ที่คุณมองรถที่โดนชนเบา ๆ ในที่จอดรถแล้วพูดว่า "กันชนไม่มีรอย เราโชคดี" นั้น ซ่อนวิศวกรรมอันจริงจังเอาไว้เบื้องหลัง โลกการแข่งขันก็ไม่ได้นิ่งเฉย: impact attenuator ที่ทำจากอะลูมิเนียม, วัสดุรวงผึ้งคาร์บอนไฟเบอร์ หรือโฟมดูดซับพลังงาน กระจายพลังงานด้วยขนาดและน้ำหนักที่เล็กกว่ารถยนต์นั่งมาก และยังมีรายละเอียดสนุก ๆ อีกอย่าง: เนื่องจากไม่มีบล็อกเครื่องยนต์อยู่ด้านหน้า วิศวกรจึงสามารถออกแบบ crumple zone ด้านหน้าที่ลึกขึ้นได้ในรถยนต์ไฟฟ้า

เส้นทางการถ่ายโอนแรง: เส้นทางที่ออกแบบมาเพื่อไม่ให้พลังงานไปถึงผู้โดยสาร

การดูดซับพลังงานเพียงอย่างเดียวยังไม่พอ; ส่วนที่ดูดซับไม่หมดจำเป็นต้องถูกส่งต่อไปยังที่ที่ถูกต้อง ตรงนี้เองที่แนวคิด load path หรือเส้นทางการรับน้ำหนักเข้ามามีบทบาท วิศวกรใช้โซนการเสียรูปแบบควบคุมและ load path เพื่อนำพาพลังงานจากการชนไปรอบๆ ห้องโดยสารผู้โดยสาร; เป้าหมายการออกแบบคือการลดน้ำหนักที่ถ่ายโอนไปยังโครงสร้างอื่นๆ ให้น้อยที่สุด ในการชนด้านหน้า โครงสร้างด้านหน้าและ crumple zone ต้องดูดซับพลังงานอย่างมีการควบคุมผ่านการเสียรูปแบบพลาสติก

ทำไมเส้นทางนี้จึงพัฒนามากกว่าที่ด้านหน้าและด้านหลัง? นี่คือสถิติที่น่าสนใจ: ความเสียหายในยานพาหนะผู้โดยสารเกิดขึ้นที่ด้านหน้า 65% ด้านหลัง 25% และส่วนที่เหลือ 10% เกิดขึ้นที่ด้านข้าง นั่นคือเหตุผลที่ crumple zone ที่ใหญ่ที่สุดจึงอยู่ด้านหน้า แนวโน้มใหม่ๆ ก็ถูกเพิ่มเข้ามาด้วย; โครงสร้างการถ่ายโอนน้ำหนักแบบใหม่ที่เพิ่มน้ำหนักในช่วงเริ่มต้นการชนและต้านการเสียรูปของตัวถังยังคงถูกวิจัยอยู่ การปรับปรุง crashworthiness ของ S-frame ผนังบางก็เป็นหัวข้อวิจัยที่ยังดำเนินอยู่ และยังมีไอเดียแบบรากฐานใหม่อีกด้วย: Pininfarina Nido รุ่นทดลองปี 2004 ได้ลองออกแบบที่วาง crumple zone ไว้ภายในห้องโดยสารความอยู่รอด - ห้องโดยสารบนรางจะถูกชะลอความเร็ว Volvo ก็พัฒนาแนวคิดเบาะแบบรางที่คล้ายกันสำหรับรถขนาดเล็กเช่นกัน; เบาะจะเลื่อนไปด้านหน้าได้ถึง 20 ซม. และ shock absorber ด้านบนจะดูดซับพลังงาน

คะแนนโครงสร้างตัวถังในการทดสอบ Euro NCAP ถูกกำหนดอย่างไร?

วิศวกรรมเชิงทฤษฎีดูดี แต่ต้องมีหลักฐานในสนามจริงใช่ไหม? Euro NCAP คือผู้เข้ามามีบทบาทตรงจุดนี้ การประเมินจะเริ่มจากการวิเคราะห์แรงชนที่วัดได้ เพื่อประเมินความรุนแรงของการบาดเจ็บที่อาจเกิดขึ้นในบริเวณร่างกายที่สำคัญ เช่น ศีรษะ กระดูกเชิงกราน และขา หลักการพื้นฐานของโปรโตคอลชัดเจนมาก: มุ่งหมายให้รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างและลดความเสี่ยงที่ผู้โดยสารจะถูกพุ่งออกไปให้น้อยที่สุด แรงจะถูกวัดในสี่บริเวณหลักสำหรับหุ่นทดสอบ: ศีรษะ-คอ หน้าอก กระดูกเชิงกราน/กระดูกต้นขา/เข่า และขาส่วนล่าง/เท้า/ข้อเท้า

รูปแบบการทดสอบพื้นฐานคือการทดสอบ offset deformable barrier ซึ่งจำลองการชนกันหัวชนหัวระหว่างรถสองคันที่มีมวลเท่ากันด้วยความเร็ว 50 กม./ชม. และพื้นที่สัมผัส 50%; ส่วนเวอร์ชัน Global NCAP ทำการทดสอบที่ความเร็ว 64±1 กม./ชม. และนี่คือตัวอย่างที่จับต้องได้ซึ่งโครงสร้างตัวถังส่งผลโดยตรงต่อคะแนน: ในการทดสอบรุ่นหนึ่ง จุดเชื่อมเกิดความล้มเหลวระหว่างการชน ส่งผลให้โครงสร้างสูญเสียความสมบูรณ์และเพิ่มความเสี่ยงต่อการเสียรูปบริเวณรอบห้องโดยสาร - แม้แต่คุณภาพการเชื่อมก็มีผลต่อดาว ในการทดสอบปี 2018 การเสียรูปของ footwell แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างถึงขีดจำกัดความสมบูรณ์แล้ว หมายเหตุเล็กๆ น้อยๆ อีกประการ: การได้ห้าดาวไม่ได้รับประกันประสิทธิภาพที่ดีในการทดสอบชนความเร็วต่ำ ดาวมุ่งเน้นไปที่การปกป้องห้องโดยสาร; ไม่ยุ่งกับเรื่องใต้กันชน

คำถามที่พบบ่อยและความเข้าใจที่มักสับสน

"ทำไมรถยนต์สมัยใหม่ถึงดูแข็งแรงไม่เท่ารถยุคก่อน?"

เพราะรูปลักษณ์มักหลอกตา การยุบตัวแบบควบคุมเป็นสิ่งที่ตั้งใจออกแบบมา เพราะหากตัวถังแข็งเกินไปจะไม่สามารถดูดซับพลังงานและส่งตรงไปถึงผู้โดยสารได้ การที่รถยุคเก่า "ได้รับความเสียหายน้อย" ต่างหากที่ทำให้มันอันตรายถึงชีวิต: เพราะโครงสร้างที่แข็งไม่ดูดซับพลังงาน แรงจึงส่งตรงถึงผู้โดยสาร และเวลาชะลอความเร็วก็สั้น เมื่อรถที่มีโซนยุบตัวชนกับ SUV ที่แข็งแรง ตัวรถอาจเสียหายมากกว่า แต่ผู้โดยสารมักได้รับผลกระทบน้อยกว่า ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจาก "จุดแข็ง" บนเราล์แชสซีของ SUV อยู่สูงกว่ารถเก๋ง จึงสามารถข้ามโซนยุบตัวของรถฝั่งตรงข้ามได้ ด้วยเหตุนี้ SUV รุ่นใหม่จึงมีการเพิ่มโครงสร้างใต้กันชนเพื่อให้โซนดูดซับแรงกระแทกของฝั่งตรงข้ามทำงานได้

"โซนยุบตัวสามารถแทนที่เข็มขัดนิรภัยและถุงลมได้หรือไม่?"

ไม่ และเรื่องนี้สำคัญมาก โซนยุบตัวช่วยลดแรงที่ส่งถึงพื้นที่ผู้โดยสาร ส่วนเข็มขัดนิรภัยและถุงลมช่วยรับและรองรับผู้โดยสาร การที่ยังเหลือแรงกระแทกบางส่วนที่ไม่ถูกดูดซับเป็นเรื่องหลีกเลี่ยงไม่ได้ และนั่นคือจุดที่เข็มขัดนิรภัยเข้ามาทำหน้าที่เสริม ทั้งหมดนี้ทำงานร่วมกันในฐานะระบบ - ตัวใดตัวหนึ่งเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ

"รถที่ยุบตัวสามารถซ่อมได้หรือไม่?"

หากการยุบตัวไม่กระทบความสมบูรณ์ของห้องโดยสาร โดยทั่วไปซ่อมได้ แต่ต้องระวังตรงนี้: แม้แต่การเลื่อนของเราล์เพียงไม่กี่มิลลิเมตรก็อาจส่งผลต่อเรขาคณิตของระบบกันสะเทือนและตำแหน่งเซ็นเซอร์ ADAS ได้ ดังนั้นการซ่อมจึงต้องกลับสู่ค่ามาตรฐาน OEM ด้วยระบบวัดอิเล็กทรอนิกส์เสมอ ยุคของ "ตีให้แบนเป็นรูปเดิม" จบไปนานแล้ว

ขอฝากประโยคสุดท้ายไว้: ครั้งหน้าเมื่อคุณเห็นโลหะยุบตัวในวิดีโอทดสอบการชน อย่าโกรธ - การยุบตัวนั้นคือผลลัพธ์ที่อ่อนโยนที่สุดในสถานการณ์นั้นสำหรับ dummy ในห้องโดยสาร

แหล่งอ้างอิง

• Crumple zone
• What Is a Crumple Zone? How Cars Absorb Impact
• How Crumple Zones Work and Save Lives in Car Crashes
• Crumple Zone - an overview
• Crash Archives - AHSS Guidelines
• Types of High Strength Steels in Cars
• Design of Vehicle Structures for Crash Energy Management
• Modelling and Analysis of the Crush Zone of a Typical Vehicle
• How cars are tested for safety - Euro NCAP
• Euro NCAP Assessment Protocol - AOP - v9.1.3
• An Evaluation of the EuroNCAP Crash Test Safety Ratings
• Why do modern cars crumple up when they crash