ทำไมคอพวงมาลัยจึงถูกออกแบบให้ยุบตัวเมื่อเกิดการชนโดยเจตนา?

ในอุบัติเหตุชน ชุดพวงมาลัยจะยุบตัวตามการออกแบบ การทำให้ชิ้นส่วนแตกหักโดยเจตนานับเป็นหนึ่งในกลยุทธ์ทางวิศวกรรมที่ฉลาดที่สุดซึ่งปกป้องผู้ขับขี่จากการบาดเจ็บที่หน้าอก
ในอุบัติเหตุชน ชุดพวงมาลัยจะยุบตัวตามการออกแบบ การทำให้ชิ้นส่วนแตกหักโดยเจตนานับเป็นหนึ่งในกลยุทธ์ทางวิศวกรรมที่ฉลาดที่สุดซึ่งปกป้องผู้ขับขี่จากการบาดเจ็บที่หน้าอก

แชร์หน้านี้

เสาพวงมาลัยจะยุบตัวอย่างมีการควบคุมเมื่อแรงกระแทกเกินค่าเกณฑ์ที่ออกแบบไว้ ซึ่งช่วยดูดซับพลังงานจากการชน ทำให้พวงมาลัยไม่ถูกดันเข้าหาผู้ขับ และความเสี่ยงบาดเจ็บที่หน้าอกลดลงอย่างมาก ฟังดูแปลกใช่ไหม? ชิ้นส่วนที่ถูกออกแบบให้แตกโดยเจตนา มันจะเป็นความปลอดภัยได้อย่างไร? ในบทความนี้ผมจะอธิบายเรื่องนี้ให้ฟังอย่างละเอียด

สิ่งที่ต้องรู้

  • เสาพวงมาลัยแบบยุบตัวได้ถูกบังคับใช้ในสหรัฐอเมริกาตั้งแต่ ปลายทศวรรษ 1960
  • เสาแบบยุบตัวได้สามารถดูดซับแรงได้ราว 15 kN ในการชน ในขณะที่เสาแบบแข็งไม่ดูดซับพลังงานเลย
  • ถุงลมต้องพองตัวก่อนที่เสาจะยุบตัวครบช่วงการยุบ
  • เสาแบบยุบตัวยุคใหม่สามารถยุบได้ สองหรือสามระดับ ตามความเร็วรถ น้ำหนักผู้ขับ และสถานะการคาดเข็มขัด

ยุคของเสาแบบแข็ง: เพลาที่ทะลุทะลวงผู้ขับ

ก่อนอื่นมาดูสมัยเก่าเลวร้ายกันก่อน เพราะเรื่องราวที่แท้จริงเริ่มต้นที่นั่น ในรถยนต์ยุคแรก เสาพวงมาลัยเป็นเพลาเหล็กชิ้นเดียวยาวและแข็งกรอด ที่เชื่อมพวงมาลัยเข้ากับกล่องพวงมาลัยด้านล่าง ไม่มีสปริง ไม่มีข้อต่อ เป็นเหล็กตรงเป๊ก ในการขับขี่ปกติมันทำงานได้ดีแน่นอน

แต่เมื่อเกิดการชนแล้วจะเกิดอะไรขึ้น? เมื่อส่วนหน้ารถยุบระเบิด เพลาแข็งนี้จะถูกดันเข้าไปในห้องโดยสารโดยไม่หยุดแรงส่ง กล่าวคือ เนื่องจากพวงมาลัยต่ออยู่กับเพลาพวงมาลัย มันจึงพุ่งเข้าหาหน้าอกผู้ขับเหมือนหอก ร้ายแรงจนในวงการวิชาการใช้คำว่า "impale" หรือการทะลุทะลวง มาอธิบายสถานการณ์นี้ นี่คือหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการบาดเจ็บถึงแก่ชีวิตในการชนด้านหน้าอย่างรุนแรง เมื่อวิศวกรคิดว่า "ถ้าเพลานี้ขยับไม่ได้ ก็ทำให้มันขยับได้สิ" ความคิดที่ปฏิวัติวงการความปลอดภัยแบบพาสซีฟจึงถือกำเนิดขึ้น

กลไกการยุบตัวทำงานอย่างไร? หลักการทางฟิสิกส์และการออกแบบ

ทีนี้มาถึงประเด็นหลักของเรา หลักการพื้นฐานของเสาพวงมาลัยแบบยุบตัวคือ: เสาจะตั้งตรงอยู่จนกว่าแรงจะถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนด เมื่อเกินค่านั้นมันจะหดสั้นลงโดยเจตนา ด้วยวิธีนี้ พลังงานจากการชนจะถูกใช้ไปกับการเสียรูปของเสา ไม่ใช่ร่างกายของผู้ขับ ลองนึกถึงหลักการแรงผลัก-แรงดึงที่คุณเรียนมาในวิชาฟิสิกส์: หากกระจายพลังงานเท่ากันออกไปในระยะทางที่มากขึ้น แรงสูงสุดก็จะลดลง เสาที่ยุบตัวลงคือตัวสร้างระยะทางนั้น พลังงานจึงเปลี่ยนไปเป็นการเสียรูปเชิงกล

ท่อซ้อนท่อและลูกเหล็ก

การออกแบบยุคแรกทำงานบนหลักการ "ท่อซ้อนท่อ" หรือ tube-in-tube: แกนด้านในและด้านนอกประกอบด้วยท่อสองท่อที่สอดซ้อนกัน เมื่อชน ท่อด้านในจะเลื่อนเข้าไปในท่อด้านนอกแบบกล้องส่องทางไกล ทำให้เสาหดสั้นลง ในเวอร์ชันที่ใช้กันทั่วไป จะวางลูกเหล็กไว้ระหว่างแกนทั้งสอง และยึดลูกเหล็กเหล่านี้ด้วยเรซินกันกระแทกชนิดพิเศษ เมื่อเรซินได้รับแรงกดถึงค่าหนึ่ง มันจะแตกออก ลูกเหล็กจะหลุดอิสระ และแกนด้านในก็จะเริ่มเลื่อน โดยสรุป พวกเขาผูกความต้านทานของเสาไว้กับความแข็งแรงของกาวหลอดหลอดหนึ่ง - ผมว่าเป็นวิธีแก้ที่สง่างามมาก

ในอีกแนวทางหนึ่ง สำหรับเสาแบบท่อขยายตัว ชิ้นส่วนเสียดทานที่เรียกว่า "collapse ring" จะเป็นตัวกำหนดแรงเสียดทานระหว่างตัวเสากับท่อหลัก ความเอียงเล็กน้อยและขั้นบันไดในวงแหวนทำหน้าที่กำหนดว่าท่อจะผิดรูปตรงไหนและอย่างไรเมื่อการยุบตัวดำเนินไป นั่นคือการยุบตัวไม่ใช่การถูกบดขยี้แบบสุ่ม แต่เป็นกระบวนการที่ถูกควบคุมทีละขั้นตอน

ใครเป็นผู้กำหนดเกณฑ์: หมุด แถบโลหะ และอุปกรณ์ระเบิดไพโรเทคนิค

แล้วใครบอกว่าเสาคอลัมน์ควรยุบตัวเมื่อไร? คำตอบคือ: การออกแบบ วิธีการทำงานแบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก:

  • หมุดตัด (shear pin): หมุดกลไกที่ขาดเมื่อแรงถึงระดับหนึ่ง เมื่อขาดแล้วเพลาจะอิสระ และเพลาบนสามารถเลื่อนทับเพลาล่างได้
  • การผิดรูปแบบควบคุม: ชิ้นส่วนโลหะที่ผิดรูปโดยเจตนาที่แรงดันระดับหนึ่ง แถบที่ยืดยาวตามรางบนตัวถังและบีบอัดแบบพลาสติกทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบดูดซับพลังงาน
  • อุปกรณ์ไพโรเทคนิค: ตัวดันขนาดเล็กที่ปลดกลไกทันที พบได้ทั่วไปในยานยนต์สมัยใหม่

หลักการจดสิทธิบัตรชิ้นหนึ่งชอบมาก: แรงยุบของท่อที่ยุบได้ควรถูกออกแบบให้ต่ำกว่าแรงบิดพังของพวงมาลัย ทำไม? เพราะในการชน หากจุดที่ขาดก่อนคือเสาคอลัมน์ พวงมาลัยจะยังคงสมบูรณ์ และพลังงานจะถูกดูดซับตรงจุดที่ต้องการพอดี นั่นคือที่เสาคอลัมน์ การรู้ว่าจะวางจุดอ่อนไว้ตรงไหนโดยเจตนา - นั่นคือความงามของวิศวกรรม

การยุบตัวแบบปรับตัวได้: การชนทุกครั้งไม่เหมือนกัน

ระบบสมัยใหม่ไม่ได้มีแค่ระดับเดียวเสียด้วยซ้ำ บางการออกแบบเสนอระดับภาระสองหรือสามระดับ ได้แก่ ต่ำสุด กลาง และสูงสุด ข้อมูลจากเซ็นเซอร์ที่วัดความเร็วรถ น้ำหนักผู้ขับ ตำแหน่งเบาะ และว่าคาดเข็มขัดหรือไม่ เป็นตัวเลือกระดับภาระ สำหรับผู้ขับที่มีร่างกายเล็กหรือคาดเข็มขัดแล้ว ระดับภาระต่ำจะทำงาน ส่วนผู้ขับที่น้ำหนักมากหรือไม่ได้คาดเข็มขัด หรือการชนที่ความเร็วสูง จะเลือกระดับภาระสูง นั่นคือเสาคอลัมน์ถูกปรับให้เหมาะกับคุณในการชนแต่ละครั้ง นี่คือการที่ความปลอดภัยแบบพาสซีฟกลายเป็นแบบเฉพาะบุคคลได้อย่างแท้จริง

ส่วนที่ยากของการออกแบบก็คือสมดุลนี้แหละ: หากความต้านทานน้อยเกินไป ระหว่างการขับขี่ปกติ - ที่แรงบิดที่คุณหมุนในโค้ง - เสาคอลัมน์อาจยุบตัวเองได้ หากความต้านทานมากเกินไป พลังงานจะไม่ถูกดูดซับเพียงพอในการชน และแรงจะส่งกลับมาที่ตัวคุณอีก วิศวกรกำลังเดินบนเชือกบางๆ ระหว่างสองขั้วนี้

การซิงโครไนซ์กับถุงลมและเข็มขัดนิรภัย: การเล่นเป็นทีม

Direksiyon kolonu milisaniye milisaniye hesaplanmış bir koreografiyle çöker, çünkü hava yastığıyla uyumsuzluk sizi korumak yerine içine fırlatır.

เสาคอลัมน์พวงมาลัยไม่เคยทำงานเพียงลำพัง ในการชน ระบบป้องกันทั้งสามจะทำงานพร้อมกันราวกับมีการออกแบบท่าเต้นไว้แล้ว ภายในเสี้ยววินาทีอันน้อยนิด ทันทีที่หน่วยควบคุมถุงลมตรวจจับการชน มันจะทำงานตัวดึงเข็มขัดนิรภัยเพื่อยึดคุณไว้กับเบาะ และพร้อมกันนั้นก็เป่าถุงลมพวงมาลัย

จังหวะเวลาเป็นเรื่องวิกฤต: ถุงลมต้องเป่าตัวเต็มก่อนที่เสาคอลัมน์จะยุบตัวจนสุดระยะ เช่นนั้นเมื่อคุณถูกเหวี่ยงไปทางพวงมาลัย ถุงลมที่เป่าตัวเต็มจะขวางอยู่ และหน้าอกของคุณจะกระแทกพื้นผิวที่นุ่มนวล ไม่ใช่พวงมาลัยที่กำลังยุบตัว หากกลับลำดับ ถุงลมอาจดันคุณไปที่พวงมาลัยที่ยุบแล้ว - ผลตรงข้ามโดยสิ้นเชิง

ยิ่งไปกว่านั้น การประสานงานนี้ละเอียดมากจนตำแหน่งและการเสียรูปของเสาพวงมาลัยสามารถส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของถุงลมนิรภัยได้ ในการชนด้านหน้าอย่างรุนแรง การเคลื่อนที่ของเสามากเกินไปสัมพันธ์กับกรณีที่ศีรษะของหุ่นทดสอบทะลุผ่านถุงลมนิรภัยและกระแทกพวงมาลัยโดยตรง นั่นคือการยุบตัวที่ควบคุมไม่ได้หรือมากเกินไปสามารถลดประสิทธิภาพของถุงลมนิรภัยได้ ไม่ได้แปลว่ายิ่งยุบตัวมากในทุกสภาวะยิ่งดี - การยุบตัวที่ควบคุมได้ต่างหากคือทุกอย่าง

และยังมีเรื่องความรุนแรงของการชนอีกด้วย: ตัวถังรถยุคใหม่ถูกออกแบบให้รักษาความสมบูรณ์ของห้องโดยสารได้ถึงความเร็วการกระแทกราว 64 กม./ชม. ที่ความเร็วสูงกว่านั้น - เช่น การชนเข้ากำแพงแข็งด้านหน้าเต็มแรงที่ 80 กม./ชม. - ผลทดสอบหุ่นแสดงให้เห็นว่าโอกาสรอดชีวิตต่ำมาก เสาพวงมาลัยเป็นส่วนประกอบที่ทำหน้าที่ของมันภายในขีดจำกัดของตัวถัง มันไม่สามารถยกเลิกกฎของฟิสิกส์ได้หรอกน่าเสียดาย

ประวัติความเป็นมา: จากเชฟโรเลตปี 1967 ถึงปัจจุบัน

แนวคิดนี้มีประวัติยาวนานจนเข้าพิพิธภัณฑ์ได้เลย เราพบเสาพวงมาลัยแบบดูดซับพลังงานในเชฟโรเลตรุ่นปี 1967 ในยุคนั้นมีการเสนอการออกแบบที่หลากหลาย เช่น กรรไกร ลูกสูบ และสปริง โครงสร้างแบบ "mesh" หรือตาข่าย/วงแหวนที่ใช้ใน Chevy II ดูดซับพลังงานโดยการชะลอแรงกระแทก ไม่นานหลังจากนั้น ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 เสาพวงมาลัยแบบยุบตัวได้กลายเป็นข้อบังคับในสหรัฐอเมริกา - ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในประวัติศาสตร์ความปลอดภัยแบบพาสซีฟ

ผลกระทบก็เป็นรูปธรรม: ตามข้อมูล การมีเสาพวงมาลัยแบบยุบตัวในรถทุกคันสามารถป้องกันการเสียชีวิตได้ราว 1,300 ราย และการบาดเจ็บ 23,000 รายต่อปี ขนาดของตัวเลขนี้แสดงให้เห็นว่าเพลาที่ดูเหมือนไม่สำคัญในตอนแรกสามารถช่วยชีวิตผู้คนได้มากเพียงใด ในความคิดของฉัน

แล้ววันนี้สถานการณ์ยังเหมือนเดิมอยู่ไหม? ใช่ และพัฒนาไปไกลกว่านั้น: เสายุคใหม่ยังคงรักษาความสามารถในการยุบตัวและดูดซับพลังงาน พร้อมทั้งเพิ่มระบบปรับตัวได้และการผสานเซ็นเซอร์ ความเรียบง่ายเชิงกลของการออกแบบยุคแรกได้วิวัฒนาการเป็นระบบควบคุมแบบไพโรเทคนิกและอิเล็กทรอนิกส์ แต่หลักการพื้นฐาน - ยุบตัวอย่างควบคุมเมื่อเกินเกณฑ์ - ไม่เคยเปลี่ยนเลย

หลังการชน: เสาที่ยุบตัวสามารถซ่อมแซมได้หรือไม่?

ตอนนี้ขอถามคุณ: หลังเกิดอุบัติเหตุ ถ้าพวงมาลัยยังดูแข็งแรงและเรียบร้อย แปลว่าทุกอย่างเรียบร้อยดีใช่ไหม? น่าเสียดายที่คำตอบคือไม่ ถ้าเสายุบตัวในการชน กลไกดูดซับพลังงานจะเป็นแบบใช้ครั้งเดียว - เมื่อทำงานไปแล้วจะไม่สามารถให้การป้องกันแบบเดิมได้อีก ด้วยเหตุนี้ผู้ผลิตหลายรายจึงแนะนำให้ตรวจสอบและวัดเสาหลังการชน ผู้ผลิตบางรายบังคับให้เปลี่ยนเสาหากกลไกดูดซับพลังงานทำงานแล้ว

ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากระบบสามารถควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ในกรณีเกิดข้อผิดพลาดรหัสข้อผิดพลาดจะถูกบันทึกไว้และอาจต้องอ่านด้วยเครื่องสแกน นั่นคือเสาไม่ใช่แค่ชิ้นส่วนกลไกล้วนๆ อีกต่อไป แต่เป็นส่วนประกอบที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายความปลอดภัยของรถ ในการชนที่รุนแรงสูง หากเสาไม่ยุบตัว แรงที่พุ่งเข้าหาผู้ขับอาจก่อให้เกิดการบาดเจ็บร้ายแรง - ดังนั้นการพูดว่า "หน้าตาดูดี แปลว่าไม่มีปัญหา" จึงเป็นทางลัดที่อันตราย

คำถามที่พบบ่อย

เมื่อมีถุงลมแล้ว การยุบตัวของเสาพวงมาลัยยังจำเป็นอยู่อีกไหม?

จำเป็น คำถามนี้ถูกพูดถึงทั้งในฟอรัมและในวรรณกรรมของผู้เชี่ยวชาญ แต่คำตอบชัดเจน: ถุงลมเป็นระบบที่เริ่มยุบลงได้ภายในเสี้ยววินาทีและพองตัวได้เพียงครั้งเดียว ส่วนเสาพวงมาลัยยังคงดูดซับแรงกระทำต่อไปตลอดช่วงการชน เสาพวงมาลัยสมัยใหม่ยังคงรักษาความสามารถในการยุบตัวและการดูดซับพลังงาน; ถุงลมไม่ได้มาแทนที่ความสามารถนี้ แต่ทำงานร่วมกับมัน

เกณฑ์การยุบตัวอยู่ที่เท่าไร?

การระบุตัวเลขเดียวที่แน่นอนเป็นเรื่องยาก เพราะเกณฑ์แตกต่างกันตามการออกแบบ ในแหล่งข้อมูลบางแห่งระบุเกณฑ์ประมาณ 11,000 นิวตัน (ประมาณ 2,500 lbf) ในขณะที่งานวิจัยทางวิชาการระบุว่าเสาพวงมาลัยแบบยุบได้สามารถรับน้ำหนักได้ประมาณ 15 kN เมื่อเกิดการชน ตัวเลขทั้งสองวัดสิ่งที่ต่างกัน: อย่างหนึ่งคือเกณฑ์แรงที่ทำให้เกิดการยุบตัว อีกอย่างหนึ่งคือความสามารถในการรับน้ำหนักโดยรวมของเสา ดังนั้นคำตอบของคำถามว่า “ยุบตัวที่กี่นิวตัน” จึงแตกต่างกันไปตามยานพาหนะและการออกแบบ

ทุกคันมีเสาพวงมาลัยแบบยุบได้หรือไม่?

ในยานพาหนะในตลาดที่พัฒนาแล้วถือเป็นเรื่องเกือบมาตรฐาน เพราะข้อบังคับนี้มีมาตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1960 อย่างไรก็ตาม ที่ผ่านมารู้กันว่ารุ่นประหยัดบางรุ่นยังคงใช้เสาแบบแข็ง; ปัจจุบันเรื่องนี้ถูกทิ้งไว้ข้างหลังไปมากแล้ว แต่สำหรับรถมือสอง โดยเฉพาะรุ่นเก่า การตรวจสอบรายละเอียดนี้ก็ไม่ใช่ความคิดที่เสียหายอะไร

บทสรุป: ชิ้นส่วนที่ดูเปราะบางที่แท้จริงคือวีรบุรุษ

เรื่องราวของเสาพวงมาลัยบอกถึงแก่นแท้ของปรัชญาความปลอดภัยแบบพาสซีฟได้ด้วยตัวเองในความเห็นของฉัน: พลังงานไม่หายไป แต่เพียงถูกถ่ายโอนเท่านั้น เสาพวงมาลัยถูกออกแบบให้ใช้พลังงานนั้นไปกับตัวมันเองแทนที่จะเป็นหน้าอกของคุณ นั่นคือการที่คุณสามารถพิงพวงมาลัยหลังการชนแล้วพูดว่า “ดีที่เสายุบตัว” ได้ ต้องขอบคุณความสำเร็จที่เงียบสงบแต่ทรงพลังที่สุดอย่างหนึ่งของวิศวกรรม ครั้งต่อไปที่คุณหมุนพวงมาลัย จงจำไว้ว่าเพลาธรรมดาๆ ที่อยู่ใต้มือของคุณนั้นแท้จริงแล้วมีแผนที่เตรียมไว้เพื่อคุณ แล้วคุณเคยมองดูรายการอุปกรณ์ความปลอดภัยของรถโดยดูที่เสาพวงมาลัยบ้างหรือไม่? ลองดูสิ - เมื่อคุณเห็นข้อความ “เสาดูดซับพลังงาน” ที่นั่น ตอนนี้คุณก็รู้แล้วว่ามันหมายความว่าอะไร

แหล่งอ้างอิง