Избор на материал за системи за управление на сблъсъци в автомобилната промишленост

Накратко

Изборът на материали за системи за управление на сблъсъци в автомобилната индустрия е от решаващо значение за максимизиране на безопасното на пътниците. Този процес поставя акцент върху напреднали материали, предимно високопрочни алуминиеви сплави и нововъзникващи композити, които се избират поради тяхното изключително съотношение между якост и тегло, както и забележителните им възможности за абсорбция на енергия при сблъсък. Тези материали позволяват на инженерите да проектират компоненти, които се деформират предвидимо, абсорбирайки кинетичната енергия, като едновременно запазват структурната цялостност на пасажерската кабина.

Разбиране на ролята на системите за управление на сблъсъци (CMS)

Автомобилната система за управление на сблъсъка (CMS) е интегриран набор от структурни компоненти, проектирани да абсорбират и разсейват кинетичната енергия по време на сблъсък, като по този начин защитават пътниците в превозното средство. Основната функция не е да предотвратява повреди по автомобила, а да контролира деформацията на конструкцията на превозното средство по предвидим начин, намалявайки силите, предавани към пасажерския отсек. Това контролирано срутване е основен принцип на съвременното автомобилно инженерство за безопасност.

Типична CMS се състои от няколко ключови компонента, които работят заедно. Най-външният елемент обикновено е греда на бампера , здрава, често изтеглена, куха профилна греда, която осъществява първоначалния контакт и разпределя ударните сили по предната или задната част на превозното средство. Зад гредата на бампера се намират краш боксове (известни още като разрушаеми кутии), които са проектирани да се сгъват като хармоника под напречни натоварвания. Тези компоненти са основните абсорбатори на енергия. Накрая, силите се предават към надлъжните релси , който отвежда остатъчната енергия от и около твърдата пасажерска безопасна клетка. Както е посочено от Съвета на производителите на алуминиеви профили , този път на натоварване е прецизно проектиран, за да управлява ефективно ударните сили.

Ефективността на системата за управление на удара (CMS) е от решаващо значение както при високоскоростни, така и при нискоскоростни сблъсъци. При тежки катастрофи способността ѝ да абсорбира енергия може да бъде разликата между леки и застрашаващи живота наранявания. При инциденти с ниска скорост добре проектирана CMS може да минимизира структурни повреди, което води до по-прости и по-малко скъпоструващи ремонти. Поради това проектирането и изборът на материали за тези системи се регулират от строги глобални правила за безопасност и потребителски тестови протоколи, като тези на Националната агенция за безопасност на шосейния транспорт (NHTSA) и Института за безопасност на шосейния транспорт (IIHS).

Ключови свойства на материалите за оцеляване при сблъсък

Изборът на материали за система за управление на сблъсъка е високо аналитичен процес, който се води от необходимостта да се постигне баланс между няколко конкуриращи се технически свойства. Окончателната цел е да се намерят материали, които могат да абсорбират максималното количество енергия при минимално възможно тегло. Тези свойства са основата на съвременното автомобилно проектиране за безопасност.

Най-важните свойства включват:

• Високо съотношение между якост и тегло: Това може би е най-важната характеристика. Материалите с високо съотношение между якост и тегло осигуряват необходимата устойчивост към ударните сили, без да добавят излишна маса на превозното средство. По-леките превозни средства са по-икономични и могат да имат по-добро управление. Алуминиевите сплави са примерни в това отношение, като предлагат значителна икономия на тегло в сравнение с традиционния стоманен материал.
• Способност за абсорбиране на енергия: Способността на един материал да абсорбира енергия се определя от неговата способност да се деформира пластично, без да се напука. По време на сблъсък материалите, които могат да се смачкват, огъват и сгъват, абсорбират кинетичната енергия, забавяйки забавянето на превозното средство и намалявайки G-натоварванията върху пътниците. Конструкцията на компоненти като кашони за сблъсък е специално оптимизирана, за да максимизира това поведение.
• Пластичност и обработваемост: Пластичността е мярка за способността на материал да претърпи значителна пластична деформация преди разрушаване. В СМС пластичните материали са от съществено значение, тъй като те се огъват и смачкват, вместо да се раздробяват. Това свойство е тясно свързано с обработваемостта — леснотата, с която един материал може да бъде формован в сложни компоненти като многокомпонентни бутове на бампери или сложни профили на релси чрез процеси като екструзия.
• Устойчивост на корозия: Системите за управление на сблъсъка често се намират в части на автомобила, изложени на атмосферни влияния. Корозията може с течение на времето да намали структурната цялостност на материала, което компрометира неговата работа при сблъсък. Материали като алуминият естествено образуват защитен оксиден слой, който осигурява отлична устойчивост към корозия и гарантира дълготрайност и безопасност.

Доминиращ материал: Напреднали алуминиеви сплави

В продължение на десетилетия напредналите алуминиеви сплави са материала по избор за високоефективни системи за управление на сблъсъка, като този избор е силно обоснован от тяхното уникално съчетание от свойства. Според Технически документ на SAE International , специфичните характеристики на алуминиевите сплави позволяват проектирането на икономични, леки конструкции с отличен потенциал за абсорбция на енергията при сблъсък. Това ги прави идеални за компоненти, които трябва да са едновременно здрави и леки.

Процесът на екструзия е особено важен за производството на CMS компоненти. Екструзията позволява създаването на сложни, многокомпонентни профили, които могат да бъдат оптимизирани по отношение на твърдост и контролирана деформация. Тази гъвкавост в дизайна е трудно постижима с традиционното стоманено щамповане. Като лидер в индустрията Hydro подчертава , тази безпрецедентна свобода на дизайна, комбинирана с напреднали сплави, осигурява директен път към високоефективни системи за оцеляване при сблъсък. За автомобилни проекти, изискващи такава прецизност, ключово значение имат специализирани производители. Например, за автомобилни проекти, които изискват прецизно проектирани компоненти, помислете за персонализирани алуминиеви профили от проверен партньор. Shaoyi Metal Technology предлага всеобхватна комплексна услуга – от бързо прототипиране, ускоряващо процеса на валидиране, до производство в пълен мащабаб, всичко управлявано в рамките на строга сертифицирана качествена система по IATF 16949. Те се специализират в доставката на здрави, леки и високо персонализирани части, изработени точно според спецификациите.

Инженерите използват предимно сплави от 6000 серия (AlMgSi) за тези приложения. Тези сплави са оптимизирани по отношение на якост, дуктилност и издръжливост и в същото време са добре подходящи както за екструзия, така и за последващи процеси на обработка като огъване и заваряване. Класовете, оптимизирани за сблъсък, са проектирани да абсорбират енергия при осеви натоварвания от смачкване, което ги прави идеални за кашони за сблъсък, докато класовете, оптимизирани по якост, се използват за греди на бампери, които трябва ефективно да предават сили. Възможността да се адаптират сплавите към конкретни функции в CMS е значително предимство при използването на алуминий.

Възникващи алтернативи: композити и напреднали стомани

Въпреки че алуминият остава доминиращият материал, непрекъснатото търсене на олекотяване на превозните средства и подобряване на безопасността е насочило изследванията към алтернативни материали. Напредналите композити и стоманите от следващо поколение са в авангарда на тази иновация, като всеки от тях предлага уникален набор от предимства и предизвикателства.

Алуминиевите метални матрични композити (ММК) и въглеродните влакнести композити представляват значителна крачка напред в производителността. Тези материали могат да осигурят още по-високи съотношения на якост към тегло в сравнение с алуминиевите сплави, което позволява допълнително намаляване на масата. Основните недостатъци обаче традиционно са били по-високите разходи за материали и по-сложни, отнемащи повече време производствени процеси. Въпреки това, тяхната превъзходна производителност ги прави приложими за висококласни превозни средства и специфични приложения, където максималното намаляване на теглото е от първостепенно значение.

Високоякостните стомани с висока якост (AHSS) също остават силен конкурент. Производителите на стомана са разработили множество класове AHSS, които осигуряват изключителна якост, позволявайки използването на по-тънки материали за намаляване на теглото в сравнение с обикновените стомани. Въпреки че често са по-тежки от съпоставими алуминиеви компоненти, AHSS могат да бъдат икономически ефективно решение, използващо съществуващата производствена инфраструктура. Изборът между алуминий, композити и AHSS често се свежда до сложен инженерен анализ на компромисите.

По-долу е таблица, обобщаваща основните характеристики на тези основни категории материали.

Рамката за избор: Балансиране на производителността, разходите и производимостта

Окончателният избор на материал за автомобилна система за управление на сблъсъка не се основава на една-единствена характеристика, а е резултат от процес на вземане на решения с множество критерии. Инженерите трябва да извършват прецизно балансиране, като вземат предвид компромисите между крайната производителност при сблъсък, целите за намаляване на теглото на превозното средство, сложността на производството и общата система за разходи. Този холистичен подход гарантира, че избраното решение е не само безопасно, но и търговски изгодно.

Рамката за вземане на решения включва няколко ключови аспекти. Първо, задават се целите за производителност, базирани на регулаторни изисквания и вътрешни цели за безопасност. След това инженерите използват сложни инструменти за компютърно подпомагано проектиране (CAE), за да стартират безброй симулации на сблъсъци. Тези симулации моделират поведението на различни материали и конструкции при различни сценарии на удар, което позволява бързо итериране и оптимизация още преди да бъдат произведени реални части. Както отбелязва Съветът на производителите на алуминиеви профили, е задължително CAE инженерите да разполагат с качествени данни за материалите, за да постигнат надеждни резултати.

След като чрез симулация са идентифицирани перспективни конструкции, се извършва физическа валидация. Това включва тестове на компонентно ниво, като например осево разрушаване на предни защитни капаци при сблъсък, както и пълни тестове за сблъсък с цял автомобил, за да се потвърди, че системата работи както е предвидено. Накрая се вземат предвид разходите и възможността за производство. Даден материал може да осигурява по-висока производителност, но ако е прекалено скъп или изисква изцяло нови производствени съоръжения, той може да не бъде приложим за серийно производство. Оптималният избор е този, който отговаря или надминава всички целеви показатели за безопасност в рамките на икономическите и производствени ограничения на конкретна програма за автомобил.

Бъдещи тенденции в материалите за управление на сблъсъка

Еволюцията на избора на материали за системи за управление на автомобилни сблъсъци е динамичен процес, задвижван от иновациите в материалознанието и производството. Основният предизвикателство остава същият: проектиране на системи, които са по-леки, по-силни и по-икономични, като осигуряват по-високо ниво на защита. В бъдеще все по-често ще се прилагат решения с множество материали, при които алуминий, напреднали стомани и композити се използват заедно, за да се използват най-добрите свойства на всеки един от тях. Този персонализиран подход позволява на инженерите да оптимизират всяка част от безопасната конструкция. В крайна сметка целта е цикъл на непрекъснато подобряване, който повишава безопасността на превозните средства както за пътниците, така и за пешеходците.

Често задавани въпроси

1. да се съобрази с Какви материали се използват при лекотегловата обработка на автомобили?

Леката конструкция в автомобилната промишленост използва разнообразни материали, за да се намали общата маса на превозното средство, като по този начин се подобрява икономичността на горивото и работните характеристики. Често използвани материали са алуминиеви сплави за каросерии, панели и системи за управление на сблъсъка; стомана за преципитационно затвърдяване и други напреднали високопрочни стомани; въглеродни влакнести композити за структурни елементи и панели на каросерията при високопроизводителни превозни средства; както и пластмаси за неструктурни части като интериорни панели и брони.

2. Кои инженерни и дизайнерски характеристики определят способността на превозно средство да издържа на сблъсък?

Способността на автомобила да издържа при сблъсък, или неговата способност да защитава пътниците при катастрофа, се определя от два основни фактора: конструкцията на автомобила и системите за задържане на пътниците. Конструкцията, включваща системата за управление на сблъсъка и устойчивата пасивна безопасна кабина, е проектирана да абсорбира и насочва енергията от удара. Системите за задържане на пътниците, които включват предпазни колани и въздушни възглавници, служат за контролиране на забавянето на пътниците и намаляване на контактите им с вътрешните повърхности по време на сблъсък.