Materiālu atlase automašīnu sadursmju vadības sistēmām

TL;DR

Materiālu izvēle automobiļu sadzīšanas pārvaldības sistēmām ir kritiski svarīga inženierzinātne, kas koncentrējas uz pasažieru drošības maksimizēšanu. Šis process prioritāri izvēlas jaunlaiku materiālus, galvenokārt augstas izturības alumīnija sakausējumus un jaunās kompozītvielas, kuru izvēle balstās uz to izcilību izturības attiecībā pret svaru un izciliem enerģijas absorbsijas spējām sadursmes laikā. Šie materiāli ļauj inženieriem izstrādāt sastāvdaļas, kas deformējas prognozējamā veidā, absorbējot kinētisko enerģiju, vienlaikus saglabājot pasažieru kabīnes strukturālo integritāti.

Sadzīšanas pārvaldības sistēmu (CMS) lomas izpratne

Automobiļa sadursmes pārvaldības sistēma (CMS) ir integrēts strukturālo komponentu komplekts, kura mērķis ir absorbēt un izkliedēt kinētisko enerģiju sadursmes laikā, tādējādi aizsargājot transportlīdzekļa pasažierus. Galvenais mērķis nav novērst transportlīdzekļa bojājumus, bet gan kontrolēt transportlīdzekļa konstrukcijas deformāciju paredzamā veidā, samazinot spēkus, kas tiek pārnesti uz pasažieru nodalījumu. Šis kontrolētais sabrukšanas princips ir viens no modernās transportlīdzekļu drošības inženierijas pamatelementiem.

Tipiska CMS sastāv no vairākiem galvenajiem komponentiem, kas darbojas saskaņoti. Ārējais elements parasti ir bumpera balsts , izturīgs, bieži ekstrudēts dobs profils, kas nodrošina pirmo kontaktu un sadala trieciena spēku pa transportlīdzekļa priekšu vai aizmuguri. Aiz bumpera balsta atrodas sadalīšanas kastes (arī zināmi kā saspiešanas kārbas), kas konstruēti tā, lai sabruktu līdzīgi akordeonam, kad tiek piemēroti aksiālie slodzes spēki. Šie komponenti ir galvenie enerģijas absorbētāji. Beigās spēki tiek pārsūtīti uz transportlīdzekļa garumsvirziena riteņu balstus , kas novada atlikušo enerģiju prom no un apkārt stingrajam pasažieru drošības korpusam. Kā to detalizēti apraksta Alumīnija ekstrūzijas padome , šis slodzes ceļš ir rūpīgi izstrādāts, lai efektīvi pārvaldītu triecienu spēkus.

CMS efektivitāte ir ļoti svarīga gan augstas, gan zemas ātruma sadursmēs. Smagos avārijās tā spēja absorbēt enerģiju var būt atšķirība starp nelieliem un dzīvībai bīstamiem ievainojumiem. Zema ātruma incidentos labi izstrādāts CMS var minimizēt strukturālos bojājumus, rezultējot vienkāršākos un lētākos remontos. Tādēļ šādu sistēmu konstrukcijai un materiālu izvēlei piemēroti stingri globālie drošības noteikumi un patērētāju testēšanas protokoli, piemēram, Nacionālā automaģistrāļu satiksmes drošības aģentūras (NHTSA) un Automaģistrāļu drošības apdrošināšanas institūta (IIHS) izstrādātie.

Svarīgas materiālu īpašības sadursmes izturībai

Materiālu izvēle sadursmes pārvaldības sistēmai ir ļoti analītisks process, ko nosaka vajadzība saskaņot vairākas konkurējošas inženierijas īpašības. Galvenais mērķis ir atrast materiālus, kas spēj absorbēt maksimālo enerģijas daudzumu minimums iespējamā svarā. Šīs īpašības ir modernas automašīnu drošības konstrukcijas pamatā.

Svarīgākās īpašības ietver:

• Augsts izturības-svara attiecības rādītājs: Šī, iespējams, ir svarīgākā raksturojošā iezīme. Materiāli ar augstu izturības-svara attiecību nodrošina nepieciešamo pretestību trieciena spēkiem, neieviesot pārmērīgu masu transportlīdzeklī. Vieglāki transportlīdzekļi ir ekonomiskāki degvielas patēriņā un var labāk uzrādīt braukšanas dinamiku. Alumīnija sakausējumi šajā ziņā ir piemērs, piedāvājot būtisku svara ietaupījumu salīdzinājumā ar tradicionālo tēraudu.
• Enerģijas absorbēšanas spēja: Materiāla spēja absorbēt enerģiju tiek noteikta ar tā spēju plastiski deformēties, nesaplīstot. Avārijas laikā materiāli, kas var sabojāties, saliekties un salocīties, absorbē kinētisko enerģiju, palēninot transportlīdzekļa bremzēšanu un samazinot G spēku iedarbību uz pasažieriem. Sastiepšanās kastiņu un līdzīgu komponentu dizains ir specifiski optimizēts, lai maksimāli palielinātu šo efektu.
• Plastiskums un veidojamība: Plastiskums ir materiāla spējas pakļauties ievērojamai plastiskai deformācijai pirms pārrāvuma mērs. CMS sistēmās plastiski materiāli ir būtiski, jo tie liecas un salokās, nevis saskrūvējas. Šī īpašība cieši saistīta ar veidojamību — ar ko materiālu var viegli izveidot sarežģītos komponentos, piemēram, daudzdošu aizmugures stieņu vai sarežģītas rievas profila formas, izmantojot procesus, piemēram, ekstrūziju.
• Korozijas izturība: Avārijas pārvaldības sistēmas bieži atrodas transportlīdzekļa daļās, kas pakļautas ārējiem apstākļiem. Korozija var laika gaitā pasliktināt materiāla strukturālo izturību, kā rezultātā tā veiktspēja sadursmē tiek ierobežota. Materiāli, piemēram, alumīnijs, dabiski veido aizsargkārtu no oksīda, kas nodrošina lielisku korozijas izturību un ilgtermiņa izturību un drošību.

Dominējošais materiāls: Augstākas klases alumīnija sakausējumi

Jau vairākus desmitus gadu augstākas klases alumīnija sakausējumi ir bijuši materiāls, ko izvēlas augsta veiktspējas avārijas pārvaldības sistēmām, un šo izvēli stingri atbalsta to unikālu īpašību kombinācija. Saskaņā ar SAE International tehnisku rakstu , alumīnija sakausējumu specifiskās īpašības ļauj izstrādāt izdevīgas, vieglas konstrukcijas ar lielisku potenciālu absorbēt avārijas enerģiju. Tādējādi tās kļūst par ideālu izvēli komponentiem, kam jābūt gan izturīgiem, gan viegliem.

Ekstrūzijas process ir īpaši svarīgs CMS komponentu ražošanā. Ekstrūzija ļauj izveidot sarežģītus daudzkameru profilus, kurus var optimizēt cietībai un kontrolētai deformācijai. Šāda veida dizaina elastība ir grūti sasniedzama ar tradicionālo tērauda štampēšanu. Kā nozares līderis Hydro uzsvērt , šis bezprecedenta dizaina brīvības līmenis kopā ar jaunākajiem sakausējumiem nodrošina tiešu pieeju augstas veiktspējas sadzīšanas sistēmām. Automobiļu projektiem, kuri prasa šādu precizitāti, īpaši svarīgi ir specializēti ražotāji. Piemēram, automašīnu projektos, kas prasa precīzi izstrādātas detaļas, var apsvērt pielāgotas alumīnija ekstrūzijas no uzticama partnera. Shaoyi Metal Technology piedāvā plašu vienvietas pakalpojumu klāstu – no ātra prototipēšanas, kas paātrina validācijas procesu, līdz pilnmēroga ražošanai, visu pārvaldot stingrā IATF 16949 sertificētā kvalitātes sistēmā. Uzņēmums specializējas stipru, vieglu un ļoti individualizētu detaļu piegādē, kuras izstrādātas precīzi pēc norādītajām specifikācijām.

Inženieri šīm lietojumprogrammām galvenokārt izmanto 6000. sērijas (AlMgSi) sakausējumus. Šie sakausējumi ir optimizēti izturībai, plastiskumam un izturībai, vienlaikus būdamas piemēroti gan ekstrūzijai, gan turpmākiem izgatavošanas procesiem, piemēram, liekšanai un metināšanai. Avārijām optimizētie pakāpieni ir izstrādāti, lai absorbētu enerģiju ass saspiešanas slodzēs, tādējādi tos padarot par ideālu izvēli sadursmes kastēm, savukārt izturībai optimizētie pakāpieni tiek izmantoti bufertāmos, kas efektīvi jāpārnes spēki. Spēja pielāgot sakausējumus konkrētām funkcijām CMS ietvaros ir būtisks arguments par labu alumīnija izmantošanai.

Jaunas alternatīvas: kompozītmateriāli un jaunās paaudzes tēraudi

Lai gan alumīnijs joprojām ir dominējošais materiāls, nepārtrauktā automašīnu atvieglošanas un uzlabotās drošības veicināšana ir veicinājusi pētījumus par alternatīviem materiāliem. Jaunās paaudzes kompozītmateriāli un tēraudi ir inovāciju priekšgalā, katrs no tiem piedāvājot unikālu priekšrocību un izaicinājumu kopumu.

Alumīnija metāla matricas kompozītmateriāli (MMC) un oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir būtisks solis uz priekšu attiecībā uz veiktspēju. Šie materiāli var piedāvāt pat augstāku izturības attiecību pret svaru salīdzinājumā ar alumīnija sakausējumiem, ļaujot vēl vairāk samazināt masu. Galvenie trūkumi, tomēr, vēsturiski ir bijuši augstākas materiālu izmaksas un sarežģītāki, ilgstošāki ražošanas procesi. Tomēr to pārākā veiktspēja tos padara par piemērotu izvēli augstklasēm automašīnām un konkrētām lietošanas jomām, kur maksimāla svara samazināšana ir vispirmās nozīmes.

Arī augstas izturības tērauds (AHSS) joprojām ir spēcīgs konkurents. Tērauda ražotāji ir izstrādājuši daudzas AHSS klases, kas nodrošina lielu izturību, ļaujot izmantot plānāku materiālu, lai samazinātu svaru salīdzinājumā ar mīksto tēraudu. Lai gan bieži vien ir smagāks nekā salīdzināms alumīnija komponents, AHSS var būt izmaksu ziņā efektīvs risinājums, kas izmanto esošo ražošanas infrastruktūru. Izvēle starp alumīniju, kompozītmateriāliem un AHSS bieži vien ir sarežģīta inženierijas kompromisa analīze.

Zemāk ir tabula ar šo galveno materiālu kategoriju atslēgas īpašībām.

Izvēles rāmstis: snieguma, izmaksu un ražošanas vieglums līdzsvarošana

Galīgā materiāla izvēle automašīnas sadursmes pārvaldības sistēmai balstās nevis uz vienu vienīgu īpašību, bet gan ir daudzkritēriju lēmumu pieņemšanas process. Inženieriem ir jāveic rūpīgs līdzsvars starp galīgo sadursmes sniegumu, transportlīdzekļa atvieglošanas mērķiem, ražošanas sarežģītību un kopējām sistēmas izmaksām. Šis visaptverošais pieeja nodrošina, ka izvēlētā risinājuma drosme un komerciālā dzīvotspēja ir garantēta.

Lēmumu pieņemšanas struktūra ietver vairākus galvenos aspektus. Pirmkārt, tiek noteikti veiktspējas mērķi, pamatojoties uz regulatīvajām prasībām un iekšējiem drošības mērķiem. Inženieri pēc tam izmanto sarežģītas datorizētās inženierijas (CAE) rīkus, lai veiktu bezgalvu daudzumu sadursmes simulāciju. Šīs simulācijas modelē, kā dažādi materiāli un konstrukcijas uzvedīsies dažādos sadursmes scenārijos, ļaujot ātri iterēt un optimizēt risinājumus jau pirms tiek izgatavotas kādas fiziskas detaļas. Kā norāda Alumīnija ekstrūzijas padome, ir būtiski, ka CAE inženieriem ir kvalitatīvi materiālu dati savos modeļos, lai iegūtu uzticamus rezultātus.

Kad ar simulāciju ir identificēti potenciāli veiksmīgi dizaini, tiek veikta fiziska validācija. Tā ietver komponentu līmeņa testus, piemēram, saspiešanas testus avārijas kastēm, kā arī pilna transportlīdzekļa sadursmes testus, lai pārbaudītu, vai sistēma darbojas tā, kā paredzēts. Beigās tiek ņemti vērā izmaksu un ražošanas iespējamības aspekti. Materiāls var piedāvāt labākas ekspluatācijas īpašības, taču, ja tā cena ir pārāk augsta vai nepieciešamas pilnīgi jaunas ražošanas iekārtas, tas var nebūt izdevīgs masu ražošanai. Optimālais izvēles variants ir tas, kurš atbilst vai pārsniedz visus drošības mērķus, ietverot ekonomiskos un ražošanas ierobežojumus konkrētā transportlīdzekļa programmas ietvaros.

Nākotnes tendences sadursmju pārvaldības materiālos

Automobiļu sadursmju pārvaldības sistēmu materiālu atlases attīstība ir dinamisks process, kuru virza inovācijas materiālu zinātnē un ražošanā. Galvenais izaicinājums paliek nemainīgs: izstrādāt sistēmas, kas ir vieglākas, izturīgākas un lētākas, vienlaikus nodrošinot augstāku aizsardzību. Nākotnē arvien biežāk tiks izmantoti daudzmateriālu dizaini, kuros alumīnijs, jaunākās tērauda šķirnes un kompozītmateriāli tiks kombinēti, lai izmantotu katras materiāla labākās īpašības. Šāds pielāgots pieeja ļauj inženieriem optimizēt katru drošības struktūras sastāvdaļu. Galarezultātā tiek tiecies pēc nepārtrauktas uzlabošanas, kas palielina drošību gan pasažieriem, gan gājējiem.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kādi materiāli tiek izmantoti automašīnu vieglošanai?

Automobiļu atvieglošanai izmanto dažādas materiālu šķirnes, lai samazinātu kopējo transportlīdzekļa masu, tādējādi uzlabojot degvielas efektivitāti un veiktspēju. Bieži lietoti materiāli ietver alumīnija sakausējumus korpusa konstrukcijām, paneļiem un sadursmes pārvaldības sistēmām; presējamās cietības tēraudu un citus jaunākās paaudzes augstas izturības tēraudus; oglekļa šķiedru kompozītmateriālus strukturālajām detaļām un paneļiem augsta līmeņa transportlīdzekļos; kā arī plastmasas nestrukturnām daļām, piemēram, interjera paneļiem un bamperiem.

2. Kādas inženierijas un dizaina iezīmes nosaka transportlīdzekļa drošumu sadursmē?

Automašīnas sadursmes izturība jeb spēja aizsargāt pasažierus avārijas laikā tiek noteikta, pamatojoties uz diviem galvenajiem faktoriem: automašīnas struktūru un pasažieru fiksācijas sistēmām. Struktūra, kurā ietilpst sadursmes pārvaldības sistēma un cietā pasažieru drošības kabine, ir izstrādāta, lai absorbētu un novirzītu trieciena enerģiju. Pasažieru fiksācijas sistēmas, kurās ietilpst drošības jostas un airbāgi, darbojas, lai kontrolētu pasažiera palēninājumu un minimizētu kontaktu ar iekštelpu virsmām sadursmes laikā.