Izbor materijala za sisteme upravljanja sudarima u automobilskoj industriji

KRATKO

Избор материјала за системе за управљање сударима у аутомобилској индустрији критична је инжењерска дисциплина која има за циљ максималну безбедност путника. Овај процес има приоритет у напредним материјалима, углавном легурама алуминијума високе чврстоће и новим композитима, који се бирају због одличног односа чврстоће према тежини и изузетних способности апсорпције енергије током судара. Ови материјали омогућавају инжењерима да дизајнирају делове који се предвидљиво деформишу, апсорбујући кинетичку енергију, истовремено одржавајући структурни интегритет простора за путнике.

Разумевање улоге система за управљање сударима (CMS)

Систем за управљање сударима у аутомобилској индустрији (CMS) је интегрисани скуп структурних компоненти који су дизајнирани да апсорбују и распршавају кинетичку енергију током судара, на тај начин штитећи путнике у возилу. Основна функција није спречавање оштећења возила, већ контролисање деформације структуре возила на предвидљив начин, смањујући силе које се преносе на простор за путнике. Ово контролисано урушавање је основни принцип савременог инжењерства безбедности возила.

Типичан CMS састоји се од неколико кључних компоненти које раде у складу. Најспољнији елемент је обично греда браника , јаки, често екструдирани шупљи профил који први ступа у контакт и распршава силе удара по предњем или задњем делу возила. Иза греде браника налазе се краш кутије (познати и као краш кенови), који су конструисани да се срушe као хармоника под аксијалним оптерећењем. Ове компоненте су примарни апсорбери енергије. На крају, силе се преносе на уздужне шине , који усмерава преосталу енергију од и око чврсте сигурносне ћелије за путнике. Како је детаљно наведено од стране Савета за алуминијумске екструзије , ова стаза оптерећења је педантно дизајнирана да ефикасно управља силама удара.

Ефикасност CMS-а је кључна како при високим тако и при ниским брзинама удара. У тешким сударима, способност апсорбовања енергије може бити разлика између благих и животно опасних повреда. У случајевима ниских брзина, добро дизајниран CMS може минимизирати структурна оштећења, што доводи до једноставнијег и мање скупог поправка. Стога су дизајн и избор материјала за овакве системе под строгим глобалним прописима о безбедности и протоколима потрошачких тестова, као што су они од стране Националне администрације за безбедност саобраћаја на магистралама (NHTSA) и Института за безбедност саобраћаја на магистралама (IIHS).

Кључна својства материјала за отпорност при судару

Izbor materijala za sistem upravljanja sudarom je veoma analitički proces koji je uslovljen potrebom da se izbalansiraju nekoliko konkurentskih inženjerskih svojstava. Konačni cilj je pronalazak materijala koji mogu apsorbovati maksimalnu količinu energije uz najmanju moguću težinu. Ova svojstva su osnova savremenog dizajna bezbednosti u automobilskoj industriji.

Najvažnija svojstva uključuju:

• Visoka omjer jačine-težine: Ovo je možda najvažnija karakteristika. Materijali sa visokim odnosom čvrstoće i težine obezbeđuju potrebnu otpornost na udarna opterećenja, a da pri tome ne dodaju prekomernu masu vozilu. Odmah efikasnija vozila imaju bolju ekonomičnost goriva i mogu pokazivati bolje ručne performanse. Aluminijumski legure su primer u tom pogledu jer nude značajna ušteda u težini u odnosu na tradicionalni čelik.
• Kapacitet apsorpcije energije: Sposobnost materijala da apsorbuje energiju određena je njegovom sposobnošću da se plastično deformiše bez loma. Tokom sudara, materijali koji mogu da se sabijaju, savijaju i presavijaju apsorbuju kinetičku energiju, usporavajući usporenje vozila i smanjujući G-sile na putnike. Konstrukcija komponenti poput kutija za apsorpciju udara posebno je optimizovana kako bi se maksimalno iskoristilo ovo ponašanje.
• Duktibilnost i obradivost: Duktibilnost je mera sposobnosti materijala da podnese značajnu plastičnu deformaciju pre kidanja. U sistemu za upravljanje sudarom (CMS), duktilni materijali su neophodni jer se savijaju i gnecaju umesto da se razlete. Ova osobina tesno je povezana sa obradivošću — lakocom kojom se materijal može oblikovati u složene komponente poput višeslojnih greda za prednji branik ili kompleksnih profila šinama postupcima poput ekstrudiranja.
• Otpornost na koroziju: Системи за управљање сударима често се налазе у деловима возила који су изложени спољашњим утицајима. Корозија може с временом оштетити структурну интегритет материјала, чиме се угрожава његова перформанса у случају судара. Материјали попут алуминијума природно стварају заштитни оксидни слој, што им омогућава изузетну отпорност на корозију и обезбеђује дуготрајност и сигурност.

Доминантни материјал: Напредне легуре алуминијума

Већ деценијама напредне легуре алуминијума су материјал одабира за високоперформанске системе за управљање сударима, што је посебно подржано њиховом јединственом комбинацијом својстава. Према Техничком раду SAE International , специфична својства алуминијумских легура омогућавају пројектовање структура који су економични, лаки и имају изузетан потенцијал апсорпције енергије при судару. Због тога су идеални за компоненте који морају бити истовремено чврсти и лаки.

Процес екструзије је посебно важан за производњу CMS компоненти. Екструзија омогућава стварање сложених, вишешупљих профила који се могу оптимизовати по питању крутости и контролисане деформације. Ова флексибилност у дизајну тешко се постиже традиционалним клупским пресовањем челика. Као водећи играч у индустрији Hydro истиче , ова безпрекорна слобода дизајна, у комбинацији са напредним легурама, пружа директан приступ системима за апсорбовање удараца високих перформанси. За аутомобилске пројекте који захтевају такву прецизност, специјализовани произвођачи су од кључног значаја. На пример, за аутомобилске пројекте који захтевају компоненте са прецизном конструкцијом, размотрите алуминијумске екструзије по наруџбини од провереног партнера. Компанија Shaoyi Metal Technology нуди комплексну услугу „све у једном“, од брзог прототипирања које убрзава процес ваљаније до производње у пуном обиму, све управљено строгим квалитетним системом сертификован по IATF 16949. Специјализовани су за испоруку јаких, лаких и високо прилагођених делова прилагођених тачним спецификацијама.

Инжењери углавном користе легуре серије 6000 (AlMgSi) за ове примене. Ове легуре су оптимизоване по питању чврстоће, дуктилности и издржљивости, а истовремено су погодне како за екструзију тако и за накнадне процесе обраде попут савијања и заваривања. Квалитети оптимизовани за судар дизајнирани су да апсорбују енергију под аксијалним оптерећењем, чинећи их савршеним за кутије за судар, док се квалитети оптимизовани по питању чврстоће користе за греде бампера којима је потребно ефикасно преносити силе. Могућност прилагођавања легура специфичним функцијама у оквиру CMS-а је значајна предност употребе алуминијума.

Нове алтернативе: композити и напредни челици

Иако алуминијум и даље остаје доминантан материјал, стална тежња ка смањењу масе возила и побољшању безбедносних перформанси потискује истраживања алтернативних материјала. Напредни композити и челици следеће генерације на челу су ове иновације, од којих сваки нуди јединствен скуп предности и изазова.

Композити алуминијума са матрицом од метала (ММЦ) и композити од угљеничних влакана представљају значајан напредак у перформансама. Ови материјали могу имати још већи однос чврстоће према тежини него алуминијумске легуре, омогућавајући додатно смањење масе. Главни недостаци, међутим, традиционално су били виша цена материјала и сложенији, дужи процеси производње. Упркос томе, њихове изузетне перформансе чине их прикладним за висококвалитетна возила и одређене примене где је максимално смањење тежине од пресудног значаја.

Čelici visoke čvrstoće (AHSS) i dalje ostaju jak konkurent. Proizvođači čelika razvili su brojne kategorije AHSS koji obezbeđuju ogromnu čvrstoću, omogućavajući korišćenje tanjih materijala za smanjenje težine u odnosu na meke čelike. Iako su često teži od odgovarajućeg aluminijumskog dela, AHSS može biti ekonomično rešenje koje iskorišćava postojeću proizvodnu infrastrukturu. Izbor između aluminijuma, kompozita i AHSS-a često se svodi na složenu inženjersku analizu kompromisa.

U nastavku je tabela koja rezimira ključne karakteristike ovih primarnih kategorija materijala.

Okvir za izbor: Balansiranje performansi, troškova i proizvodljivosti

Коначан избор материјала за систем за управљање сударима у аутомобилској индустрији не заснива се на једној јединој особини, већ је резултат процеса доношења одлука на основу више критеријума. Инжењери морају да изврше прецизно балансирање, узимајући у обзир компромисе између крајњих перформанси при судару, циљева олакшавања возила, сложености производње и укупних трошкова система. Овакав холистички приступ осигурава да изабрано решење буде не само безбедно, већ и комерцијално исплативо.

Оквир за доношење одлука укључује неколико кључних разматрања. Прво, постављају се циљеви перформанси на основу прописаних захтева и унутрашњих циљева сигурности. Инжењери затим користе напредне алате за рачунарско подржано инжењерство (CAE) да би извели бројне симулације судара. Ове симулације моделују како ће се различити материјали и конструкције понашати у разним ситуацијама судара, омогућавајући брзо понављање и оптимизацију задуже пре него што се произведу било који физички делови. Како истиче Савет произвођача алуминијумских екструзија, од суштинског је значаја да CAE инжењери имају добре податке о материјалима за своје моделе како би постигли поуздане резултате.

Када се кроз симулацију идентификују перспективни дизајни, врши се физичка верификација. То укључује тестове на нивоу компоненти, као што је аксијално спуштање кутија за сударе, као и тестове судара целих возила, како би се потврдило да систем ради као што је предвиђено. На крају, узимају се у обзир трошкови и могућност производње. Материјал може имати одличне перформансе, али ако је прескуп или захтева потпуно нове произвођачке капацитете, можда није изводљив за масовну производњу. Оптималан избор је онај који испуњава или превазилази све безбедносне циљеве у оквиру економских и производних ограничења одређеног програма возила.

Будући трендови у материјалима за управљање сударима

Еволуција избора материјала за системе управљања сударима у аутомобилској индустрији динамичан је процес који покрећу иновације у науци о материјалима и производњи. Основни изазов остаје исти: дизајнирање система који су лакши, јачи и економичнији, а притом обезбеђују већу заштиту. У будућности, све ће чешће долазити до интеграције конструкција од више материјала, где се алуминијум, напредни челици и композити користе заједно како би се искористиле најбоље карактеристике сваког појединог материјала. Такав прилагођени приступ омогућава инжењерима да оптимизују сваки део сигурносне конструкције. Коначни циљ је циклус сталног побољшања који повећава безбедност возила како за путнике, тако и за пешаке.

Često postavljana pitanja

1. Који материјали се користе у олакшавању аутомобила?

Oblačenje vozila koristi različite materijale kako bi se smanjila ukupna masa vozila, čime se poboljšava učinkovitost potrošnje goriva i radni učinak. Uobičajeni materijali uključuju legure aluminijuma za konstrukcije karoserije, ploče i sisteme upravljanja sudarom; čelik za presovanje i druge napredne visokootporne čelike; kompozite od ugljeničnih vlakana za strukturne komponente i panela karoserije u vozilima visokih performansi; kao i plastiku za nestrukturne delove poput unutrašnjih panela i bumperskih creva.

2. Koje inženjerske i dizajnerske karakteristike određuju sposobnost vozila da izdrži sudar?

Sposobnost vozila da zaštiti putnike u sudaru, odnosno njegova otpornost na sudar, određena je dvema glavnim faktorima: konstrukcijom vozila i sistemom za učvršćivanje putnika. Konstrukcija, uključujući sistem upravljanja sudarom i krutu sigurnosnu ćeliju za putnike, projektovana je tako da apsorbuje i preusmerava energiju udara. Sistemi za učvršćivanje putnika, koji uključuju sigurnosne pojase i jastuke za vazduh, služe za kontrolu usporenja putnika i smanjenje kontakta sa unutrašnjim površinama tokom sudara.