การเลือกวัสดุสำหรับระบบบริหารจัดการการชนในยานยนต์

สรุปสั้นๆ

การคัดเลือกวัสดุสำหรับระบบบริหารการชนในยานยนต์เป็นสาขาวิศวกรรมที่สำคัญอย่างยิ่ง โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มความปลอดภัยให้แก่ผู้โดยสารให้มากที่สุด กระบวนการนี้ให้ความสำคัญกับวัสดุขั้นสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงและวัสดุคอมโพสิตที่กำลังพัฒนา ซึ่งถูกเลือกมาเนื่องจากมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม และมีความสามารถในการดูดซับพลังงานได้อย่างยอดเยี่ยมในช่วงที่เกิดการชน วัสดุเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบชิ้นส่วนที่บิดเบี้ยวได้อย่างคาดการณ์ล่วงหน้า ดูดซับพลังงานจลน์ ขณะเดียวกันก็รักษาความแข็งแรงของโครงสร้างห้องโดยสารไว้ได้

การเข้าใจบทบาทของระบบบริหารการชน (CMS)

ระบบจัดการการชนในยานยนต์ (CMS) คือชุดขององค์ประกอบโครงสร้างที่รวมเข้าด้วยกันเพื่อดูดซับและกระจายพลังงานจลน์ในระหว่างการชน เพื่อปกป้องผู้โดยสารภายในรถ หน้าที่หลักไม่ใช่การป้องกันความเสียหายของรถ แต่เป็นการควบคุมการเปลี่ยนรูปร่างของโครงสร้างรถอย่างมีแบบแผน เพื่อลดแรงที่ถ่ายโอนไปยังห้องโดยสาร การยุบตัวอย่างมีการควบคุมนี้ถือเป็นหลักการพื้นฐานของการวิศวกรรมความปลอดภัยยานยนต์สมัยใหม่

โดยทั่วไป CMS จะประกอบด้วยหลายส่วนสำคัญที่ทำงานร่วมกัน ส่วนนอกสุดมักจะเป็น คานกันชน ซึ่งเป็นโปรไฟล์กลวงที่แข็งแรง มักผลิตโดยกระบวนการอัดขึ้นรูป และทำหน้าที่สัมผัสแรงกระแทกครั้งแรก พร้อมทั้งกระจายแรงกระแทกไปตามด้านหน้าหรือด้านหลังของรถ ด้านหลังคานกันชนคือ กล่องชน (Crash boxes) (หรือที่เรียกว่า แครชแคน) ซึ่งได้รับการออกแบบให้ยุบตัวลงเหมือนลูกเลื่อนของเครื่องเป่าลมเมื่อมีแรงกระทำตามแนวแกน ชิ้นส่วนเหล่านี้ทำหน้าที่ดูดซับพลังงานหลัก สุดท้าย แรงจะถูกถ่ายโอนไปยัง รางยาวตามแนวตัวถัง , ซึ่งทำหน้าที่เบี่ยงเบนอนุภาคพลังงานที่เหลือออกไปจากและรอบๆ เซลล์ความปลอดภัยของผู้โดยสารที่มีความแข็งแรง , ตามที่อธิบายโดยสภาผู้ผลิตอลูมิเนียมแบบอัดรีด , เส้นทางการรับแรงนี้ได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถันเพื่อจัดการกับแรงกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพของระบบ CMS มีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งในกรณีที่เกิดการชนความเร็วสูงและต่ำ ในกรณีการชนรุนแรง ความสามารถในการดูดซับพลังงานของระบบสามารถทำให้ความแตกต่างระหว่างบาดเจ็บเล็กน้อยกับการบาดเจ็บที่คุกคามชีวิตลดลง สำหรับเหตุการณ์ความเร็วต่ำ ระบบ CMS ที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถลดความเสียหายของโครงสร้าง ทำให้การซ่อมแซมทำได้ง่ายขึ้นและมีค่าใช้จ่ายต่ำลง ดังนั้น การออกแบบและคัดเลือกวัสดุสำหรับระบบนี้จึงต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยระดับโลกที่เข้มงวด และขั้นตอนการทดสอบของผู้บริโภค เช่น จากองค์การบริหารความปลอดภัยบนทางหลวงแห่งชาติ (NHTSA) และสถาบันประกันภัยเพื่อความปลอดภัยบนทางหลวง (IIHS)

คุณสมบัติของวัสดุสำคัญสำหรับความสามารถในการป้องกันการชน

การคัดเลือกวัสดุสำหรับระบบบริหารจัดการการชนเป็นกระบวนการวิเคราะห์อย่างสูง ซึ่งขับเคลื่อนโดยความจำเป็นในการถ่วงดุลสมบัติด้านวิศวกรรมหลายประการที่ขัดแย้งกัน เป้าหมายสูงสุดคือการค้นหาวัสดุที่สามารถดูดซับพลังงานได้มากที่สุด ในน้ำหนักที่เบามากที่สุด สมบัติเหล่านี้เป็นรากฐานของการออกแบบความปลอดภัยในยานยนต์สมัยใหม่

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุด ได้แก่:

• อัตราส่วนความแข็งแรงต่อ น้ำหนักสูง: สิ่งนี้อาจกล่าวได้ว่าเป็นลักษณะที่สำคัญที่สุด วัสดุที่มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง จะให้ความต้านทานที่จำเป็นต่อแรงกระแทก โดยไม่เพิ่มน้ำหนักให้กับรถมากเกินไป ยานพาหนะที่เบากว่าจะใช้เชื้อเพลิงได้มีประสิทธิภาพมากกว่า และสามารถแสดงพฤติกรรมการทรงตัวที่ดีกว่า อลูมิเนียมอัลลอยเป็นตัวอย่างที่โดดเด่นในด้านนี้ เพราะให้การประหยัดน้ำหนักอย่างมากเมื่อเทียบกับเหล็กแบบดั้งเดิม
• ความสามารถในการดูดซับพลังงาน: ความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานขึ้นอยู่กับความสามารถในการเปลี่ยนรูปร่างแบบพลาสติกโดยไม่แตกหัก ระหว่างการชน วัสดุที่สามารถยุบ โค้ง และพับได้จะดูดซับพลังงานจลน์ ทำให้การชะลอตัวของรถช้าลงและลดแรงที่กระทำต่อผู้โดยสารในรูปของค่า G-force การออกแบบชิ้นส่วนต่างๆ เช่น กล่องชน จึงถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในลักษณะนี้
• ความเหนียวและความสามารถในการขึ้นรูป: ความเหนียวคือการวัดความสามารถของวัสดุในการเปลี่ยนรูปร่างพลาสติกอย่างมีนัยสำคัญก่อนที่จะขาด วัสดุที่มีความเหนียวมีความสำคัญในระบบ CMS เพราะจะทำให้วัสดุโค้งงอและยุบตัวแทนที่จะแตกกระจาย คุณสมบัตินี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความสามารถในการขึ้นรูป หรือความง่ายในการขึ้นรูปวัสดุให้เป็นชิ้นส่วนซับซ้อน เช่น คานกันชนแบบกลวงหลายช่อง หรือโครงรางที่มีรูปร่างซับซ้อน ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การอัดรีด
• ความต้านทานการกัดกร่อน: ระบบจัดการการชนมักตั้งอยู่ในบริเวณของยานพาหนะที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอก ซึ่งการกัดกร่อนสามารถทำให้ความสามารถในการรับแรงของวัสดุลดลงตามเวลาที่ผ่านไป ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการชนลดลงได้ วัสดุอย่างอลูมิเนียมมีคุณสมบัติในการสร้างชั้นออกไซด์ป้องกันโดยธรรมชาติ ทำให้มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม และรับประกันความทนทานและความปลอดภัยในระยะยาว

วัสดุหลัก: อลูมิเนียมอัลลอยขั้นสูง

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่อลูมิเนียมอัลลอยขั้นสูงได้รับเลือกเป็นวัสดุหลักสำหรับระบบจัดการการชนที่ต้องการสมรรถนะสูง ซึ่งความนิยมนี้ได้รับการสนับสนุนอย่างชัดเจนจากคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวของวัสดุดังกล่าว ตามรายงานทางเทคนิคจาก SAE International technical paper ลักษณะเฉพาะของอลูมิเนียมอัลลอยช่วยให้สามารถออกแบบโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาและคุ้มค่าต้นทุน พร้อมศักยภาพในการดูดซับพลังงานจากการชนได้อย่างยอดเยี่ยม ทำให้วัสดุเหล่านี้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการทั้งความแข็งแรงและน้ำหนักเบา

กระบวนการอัดรีดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตชิ้นส่วน CMS การอัดรีดช่วยให้สามารถสร้างโปรไฟล์ที่ซับซ้อนและมีช่องกลวงหลายชั้น ซึ่งสามารถออกแบบให้มีความแข็งแรงและควบคุมการเปลี่ยนรูปได้อย่างเหมาะสม ความยืดหยุ่นในการออกแบบนี้ยากที่จะทำได้ด้วยกระบวนการตีขึ้นรูปเหล็กแบบดั้งเดิม เป็นผู้นำในอุตสาหกรรม ไฮโดร ไฮไลท์ , ความอิสระในการออกแบบที่เหนือชั้นนี้ ร่วมกับโลหะผสมขั้นสูง ทำให้เกิดแนวทางโดยตรงสู่ระบบการชนประสิทธิภาพสูง สำหรับโครงการยานยนต์ที่ต้องการความแม่นยำดังกล่าว ผู้ผลิตเฉพาะทางถือเป็นกุญแจสำคัญ ตัวอย่างเช่น สำหรับโครงการยานยนต์ที่ต้องการชิ้นส่วนที่ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำ ควรพิจารณาชิ้นส่วนอลูมิเนียมอัดรีดแบบกำหนดเองจากพันธมิตรที่เชื่อถือได้ Shaoyi Metal Technology นำเสนอบริการครบวงจรแบบเบ็ดเสร็จ ตั้งแต่การทำต้นแบบอย่างรวดเร็วที่เร่งกระบวนการตรวจสอบความถูกต้องของคุณ ไปจนถึงการผลิตในระดับเต็ม ทั้งหมดนี้ดำเนินการภายใต้ระบบคุณภาพที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 อย่างเข้มงวด พวกเขามีความชำนาญในการจัดส่งชิ้นส่วนที่แข็งแรง น้ำหนักเบา และสามารถปรับแต่งได้สูง ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะตามข้อกำหนดที่แน่นอน

วิศวกรใช้โลหะผสมซีรีส์ 6000 (AlMgSi) เป็นหลักสำหรับการประยุกต์ใช้งานเหล่านี้ โลหะผสมดังกล่าวได้รับการปรับแต่งให้มีความแข็งแรง ความเหนียว และความทนทาน โดยเหมาะสมอย่างยิ่งต่อกระบวนการอัดขึ้นรูปและการผลิตขั้นต่อไป เช่น การดัดและเชื่อม สำหรับเกรดที่ออกแบบมาเพื่อการชนโดยเฉพาะจะถูกพัฒนาให้สามารถดูดซับพลังงานภายใต้แรงกดตามแนวแกน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกล่องดูดซับแรงกระแทก ในขณะที่เกรดที่เน้นความแข็งแรงจะถูกใช้ในคานกันชน ซึ่งต้องถ่ายโอนแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความสามารถในการปรับแต่งโลหะผสมให้เหมาะสมกับหน้าที่เฉพาะในระบบ CMS นี้ ถือเป็นข้อได้เปรียบสำคัญของการใช้อลูมิเนียม

ทางเลือกใหม่ที่กำลังเกิดขึ้น: คอมโพสิตและเหล็กขั้นสูง

แม้อลูมิเนียมจะยังคงเป็นวัสดุหลัก แต่ความพยายามอย่างต่อเนื่องในการลดน้ำหนักรถยนต์และยกระดับสมรรถนะด้านความปลอดภัย ได้ผลักดันการวิจัยวัสดุทางเลือกต่างๆ คอมโพสิตขั้นสูงและเหล็กรุ่นใหม่กำลังอยู่ในแนวหน้าของนวัตกรรมนี้ โดยแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อท้าทายที่แตกต่างกันออกไป

คอมโพสิตเมทัลแมทริกซ์อลูมิเนียม (MMCs) และคอมโพสิตไฟเบอร์คาร์บอน ถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาสมรรถนะ วัสดุเหล่านี้สามารถให้อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียม ทำให้ลดน้ำหนักได้มากยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ข้อเสียหลักที่ผ่านมาคือต้นทุนวัสดุที่สูงกว่าและกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและใช้เวลานานกว่า ถึงกระนั้น สมรรถนะที่เหนือกว่าของวัสดุเหล่านี้ทำให้เหมาะสมกับการใช้งานในรถยนต์ระดับพรีเมียมและแอปพลิเคชันเฉพาะที่ต้องการลดน้ำหนักให้ได้มากที่สุด

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ยังคงเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งเช่นกัน ผู้ผลิตเหล็กได้พัฒนาเหล็ก AHSS หลายเกรดที่มีความแข็งแรงสูงมาก ทำให้สามารถใช้วัสดุที่บางลงเพื่อลดน้ำหนักเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ แม้ว่ามักจะมีน้ำหนักมากกว่าชิ้นส่วนอะลูมิเนียมในระดับเดียวกัน แต่ AHSS อาจเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าทางต้นทุนและสามารถใช้โครงสร้างพื้นฐานการผลิตที่มีอยู่แล้วได้ การเลือกระหว่างอลูมิเนียม วัสดุคอมโพสิต และ AHSS มักขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์การแลกเปลี่ยนด้านวิศวกรรมที่ซับซ้อน

ด้านล่างนี้เป็นตารางสรุปลักษณะสำคัญของหมวดหมู่วัสดุหลักเหล่านี้

กรอบการคัดเลือก: การถ่วงดุลระหว่างสมรรถนะ ต้นทุน และความสามารถในการผลิต

การเลือกวัสดุขั้นสุดท้ายสำหรับระบบจัดการการชนในยานยนต์ไม่ได้อาศัยเพียงคุณสมบัติใดคุณสมบัติหนึ่ง แต่เป็นผลลัพธ์จากกระบวนการตัดสินใจหลายเกณฑ์ วิศวกรจำเป็นต้องดำเนินการชั่งน้ำหนักอย่างระมัดระวัง โดยพิจารณาความเสี่ยงและข้อแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพการชนขั้นสูงสุด เป้าหมายการลดน้ำหนักรถยนต์ ความซับซ้อนในการผลิต และต้นทุนโดยรวมของระบบ แนวทางแบบองค์รวมนี้ทำให้มั่นใจได้ว่า ทางออกที่เลือกนั้นไม่เพียงแต่มีความปลอดภัย แต่ยังคุ้มค่าเชิงพาณิชย์อีกด้วย

กรอบการตัดสินใจเกี่ยวข้องกับปัจจัยสำคัญหลายประการ ก่อนอื่น ต้องกำหนดเป้าหมายด้านประสิทธิภาพตามข้อกำหนดของกฎระเบียบและเป้าหมายด้านความปลอดภัยภายใน จากนั้น วิศวกรจะใช้เครื่องมือทางวิศวกรรมช่วยด้วยคอมพิวเตอร์ (CAE) ที่ซับซ้อนในการจำลองการชนจำนวนมาก การจำลองเหล่านี้จะแสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมของวัสดุและแบบออกแบบต่างๆ ในสถานการณ์การกระแทกที่หลากหลาย ทำให้สามารถปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะผลิตชิ้นส่วนจริงใดๆ ตามที่สภาผู้ผลิตอลูมิเนียมแบบอัดรีด (Aluminum Extruders Council) ระบุไว้ วิศวกร CAE จำเป็นต้องมีข้อมูลวัสดุที่แม่นยำเพื่อให้แบบจำลองสามารถให้ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้

เมื่อระบุแบบจำลองที่มีศักยภาพได้แล้วจากการจำลอง ขั้นตอนถัดไปคือการตรวจสอบด้วยการทดสอบจริง ซึ่งรวมถึงการทดสอบในระดับชิ้นส่วน เช่น การทดสอบแรงบดอัดตามแนวแกนของกล่องกันกระแทก และการทดสอบการชนของรถทั้งคัน เพื่อยืนยันว่าระบบทำงานตรงตามที่คาดการณ์ไว้ สุดท้ายจะพิจารณาต้นทุนและความเหมาะสมในการผลิต วัสดุบางชนิดอาจให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า แต่หากมีราคาสูงเกินไปหรือต้องใช้โรงงานผลิตใหม่ทั้งหมด ก็อาจไม่สามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิตจำนวนมากได้ ทางเลือกที่ดีที่สุดคือวัสดุที่สามารถบรรลุหรือเกินเป้าหมายด้านความปลอดภัยทั้งหมด ภายใต้ข้อจำกัดด้านเศรษฐกิจและการผลิตของโครงการรถรุ่นนั้นๆ

แนวโน้มในอนาคตของวัสดุสำหรับการจัดการการชน

การพัฒนาด้านการเลือกวัสดุสำหรับระบบจัดการการชนในยานยนต์เป็นกระบวนการที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา โดยได้รับแรงผลักดันจากการนวัตกรรมในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและการผลิต ความท้าทายหลักยังคงเหมือนเดิม คือ การออกแบบระบบที่มีน้ำหนักเบาขึ้น แข็งแรงขึ้น และมีประสิทธิภาพด้านต้นทุนมากขึ้น พร้อมทั้งให้การป้องกันที่เหนือกว่า ในอนาคตอันใกล้ การผสานรวมการออกแบบจากหลายวัสดุ ซึ่งใช้อะลูมิเนียม เหล็กขั้นสูง และคอมโพสิตไปพร้อมกันเพื่อใช้คุณสมบัติที่ดีที่สุดของแต่ละวัสดุ จะกลายเป็นเรื่องที่พบเห็นได้บ่อยขึ้น แนวทางเฉพาะนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถปรับแต่งโครงสร้างความปลอดภัยในทุกส่วนให้มีประสิทธิภาพสูงสุด สุดท้ายเป้าหมายคือ วงจรการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องที่จะยกระดับความปลอดภัยของยานยนต์ทั้งสำหรับผู้โดยสารและผู้เดินเท้า

คำถามที่พบบ่อย

1. วัสดุใดบ้างที่ใช้ในการลดน้ำหนักยานยนต์

การลดน้ำหนักรถยนต์ใช้วัสดุหลายประเภทเพื่อลดมวลรวมของรถ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและประสิทธิภาพการขับขี่ วัสดุทั่วไป ได้แก่ โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับโครงสร้างตัวถัง แผ่นเปลือก และระบบจัดการการชน; เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง เช่น เหล็กกล้าแบบกดขึ้นรูปแข็ง; ไฟเบอร์คาร์บอนคอมโพสิตสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างและแผ่นเปลือกตัวถังในรถยนต์สมรรถนะสูง; และพลาสติกสำหรับชิ้นส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้าง เช่น แผ่นตกแต่งภายในและกันชน

2. คุณลักษณะทางวิศวกรรมและการออกแบบใดที่กำหนดความสามารถในการป้องกันการชนของรถ?

ความสามารถในการป้องกันผู้โดยสารของยานพาหนะเมื่อเกิดการชน หรือที่เรียกว่า ความปลอดภัยจากการชน ถูกกำหนดโดยสองปัจจัยหลัก ได้แก่ โครงสร้างของยานพาหนะและระบบยึดตรึงผู้โดยสาร โครงสร้าง ซึ่งรวมถึงระบบจัดการการชนและโครงสร้างความปลอดภัยสำหรับผู้โดยสารที่มีความแข็งแรง ถูกออกแบบมาเพื่อดูดซับและกระจายพลังงานจากการกระแทก ระบบยึดตรึงผู้โดยสาร ซึ่งรวมถึงเข็มขัดนิรภัยและถุงลมนิรภัย จะทำงานร่วมกันเพื่อควบคุมการชะลอความเร็วของผู้โดยสาร และลดการกระทบกระแทกกับพื้นผิวด้านในของยานพาหนะในระหว่างการชน