Алюминий и безопасность автомобилей

Современные автомобили должны выполнять большое количество строгих требований по безопасности, как в отношении водителей и пассажиров, так и пешеходов. Малый вес алюминия дает возможность повысить характеристики безопасность автомобиля и одновременно снизить его массу. Способность единицы массы алюминия поглощать энергию при его деформации в два раза выше, чем у мягкой углеродистой стали и не хуже, чем у новейших высокопрочных сталей, которые были специально разработаны для этих целей.

Физика автомобильной аварии

Скорость автомобиля – критический фактор всех автомобильных аварий. Это прямо вытекает из физики столкновения автомобиля с препятствием или, еще хуже, со встречным автомобилем. Чем больше масса автомобиля и чем быстрее он движется, тем больше его кинетическая энергия. Кинетическая энергия, как все мы знаем еще со школьной скамьи, пропорциональна массе и квадрату скорости этой массы. Это означает, что при увеличении скорости автомобиля в два раза его кинетическая энергия увеличивается в четыре раза!

При столкновении автомобиля об препятствие его скорость резко снижается до нуля. Эту “скорость уменьшения скорости” физики называют ускорением. В нашем случае это ускорения имеет отрицательный знак, то есть является замедлением. Согласно второму закону Ньютона величина силы, которая возникает при ударе, пропорциональна массе автомобиля и этому ускорению (замедлению). Это ускорение, упрощенно, получают делением скорости на длительность этого удара от его начала до полной остановки.

Основной задачей автомобильных систем поглощения энергии является растянуть длительность удара как можно больше, уменьшить, тем самым, возникающее ускорение и, следовательно, снизить величину возникающей при ударе силы.

Вклад алюминия в безопасность автомобилей

Алюминий вносит свой вклад в обеспечение безопасности автомобиля по двум направлениям:

• снижает общую массу автомобиля;
• алюминиевые системы снижает ускорение за счет перехода большой части энергии столкновения в работу пластического деформирования алюминиевых компонентов.

Безопасность конструкций кузова

Чтобы выполнять различные требования безопасности современные автомобили имеют жесткую, устойчивую пассажирскую «капсулу». Она обеспечивает необходимое для выживания пространство в случае аварии. Это пространство окружено сминаемыми зонами, в которых энергия аварийного столкновения автомобиля эффективно поглощается без превышения критических для людей ускорений. При конструировании кузова автомобиля самым важным является найти приемлемый компромисс между конструкционной жесткостью, способностью поглощать энергию столкновения и его функциональными характеристиками как транспортного средства. Алюминий в этом смысле является идеальным материалом для решения этих, во многом противоречивых, требований с достижением максимальных функциональных характеристик и минимальном весе.

Алюминий в три раза легче стали. Повышенная жесткость алюминиевой конструкции кузова автомобиля является результатом более высокой толщины его материала. Алюминиевые элементы конструкции обычно в полтора раза толще, аналогичные стальные. Дополнительную  возможность увеличить жесткость кузова дает применение многополостных алюминиевых профилей и крупных высокопрочных алюминиевых отливок сложной конструкции (рисунок 1). Все это дает возможность повысить жесткость кузова автомобиля при снижении его веса на 40-50 % по сравнению со стальным кузовом.

Рисунок 1 – Бамперные балки из прессованных алюминиевых профилей [1]

Системы поглощения энергии столкновения

Энергия столкновения автомобиля с препятствием поглощается в основном передней и задней системами, а затем за счет деформирования продольных балок. Системы поглощения энергии состоят из бамперной балки и двух сминаемых коробок. Эти системы предназначены для того, чтобы свести к минимуму повреждение автомобиля при низких скоростях удара и поглощать максимум энергии при больших скоростях столкновения (рисунки 2 и 3).

Рисунок 2 – Поперечное сечение мультикамерных алюминиевых профилей
для контролируемого поглощения энергии столкновения

Рисунок 3 – Контролируемое осевое смятие полого алюминиевого профиля [2]

Алюминиевые системы поглощения энергии столкновения обычно основаны на конструкциях из алюминиевых профилей. Правильный выбор сплава для сминаемых конструкций («краш-боксов») обеспечивает то, что эта система подвергается обширной пластической деформации до того, как начинают образовываться трещины (рисунок 4) . При равной энергии поглощения алюминиевые системы дают возможность снизить вес этих систем на 40 % по сравнению со стальными системами.

Рисунок 4 – Оптимизированная форма смятия «краш-бокса» для сплава 6014
по сравнению со обычным сплавом 6063

Алюминий защищает пешеходов

Для защиты пешеходов требуется обеспечить бамперу возможность значительных деформаций при небольших усилиях.  Для этого нужен материал и конструкции из него, которые бы обеспечивали низкий уровень сил при ударе и контролируемые характеристики поглощения энергии столкновения. Правильный выбор алюминиевого сплава и формы профилей дает возможность выполнить все эти требования.

Снижение веса, но не размеров

Более низкий вес автомобиля облегчает управление автомобилей и снижает его тормозной путь. Эти факторы являются важными для предотвращения аварийных ситуаций. Исследования показали, что решающим фактором обеспечения безопасности автомобиля является его размер, а не вес. Снижение веса автомобиля снижает силы, которые возникают при столкновении, и энергию, которую надо погасить. Если при этом снижаются размеры автомобиля, то сокращается и внутреннее жесткое пространство, которое необходимо для выживания водителя и пассажиров. Поэтому делать автомобили легче без уменьшения их размеров является положительной мерой с точки зрения его безопасности.

Легче автомобили – выше безопасность

Дополнительным фактором повышения безопасности на дорогах является совместимость различных автомобилей при аварийном столкновении. Большая разница в весе, конечно, является значительно более опасной для более легкого автомобиля. Поэтому общее облегчение всех автомобилей при сохранении их габаритных размеров могло бы способствовать повышению уровня выживаемости для всех участников дорожного движения. В этом направлении у алюминия еще много работы.

Источники:

1. The Aluminium Automotive manual. – Applications – Car body – Crash Management Systems, European Aluminium Association, 2013
2. Aluminium in cars – Unlocking the light-weighting potential, European Aluminium Association, 2012.