0Deformačné zóny v automobile súžia na to, aby chránili posádku automobilu pri nehode pred zraneniami. Úlohou deformačných zón je pohltiť deformačnú prácu a chrániť tak priestor pre posádku. Za takýmto účelom sa používajú rôzne konštrukčné prvky, ako sú deformačné členy a taktiež sa používajú materiály rôznych pevnostných vlastností.

Na základe týchto skutočností boli uzákonené rôzne normy i predpisy pre návrh vozidiel z pohľadu ich bezpečnosti. Všeobecne sa vozidlá posudzujú z hľadiska aktívnej a pasívnej bezpečnosti. [1] Pre ľudské telo sú definované biomechanické limity, ktorým je možné odolať bez viac alebo menej vážneho poškodenia. Z pohľadu biomechaniky je jednou z najdôležitejších veličín veľkosť zrýchlenia, ktorým sa telo pohybuje. Analýzou dopravných nehôd a crash testami boli stanovené rôzne kritériá pre hodnotenie účinku kritického špičkového zrýchlenia na poškodenie ľudského tela. Poranenie hlavy je najčastejším a najnebezpečnejším dôsledkom poškodenia ľudského tela. K poraneniu hlavy dochádza v 70 percentách dopravných nehôd. Pre špičkové zrýchlenie hlavy bola stanovená tzv. WSU krivka (Wayne State University), ktorá udáva translačné meškanie hlavy v závislosti na dobe účinku. Ako kritické špičkové zrýchlenie ľudskej hlavy sa udáva 80 g po dobu 3 ms. [1] Z krivky WSU sa experimentálne dá určiť index zaťaženia SI (Severity Index). Kritická hodnota tohto indexu sa rovná 1 000 [1] a vypočíta sa podľa vzťahu:

 1
 (1)

kde ar(t) je výsledné meškanie hlavy a T označuje dobu nárazu.

Použitý materiál

Pre experimentálny výskum boli použité oceľové plechy:
• DC 04 – zvlášť hlbokoťažný, vhodný pre náročné vonkajšie a vnútorné dielce automobilových karosérií a iné výlisky (ďalej je označený ako materiál B),

• DC 05 – extra hlbokoťažný, vhodný pre zložité veľkoplošné výlisky automobilových karosérií a iné výlisky (ďalej je označený ako materiál A),

• TRIP oceľ vyniká vysokou hodnotou medze klzu, veľkým deformačným spevnením a vysokou schopnosťou absorpcie energie pri náraze vozidla (ďalej je označený ako materiál E),

• DC 04 EK – ťažný oceľový plech, určený pre konvenčné smaltovanie (ďalej je označený ako materiál C),

• DIN 1.4301 – chróm-niklová antikorózna oceľ, vhodná na tvárnenie za studena (STN 17 241 – ďalej je označený ako materiál D).

Osobné automobily z oceľových materiálov

Veľká pozornosť vo svete bola venovaná rozvoju vysokopevných nízko legovaných ocelí. Rozvoj bol stimulovaný potrebou zníženia spotreby pohonných hmôt, úspory materiálu a energie vynaloženej pri výrobe, zvýšením pevnosti a spoľahlivosti súčastí za súčasného zníženia ich celkovej hmotnosti a súčasnom zvýšení životnosti automobilu. Na obr. 1 je znázornené použitie jednotlivých druhov ocelí pri stavbe nosnej časti karosérie. Najväčší percentuálny podiel zo všetkých používaných ocelí pri konštrukcii automobilu predstavujú dvojfázové ocele. [2]

2 
 Obr. 1 Využitie oceľových plechov

Používané ocele v automobilovom priemysle

Charakterizovať alebo rozdeliť ocele používané v automobilovom priemysle nie je úplne ľahké. Existuje niekoľko spôsobov, ako dosiahnuť rozdelenie ocelí. [2]

Delenie podľa metalurgie:
• Nízko-pevnostné ocele (ocele bez intersticií)
• Vysokopevnostné ocele (nízkolegované ocele, BH ocele)
• Pokročilé vysokopevnostné ocele (dvojfázové ocele, viacfázové ocele)

Rozdiel medzi vysokopovnostnými a pokročilými vysokopevnostnými oceľami je v ich štruktúre. Zatiaľ čo vysokopevnostné ocele sú viacfázové feritické ocele, ocele pokročilé vysokopevnostné sú viacfázové. Okrem základnej feritickej fázy obsahujú aj martenzit, bainit alebo zvyškový austenit. [3]
Ďalším spôsobom klasifikácie ocelí je delenie podľa pevnosti ocele na dve kategórie, a to na:
• HSS ocele (High-Strenght Steel) s medzou klzu od 210 do 550 MPa a pevnosťou v ťahu od 270 do 700 Mpa,

• UHSS ocele (Ultra High-Strenght Steel) s medzou klzu väčšou než 550 MPa a pevnosťou v ťahu viac než 700 MPa.
Tieto rozsahy naznačujú zmeny v tvárniteľnosti pri prechode z jednej kategórie do druhej [4]. Z údajov vyplýva, že zmeny vlastností sú spojené naprieč celou škálou pevnosti ocelí. Mnoho typov ocelí má širokú škálu stupňov pokrývajúcich dva alebo viac rozsahov pevnosti.

Analýza čelného rázu

Predpokladáme, že pri čelnom náraze na tuhú nepoddajnú a nepohyblivú bariéru sa vozidlo zastaví a nedôjde k odrazeniu vozidla od bariéry. Celá kinetická energia rázu [1]

3 
 (2)

m – hmotnosť;  v20 – rýchlosť vozidla sa premení na deformačnú prácu

 3jpg
 (3)

Na určenie kritickej hodnoty DeltaLMAX stlačenia deformačných členov je možné použiť diagram medzných deformácií, ktorý sa určuje experimentálne alebo pomocou predikčných vzťahov [4]:

 4
 (4)

Stlačenie komponentov karosérie môžeme vypočítať podľa: [1]

 5
 (5)

Pri náraze dôjde nielen k pružnej, ale aj plastickej deformácii deformačných členov karosérie. Deformačné členy by mali pohltiť celú kinetickú energiu Ek = 0,5.m.v0[1]. V čase t > 0 sa kinetická energia premení na deformačnú prácu

6 
 (6)

alebo pri predpoklade konštantnosti rozmerov a geometrie deformačných členov si deformačnú prácu rôznych druhov materiálov môžeme vyjadriť [1]

7 
 (7)

Z uvedenej analýzy vyplýva, že pre predikciu schopnosti pohltenia energie je potrebné určiť materiálové vlastnosti v závislosti na rýchlosti deformácie. [1]

8 
 (8)

Dosiahnuté výsledky a ich diskusia

Vyhodnotené výsledky pre každý materiál boli spracované do tab. 1. Pre každý materiál boli riešené tri vzorky. Na obr. 2 je nakreslený v programe AutoCad 2D náhľad na navrhnuté deformačné členy, ktoré sú priskrutkované k hlavnej konštrukcii automobilu. Automobil obsahuje najčastejšie dva kusy, vpredu, ale aj vzadu.

 obr2
 Obr. 2 Deformačný člen – v červenej kružnici

Deformačný člen je obdĺžnikového tvaru s rozmermi 130 mm x 170 mm, so štvorcovou podstavou a hrúbku materiálu volíme 2 mm. Na obr. 3 je znázornený graf, ktorý určuje, pri akej rýchlosti sa bude deformačný člen deformovať z daného materiálu bez toho, aby sa poškodili tuhé časti konštrukcie:

• Trip oceľ pri rýchlosti 18 km/h

• Oceľ DIN 1.4301 pri rýchlosti 24 km/h

• Oceľ DC 05, oceľ DC 04 , oceľ DC 04 EK pri rýchlosti 10 km/h
Z grafu na obr. 3 vyplýva, že oceľ s označením DIN 1.4301 môžeme považovať za najvhodnejšiu pre deformačný člen, pretože je najpevnejšia a odolá do rýchlosti 24 km/h. Najlepšie chráni konštrukciu automobilu pred porušením pri nárazoch v nízkych rýchlostiach. Vďaka tomu nedôjde k porušeniu šasi. Po prekročení týchto rýchlostí sa výstuž s deformačnými členmi zdeformuje, pohltí určitú deformačnú prácu, ale nie všetku, a táto práca prejde priamo na prednú časť karosérie, čo môže spôsobiť zmenu mechanických vlastností konštrukcie automobilu. [1]

obr3 
 Obr. 3 Graf znázorňujúci pri akej rýchlosti sa poruší deformačný člen z vybraného materiálu

Z určených rýchlosti (pori obr. 3) boli vyrátané preťaženia, ktoré pôsobia na vodiča pri náraze. Na obr. 4 je znázornený graf, kde sú vyrátané hodnoty preťaženia, ktoré boli vypočítané podľa vzorca [5]:

9 
 (9)

v0 – rýchlosť automobilu, s – stlačenie deformačného člena pri náraze a výsledok bol predelený tiažovým zrýchlením g = 9,809 m/s2. Čas pôsobenia nárazu vyrátame podľa vzorca:

10 
 (10)

a – zrýchlenie

obr4 
  Obr. 4 Graf znázorňujúci pôsobenie preťaženia na vodiča počas čelného nárazu pri použití deformačných členov z rôznych druhov ocelí

 

 tab1
 Tab. 1 Priemerné hodnoty K a n pre rôzne druhy ocelí pri rýchlosti deformácie 10 mm/min

Záver

Dosiahnuté výsledky možno zhrnúť takto:
1. Pre návrh deformačného člena boli použité plechy s preddeformáciou 0,005. Bol navrhnutý crash test, teoreticky vyrátané hodnoty, ktoré sú znázornené aj v grafe a to do akej rýchlosti navrhnutý deformačný člen chráni tuhé časti karosérie bez toho, aby sa poškodili. Z crash testu, ktorý bol robený formou výpočtov bolo zistené, že deformačný člen z ocele s označením DIN1.4301 je najvhodnejší. Odolá nárazu pri rýchlosti do 24 km/h a tak ochráni chladič a tuhé časti karosérie lepšie v navrhnutom automobile.
2. Rýchlosti pre jednotlivé materiály boli vybrané maximálne, pri ktorých sa ešte nedeformujú pevné časti konštrukcie. Na vodiča pôsobí vtedy preťaženie v smere hruď – chrbát, kde je schopný vydržať preťaženie niekoľko desiatok sekúnd (15 – 20) g. pre materiál D a (0 – 2) g pre materiály A,B,C (obr. 4).

Použitá literatúra:

[1] VLK, František: Stavba motorových vozidiel. Brno: František Vlk, 2003. 499 s. ISBN 80-238-8757-2
[2] Konštrukcia vozidla[online]. 2000 cit. 2012-04-10]. Dostupné na internete: <http://referaty.atlas.sk/ostatne/ nezaradene/47063/?print=1>.
[3] LABELLARTE, A. – RIZZO, L. – SEBASTIANI, C.: High Strain Rate Forming Limit Diagram for Steel and Titanium with an Optimised Metodology. IDDRG– working grup 3, USA, 2000.
[4] EVIN, Emil – HRIVŇÁK, Andrej: Predikcia lisovateľnosti oceľových plechov s vyššími pevnostnými vlastnosťami. Košice: Elfa, 2004. 223 s. ISBN 80-89066-93-3.
[5] Bezpečnosť cestnej premávky z hľadiska fyziky. Blog – Peter Kluvánek (blog.sme. sk). Blog.sme.sk. Najpopulárnejšie blogy na Slovensku. [online]. 2010 [cit. 2012-05-01]. Dostupné z: http://kluvanek.blog.sme.sk/c/227590/Bezpecnost-cestnejpremavky- z-hladiska-fyziky.html

TEXT/FOTO RNDR. JOZEF KMEC, PHD., RNDR. ERIKA FECHOVÁ, PHD, TECHNICKÁ UNIVERZITA, KOŠICE, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ SO SÍDLOM V PREŠOVE , KATEDRA MATEMATIKY, INFORMATIKY A KYBERNETIKY.