Aktualnie rozwój bezpieczeństwa biernego to nie byle pogoń za “niezniszczalnym samochodem”, lecz próba zaprogramowania zniszczenia możliwie najbardziej precyzyjnie. Teraz okazało się, że w tej układance możemy dostać materiał, który pozwala zrobić to znacznie lepiej. Do tego stopnia, że budzi niewygodne pytanie, bo czy problem przez cały ten czas tkwił nie tylko w konstrukcji strefy zgniotu, ale również w materiale, z którego ją wykonywaliśmy?
Strefa zgniotu ma się niszczyć. Tylko nie byle jak
Podczas poważnego zderzenia czołowego przednia część samochodu przekazuje energię uderzenia do podłużnic, czyli jednych z podstawowych elementów odpowiedzialnych za kontrolowane pochłanianie energii. Współczesne konstrukcje wykorzystują m.in. stalowe profile o przekroju prostokątnym oraz bardziej złożone aluminiowe profile, które podczas uderzenia wyginają się i zapadają. Problem polega na tym, że takie zgniatanie nie przebiega idealnie płynnie. Konstrukcja może lokalnie wyboczyć się, stawiać raz większy, raz mniejszy opór i generować skoki przeciążenia.
Czytaj też: Xiaomi ma wielki potencjał. Wykorzystają go w samochodach
Nowe badanie z North Carolina State University sugeruje, że można podejść do sprawy zupełnie inaczej. Naukowcy umieścili wewnątrz aluminiowej konstrukcji tzw. kompozytową piankę metalową, czyli CMF. Nie jest to jednak pianka, a materiał złożony z pustych w środku stalowych mikrosfer zatopionych w metalowej osnowie. W środku tych sfer znajduje się powietrze, które podczas zgniatania zostaje sprężone. W pewnym sensie cały materiał zaczyna więc działać jak ogromny zbiór mikroskopijnych poduszek powietrznych.
Następnie badacze przeprowadzili szczegółowe symulacje zderzeń czołowych, porównując podłużnice CMF z dwoma konwencjonalnymi rozwiązaniami o tej samej masie i długości. Szczególnie interesujące są wyniki dla prędkości około 88,5 km/h, bo w porównaniu z aluminiową podłużnicą o podwójnym ośmiokątnym przekroju konstrukcja CMF ograniczyła maksymalne opóźnienie o około 38%, wskaźnik ciężkości zderzenia o około 45%, a HIC (Head Injury Criterion), również o około 45%. Jeszcze większe różnice pojawiły się względem prostokątnej podłużnicy stalowej: odpowiednio około 84, 94 i 83 procent.
Czytaj też: Żyliśmy w błędzie. Samochody elektryczne trzeba traktować specyficznie
Równie ciekawe jest przesunięcie granicy. Samochód z CMF mógł w symulacjach uderzyć z prędkością o około 34% wyższą względem konstrukcji z podwójnym ośmiokątem, zanim przekroczył krytyczny poziom ciężkości zderzenia. Dla limitu związanego z HIC różnica wynosiła około 40% w porównaniu z profilem prostokątnym było to około 32 i 48 procent.
Czy przez ostatnie dekady źle projektowaliśmy samochody?
Klasyczna strefa zgniotu pozostaje jednym z fundamentów bezpieczeństwa samochodów. To nie sama idea kontrolowanego odkształcania okazuje się problemem. CMF może po prostu dawać inżynierom znacznie lepszy materiał do realizacji tej samej idei, co zresztą ciekawie łączy się z tym, jak zaczyna zmieniać się cała filozofia projektowania samochodów. Pisałem już o tym przy podejściu Hondy do kontrolowanej elastyczności konstrukcji. Przez dekady “sztywne” automatycznie kojarzyło nam się z “lepsze”, podczas gdy współczesna inżynieria coraz częściej próbuje nie walczyć z odkształceniami, lecz nauczyć się nimi sterować.
CMF wpisuje się w ten trend wręcz idealnie. Co ważne, porównywane podłużnice miały tę samą masę i długość. Nie mówimy więc o bezpieczeństwie okupionym dodatkowymi kilogramami metalu. Autorzy sugerują nawet możliwość skrócenia takich elementów przy zachowaniu wysokiego poziomu ochrony, co w przyszłości mogłoby dać projektantom więcej swobody w konstruowaniu samochodów.
Czytaj też: Hybryda ma jeździć jak elektryk. Volvo zmienia sens samochodu PHEV
Jeszcze ciekawiej robi się w przypadku elektryków. CMF wykazywała już wcześniej odporność na wysoką temperaturę i ogień, więc ten sam materiał potencjalnie mógłby nie tylko pochłaniać energię zderzenia, ale też pomagać chronić akumulator trakcyjny przed mechanicznym uszkodzeniem oraz skutkami termicznymi. Ma to ogromne znaczenie, bo bezpieczeństwo pakietów staje się jednym z kluczowych pól rozwoju elektrycznej motoryzacji, co widać choćby przy nowych wymaganiach stawianych akumulatorom samochodów elektrycznych. Jeśli jeden materiał będzie w stanie jednocześnie ograniczać masę, absorbować energię i tworzyć dodatkową barierę termiczną, to zaczynamy mówić nie o byle poprawce, lecz o potencjalnie bardzo użytecznym elemencie przyszłych platform.
Samochód przyszłości istnieje na razie głównie w komputerze
Tutaj dochodzimy do najważniejszego “ale”. Nie zobaczyliśmy jeszcze samochodu z podłużnicami CMF wbitego w barierę podczas pełnoskalowego crash-testu. Badanie bazuje na modelowaniu komputerowym opartym m.in. na eksperymentalnych danych materiałowych. Jest to wprawdzie ważny etap, ale nadal etap przed fizyczną walidacją całego pojazdu. Nie wiemy też, jak CMF wypadnie pod względem kosztów seryjnej produkcji, napraw, łączenia z pozostałą konstrukcją samochodu, recyklingu czy wieloletniej eksploatacji.
Źródła: TechXplore, North Carolina State University, Journal of Composites Science
