Wpływ konstrukcji pojazdu na rozkład naprężeń
Rozkład i wartości naprężeń zmieniają się wraz ze zmianą powierzchni przekroju poprzecznego danego elementu. W przypadku wystąpienia spiętrzenia naprężeń mówi się o zjawisku działania karbu. Karbem mogą być wszelkie nieciągłości poprzecznych przekrojów elementów jak i zmiany krzywizn powierzchni ograniczających przedmiot, czyli ogólnie mówiąc: otwory, wycięcia, rowki podłużne, poprzeczne, odsadzenia itp. Zastosowanie różnych rodzajów karbu prowadzi do zróżnicowanego rozkładu naprężeń, nawet jeśli zachowamy taki same pole przekroju poprzecznego (rys.1).
Rys. 1. Rozkład naprężeń w zależności od rodzaju karbu przy zachowaniu jednakowego pola przekroju poprzecznego i jednakowych sił rozciągających.
Wykonując odpowiedni ciąg podobnych wycięć w blaszanych elementach konstrukcji nadwozia można dokonywać takiej koncentracji naprężeń powstających w momencie zderzenia, by pożądane odkształcenia następowały w dokładnie określonych miejscach, po przekroczeniu przewidzianej przez konstruktora wartości siły składowej działającej na konkretny element. Rysunek 2 przedstawia wykorzystanie takich rozwiązań poprzez stworzenie stref podatnych na duże odkształcenia plastyczne. W nowoczesnych samochodach w większości przypadków konstrukcja auta opiera się na nadwoziu samonośnym stanowiącym kratownicę. W związku z tym, że kratownica, która posiada luźne lub przegubowe łączenia elementów może przenosić tylko i wyłącznie siły pionowe, konieczne jest zastosowanie dodatkowych wzmocnień usztywniających, by kratownica mogła być poddawana naciskom różnokierunkowych sił.
Rys. 2. Konstrukcja nadwozia ze strefami o zwiększonej podatności na odkształcenia.
Można to zrealizować w dwojaki sposób:
- Poprzez dodanie do czterech przegubowo połączonych elementów obwodowych części, zwanej tężnikiem, wiążącej po przekątnej przeciwległe boki czworoboku (rys. 3). Element taki musi odznaczać się odpowiednią wytrzymałością na ściskanie i rozciąganie. Przykładem tego rodzaju wzmocnienia może być np. klatka bezpieczeństwa montowana w samochodach rajdowych (rys. 4). W tak usztywnionych kratownicach odkształceniu ulega jedynie element, na który bezpośrednio działa siła.
- Usztywniając wierzchołki czworoboku blachami uniemożliwiającymi wzajemne przemieszczanie się sąsiednich elementów obwodowych (rys. 5). W takiej kratownicy odkształcenie jednego elementu obwodowego powoduje analogiczne odkształcenia pozostałych.
Oba rodzaje usztywnień w zależności od potrzeby są stosowane w nadwoziach samonośnych złożonych z blaszanych kształtowników.
Rysunek 6 przedstawia rozchodzenie się i odkształcające działanie siły uderzenia w samonośnym nadwoziu samochodowym stanowiącym kratownicę przestrzenną z usztywnionymi węzłami. Siła początkowa F0 przyłożona została do nadwozia w punkcie A i ma kierunek równoległy do osi wzdłużnej pojazdu, spowodowała odkształcenie strefy kontrolowanego zgniotu. W związku z tym od punktu B siła przyjmuje mniejszą niż początkowa wartość F1. Analogicznie sytuacja przedstawia się w punkcie C, wokół którego zlokalizowana jest kolejna strefa podatna. W efekcie do punktu D kratownicy dociera już tylko siła F2 dzieląc się w tym miejscu na dwie składowe działające wzdłuż sąsiednich boków ościeżnicy. Składową pionową można w dalszych rozważaniach pominąć, ponieważ jej wartość jest niewielka i nie może powodować żadnych odkształceń bardzo sztywnej dolnej części przedniego słupka drzwiowego. Składowa F3 i będąca jej kontynuacją siła F4 ulegają zredukowaniu z powodu zużywania resztek energii zderzenia na odkształcenia (przeważnie tylko sprężyste) bardzo sztywnej kratownicy otworu drzwiowego.
Rozchodzenie się siły uderzenia przy uderzeniu w tył pojazdu zostało przedstawione na rys. 7.
W samochodach typu SUV, VAN czy autach terenowych często stosuje się konstrukcję ramową. Na rysunku 8 pokazano przykład takiej budowy. W kółkach zaznaczono strefy podatne na odkształcenia. Nadwozie jest połączone z ramą śrubami za pośrednictwem elastycznych gumowych przekładek, tak więc uczestniczy w jej odkształceniach tylko do momentu ścięcia lub wyrwania śrub.
Rys. 3. Kratownica usztywniona tężnikiem.
Rys. 4. Klatka bezpieczeństwa usztywniająca przedział pasażerski pojazdu.
Rys. 5. Kratownica z usztywnionymi węzłami.
Rys. 6. Rozproszenie energii po uderzeniu w samonośne nadwozie samochodowe.
Rys. 7. Kolejne etapy rozchodzenia się siły odkształcającej.
Rys. 8. Schemat konstrukcji ramowej pojazdu z zaznaczonymi strefami podatnymi na odkształcenia.
Podczas kolizji mogą występować różne rodzaje odkształceń ramy (rys. 9). Są to między innymi:
- Zginanie w płaszczyźnie pionowej – następuje przy wzdłużnym kierunku działania zewnętrznej siły odkształcającej. Jeśli uderzenie następuje od przodu pojazdu, jego energia jest absorbowana przez przednie podatne strefy ramy, która skutkiem tego przybiera kształt zaznaczony na schemacie linią przerywaną. Odkształcenia takie powodują przeważnie deformację przedniej części nadwozia z możliwym przemieszczeniem się osi przedniej pojazdu.
- Zginanie w płaszczyźnie poziomej – jest następstwem uderzeń bocznych lub skośnych i powoduje nieuchronną zmianę ustawienia geometrii kół jezdnych.
- Zgniatanie – występuje najczęściej wraz ze zginaniem pionowym pod wpływem sił wzdłużnych, działających od przodu lub tyłu pojazdu. Skutkiem tego rodzaju odkształcenia jest głównie skracanie długości elementów podatnych.
- Skręcanie – następuje przeważnie pod wpływem pary pionowych sił gnących przyłożonych w przeciwległych narożnikach ramy. W ramach wyposażonych w przednie i tylne strefy podatne skręcanie odbywa się na ogół wyłącznie w ich obrębie.
- Skręcanie w płaszczyźnie poziomej – jest wynikiem uderzeń skośnych przy których zachodzi zjawisko nierównomiernego zginania i zgniatania belek podłużnych.
Często zdarza się, że podczas kolizji wszystkie te rodzaje odkształceń występują łącznie.
W nadwoziach samonośnych składających się ze sztywno połączonych ze sobą elementów blaszanych, zewnętrzne siły rozchodzą się na bardzo rozległe strefy. Jeśli wszystkie elementy nadwozia miałyby jednakową sztywność to odkształcenia powypadkowe byłyby bardzo rozległe. Dlatego też wprowadzono do struktury nadwozia specjalne strefy o zwiększonej podatności na odkształcenia (rys. 10). Powoduje to, że energia uderzeń ulega znacznemu lub nawet całkowitemu rozproszeniu przed “dojściem” do szczególnie chronionego przedziału pasażerskiego.
Rys. 9. Wpływ sposobu uderzenia na odkształcenia ramy samochodu:
a – zginanie w płaszczyźnie pionowej, b – zginanie w płaszczyźnie poziomej, c – zgniatanie, d – skręcanie, e – skręcanie w płaszczyźnie poziomej.
Rys. 10. Schemat nadwozia samonośnego z zaznaczonymi strefami podatnymi na odkształcenia.
Przy uderzeniach czołowych o niewielkiej sile początkowej odkształceniu ulegają, w kolejności odpowiadającej coraz większym wartościom siły: zderzak, mocowanie zderzaka, elementy przedniego pasa nadwozia, pokrywa komory silnika, zewnętrzne błotniki.
Uderzenia silniejsze powodują: odkształcenia podłużnych belek przedniego segmentu nadwozia czyli podłużnic (rys. 11a), przesunięcie przednich wnęk błotnikowych i poprzecznej belki zawieszenia w stronę przednich słupków drzwiowych. Dlatego, oprócz elementów podatnych w strukturze strefy zgniotu, przewidzieć trzeba również segmenty dystansowe, których zadaniem jest przestrzenna separacja przedziału pasażerskiego od intensywnie odkształcających się partii nadwozia. Dopiero maksymalne siły uderzeniowe mogą spowodować naruszenie przegrody przedniej wraz z belką podokienną, konstrukcją drzwi, progów i płyty podłogowej.
Jest to szczególnie niebezpieczny rodzaj uszkodzeń, ponieważ wpływa na geometrię zawieszenia i układu jezdnego. Prowadzi to do pogorszenia bezpieczeństwa czynnego i wymaga wysoko zaawansowanych technologii napraw i diagnostyki.
Przy uderzeniach skośnych pochłanianie energii następuje nie tylko po stronie uderzenia, lecz również i po przeciwległej dzięki oddziaływaniu kolejnych belek poprzecznych (rys. 11b).
Tylna część nadwozia zachowuje się podobnie (rys. 11c), do pochłaniania energii uderzenia służą poszczególne jego elementy w następującej kolejności: zderzak, mocowanie zderzaka, pas tylny, pokrywa bagażnika, zewnętrzne i wewnętrzne części błotników, belki podłużne, belka centralna, słupki tylne i dopiero na koniec progi, drzwi tylne, płyta podłogowa i płat dachowy. Gdy podczas wypadku następuje przewrócenie samochodu na dach, czyli tzw. “dachowanie”, odkształceniu ulega przede wszystkim skorupowa konstrukcja poszycia dachowego a dopiero w dalszej kolejności górne belki okienne i drzwiowe, tworzące obramowanie dachu, górne części słupków okiennych i drzwiowych. Kierunki działania sił odkształcających zostały przedstawione na rysunku 12.
Rys. 11. Sposób reakcji różnych części nadwozia samonośnego na uderzenie: a – odkształcania podłużnic, b – poziome i pionowe zginanie występujące przy uderzeniu skośnym, c – absorbowanie energii uderzenia przez elementy tyłu pojazdu.
Kontrola obszaru i rozmiaru powypadkowych odkształceń ramy czy nadwozia samonośnego polega na sprawdzeniu położenia ich punktów charakterystycznych oraz pomiaru wzajemnych odległości pomiędzy wybranymi punktami kontrolnymi. Do tego celu służą różnego rodzaju mechaniczne bądź elektroniczne systemy pomiarowe.
Konstruktorzy samochodów ciągle opracowują takie konstrukcje nadwozi, które pochłaniałyby maksymalną ilość energii uderzenia. Przykład takiego nowoczesnego nadwozia pokazano na rysunku 13a wraz z kierunkami rozproszenia się sił uderzenia przy kolizji czołowej i tylnej. Również przy uderzeniu bocznym konstrukcja ma zapewniać odpowiednie rozproszenie się sił (rys.13 b).
Rys. 12. Kierunki sił odkształcających przy przewróceniu samochodu na dach wskutek wypadku.
Rys.13. Nowoczesna konstrukcja nadwozia samonośnego zapewniająca maksymalne rozproszenie energii:
a – podczas uderzenia czołowego i tylnego.
b – przy uderzeniu bocznym.
Chcąc zapewnić po zaistniałym wypadku pierwotne właściwości takiej konstrukcji niezbędne jest przeprowadzenie naprawy w sposób profesjonalny, zgodnie z technologią producenta. Do tego typu zadań konieczne jest posługiwanie się specjalistycznymi narzędziami i urządzeniami do napraw powypadkowych.
inż. Michał Adamiec
ARMAL – CHIEF
Komentarze (0)