CC BY
89
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 629.113
А. Ш. ХУСАИНОВ, А. Н. НИКИТИН
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ КРАШ-БОКСОВ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Путём математического моделирования проведён сравнительный анализ эффективности поглощения кинетической энергии удара краш-боксами некоторых современных автомобилей.
Ключевые слова: автомобиль, деформация, краш-бокс, кинетическая энергия, пассивная безопасность.
Введение
Известно большое внимание, уделяемое пассивной безопасности автомобилей. Для снижения инерционных нагрузок, воздействующих на организм человека при дорожно-транспортном происшествии (ДТП), в силовую конструкцию автомобиля встраивают элементы, которые поглощают кинетическую энергию ударяющегося транспортного средства. Такие элементы называют краш-боксами (<сгаяИ-Ьох).
Краш-бокс обычно представляет собой коробчатый элемент сложной формы 2 в передней части каждого из лонжеронов (рис. 1). Для обеспечения поглощения значительной части кинетической энергии автомобиля краш-бокс должен иметь такую конструкцию, которая обеспечивала бы равномерное замедление кузова автомобиля в районе фланца 4 при практически мгновенной остановке переднего конца (поперечной
Т4Т» О ^ /ч % # г» ^ М л \
сшли J ОамПъуа).
Краш-Ьоксы современных автомобилей изготавливают, как правило, из высокопрочных сталей (о„ = 500... 1200 МПа), иногда из алюминиевых сплавов. Краш-боксы спортивных автомобилей формируют из углепластикового волокна.
Краш-бокс обычно выполняют съёмным, что необходимо для обеспечения ремонтопригодности автомобиля после незначительных ДТП. Именно для этого задний конец краш-бокса присоединяют к переднему концу лонжерона фланцем. Передний конец краш-бокса обычно имеет жёсткое неразъёмное соединение с поперечной балкой бампера, что необходимо для перераспределения несимметричной ударной нагрузки на оба краш-бокса (оба лонжерона). Разумеется,
© Хусаинов А. Ш., Никитин А. Н., 2012
в силовой структуре кузова автомобиля имеются и другие элементы, повышающие пассивную безопасность автомобиля.
Конструкции краш-боксов
На рис. 2 представлены конструкции краш-боксов некоторых современных автомобилей, прошедших сертификацию по пассивной безопасности и получивших наивысший балл экспертов программы независимой оценки пассивной безопасности новых автомобилей СЕигоЫСАР).
Анализ этих и многих других конструкций показал, что все краш-боксы имеют концентраторы напряжений в виде заломов на гранях или рёбрах бокса, а также ступеней.
В краш-боксах не применяют конструкции типа сильфон или простой бокс: сильфон при продольной деформации поглощает слишком мало кинетической энергии из-за незначительной ппаетической яе(Ьопмятщи мятепияпя я ппо-
'*“• 1 X - \ X у X
стой бокс после потери устойчивости под воздействием продольной нагрузки, ломаясь, «складывается». При этом также поглощается малое количество кинетической энергии. Таким образом, слишком податливые и чрезвычайно жёсткие конструкции краш-боксов поглощают малое количество кинетической энергии, а на пассажиров автомобиля будут действовать чрезмерные перегрузки.
Для того чтобы краш-бокс при ударе поглотил большое количество кинетической энергии автомобиля, необходимо обеспечить значительную вытяжку материала, желательно в нескольких местах. В противном случае произойдёт разрыв материала, и поглощение энергии прекратится.
В качестве концентраторов напряжений применяют отверстия различной формы и размеров, неглубокие формовки в гранях краш-бокса. Для
Рис. 1. Конструкция передней части лонжерона автомобиля «Маг а а СХ5» [1]:
1 - лонжерон; 2 - краш-бокс; 3 - поперечная балка бампера; 4 - фланцевое соединение лонжерона с краш-боксом
г)
Рис. 2. Краш-боксы автомобилей: a - Mazdci СХ5 ; б - Volkswagen GolfVI; в - А и di /?8; г-Mazda RX%
увеличения количества концентраторов напряжений в одном сечении усложняют форму поперечного сечения краш-бокса. Например, на автомобилях Mazda СХ5 (см. рис. 1 и 2, а) применили крестообразное сечение, где вместо четырёх заломов сформированы двенадцать. На автомобилях Volvo 540 (на рисунках не показано) применили восьмигранное сечение (с заломами и отверстиями), причём по длине краш-бокс имеет переменные размеры (усечённая восьмигранная пирамида) [2].
Критерии оценки эффективности
краш-боксов
Главное назначение краш-боксов - равномерное поглощение значительной части кинетической энергии по мере деформации при ударе автомобиля на скорости V о препятствие (стенку).
Ппи 'ггпм rГЛ1 ^нрпгыа пппмп-тя riurru
' A J *-* Ж V •• Л. Л—* ** * * -•••• Л Л * -V V Д Д V J-* * • 4 / • Ч_* -» Д/ЛХХ A Wk W 4 д/
затрачена на упругую и пластическую деформацию металла краш-бокса и, в итоге, преобразована в тепловую энергию.
Моделирование пластической деформации выполнено в модуле нелинейного анализа LS-Dyna пакета программ Ansys (именно этот модуль использует большинство производителей автомобилей для моделирования краш-тестов).
В качестве критериев оценки эффективности различных конструкций краш-боксов из обширнейшего инструментария LS-Dyna использовали следующие наиболее информативные факторы:
- кинетическую Ек (kinetic) энергию всей модели;
- внутреннюю Еп (internal) энергию всей модели (под внутренней энергией понимается энергия, затраченная на упругую и пластическую деформации модели);
- относительную пластическую деформацию А любого конечного элемента модели.
Кроме того, при исследовании использовали ещё и комплексный показатель эффективности поглощения кинетической энергии Е(), полученный как разность Ек - Е„ кинетической и внутренней энергии, отражающий количество не утилизированной кинетической энергии.
Условия моделирования
В качестве условий моделирования процесса ударной деформации краш-боксов взяты условия, при которых выполняется сертификация автомобилей по пассивной безопасности: все легковые автомобили (полной массой до 2,5 т) испытывают на лобовое столкновение с деформируемым препятствием водительской стороной с 40%-ным перекрытием на скорости 56 км/ч (Правило ЕЭК ООН №94) [31. Независимые экс-
* Ж • 0 %т Л
ТТОГЧ'рТ 1 » ÎTим/» \1Г 1 A ТТОТ- *-Г/\ -\rrcs ТЛЛ
I1V|^ 4 U1 |7Ui?IIUUl х-/«/ •/ U1 f w Ai l I V' /ÀW flV
пытание на скорости 64 км/ч (при этом масса автомобиля ограничителем области применения Правила не является). Автомобили семейства УАЗ имеют массу около 2,7 т, и поэтому по Правилу № 94 сертификации не подлежат. Тем не менее независимые эксперты краш-тесты «тяжёлых» рамных легковых автомобилей всё-таки проводят. Именно поэтому глобальной целью нашего исследования явилось обеспечение пассивной безопасности внедорожников, а в качестве базового принят «УАЗ Патриот)).
В целях сокращения длительности расчётов и упрощения модели проводили исследование отдельно взятого краш-бокса, а влияние самого автомобиля имитировали сосредоточенной массой: учитывая, что лонжеронов два, а чаегь кинетической энергии автомобиля передаётся па препятствие параллельно краш-боксу,
Рис. 3. Схема моделирования:
1 - абсолютно жёсткая (виртуальная) с тенка;
2 - краш-бокс {Renault Laguna)', 3 - сосредоточенная масса (виртуальная), прикреплённая к заднему
концу краш-бокса
сосредоточенную массу в исследованиях начального этапа, результаты которых изложены в настоящей статье, приняли равной 1000 кг (рис. 3).
Габаритные размеры краш-бокса приняли равными соответствующим размерам лонжеронов рамы автомобилей УАЗ (80x64 мм, толщина стенки -3 мм). Длина всех краш-боксов равна 200 мм, что достаточно для размещения на них всех необходимых концентраторов напряжений. Скорость удара приняли 56 км/ч (в соответствии с регламентом Правила № 94).
Анализ эффективности краш-боксов
Анализ деформации краш-боксов, выполненных по разным конструктивным схемам, но при одинаковых габаритах и одинаковой нагрузке, выявил существенные различия в их эффективности Спис. 4Ї Хотя все исслеповяннме КПЯНТ-
Vi / ' “ » ' ;%
боксы спроектированы для автомобилей одной весовой группы, тем не менее краш-бокс автомобиля Mazda СХ5 оказался самым жёстким из рассмотренных прототипов: к пятой мс от начала ударной деформации (когда все концентраторы напряжений уже выполнили свою работу), он загасил всего 8 % кинетической энергии, тогда как самый податливый краш-бокс Mazda RX8 к тому же моменту времени поглотил в два раза больше энергии - 17% (рис. 5, а). Краш-боксы автомобилей Audi R& и Volkswagen Gol/УI показали промежуточный результат - соответственно 13 и 10%. Что же касается краш-бокса без специальных концентраторов напряжений (аналог краш-бокса автомобилей семейства УАЗ, см. рис. 4, д и рис. 5, кривая 5), то, на первый взгляд, он работает аналогично краш-боксу автомобиля Volkswagen Golf VI (см. рис. 4, б и рис. 5, кри-
вая 2). Однако из-за отсутствия специального концентратора деформация может начаться в любом месте: на реальном автомобиле эта деформация начнётся в месте крепления какого-либо навесного оборудования или в какой-либо точке сварки лонжерона. При этом лонжерон может сломаться (сложиться) с изгибом в сторону, а такая деформация поглощает чрезвычайно мало кинетической энергии автомобиля, что неприемлемо. Сравнительный анализ конструкций показал, что с уменьшением радиуса элемента, выполняющего роль концентратора напряжений, растёт жёсткость краш-бокса (см. рис. 5, кривая 1). Напротив, применение заломов или граней с формовками большего радиуса приводит к увеличению количества поглощённой кинетической энергии (см. рис. 5, кривая 4). Это связано с тем, что чем меньше радиус элемента (по сравнению с толщиной металла), тем больше скорость пластической деформации (рис. 6). Деформация краш-бокса, имеющего более мелкие концентраторы напряжений, происходит ступенчато (см. рис. 6, а). Краш-боксы, имеющие более крупные концентраторы, деформируются более линейно (см. рис. 6, б). К тому же и максимальная относительная деформация в последнем случае больше.
Существенное влияние на скорость поглощения кинетической энергии оказывает и расположение концентраторов относительно друг друга. Так, например, дважды повторяющиеся заломы на всех четырёх рёбрах краш-бокса Audi R8 приводят к появлению пучности на всех четырёх гранях (см. рис. 4, в). Тогда как ступень бокса Volkswagen Golf VI высотой, практически равной толщине металла, приводит к появлению впади-
• л
1/ ЧУ /
fff Т * г гл ч тг% т^/лгу ft rfi ;ff »тАЛ^' МП тттттлт^лп / i
hija 11 ci у jívv^ri i puiiri, ri Ujr niiv/v/i ri i ici i_li ri H ÿC/iYi.
рис. 4, б). При этом в первом краш-боксе относительная пластическая деформация металла достигает 0,33, а во втором - не превышает 0,17.
Таким образом, проведённое моделирование процесса ударного деформирования краш-боксов, аналогичных конструкциям некоторых современных легковых автомобилей, показало, что для повышения пассивной безопасности автомобилей необходимо в конструкции краш-боксов использовать заломы и формовки большого радиуса (в 2...3 больше толщины металла), улучшающие поглощение кинетической энергии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент 8,210,601, US. МПК7 В 60 R. Vehicle body structure / Mazda Motor Corporation. 12/500, 219. Заявл. 9.07.2009. Опубл. 3.07.2012.
MC
wffyfâtà
ШЩЁ%
Ȁ
ЙШ
тш
ЯШШ І * ' ■■
Рис. 4. Моделирование процесса деформации краш-бокса (шаг моделирования - 1 мс): а - г - аналог краш-бокса соответственно Mazda СХ5, Volkswagen Golf VI, Audi Л80, Mazda RX8;
д - «базовый» краш-бокс (профиль лонжерона рамы автомобиля УАЗ)
«-N
»
О
о
V
121
118
115
я 112
2 109
106
103
100
о
1
2 3
Время г, мс
а)
5
140
j£
120
jr
о CÑ 100
о 80
О
• і 60
m» 40
ф о 20
0
О
4 б S Время т. мс
б)
10
12
Рис. 5. Зависимость кинетической (а) и остаточной (б) энергии при ударной деформации:
1 - 5 - аналог краш-бокса соответственно Mazda RXS, Volkswagen Golf VI, Audi Л*8, Mazda CX5, УАЗ
О 2
± <1
3
ЕЕ 5
тЧ
1
V»
4V — г*.
с
Q
g w Si
• гч
о
О
о
0,35
0.3
0.25
m
0.2
0.15
0.1
•*
0,05
0
• . » ••• . •
a)
o
З б Время г, мс
12
А
А
0.45
0.4
*
0.35
0.3
0.25
ш
0,2
0.15
0,1
0.05
о
о
мс 12
Рис. 6. Зависимость относительной пластической деформации некоторых конечных элементов моделей
при ударной деформации краш-боксов автомобилей Mazda СХ5 (а) и Mazda /1X8 (б)
- Г' ; Nv-,
•>УМ<,v-'
fe
ІШ'
щ»
О
J
2. Никитин, А. Н. Энергопоглощающие элементы в конструкции лонжеронов современных автомобилей / А. Н. Никитин, А. Ш. Хусаинов // Труды межд. конф. «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». -Пермь : ПНИПУ, 2012.-С. 338-341.
3. Хусаинов, А. Ш. Пассивная безопасность автомобиля : учеб. пособие / А. Ш. Хусаинов, Ю. А. Кузьмин. - Ульяновск: УлГТУ, 2011. -91 с.
Хусаинов Альберт Шамилевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили» УлГТУ. Ведёт исследования в области активной и пассивной безопасности автомобилей. Никитин Александр Николаевич, аспирант 2-го года обучения, инженер-конструктор ОАО «УАЗ». Ведёт исследования в области пассивной безопасности автомобилей.
УДК 621.7
В. А. АДАКИН
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕФОРМИРУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИМЕНЕНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
Для повышения долговечности накатных роликов из стали Р6М5, используемых при холодном пластическом деформировании шлицевых профилей на валах, на рабочие поверхности ролика нанесены однослойные износостойкие покрытия. Приведены результаты лабораторных исследований этих покрытий и опытно-промышленных испытаний накатных роликов.
Ключевые слова: деформирование, износостойкость, момент трения, накатной ролик.
Пластическое деформирование шлицевых профилей на валах в холодном состоянии как окончательная операция имеет ряд преимуществ перед обработкой резанием: резко уменьшается время на обработку шлицев (в 10... 12 раз), снижается отход металла в стружку (на 20...30 %), твёрдость поверхности шлицевых профилей повышается на 30...40 % [1], повышается изгибная прочность и увеличивается износостойкость со-
ППЯЖРШЙ ОгтиЯк*П ПТИПОКГЮ. RWOTTDPlHWP ^тпгп МО-
тода в производство сдерживается низкой точностью накатываемых профилей и низкой стойкостью инструмента. Использование для изготовления накатных роликов сложнолегированных дорогостоящих штамповых сталей 5ХНМ, ХВГ, Х12М, 5ХВС, 18ХНВА, инструментальных сталей Р6М5, Р9, Р18 и других материалов ожидаемого результата не дало [2]. На основе изучения механизма изнашивания роликов на операции накатывания шлицев на карданных валах автомобилей УАЗ была разработана технология ковки роликов из стали Р6М5, обеспечившая повышение средней стойкости накатных роликов на 20...30 % [3]. Дальнейшее увеличение стойкости шлиценакатных роликов из стали
© Адакин В. А., 2012
Р6М5 связано с нанесением на их рабочие поверхности износостойких покрытий.
По рекомендациям работ [4, 5] для повышения износостойкости накатных роликов был выбран метод нанесения износостойких покрытий 7Ж, 77СУУ, ТИгИ на рабочие поверхности накатных роликов путём конденсации вещества покрытия ионным бомбардированием (КИБ).
Исследовали влияние указанных покрытий на износостойкость накатных роликов.
Исследования проводили на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «колодка-ролик». Машина оборудована датчиками, регистрирующими усилие прижатия колодки к ролику Т*1 (Н), частоту вращения ролика п (мин1), момент трения М (Н-м), температуру колодки.
При проведении триботехнических испытаний в зону трения капельно подавали масло индустриальное И-20А.
Образцы для испытаний изготавливали из материалов, аналогичных материалам накатных роликов и шлицевых валов, термообработанных до требуемой твёрдости.
«Ролики» с внешним диаметром 30 мм изготавливали из стали 45, а «колодки» диаметром 8 мм с контактной поверхностью в виде сферы диаметром 16 мм - из стали Р6М5, с различными покрытиями и без покрытия.
