ÁVRH HLIÍKOVÉ VÝZTUHY A DEFOELEMETU SVOČ – FST 2009 Bc. Jakub Řezníček, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Diplomová práce, která je podkladem tohoto textu se zabývá návrhem hliníkové výztuhy a defoelementu. Příčná výztuha s defoelementem tvoří nárazníkový systém, který je součástí deformačních zón automobilu. Úkolem nárazníkového systému je chránit důležité součásti automobilu před nárazem. Cílem této práce je snížení hmotnosti celého nárazníkového systému, který je v současnosti vyráběn z vysoko pevnostního plechu, při zachování crashových parametrů a výrobních nákladů. Snížení hmotnosti bylo dosaženo použitím hliníkové slitiny EN AW-6082. Pro zachování crashových parametrů byla celá konstrukce navržena a odzkoušena pomocí softwaru PamCrash2008. Jelikož je použitá hliníková slitina mnohem dražší než ocelový plech použitý u současné konstrukce musel jsem pro udržení výrobních nákladů výrazně zjednodušit a tím také zlevnit celý výrobní proces. Toho jsem dosáhl použitím výkresových profilů. KLÍČOVÁ SLOVA Příčná výztuha, Defoelement, Rcar, Výkresový profil, Přední náraz, Bumper test. ÚVOD Úkolem mé diplomové práce je navrhnout nárazníkový systém pro automobil Škoda Fabia, který bude mít nižší hmotnost stejné crashové parametry a výrobní náklady jako současná konstrukce. Nárazníkový systém slouží k ochraně důležitých součástí jako např. chladič, motor a nosné části karoserie před nárazem. Maximální rychlost nárazu, při kterém je nárazníkový systém schopen automobil ochránit je 15 km/h. Konstrukce nárazníkového systému musí odpovídat normám organizace Rcar. Řešení zadaného problému jsem spatřil v návrhu dvou vhodných výkresových profilů, které by tvořily defoelementy a příčnou výztuhu. POPIS ÁRAZÍKOVÉHO SYSTÉMU AUTOMOBILU ŠKODA FABIA Nárazníkový systém je svařenec složený z osmi součástí viz Obr.1. Všechny jeho součásti jsou vyrobeny z vysoko pevnostního ocelového plechu.
5 POZ. –součást 1 -příčná výztuha 2 -uzavírací plech 3 -vnitřní část defoelementu 4 -vnější část defoelementu 5 -přípojná deska
4 3
1 2
OBR.1 SESTAVA ÁRAZÍKOVÉHO SYSTÉMU
POŽADAVKY A ÁRAZÍKOVÝ SYSTÉM DLE OREM RCAR Normy R-CAR mají za úkol snižovat materiální škody na automobilech při dopravních nehodách. Na rozdíl od norem EURO NCAP, které hodnotí a stanovují zachování prostoru pro přežití posádky v automobilu při dopravní nehodě. Proto crash testy dle R-CAR probíhají při nižších rychlostech než testy dle EURO NCAP. Výstupem z testů dle R-CAR jsou finanční prostředky nutné k uhrazení opravy automobilu po crash testu.
• • •
Aby nárazníkový systém vyhověl normám R-CAR musí úspěšně absolvovat 3 crashové testy. Přední náraz Zadní náraz Bumper test
Jako úspěšně absolvovaný crash test dle norem R-CAR lze považovat test, při kterém jsou materiální škody na automobilu co možná nejmenší a snadno odstranitelné. Nedojde tedy k: • Trvalé deformaci podélníků větší než 2mm. • Netěsnosti všech chladicích systémů (chlazení motoru, nasávaného vzduch, klimatizace) • Poškození motoru Přední náraz Průběh testu: • Automobil pohybující se rychlostí 15 km/h naráží čelně do bariery. • Hmotnost automobilu činí součet pohotovostní hmotnosti + 75 kg
• Automobil je vůči bariéře přesazen o 40% ze strany od řidiče viz Obr.2 • Pro vyhodnocení deformací karoserie se proměřují body karoserie číslo 1-8 a 20-29 viz Obr.5 Ѐˍ
U-přesazení (40%) B-celková šířka automobilu R-poloměr zaoblení bariery (150mm) F-testovaný automobil A-úhel sklonu bariéry (100)
Obr.2
Přední náraz
Zadní náraz Průběh testu • Do stojícího automobilu zezadu naráží mobilní bariera o hmotnosti 1400 kg a rychlosti 15 km/h. • Hmotnost automobilu činí součet pohotovostní hmotnosti + 75 kg • Mobilní bariera je oproti automobilu přesazena o 40% viz Obr. 3 • Automobil je oproti mobilní bariéře pootočen o 100 viz Obr. 4 • Pro vyhodnocení deformací karoserie se proměřují body karoserie číslo 25-27 a 30-35 viz Obr.5. F-testovací automobil MB-mobilní bariera H-výška bariery (700 mm) h-vzdálenost bariery podlahy (200 mm) r-poloměr zaoblení (50mm)
Obr.3
od
Zadní náraz – boční pohled 薸И
U-přesazení 40% R-poloměr zaoblení (150 mm) B-celková šířka automobilu
Obr.4
Zadní náraz – horní pohled
40-51,
Obr.5
Zobrazení měřených bodů po nárazové zkoušce
Bumpre test Při bumper testu vozidlo naráží do bariéry představující nárazník jiného auta. Tato bariéra je umístěna v předepsané výšce a je proto nutné aby nárazník splnil dvě podmínky navíc oproti dvěma předešlým testům. • •
Geometrie – při přijetí automobilu k bariéře musí dojít k 100% překrytí bariéry a nárazníku Ո Stabilita – nárazník musí být dostatečně široký,宠aby při svislém pohybu vozidla např. brzdění zůstával ve vzájemném překrytí s druhým nárazníkem (bariérou)
Průběh testu • Automobil jedoucí rychlostí 15 km/h čelně naráží do bariéry viz. Obr.6 • Hmotnost automobilu činí součet pohotovostní hmotnosti + 75 kg
Obr.6
Pohled na automobil před nárazem do bariery
ZÍSKÁÍ MATERIÁLOVÝCH VLASTOSTÍ Aby bylo možné co nejpřesněji vystihnout chování materiálu ve výpočetní programu PamCRASH, ve kterém budou prováděny veškeré výpočty týkající se simulací crash testů, je nutné získat záznamy z tahové zkoušky příslušného material, které budou sloužit pro jeho definici. Na Grafu 1 je zobrazené porovnání tahových křivek naměřených na trhacím stroji a vypočtených programme PamCrash2008.
荀Ռ Graf.1 Porovnání křivky naměřené během zkoušky tahem a křivky vypočtené při simulaci tahové zkoušky
Namodelovaná zkušební tyč odpovídá rozměrům tyčí zkoušených. Zkušební tyč je namodelovaná jako plocha, které je přiřazena patřičná tloušťka. Velikost elementů je 5mm. Uprostřed zkušební tyče je z důvodu řízeného vytvoření krčku namodelováno zúžení. Jeden konec tyče je pevně vetknut a druhému konci je definován posuv, viz Obr.7. Pro získání záznamu síly je na tyči definovaná Section force. Informace o posuvu jsou získány z dvou bodů umístěných ve vzájemné vzdálenosti 50mm. Tato vzdálenost odpovídá vzdálenosti čelistí extenzometru použitým při tahové zkoušce.
Uzly s definovaným posuvem
Uzly pro měření posuvu
Vetknuté uzly
Obr.7
Model zkušební tyče pro PamCrash2008
KOSTRUKCE DEFOELEMETU Obrys defoelementu je podobný současné variantě. Při použití podobného tvaru jako u původní varianty a materiálu, který má podstatně menší pevnost bylo nutné tento fakt vyvážit zvýšením kvadratického momentu. Toho bylo dosaženo dvojitou stěnou defoelementu viz.Obr.8. Tyto stěny jsou vhodně propojeny příčkami, které mají rozdílné délky a tloušťky čímž lze do velké míry ovlivňovat postup deformace. Mechanismus deformace spočívá v postupné deformaci přední a střední části do spodní části. Defoelement se tak zdeformuje na 1/3 své původní délky. Výhodami této konstrukce je velká činná délka a velký počet možností, kterými lze ovlivňovat způsob deformace a tím nastavit ideální charakteristiku deformační síly. Nevýhodou této konstrukce je značná nevyváženost deformační síly viz Graf 2 a v porovnání s původní variantou vyšší hmotnost. I přes tyto nevýhody považuji tuti variantu za úspěšnou a podrobím jí dalším testům v kombinaci s příčnou výztuhou. Při těchto testech se budu snažit využít výhody vysokého počtu možností změny průběhu deformační síly na odstranění největší nevýhody v podobě nevyváženosti deformační síly.
荀Ռ
Obr.8
Graf2
Charakteristika deformace defoelementu
Defoelement v 3.2 s konturou poměrného přetvoření
KOSTRUKCE PŘÍČÉ VÝZTUHY Tato varianta příčné výztuhy se skládá z jediné součásti. Jako polotovar je zde použit výkresový profil. Tvar tohoto profilu odpovídá prohnutému U-profilu s dvojitými stěnami vyztuženými žebry viz Obr.9. Dvojité vodorovné stěny umožňují použít neuzavřený profil. Tyto stěny mají totiž dostatečně velký kvadratický moment průřezu a jsou tak schopné zabránit nevhodné deformaci profilu „rozevření“ a tím ztrátě velikosti deformační síly. Tato tyto výhody: • Vysoká deformační síla viz Graf 3 • Jednoduchá konstrukce • Jednoduché výrobní operace • Nízké výrobní náklady Nevýhodou této konstrukce je, že musí být konstantní průřez v celé délce příčné výztuhy. Mnohem výhodnější by bylo některá místa vyztužit a některá zeslabit. Tím by se dosáhlo rovnoměrnějšího průběhu napětí a snížil by se poměr hmotnosti ku spotřebované energii nárazu. Tato nevýhoda je daná použitou výrobní technologií pro výrobu výkresových profilů. 荀Ռ
Obr.9
Příčná výztuha v.3 ekvivalentního napětí
Graf 0.1 Charakteristika deformace příčné výztuhy varianty 3
s konturou
SESTAVA ÁRAZÍKOVÉHO SYSTÉMU . U navrhované varianty došlo k hmotnostní úspoře 0,8 kg. Celá sestava obsahuje 4x méně součástí než sestava současná což umožní značné snížení výrobních nákladů. Crashové paramatry má navrhovaná sestava lapší než současná sestava. Poz. –součást 1 -Defoelement 2 –Příčná výztuha
1 2
Obr.10 Sestava navrhovaného nárazníkového systému ZÁVĚR A DOPORUČEÍ Navrhovaná sestava splňuje všechny podmínky, které byly stanoveny příslušnými normami Rcar a zadavatelem diplomové práce. Nedořešenou otázkou zůstává výše výrobních nákladů. Ty jsou totiž u současné variant utajené a není tak možné objektivní porovnání s navrhovanou variantou. Aby mohlo dojít k nasazení této konstrukce do provozu 荀 bude nutné celý nárazníkový system vyrobyt a podrobit ho reálným zkouškám. Výroba několika testovacích kusů a jejich odzkoušení by však znamenali vysokou finanční částku, která je pro potřeby této diplomové práce nereálná. Ռ
PODĚKOVÁÍ Tato diplomová práce by nemohla vzniknout bez pomoci firmy Mecas ESI, která mi zapůjčila program PamCrash2008 a výpočetní model automobilu Škoda Fabia. A ZČU v Plzni, která poskytla technické a materiální zabezpečení pro tvorbu experimentů a tahových zkoušek.
