Как работают зоны деформации в автомобиле?

Основы современной безопасности автомобилей

Глядя на фотографии автомобилей из прошлого, сделанными из толстостенных и могучих стальных листов, кажется, что современные автопроизводители сделали все от них зависящее, чтобы сделать машины менее безопасными. Толщину стенок металла уменьшили, вес постоянно снижают, это же все несомненно сказывается на прочности, и не в лучшую сторону, скажет обыватель. А посмотрите на фотографии автомобилей 50-х годов в Северной Америке. Огромные автомобили с гигантскими капотами. Разве такой автомобиль возможно было разбить? Риторический вопрос, как нам казалось. Но давайте разберемся по порядку.

Ранний автомобильный дизайн подразумевал жесткие конструкции, которые по замыслам инженеров того времени должны были препятствовать деформации и снижать вероятность травм. Отчасти они были правы. Еще раз взгляните на фотографии аварий тех лет, машины даже в серьезных столкновениях получали минимальные повреждения, минимум деформаций. Хорошо ли это?

Может для жестянщика и хорошо, но вот для пассажиров нет. В большинстве случаев при серьезном столкновении, это приводило к серьезным или даже фатальным последствиям. Слишком велики перегрузки.

Так было до 1953 года, когда на горизонте замоячили первые зоны деформации для автомобилей. Как и за многие другие технологии в автомобильной инженерной мысли, компания, ответственная за создания технологичесих прорывов носила название Mercedes-Benz. Один из инженеров, Бела Барений, занимался в течение продолжительного времени решением этой проблемы и в 1953 году, его идея была реализована в моделе «Ponton» (трехобъемном) Мерседесе (модели серии W120). Первая попытка была удачная, но прошло немало времени, исследований и доработок, прежде чем гуманная технология пошла в серию.

Лишь в 1967 году Mercedes-Benz Heckflosse (также известный как Fintail) стал первым серийным автомобилем в мире с «зонами деформации», функцией безопасности включающей каркас безопасности совмещенный с зонами деформации.

Теория

Нравится вам это или нет, но именно физика может объяснить, почему сминаемые зоны необходимы в автомобиле.

Первый закон Исаака Ньютона гласит, «Объект в движении останется в движении с той же скоростью и в том же направлении, до тех пор, пока на него не подействуют несбалансированные силы».

Например, если транспортное средство едет со скоростью 80 км/ч, то и объекты внутри будут обладать той же скоростью, и, если это транспортное средство резко останавливается (происходит столкновение, мгновенное замедление), тела будут «чувствовать» необходимость продолжать двигаться в том же направлении на скорости 80 км а час, до тех пор, пока что-то не остановит их. Более того, даже если препятствие остановит сами тела, их внутренние органы будут продолжать двигаться с не меньшей скоростью, тем самым вызывая серьезные повреждения.

И еще один важный закон из дебрей физики.

Ньютон также говорил, что сила равна массе, умноженной на ускорение.

Переводя в нашу ситуацию можно сказать, что в результате столкновения, это означает, что сила, действующая на автомобиль и его пассажиров, уменьшается, если время, необходимое для остановки транспортного средства увеличивается.

Так что зоны деформации делают?

Они работают в точном соответствии с двумя законами. Размещенные в передней и задней частях автомобиля, они поглощают энергию при столкновении, возникающей во время удара. Это достигается за счет деформации, то, о чем не слышали в первые 50 лет автомобилестроения. Деформироваться должен не весь кузов автомобиля. В то время как определенные части автомобиля разработаны для того, чтобы деформироваться, пассажирский салон, напротив, усилен с использованием высокопрочной стали и крепких лонжеронов, чтобы предотвратить его разрушение и изменение объема.

Также, зоны деформации замедляют столкновение. Вместо того, чтобы два твердых тела мгновенно сталкивались, зоны деформации увеличивают время до остановки транспортного средства.

Как видите, в общих чертах все очень просто. Деформирующаяся «гармошка» поглощает энергию удара, жесткая сердцевина- скорлупа защищает людей внутри автомобиля. Все прекрасно работает на больших или среднеразмерных автомобилях, с достаточно крупными капотами и большой массой. Но что делать, если автомобиль небольшой? У них тоже есть деформируемые зоны?

Что делать с небольшими автомобилями?

Это очень хороший вопрос, на самом деле. Действительно, маленькие авто не имеют места для зоны деформации. Возьмите Smart для примера. Где же можно разместить зоны деформации на машине, такой как эта? Инженеры нашли для этих автомобилей свое решение.

Все поколения Smart строятся вокруг клетки безопасности Tridion, стального корпуса, который сочетает продольные и поперечные элементы, распространяющие силу удара по большой площади автомобиля. Также, еще одним важным компонентом безопасности Smart является и своеобразная зона деформации.

«Smart Fortwo укомплектован стальными бамперами спереди и сзади, которые прикручены к продольным лонжеронам клетки безопасности с помощью труб скольжения. Они могут быть недорого заменены после незначительных столкновений. При ударах во время парковки или столкновениях на скорости менее 5 км в час урон от аварии не будет заметен вовсе. До 16 км в час, трубы скольжения двигаются для сохранения клетки Tridion от воздействия удара.

При скорости более 16 км в час, клетка безопасности Tridion распределяет силу удара по всей своей поверхности, чтобы рассеять энергию и защитить своих пассажиров (при условии, перпендикулярного удара с захватом всей ширины передней части автомобиля). В задней части Smart’а, коробчатый элемент с запрограммированный деформирующейся областью также сделан из стали, которая сминается так же, как и передние трубы скольжения. При ударе, превышающем определенный порог силы, подача топлива в двигатель прекращается, а центральный замок автоматически разблокируется».

Pininfarina Nido Concept

В 2004 году на концепции Pininfarina была показана альтернатива классической зоне деформации. Nido Concept состоит из 3 основных элементов: клетки, салазок и поглотителя. В случае лобового столкновения, автомобиль поглощает часть энергии при помощи деформируемой передней части шасси, построенного с использованием двух металлических распорок с внутренним пенопластовым поглотителем.

Эти компоненты имеют форму усеченных конусов, чтобы рассеивать энергию по сотовой металлической перегородке, которая, в свою очередь переносит энергию вдоль центрального тоннеля и боковых элементов.

Остальная энергия, благодаря массе манекенов и салазок, сдвигает салазки вперед, и сжимает два сотовых поглотителя между жесткой клеткой и приборной панелью салазок, в результате чего постепенно и контролируемо производится торможение манекенов.

Вставка элементов сотового поглотителя между жесткой клеткой и салазками означает, что при столкновении, кривая замедления для данной системы ниже чем кривая для жесткой ячейки. Этого создатели и добивались.

Вместо заключения

С появлением и постоянным совершенствованием активной безопасности, роль зоны деформации в отношении защиты водителя и пассажиров практически исчезла из поле зрения общественного внимания, но это не означает, что она стала менее важной.

Наоборот, так как большинство автопроизводителей начали продвигать основную идею пассивной защиты еще дальше, роль этого элемента безопасности автомобиля возрастает. В этом им помогают организации типа IIHS, NHTSA или Euro NCAP, которые проводят свои краш-тесты автомобилей, и эти тесты с каждым разом все труднее пройти. Усложняют задачу все более жесткие правила к защите пешеходов. Для этого автопроизводителям приходится создавать особую форму капота, в которую не всегда удобно «ложится» система защиты самих пассажиров автомобиля.

Тем не менее, клетки безопасности стали еще мощнее и технологичнее, благодаря более широкому использованию особо прочный стали и даже армированного углеродным волокном пластика (CFRP).

Вот такая краткая история развития и основные вехи этого важного элемента любого автомобиля, от мала, до велика.

Какие методы применяют для устранения деформации автомобильного кузова?

Деформация кузовных элементов автомобиля во все времена имела актуальность. Это неприятное явление сопутствует владельцев техники еще с тех пор, как появился первый автомобиль. И если раньше этому вопросу не придавалось слишком много значения, то на современном автомобиле изменение размерных параметров кузова может пагубно сказаться как на комфорте езды, так и на безопасности его эксплуатации. У этого вопроса есть и вторая сторона медали, которая требует отдельного рассмотрения. Заключается она в том, что некоторые отдельные детали кузова легковых автомобилей разработчики намеренно делают легко подвергаемыми деформации. Зачем это нужно? Смотрим в подразделе о пассивной безопасности автомобиля.

Определение деформации кузова

Итак, что же такое деформация кузовных деталей легкового автомобиля? Под деформацией подразумевается любое нарушение размеров и очертаний кузова, которое возникает вследствие какого-либо физического воздействия на автомобиль. Это может быть мелкий камешек, который вылетел из-под колес встречного автомобиля и оставил небольшую вмятину. Нередки случаи попадания в кузов автомобиля мимо пролетающих птиц, падающих с деревьев веток и прочее. Наиболее неприятная и серьезная деформация возникает вследствие мелкого или крупного ДТП. Такие повреждения нередко приводят кузов легкового автомобиля в полную непригодность, и владельцу не остается ничего другого, кроме как сдать своего коня на металлолом.

Неважно, как возникла деформация, главное то, что дальнейшая эксплуатация автомобиля с поврежденным кузовом может быть не только некомфортна, но и опасна для водителя и пассажиров.

Вследствие нарушения установленных изготовителем размеров кузова автомобиля нарушается правильная работа подвески, рулевого управления и других систем. Поэтому вопрос о деформации всегда оставался важным и требующим особого внимания со стороны автолюбителя.

Виды деформации кузова

Условно повреждения кузова легкового автомобиля можно разделить на несколько степеней, которые классифицируются в зависимости от сложности деформации. Самая простая деформация возникает вследствие ударов по кузову мелких посторонних предметов или столкновений с небольшими препятствиями. Такое повреждение имеет небольшую площадь, довольно легко и недорого ремонтируется. Обычно все заканчивается рихтовкой или вытягиванием простыми приспособлениями.

Более серьезные деформации кузовных деталей возникают при наезде на большие препятствия или в результате длительной и неаккуратной эксплуатации автомобиля. В первом случае повреждения могут задевать одну или несколько кузовных деталей одновременно, что значительно усложняет ремонт и увеличивает его стоимость. Во втором случае деформация может быть и не видна, но она чувствуется водителем из-за не комфортности езды и заметна на неправильной работе подвески. Такие повреждения приводят к усиленному износу покрышек, ухудшению управляемости автомобилем, и несут за собой особую опасность.

Самый сложный вид деформации кузова легкового автомобиля возникает вследствие крупных ДТП. При этом страдают не только наружные детали кузова, но и несущие конструкции, призванные придавать жесткости автомобилю. В некоторых случаях после ДТП автомобиль уже не поддается восстановлению, так как нарушена общая конструкция кузова, и ремонт будет нецелесообразным.

Даже если удастся восстановить общую геометрию, то жесткость будет безвозвратно потеряна, что само собой сделает дальнейшую эксплуатацию такого автомобиля небезопасной для водителя и пассажиров.

При всех видах деформации кузова существуют особые способы для восстановления первоначального вида автомобиля. В зависимости от сложности и степени повреждения кузовных деталей определяется методика и последовательность восстановительных работ. С этими вопросами можно будет ознакомиться немного ниже. А перед этим стоит рассмотреть вопрос о том, почему же конструкторы автомобилей преднамеренно делают кузов автомобиля так легко деформируемым.

Пассивная безопасность автомобиля

Как уже упоминалось выше, деформация кузовных деталей может приносить не только неприятности, но и пользу. Все дело в том, что автомобиль проектируется таким образом, что при столкновениях в серьезных ДТП кузовные детали деформируясь, принимают на себя большую долю кинетической энергии. Это позволяет снять нагрузки от удара с той части кузова автомобиля, в которой находится водитель с пассажирами. Это намного снижает силы инерции и незначительно увеличивает время полной остановки автомобиля. В большинстве случаев этой доли секунды или миллиметра и хватает, чтобы избежать плачевных последствий для участников ДТП.

В былые времена этому вопросу не придавали особого значения. Кузов автомобиля делали прочным и долговечным. Однако в авариях такие автомобили были крайне небезопасны. Жесткий кузов не гасил силу от удара, передавая ее на водителя и пассажиров. Со временем автомобили стали проектировать с учетом этого нюанса. И невысокая прочность кузова работает на безопасность в паре с ремнями и подушками безопасности. Все это неоднократно было доказано на специальных краш тестах, которые развеивают миф о том, что производитель экономит на металле.

Сегодняшняя конструкция автомобиля полностью проектируется с расчетом на облегченную деформацию передней и задней части кузова. Это связано с тем, что большинство аварий приводят к повреждению именно этих частей автомобиля. По статистике более 95 % аварий разрушают именно переднюю и заднюю часть автомобиля. Боковые же части не так часто подвергаются ударам в авариях, хотя тоже проектируются с усиленными конструкциями стоек. По данным той же статистики на боковины выпадает всего 5% аварий.

В итоге получается, что современный автомобиль намеренно делается конструкторами легко поддающимся деформации. Все рассчитывается таким образом, что при правильной и бережной эксплуатации кузовные детали довольно длительное время сохраняют свою геометрию. Лишь периодически, по истечению нескольких лет требуется проверка геометрии и ее восстановление в случае надобности. Если же автомобиль попадает в аварию, то деформация кузовных деталей дает возможность уберечь находящихся в салоне от чрезмерных повреждений и травм.

Устранение мелкой деформации рихтованием

Самые мелкие деформации, которые имеют небольшую площадь, исправляются при помощи элементарной рихтовки. Для этого используются специальные инструменты в виде резиновых молотков, рычагов и прочего. Такой ремонт не требует особой квалификации, однако должен выполняться с большой точностью и аккуратностью. Следует отметить, что рихтованию абсолютно не поддаются детали, которые были до этого повреждены коррозией. В таких случаях более целесообразно полностью заменить деталь или провести дополнительно удаление коррозии с наложением латок или шпатлевки.

Рихтование применяется как этап восстановительного ремонта и в более серьезных случаях. При сильных повреждениях кузова применяется комплексное восстановление, и рихтовка занимает в нем немаловажную роль.

Те места кузова, которые не удалось вытянуть специальным оборудованием, рихтуются вручную. Также рихтование применяется и после вытяжки деталей, что позволяет добиться более высокой точности в восстановлении геометрии кузова.

Отдельно стоит упомянуть о рихтовании деталей кузова легкового автомобиля при помощи немецкой технологии, которая не требует последующих лакокрасочных работ. Она применима при наличии повреждений, когда лакокрасочное покрытие осталось целым, а на поверхности кузова имеются небольшие вмятины. Эта работа требует специального оборудования и приспособлений, а также соответствующей квалификации ремонтника.

Ликвидация деформации кузова вытягиванием

Более сложная процедура восстановления деформированного кузова легкового автомобиля – это вытягивание. Такой ремонт требует дорогущего современного оборудования, которым располагает не каждая мастерская по кузовному ремонту. Для подобного ремонта требуется не только вытягивающее оборудование, но и измерительное.

Западные производители выпускают измерительное и вытяжное оборудование, которое использует компьютерное измерение геометрии кузова с чрезвычайно высокой точностью. Замеры контрольных расстояний между точками кузова осуществляется при помощи датчиков, которые передают свое положение в пространстве на компьютер.

Программа принимает сигнал и на основании имеющихся в базе данных делает сводку о состоянии геометрии кузова автомобиля. Эти измерения очень точны и никак не сровняются с определением нарушения геометрии на глаз, или с помощью механических измерительных приборов.

Затем специалист принимает решение о том или ином способе исправления проблемы. Импортное оборудование позволяет практически в автоматическом режиме исправить большинство недостатков на кузове автомобиля. И только при нестандартных или очень серьезных повреждениях требуется корректировка работы программы. Следует также обратить внимание на то, что такое оборудование работает довольно долго над восстановлением каждой детали. Это позволяет постепенно изменить форму металла, не повредив его структуры.

Выравнивание геометрии кузова осуществляется при помощи специальных зажимов и приспособлений, устанавливаемых в определенных местах. Части для вытягивания приводятся в действие гидравлическим приводом и управляются компьютером. Это обеспечивает высочайшую точность работы, которую не сможет сделать человек.

Помимо высокотехнологичного оборудования от импортного производителя, для вытягивания деформированных кузовных деталей могут использоваться и ручные инструменты.

Они не обеспечат такой точности, как компьютерное оборудование, однако, они намного дешевле в цене и более просты в использовании. Но, тем не менее, опыт и умения ремонтника при этом более чем необходимы.

Ремонт деформации кузова после крупного ДТП

В результате крупного ДТП обычно страдают одновременно несколько кузовных деталей. Восстановление автомобиля в таких случаях занимает очень много времени и требует немало средств. Если же все-таки принимается решение восстанавливать чрезмерно деформированный автомобиль, то для этого применяются все методы и способы комплексно.

Для начала полностью удаляются все детали, которые выровнять или вытянуть не получится. Такие детали могут иметь разрывы металла, полное изменение геометрии и так далее. То есть проще будет такие детали полностью снять и заменить на новые. Если же деталь несъемная, то участок заменяется кусками металла, который подбирается по структуре и прочим параметрам.

Когда все детали, которые не подлежат рихтовке или вытягиванию сняты, то кузов выравнивают при помощи вышеописанных способов. После процедур рихтования и вытягивания устанавливаются новые детали, которым нашлась замена. Они также подгоняются под общую геометрию в соответствии с установленными размерами между контрольными точками. После окончания сборки кузова проводится контрольный замер геометрических параметров, и автомобиль отдается на покраску.