Пасивна безпека це не тільки ремені і подушки безпеки, а й кузов автомобіля

Коли заходить розмова про елементи пасивної безпеки, багато людей відразу називають ремені, подушки, переднатягувачі. При цьому забувають ще про одну важливу, а точніше, основну її складову – кузов. Саме на розробку його структури йде найбільше коштів і часу. Саме він першим виступає на захист екіпажу і найдовше чинить опір найпотужнішої сили удару. Саме від роботи цього «бронежилета» залежать життя і здоров’я тих, хто потрапили в аварію.

Давним давно

До Другої світової війни конструктори вважали, що автомобільний кузов – це, в першу чергу, носій вузлів і агрегатів. І вже в мінімальному ступені – захисник екіпажу в дорожніх колізіях. Більше того, непохитним було твердження, що чим дорсткіша конструкція, тим вона безпечніше. Прорив стався на стику 40-х і 50-х років минулого століття. Молодий угорський інженер Бела Барені, що працював тоді в дослідницькому центрі Мерседеса в Зіндельфінгені, представив кілька революційних конструкцій кузовів. Від ушкоджень мешканців салону захищав жорсткий кокон – так звана «клітка» безпеки, а попереду і позаду неї знаходилися м’яті зони.

При аварії останні деформувалися, поглинаючи кінетичну енергію удару. Це дозволяло знижувати перевантаження, які відчували пасажири, а разом з ними і ризик пошкоджень і травм. У 1952 році Барені отримав патент за номером 854 157. Так був закладений один з фундаментальних каменів, на яких донині стоїть уся пасивна безпека.

При фронтальному зіткненні удар розподіляється одночасно за кількома напрямками, розташованими на різних рівнях: верхні силові елементи, посередині – поперечина бампера і лонжерони, внизу – підрамник і ніші передніх коліс. Від лонжеронів тиск і енергія передаються на силові елементи, розташовані з боків і на задній стінці моторного відсіку, а також центральний тунель. Частину приймають і профільовані посилені панелі, що закривають колісні ніші. Від них енергія передається на передні стійки, підсилювачі дверей, їх прорізи, пороги. Додаткові розкоси відводять руйнівну силу від «клітки» безпеки, тим самим знижуючи ризик деформації. Принципово з точки зору пасивної безпеки автомобільний кузов більше ніж за півстоліття не змінився. Пасажирів також надійно оберігає від травм клітина безпеки, а нежорсткі частини відводять від неї енергію удару. Але постійні дослідження ушкоджень, отриманих автомобілями в ДТП, аналіз конструкцій і сучасні методи розрахунків дозволили серйозно вдосконалювати принцип «клітки і м’ятих зон», закладений великим Барені.

Найчастіше, за статистикою, автомобілі потрапляють у лобові зіткнення. З передньої частини і почнемо. На відміну від перших «одноповерхових» конструкцій, сучасні кузови поглинають енергію удару на декількох висотних рівнях. Відтак, більша площа контакту, а, отже, більше і шляхів, за якими буде розходитися сила удару.

Сильні на передок

Першим на себе бере удар бампер (точніше, «передній модуль» або «фронт-енд», що включає в себе не тільки бампер з силовими елементами, а й радіатори, їх вентилятори, решітки, протитуманні фари і ходові вогні) – його поперечина розподіляє енергію на незавантажені частини кузова. Таким чином, вдається максимально ефективно реалізувати принцип «м’ятих зон». Велика частина енергії від поперечки передається на лонжерони кузова. Причому до них цей силовий елемент бампера кріпиться через «краш-бокси» – елементи із запрограмованою деформацією, які на малих швидкостях, приблизно до 15 км / год, за рахунок взяття на себе основної сили удару (відповідно деформації) оберігають основну силову структуру від пошкоджень, а власника – від серйозних витрат на ремонт.

Крім того, прораховуючи характер деформації, розподіл сил на вертикальних і горизонтальних рівнях, а також перевантаження, що діють на пасажирів, конструктори думають і про інших учасників руху. Наприклад, кузов високого і важкого позашляховика проектують так, щоб при зустрічі з малолітражкою він завдав їй мінімальної шкоди. І навіть допоміг, наскільки можливо, погасити величезну енергію удару.Природно, якщо удар відбувається на більш високій швидкості, то руйнівна сила нестримно проривається далі, зачіпаючи інші елементи кузова. Інший шлях для розрядки лежить через підрамник. Зазвичай його роблять з високоміцної сталі, щоб полегшити конструкцію і в той же час надати їй максимальної жорсткості. Від цього вузла залежить не тільки безпека, але й безліч інших важливих параметрів автомобіля. Наприклад, вібро- і шумоізоляція, керованість, стійкість. Адже на ньому підвішена більшість основних агрегатів і вузлів: двигун з коробкою, передня підвіска, рульове управління. Однак, незважаючи на необхідну жорсткість, при певному зусиллі підрамник теж мнеться, а надлишок енергії через опори переходить на центральний тунель і лонжерони.

Заходять з тилу

Спланувати задню частину кузова простіше, ніж передок. Якщо, звичайно, мова йде про автомобілі з передньомоторним компонуванням, яких більшість. Безумовно, нюанси є, приміром, в залежності від типу кузова. Силову структуру для хетчбека розробити складніше, ніж для седана або універсала. Адже рятівного деформованого простору у таких машин менше, а енергію доводиться гасити настільки ж ефективно. Або взяти хоча б семимісний мінівен або кросовер – непросто захистити людей, коли від бампера до останнього ряду сидінь не більше півметра. Ось і мудрують конструктори, експериментуючи з додатковими елементами в конструкції кузова, щоб ефективніше погасити і відвести від людей страшну загрозу. Але, незважаючи на всі хитрощі і зусилля інженерів, в будь-якому випадку кузови седана або універсала (якщо брати одну і ту ж модель) при ударі ззаду забезпечують більшу безпеку, ніж кузов хетчбека. Все вирішують рятівні сантиметри – подовжена “корма” з довшими лонжеронами здатна поглинути більше енергії і плавніше погасити удар.

Основним захистом від удару ззаду служать лонжерони з високоміцної сталі – повздовжні підсилювачі, що проходять уздовж всієї корми і впираються в клітку безпеки. Причому їх жорсткість на відрізку від бампера до задніх сидінь зростає, таким чином, вони забезпечують ту саму запрограмовану ступінчасту деформацію.

Золота клітка

Отже, силова структура в передній, задній частинах і з боків кузова сконструйована так, щоб цілеспрямовано деформуватися і поглинати енергію удару. А всередині знаходиться тверде «ядро», яке навіть при сильних ударах зберігає життєвий простір для пасажирів. Тому основні елементи цієї «шкаралупи» роблять з ультрависокоміцних сталей і листових панелей з великою твердістю. Втім, принципи побудови повністю алюмінієвих і комбінованих кузовів ідентичні.

У нового Porsche 911 Carrera силова структура комбінована. Наприклад, «клітка» салону виконана із застосуванням високоміцних (помаранчевий) і надвисокоміцних (червоний) сталей. Передня частина кузова і підлога – майже повністю алюмінієві, блакитним кольором відзначені відштамповані з алюмінію елементи. Зеленим відзначені сталеві штамповані деталі та сталеві елементи, виконані із застосуванням глибокої витяжки. Чорним позначені елементи з магнію. Сталь, алюміній і магній з’єднуються переважно за допомогою заклепок і різьбових з’єднань. Прямий контакт між деталями виключається спеціальним клеєм-герметиком. Завдяки клею, підвищується міцність з’єднання, здійснюється електрохімічна ізоляція (сталь і алюміній є гальванічної парою, а це може призводити до електрохімічної корозії в місцях контакту), а також знижується рівень шуму. Протяжність клейових з’єднань зростає з року в рік – в сучасних автомобілях їх загальна довжина вже може перевищує 100 м. Міцність клепаних кузовів на клеї нітрохи не поступається звареним із сталі, і це ще при меншій вазі!

Більше половини енергії при ударі, що дійшла до клітки, йде на підлогу. Тому його конструкція особливо хитромудра і складається з декількох листових заготовок, з’єднаних між собою лазерним зварюванням. Середня, найбільш товста, утворює центральний тунель – хребет клітини, через який і витікає велика частина ударної сили. Залишкова енергія в основному йде по лонжеронах статі, які тягнуться до поперечних підсилювачів під задніми сидіннями і стабілізують загальну структуру сталі.

Лонжерони підлоги і центральний тунель – основні елементи, за яким відводиться енергія при фронтальному ударі. Поперечні елементи підсилюють силову структуру кузова, а також працюють при бічному ударі. Пара діагональних розкосів в передній частині днища підвищують жорсткість кузова, поліпшуючи не тільки пасивну безпеку, але і керованість автомобіля. Куди важче захистити пасажирів від удару в бік, адже м’які зони, готові поглинути енергію удару, тут дуже малі. Власне, з цієї причини бічний удар завжди жорсткіше, а значить, небезпечніше фронтального. Саме тому переважна більшість сучасних «цивільних» легкових автомобілів роблять схильними до зносу (ковзання передньої осі), а не до заносу. Принцип простий: нехай краще при втраті керованості в повороті автомобіль ковзає передніми колесами назовні повороту і гарантовано насувається на перешкоду передком, добре амортизуючим удар. І ще – ремені і передні подушки при фронтальному ударі більш ефективні. І викиньте з голови помилкове поняття – «битися чим завгодно, але не мордою» – раз і назавжди. Удар в бік при рівній силі завжди небезпечніше удару в передню частину.

При бічному зіткненні основний удар припадає на центральні стійки і двері, від яких енергія по кузову розтікається за допомогою підсилювачів і «косинок». Наприклад, від основи центральних стійок вона передається на поперечний підсилювач кузова, що проходить під передніми сидіннями, і розкіс тунелю, а від верхньої частини – на силові елементи даху. Рятувати пасажирів при бічному ударі допомагають і елементи інтер’єру. Наприклад, каркас сидінь посилений трубчастими профілями, а оббивка забезпечена енергопоглинаючими вставками.

Отже, бічний удар…

Тут інженерам доводиться попітніти. Основну його частину приймають на себе центральні стійки, розгалужуючись з одного боку в дах, з іншого – в підлогу. Оскільки їм доводиться стримувати перший натиск, ці деталі роблять з ультрависокоміцної сталі гарячого штампування. Не менший інтерес представляють і “нутрощі” дверей. Їх силовий каркас складається з елементів, підсилених ближче до рамки на поясі й на рівні бампера додатковими профілями. Передбачено й підсилювачі між зовнішньою і внутрішньою частинами дверей – вони також працюють на безпеку.

Розробити кузов кабріолета – одне з найбільш складних завдань для автомобільних інженерів. Адже функції даху доводиться розподіляти між іншими кузовними модулями. А для цього їх потрібно підсилювати, ускладнюючи додатковими елементами або підшукуючи підходящі матеріали, що забезпечують належну жорсткість. Допрацьовують конструкцію підлоги, дверей, задньої стінки моторного відсіку, а також рамки вітрового скла – на неї основна надія при перевороті. Щоб голови пасажирів при перевороті в прямому сенсі не знесло, за головами встановлюють спеціальні дуги. Вони можуть бути встановлені статично, а можуть бути активними, тобто, при ударі вистрілювати вгору.

Слабких б’ють сильно, але акуратно

В останнє десятиліття перед інженерами, які розробляють кузови, поставили ще одну непросту задачу. Автомобіль повинен наносити мінімум шкоди пішоходам. І необхідні заходи вжили, причому більшість з них пішли на користь не тільки безпеки, але й аеродинаміці. Гострі краї кузова згладили, фари замість скла отримали м’який прозорий пластик, бампери стали податливі та знайшли додаткові внутрішні та зовнішні енергопоглинаючі вставки, зовнішні дзеркальця поголовно стали складними, дверні ручки – утопленими в кузовні панелі або хоча б закругленими, а щітки склоочисників все частіше ховаються під капотом.

Так Mercedes перевіряє, наскільки безпечний для пішоходів передок автомобіля. Випробувальний стенд з насадкою, що імітує голову людини, послідовно буде обстукувати автоматично відстрілюваний вгору капот, виявляючи його здатність деформуватися і ефективно гасити енергію.

Щоб уберегти пішоходів від серйозних травм голови і плечового пояса, виробники старанно підстеляють м’який метал. Місце приземлення роблять максимально безпечним. Для цього збільшують відстань між капотом і двигуном, щоб ефективніше погасити енергію при ударі. На багатьох автомобілях капот додатково підіймається на «рухомих» шарнірах. Зазвичай вони приводяться в дію механічно, коли пішохід навалюється на передню частину, рідше – за допомогою піропатронів.

У Volvo пішли ще далі. Модель V40 отримала систему, що захищає при наїзді на пішоходів, яка не тільки піднімає назустріч капот, але і розкриває зовнішню подушку безпеки, знижуючи ризик пошкодження голови і шиї пішохода при ударі об лобове скло і передні стійки.

Багато з цих змін приурочували до рестайлінгу моделей, а найбільш складні закладали при проектуванні наступного покоління автомобілів. Як, наприклад, додатковий простір між капотом і агрегатами, розташованими в моторному відсіку. Цей проміжок дозволяє приземлятися на передню частину автомобіля, здобувши ті самі кілька десятків рятівних міліметрів, у які проминається «залізо» і гасить енергію удару (на капот він приземляється головою), тим самим знижуючи у пішохода ризик пошкоджень і травм. Начебто, лише кілька міліметрів, але для цього доводилося серйозно втручатися в компоновку підкапотного простору – втоплювати двигун, верхні точки кріплення амортизаторів, бачків з рідинами, електронних блоків, і при цьому – щоб дорожній просвіт не постраждав. Або навпаки, піднімати лінію капота, що позначається і на аеродинаміці, і на зовнішньому вигляді. Саме тому часто ці нововведення відтягували до виходу в світ нової моделі.

BMW пропонує капот з… вторинного картону. Стільникова паперова структура не тільки ефективно поглинає енергію удару, але і дозволяє зменшити масу і вартість деталі. При цьому за характеристиками міцності не гірше аналогів зі сталі та алюмінію.

Тепер ви розумієте, наскільки складна і важлива деталь – кузов. І яку роль він відіграє у спільній справі, назва якій «безпека». Не дай бог, звичайно, переконатися в цьому на власному досвіді. Однак від дорожніх пригод ніхто не застрахований. А тому, вибираючи старий автомобіль, в першу чергу зверніть увагу на стан кузова. Серйозний ремонт, наскрізна корозія, порушена геометрія – вагомий привід продовжити пошуки. Здоров’я і життя того варті.