Nhôm định hình đóng vai trò quan trọng thế nào trong hệ thống kiểm soát va chạm của ô tô?

Dù có những thay đổi lớn về thiết kế xe như thế nào thì khu vực ghế lái vẫn là linh hồn của chiếc xe Do đó, các nhà sản xuất ô tô bắt buộc phải thiết kế phương tiện đảm bảo an toàn cho người ngồi trên xe. Kiểm soát va chạm là một thuật ngữ chung trong khoa học và kỹ thuật về an toàn hành khách, bao gồm các công nghệ như hỗ trợ lái xe tiên tiến ADAS (có thể có tới 10 cảm biến để giám sát ở cả bốn phía của xe) đến các hệ thống kết cấu bảo vệ hành khách khỏi va chạm khi gặp sự cố. Trong số nhiều loại vật liệu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống kiểm soát va chạm, nhôm định hình là một dạng vật liệu linh hoạt ngày càng được tin tưởng lựa chọn.

Kiểm soát va chạm

Khi cân nhắc mua một chiếc xe mới, người ta thường xem xét khả năng đảm bảo an toàn của nó thông qua các cuộc thử nghiệm va chạm do Chính phủ giám sát. Cơ quan An toàn giao thông Quốc gia Mỹ (NHTSA) và Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc (IIHS) là 2 cơ quan phụ trách quản lý, tiến hành thử nghiệm và triển khai hệ thống xếp hạng sao để xác định mức độ an toàn của phương tiện, do thực tế các vụ tai nạn đều có bảo hiểm ô tô. Bên cạnh hệ thống xếp hạng sao, IIHS cũng đưa ra giải “Lựa chọn An toàn Hàng đầu” hàng năm, dựa trên phân khúc xe.

Một chiếc Honda Pilot sau một thử nghiệm va chạm nhỏ phía trước ghế lái. Chiếc Pilot có kết cấu thân xe bằng thép, với một thanh cản nhôm định hình (dạng sọc bạc sáng ở đầu xe). Có thể thấy, khu vực xung quanh bị hư hại đáng kể, tuy nhiên khoang tài xế vẫn nguyên vẹn, giữ an toàn cho hành khách.

Để đạt được xếp hạng sao từ IIHS, một chiếc xe được đánh giá thông qua một loạt các bài kiểm tra về va chạm trực diện, va chạm bên, độ bền của mái, tựa đầu và ghế ngồi cũng như phòng ngừa va chạm phía trước. Một số bài test còn trực tiếp kiểm tra thiết kế cấu trúc của chiếc xe. Ba bài kiểm tra xác định khả năng kiểm soát va chạm của một chiếc xe trong trường hợp va chạm trực diện, bao gồm bài kiểm tra va chạm vừa phải (xe di chuyển với tốc độ 40 dặm/giờ về phía có rào chắn) và 2 bài kiểm tra va chạm nhỏ phía người lái và phía hành khách. Các bài kiểm tra này được thiết kế để mô phỏng lại những gì xảy ra khi góc trước bên trái hoặc bên phải của một chiếc xe va chạm với một chiếc xe khác hoặc một vật thể như cây hay cột điện. Trong thử nghiệm va chạm bên hông, một thanh chắn SUV 3.300-lb va vào phía người lái xe ở tốc độ 31 dặm/giờ và trong thử nghiệm độ bền của mái, mái xe sẽ bị đè xuống 13cm với mức lực cần thiết để thực hiện sự nghiền nát xác định độ bền của mái.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn của NHTSA và IIHS, các nhà sản xuất xe thiết kế và thử nghiệm các mẫu xe của họ trong một số tình huống va chạm, bao gồm va chạm phía trước, phía sau và bên hông cũng như lật xe. Mục tiêu trong việc thiết kế hệ thống quản lý va chạm của ô tô không phải là để ngăn ngừa hư hỏng cho xe. Thay vào đó, mục đích là thiết kế cấu trúc thân xe để hấp thụ hoặc làm lệch hướng năng lượng nhiều nhất có thể để bảo vệ khoang hành khách.

Một dầm cản & hộp nghiền bằng nhôm để kiểm soát va chạm

Trong phạm vi kiểm soát va chạm, chiếc xe được thiết kế đảm bảo có đường dẫn tải bảo vệ hành khách. Hãy tưởng tượng khi một chiếc ô tô va vào một chiếc xe khác từ phía cạnh bên. Trong trường hợp này, đường dẫn tải được thiết kế sao cho chiếc xe phía trước lao đến sẽ va vào tấm chắn và cửa nhằm hấp thụ và làm lệch hướng năng lượng xung quanh cấu trúc thân xe, từ đó ngăn chặn việc đè bẹp khoang hành khách.

Dầm cản và hộp nghiền (crush cans) là tuyến phòng thủ đầu tiên để bảo vệ xe khỏi tác động từ phía trước hoặc phía sau. Vì các bộ phận này được đặt ở vị trí xa trọng tâm của xe nên việc giữ cho trọng lượng của chúng càng thấp càng tốt để đảm bảo độ ổn định của xe khi lái và vào cua sẽ là điều cần thiết.

Vật liệu và Thiết kế

Hệ thống cản bằng nhôm định hình được tìm thấy ở hơn 50% các loại xe - từ Chevy Cruz đời cũ đến xe điện Ford Mustang Mach-E 2021 được thiết kế mới (Hình 3). Dầm cản bằng nhôm định hình thường có nhiều lỗ rỗng bên trong, mặt cắt ngang hình chữ nhật và có hình dạng cong từ bên này sang bên kia (Hình 4). Tính linh hoạt và giá trị của dầm cản nhôm đùn còn được công nhận bởi việc sử dụng chúng phổ biến trong các phương tiện với hệ thống truyền động bằng động cơ đốt trong (ICE) và chạy điện (EV). Hợp kim nhôm cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn so với thép có cường độ chảy tương đương. Khả năng hấp thụ năng lượng thậm chí có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách tăng độ dày của đồng hồ đo. Tuy nhiên điều đó cũng sẽ dẫn đến việc tăng trọng lượng, do đó tốt hơn hết là chọn vật liệu có độ bền uốn cao hơn.

Xe điện Ford Mustang Mach-E có thân xe bằng thép với cụm dầm cản bằng nhôm

Có lẽ xe điện là phương tiện được ứng dụng thanh dầm cản ấn tượng nhất, bởi nó có bộ pin lớn và nhạy cảm với va chạm. Xe điện cũng có tổng trọng lượng xe cao hơn khoảng 450 kg so với mẫu xe động cơ đốt trong tương đương, nên nó sẽ mất nhiều thời gian hơn để giảm tốc độ khi va chạm. Ví dụ, thân xe Ford Mustang Mach-E 2021 có hơn 90% là thép, nặng hơn 36% so với Mustang đời đầu và cũng có không gian ít hơn 10% trong vùng va chạm. Với suy nghĩ này, Ford đã quyết định rằng giải pháp tốt nhất cho hệ thống cản trước là nhôm định hình. Đây là một dấu hiệu tuyệt vời cho thấy sự phát triển trong tương lai đối với dầm cản sau bằng nhôm định hình, bởi vì mặc dù Ford đã sử dụng thép cường độ cao ở những nơi khác trên xe, nhưng đơn vị OEM vẫn chọn nhôm đùn cho bộ phận dầm cản. Điều này cho thấy rằng nhôm có hiệu quả trong việc kiểm soát va chạm mặc dù nó khiến trọng lượng xe tăng lên và vùng va chạm giảm. Ngoài ra, cản nhôm đùn trên Mach-E đã được mở rộng ở cả hai đầu để chiếc xe sẽ đạt được xếp hạng IIHS tốt hơn trong bài kiểm tra va chạm nhỏ (SORB).

Hình ảnh hộp nghiền bằng nhôm định hình trước và sau va chạm

Một số loại xe chuyên sử dụng thép khác cũng đã chọn loại dầm cản bằng nhôm định hình. Trong danh sách vật liệu cấu trúc thân xe của Honda Pilot, bộ phận nhôm duy nhất được liệt kê là cụm dầm cản. Tương tự như vậy, các mẫu xe Acura RDX và Acura TLX cũng sử dụng nhôm đùn cho cản trước và cản sau.

Mach-E sử dụng dòng hợp kim nhôm 6000 series cho dầm cản trước và sau. Các hợp kim 6000 series có mặt trong hầu hết các ứng dụng đùn ép vì chúng mang lại hiệu suất & giá trị cao, dễ xử lý và có giá cả cạnh tranh.. Mặc dù nhôm sê-ri 7000 giúp chiếc xe giảm được trọng lượng nhiều hơn, nhưng các hợp kim này khó sản xuất và giá thành cao hơn, nhà cung cấp cũng ít hơn. Hầu hết các dầm cản được sản xuất bằng nhôm 6061, 6082, 6110 và có từ hai đến ba lỗ rỗng bên trong.

Cơ hội thị trường

Các dầm cản và hộp nghiền bằng nhôm định hình được sử dụng phổ biến ở cả các mẫu xe điện và động cơ đốt trong. Nhiều loại xe của các hãng như Honda, Toyota, Tesla, Kia, Hyundai, Chevy và Stellantis (Jeep) sử dụng dầm cản dạng đùn. Mặc dù hiện nay các dầm cản và hộp nghiền nhôm định hình chỉ chiếm 2% thị phần xe điện toàn cầu, nhưng nhiều chuyên gia trong ngành dự đoán chúng sẽ tiếp tục chiếm lĩnh thị phần xe động cơ đốt trong trong tương lai gần.

Thiết kế dầm cản khác nhau tùy theo nhà sản xuất, kiểu xe và ứng dụng

Trong số các hãng xe điện phổ biến ở Bắc Mỹ hiện nay, Tesla vẫn là công ty dẫn đầu. Doanh số bán hàng của dòng Model 3 và Model Y là 183.000 xe trong quý I/ 2021. Từ đó có thể dự đoán doanh số Tesla trong năm nay có khả năng sẽ đạt khoảng 732.000 xe. Với ước tính khối lượng mỗi thanh cản sau nặng khoảng 2,8 kg/ thanh, chỉ riêng việc sản xuất các dầm cản đùn trên các mẫu xe Tesla sẽ cần khoảng 2.000 tấn nhôm định hình. Ngay cả với hãng xe Chevy Equinox có quy mô nhỏ và giá cả phải chăng hơn, doanh số bán hàng năm chỉ khoảng 270.000 xe mỗi năm, thì việc sản xuất dầm cản đùn ép cũng sẽ khiến các nhà máy nhôm định hình hoạt động bận rộn cả năm.

Những ưu điểm nổi trội của dầm cản và hộp nghiền bằng nhôm định hình đang chứng tỏ rằng nhôm là vật liệu ưu việt được lựa chọn trong lĩnh vực ô tô - từ xe phổ thông đến xe điện và từ các mẫu xe chuyên sử dụng thép đến vật liệu hỗn hợp. Điều này sẽ mở ra một tương lai tươi sáng cho ngành sản xuất nhôm định hình.

Nguồn bài viết: https://www.lightmetalage.com/news/industry-news/automotive/aluminum-extrusions-prove-superior-in-bumper-systems/

Nguồn ảnh: Sưu tầm