Zkoušky pevnosti a životnosti karoserie osobního automobilu a jejich dopad na provozní bezpečnost

© 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) Abstrakt Práce se zabývá zkouškami karoserie osobního automobilu, které se úzce vztahují k bezpečnosti posádky vozu, případně ostatních účastníků silničního provozu. Při těchto testech je kvazistaticky simulována situace při nárazech vozu. Dále je při životnostních zkouškách sledován stav dílů, kterým hrozí v provozních podmínkách poškození a následné uvolnění – tím je ohrožena bezpečnosti lidí, nacházejících se v bezprostředním okolí automobilu. Článek byl publikován v rámci sborníku příspěvků XXXI. mezinárodní vědecké konference Soudního inženýrství, Expert Forensic Science (ExFoS), 26.–27. ledna 2023 v Mikulově. Klíčová slova: pevnost, životnost, bezpečnost, test, předpis, posádka vozu. Abstract The paper deals with tests of a body of a passenger car, which are closely related to the safety of the car crew or other road users. During thes tests. a situation of car impact is quasi-statically simulated. Furthermore, a condition of parts that are atrisk of damage subsequent release and threat to the safety of peple a situation the immediate vicinity of the car is monitored during durability tests. Keywords: strength, durability, safety, test, regulation, car crew. Dodáno do redakce: 24. 4. 2023 Recenzní řízení: od 24. 4. 2023 do 5. 5. 2023 *Korespondenční adresa: kvetoslav[email protected] Zkoušky pevnosti a životnosti karoserie osobního automobilu a jejich dopad na provozní bezpečnost Strength and Durability Tests of Passenger Car Body and their Impact on Operational Safety Květoslav Zdražil Škoda Auto a.s., Mladá Boleslav 1. ÚVOD Experiment má historicky ve vývoji automobilu své pevné místo, Škoda Auto a.s. není výjimkou. Provádějí se zkoušky všech mechanických komponent, uzlů a nakonec i kompletního celého vozu z různých hledisek – tepelné namáhání, akustické vlastnosti, pevnost, životnost, ovladatelnost, crashové vlastnosti. Tyto zkoušky ve fázi prototypové a ve fázi předvýrobní série probíhají jak v laboratorních podmínkách, tak i v podmínkách provozních – na specializovaných polygonech. V příspěvku se budeme zabývat vybranými laboratorními zkouškami dílů, které jsou v kompetenci oddělení Vývoj svařené karoserie a montovaných dílů a které mohou mít vliv na bezpečnost posádky a ostatních účastníků silničního provozu: ●pevnostní zkouška kotvících ok v zavazadlovém prostoru, ●pevnostní zkouška kotvení bezpečnostních pasů do karoserie, ●pevnostní zkouška střešních nosičů a jejich kotvení do karoserie, ●pevnostní zkouška kotvících šroubů střešních nosičů, ●pevnostní zkouška střechy vozu, ●životnostní zkouška tažného zařízení a jeho kotvení do karoserie (Carlos), ●životnostní zkouška celého vozu na simulátoru vozovky. 2. PEVNOSTNÍ ZKOUŠKA KOTVÍCÍCH OK V ZAVAZADLOVÉM PROSTORU 2.1 Popis problému Vozy Škoda jsou vybaveny v zavazadlovém prostoru vybaveny několika oky, pomocí kterých by měl uživatel upoutat náklad k ložné ploše nákladového prostoru. Při případném nárazu nesmí dojít k nekontrolovanému proniknutí nákladu do prostoru pro posádku. DOI: http://dx.doi.org/10.13164/SI.2023.1.40 40 Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation www.soudniinzenyrstvi.cz 41 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) 2.2 Předepsané provedení zkoušky Zkoušku popisuje předpis DIN ISO 27955:2010, podle které je hodnota zatěžující síly Ft = 1,25 × FN , FN = 0,5 × mp × g, kde: mp maximální hodnota užitečného nákladu v kg, přičemž FNmin = 3 kN a FNmax = 3,5 kN, vzhledem k velké hodnotě hmotnosti užitečného nákladu u vozů Škoda je brána maximální hodnota: FNmax = 3,5 kN, Ft = 1,25 × FN = 1,25 × 3 500 = 4 375 N. Čas náběhu síly na maximální hodnotu: 20 s. Doba setrvání na maximální síle: 30 s. Během testu musí být přenesena předepsaná síla, nesmí být zaznamenáno porušení vzorku typu trhlin a lomů, trvalá deformace je přípustná (obr. 1). Interní předpis tuto mezinárodní normu ještě navíc rozšiřuje o další 2 úrovně: ●750 N (zatížení od uživatele při utahování nákladu k okům), trvalá deformace nepřípustná ●6 000 N (bezpečnost, která v sobě zahrnuje i směrodatnou odchylku souboru vzorků), bez trhlin a lomů, trvalá deformace přípustná. 2.3 Realizace testu Karoserie vozu je pevně fixována k základové desce, na kotvící oka působí postupně zatěžovací elektromotorický válec s napojeným siloměrem. Síla působí ve směru 15–45° odkloněném od vertikály oka směrem nahoru, v rovině dané vertikálou oka a některého z dalších ok v zavazadlovém prostoru. Při zkoušce je zaznamenáván posuv pístnice válce (tedy i deformace oka ve směru zatěžování (obr. 2, 3, 4). 2.4 Vyhodnocení testu Všechny vzorky musejí bezpečně přenést zatížení podle DIN ISO 27955:2010 a též splnit podmínky interního předpisu – navýšení Obr. 1 Pohled na umístění kotvících ok v zavazadlovém prostoru vozu. Fig. 1 View of the location of the anchor eyes in the luggage compartment of the car. Obr. 2 Pohled na uspořádání zkušebního stavu. Fig. 2 Test bench arrangement. zkušební vzorek po ukončení zkoušky na 8 000 N. Obr. 3 a 4 Zatěžovací diagram síla – deformace a pohled na zkušební vzorek po ukončení zkoušky na 8 000 N. Fig. 3 and 4 Load diagram, force deflection and a view of the test specimen after completion of the test at 8 000 N. Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 42 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) zatížení. V opačném případě nutno přistoupit ke konstrukčním změnám, ke změně materiálu, resp. ke změně výrobního postupu. 3. PEVNOSTNÍ ZKOUŠKA KOTVENÍ BEZPEČNOSTNÍCH PASŮ DO KAROSERIE 3.1 Popis problému Při nárazu vozidla jsou bezpečnostní pasy a též jejich kotvení do karoserie enormně namáhány. Mnohdy může zatížení přesáhnout hraniční hodnoty konstrukce, k prověření jejich bezpečnosti je nutno použít pevnostní zkoušku. 3.2 Předepsané provedení zkoušky Zkoušku popisuje předpis EHK č. 14.07. Předpis vyžaduje, aby konstrukce přenesla sílu 13 500 N, interní předpis dále vyžaduje 20% navýšení tohoto zatížení. 3.3 Realizace testu Karoserie vozu je při zkoušce fixována k základové desce, sedačky jsou ustaveny do zadané polohy, těla pasažérů jsou nahrazena pevnými náhradami, které jsou příslušný způsobem zajištěny bezpečnostními pasy. Síla je vyvozována elektrohydraulickým zařízením Schenck, napojení je uskutečněno pomocí spojovacích řetězů. Připojené siloměry snímají působící sílu (obr. 5, 6). Náběh na zkušební sílu 1 s (podle EHK 14.07 do 60 s), výdrž na síle 2 s (podle EHK 14.07 minimálně 0,2 s). Zkouška prováděna na pracovišti firmy TÜV SÜD Czech s.r.o. Mladá Boleslav (obr. 7–12). 3.4 Vyhodnocení testu Zkouška musí podle předpisu přenést požadované silové zatížení, podle interního předpisu nesmí dojít ke zjištění porušení typu trhlin a lomů, jinak musejí následovat konstrukční změny. 4. PEVNOSTNÍ ZKOUŠKA STLAČOVÁNÍ STŘECHY VOZU 4.1 Popis problému Při převrácení vozu přes střechu v důsledku nehody hrozí ohrožení posádky vlivem deformované horní části karoserie – A–sloupku a střechy. K ověření bezpečnosti posádky má sloužit kvazistatická zkouška stlačování střechy. Obr. 5 a 6 Uspořádání zkoušky úchytů předních a zadních bezp. pasů. Fig. 5 and 6 Front and rear seat belts fittings test arrangement. Obr. 7 a 8 Zatěžovací diagramy – levé přední a levé zadní sedadlo. Fig. 7 and 8 Load diagrams – a left front and a left rear seats. Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 43 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) Karoserie vozu tedy musí během deformace do 127 mm přenést zatížení úměrné násobku hmotnosti prázdného vozidla. 4.3 Realizace testu Zkouška je prováděna tak, aby v maximální možné míře vyhovovala 4.2 Předepsané provedení zkoušky Zkouška je popsána ve standardech FMVSS 216, GS 39, FMVSS 216a, IIHS C-AISI a též jsou používány modifikace těchto předpisů plynoucích z interních požadavků (např. podle teritoria vývozu, navýšení síly vzhledem ke koeficientu bezpečnosti, tab. 1). Obr. 9 a 10 Stav úchytů pasů levé přední sedačky po zkoušce. Fig. 9 and 10 Condition of the left front seat attachments after the test. Obr. 11 a 12 Stav úchytů zadní sedačky po zkoušce. Fig. 11 and 12 Condition of the rear seat attachments after the test. Tab. 1 Porovnání různých předpisů pro provedení zkoušky. Tab. 1 Comparison of different test regulations. Parametr FMVSS 216 FMVSS 216a IIHS Rychlost zatížení Do 12,7 mm/s (0,5 inch/s) 5 mm/s (0,2 inch/s) Zatěžovací deska 762 × 1829 mm (30 × 72 inch) Orientace desky Podélná osa 5° pod horizontální rovinou, příčná osa 25° pod horizontální rovinou Požadovaná síla 1,5 × hmotnost prázdného vozidla × g 3 × hmotnost prázdného vozidla × g Minimálně 2,5 × hmotnost prázdného vozidla × g Max. síla na hlavu figuríny nespecifikováno 222,2 N (22,65 kg, 50 lbs) nespecifikováno Max. rozsah deformace, při které se měří síla 0–127 mm (0–5 inch) 0–127 mm (0–5 inch) 0–254 mm (0–10 inch), ale hodnocení vztaženo k prvním 127 mm Působiště zatížení strana řidiče nebo spolucestujícího strana řidiče a spolucestujícího strana řidiče nebo spolucestujícího Monitoring polohy desky nespecifikováno ± 0,5° z původní polohy nespecifikováno Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 44 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) všem uvedeným předpisům. Zkušební zařízení je tvořeno tuhým nepoddajným blokem, jehož spodní plocha má tvar plochého obdélníku o rozměrech 762 × 1829 mm. Zkušební zařízení je nastaveno tak, že jeho podélná osa je 5° pod horizontální rovinou a příčná osa je 25° pod horizontální rovinou. Střed přední hrany zkušebního zařízení je umístěn 254 mm dopředu od nejpřednějšího bodu vnějšího povrchu střechy Zkoušené vozidlo je uchyceno za prahy k upínací desce a usazeno pod zkušebním zařízením, všechny dveře a okna předních dveří jsou zavřeny. Ve vozidle je v místě zatěžování namontováno zařízení HPF (Head Positioning Fixture) s tříosým snímačem síly pro vyhodnocení kontaktu se stropem nebo jinými strukturami vozu. Protože ve vozidle nejsou většinou nainstalována sedadla, je poloha hlavice HPF určena z R bodu (parametr sedadla cestujícího) a známé polohy nástavce HRMD (Head Restraint Measuring Device) od R bodu (obr. 13, 14). Rychlost posuvu 5 mm/s (0,2 palce/s), posunutí válce max. 127 mm (5 palců), vzorkovací frekvence měření 100 Hz. Zkouška byla prováděna ve zkušebně MAGNA ACTS GmbH &Co. KG Seilauf na specializovaném zařízení od firmy MTS (obr. 15–17). 4.4 Vyhodnocení testu Je zřejmé, že vzhledem ke kladným výsledkům testu, bezpečnost posádky je zajištěna. Síla je větší než přípustná hranice, nedošlo ke kontaktu náhrady hlavy s okolními částmi struktury karoserie. Obr. 13 Schematický pohled na uspořádání zkoušky. Fig. 13 Schematic view of the test arrangement. Obr. 14 Testovaný vůz před zkouškou. Fig. 14 The tested car before the testu. Obr. 15 Zatěžovací diagram – strana řidiče. Fig. 15 Load diagram – driver's side. Obr. 16 a 17 Stav vozu po zkoušce. Fig. 16 and 17 Condition of the vehicle after the test. Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 45 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) 5. PEVNOSTNÍ ZKOUŠKA STŘEŠNÍHO NOSIČE 5.1 Popis problému Při použití střešního nosiče na voze nesmí při různých provozních podmínkách dojít k mechanické poruše, která by mohla vést k uvolnění střešního nosiče s nákladem a k následnému ohrožení posádky, případně ostatních účastníků silničního provozu. 5.2 Předepsané provedení zkoušky Zkouška je prováděna podle předpisu ISO/PAS 1 1154:2006 s přispěním některých interních doporučení (obr. 18). Zkušební zátěžné síly působí v různých částech konstrukce, mají různý směr a jejich velikost je závislá na předepsaném maximálním zatížení konstrukce. Výdrž na maximální síle je 5–10 s. Síla FL (ve směru jízdy) a síla FLQ (o 20° odchýlena od směru jízdy) – při působení síly 0,5 FL (FLQ) = 1 500 N nesmí posuv nebo deformace předního příčníku (vzhledem ke střeše) překročit 10 mm. Při působení síly FL (FLQ)= 3 000 N nesmí dojít k selhání funkce a posuv nebo deformace předního příčníku nesmí dosáhnout 50 mm. Vztlaková síla FA (zatížení od 2 surfových prken, položených vedle sebe) působí po dobu 10 min. ve směru osy Z v místě předního příčníku. Pokud není přední a zadní příčník shodný, nutno zadní příčník zatížit silou 0,5 FA po dobu 10 min. Zatížení boční silou FQ (simulace bočního větru) působí po dobu 10 min. ve směru osy y. Po ukončení zkoušky musí nosič zůstat fixován ke střeše, maximální deformace nesmí přesáhnout 50 mm. Při zatížení 0,5 FQ nesmí být deformace větší než 10 mm. Uvažujeme maximální zatížení střešního nosiče 75 kg, potom: FL = 3 000 N, FA = 3 500 N, FQ = 1 125 N. Obr. 18 Schematické znázornění působících sil. Fig. 18 Schematic representation of the acting forces. Obr. 19–21 Pohled na uspořádání zkušebního stavu při zatěžování v různých směrech. Fig. 19–21 View of the test bench arrangement during loading in different directions. Obr. 22–24 Zatěžovací diagramy při zatížení v podélném, příčném a svislém směru. Fig. 22–24 Load diagr. during louding.in longitudinal, transverse and vertical directions. Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 46 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) 5.3 Realizace testu Při zkoušce možno použít celý vůz nebo příslušný výřez karoserie, natuho se ukotví k základové desce. Zatěžování je vnášeno pomocí lineárního elektroválce, vnitřní dráhoměr snímá posuv pístnice (tedy i deformaci konstrukce), připojený siloměr snímá sílu. Náklad je simulován tuhým svařencem z ocelových profilů (obr. 19–24). 5.4 Vyhodnocení testu Po ukončení zkoušky nesmí dojít k překročení mezních hodnot deformací, k omezení funkce střešního nosiče, nesmí dojít k trvalé deformaci pevných částí, nesmí být pozorována poškození typu trhlin nebo lomů. Nosič musí zůstat ve všech případech fixován ke střeše. 6. PEVNOSTNÍ ZKOUŠKY ŠROUBOVÉHO SPOJE STŘEŠNÍHO NOSIČE 6.1 Popis problému Šroubový spoj je důležitou součástí konstrukce střešního nosiče, jeho bezpečné spojení s karoserií je klíčové z hlediska provozní spolehlivosti a bezpečnosti posádky vozu a ostatních účastníků provozu. Z tohoto důvodu je prováděna zkouška na stanovení utahovacího momentu a dále tenzometrická zkouška poklesu osových sil ve šroubu po utažení (obr. 25). 6.2 Předepsané provedení zkoušky 6.2.1 Zkouška stanovení utahovacího momentu Zkouška je popsána předpisy pro zkoušky šroubových spojů, např. VDI 2862. Šrouby střešního nosiče patří do kategorie, kdy se šroub po utažení musí pohybovat v pružné oblasti, nesmí přesáhnout mez kluzu (obr. 26). Podmínky pro správně utažený šroubový spoj: MF ≤ 0,5 × MA, 0,5 × Mlin ≤ MA ≤ 0,9 × Mlin, MA = 9 ± 15% Nm….9 ± 1,35 Nm …. 7,65–10,35 Nm. Zkouška se vede až do porušení spoje, z výsledného diagramu utahovací moment – úhel natočení se odečítá hodnota Mlin – místo, kde se křivka odkloní od lineární závislosti. Obr. 25 Příklad provedení šroubových spojů střešního nosiče. Fig. 25 Example of bolted connections for a load carrier. Obr. 26 Schematické znázornění utahovacího předpisu. Fig. 26 Schematic representation of the tightening regulation. Obr. 27 Schematické znázornění tenzometrického měřícího šroubu Kyowa. Fig. 27 Schematic representation of strain gauge measuring screw. Obr. 28 Pohled na snímač momentu a úhlu natočení. Fig. 28 Torque and rotation angle sensor view. 6.2.2 Zkouška měření poklesu osové síly ve šroubu V současnosti se sleduje pokles utahovacího momentu ve šroubovém spoji, správné by bylo, sledovat změnu osové síly ve šroubu. Ne utahovací moment, ale pokles osové síly způsobuje degradaci spoje a způsobuje snížení kvality (povolení) šroubového spoje. Existuje technický prostředek, jak toho dosáhnout – tenzometrické šrouby (obr. 27). Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 47 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) 6.3 Realizace testu 6.3.1 Realizace zkouška stanovení utahovacího momentu Test je prováděn na karoserii vozu, do podélníků střešního nosiče uloženého odpovídajícím způsobem na karoserii vozu je šroubován přes snímač kroutícího momentu a úhlu natočení testovaný šroub až do destrukce spoje. Při testu byl se vzorkovací frekvencí 20 Hz snímán a zaznamenáván utahovací moment MU a úhel natočení φ. Při zkoušce byl pro utahování použit elektromotorický nástroj s nízkými otáčkami. Nutno testovat minimálně 6 ks šroubů a následně statisticky vyhodnotit (obr. 28). 6.3.2 Realizace zkouška poklesu osové síly Umístění měřících šroubů při měření (obr. 29). 6.4 Vyhodnocení testu 6.4.1 Vyhodnocení zkoušky stanovení utahovacího momentu Ze zatěžovacích křivek (obr. 30–34) moment – úhel natočení jsou odečteny body, kdy se křivka odklání od přímkového průřezu – ty jsou následně předmětem statistické analýzy, hodnoty utahovacích momentů musí být pod mezí kluzu spoje. Předepsaný utahovací moment MA = 9 ± 15% Nm. Musí být použito dostatečné množství vzorků – minimálně 6. 6.4.2 Vyhodnocení zkoušky poklesu osové síly Je snaha o kvalitní šroubové spoje, pokles osové síly se považuje za akceptovatelný, pokud její hodnota nepřesáhne 20%. V případě nedostatků musí dojít ke změně kvality šroubů, změnu povrchové úpravy šroubů (koeficient tření, obr. 35–36). 7. ŽIVOTNOSTNÍ ZKOUŠKA TAŽNÉHO ZAŘÍZENÍ A JEHO KOTVENÍ DO KAROSERIE 7.1 Popis problém Únavové porušení zařízení kotvení přívěsného vozíku do karoserie tažného vozidla by mohly být důvodem velkého problému, který jasně vede k ohrožení posádky vozu, tak i ostatních účastníků silničního provozu. Proto je nutné již ve vývojové fázi dynamicky testovat vyvíjená vozidla na zatížení od přívěsného vozíku. 7.2 Předepsané provedení zkoušky Zhruba před 20 lety začal ústav Frauenhofer Institut na žádost několika evropských automobilek (mezi nimi i Škoda-Auto) pracovat na studii zatěžovacího programu, určeného k hodnocení životnosti tažného zařízení, tak i jeho kotvení do karoserie vozu. Obr. 29 Umístění měřících šroubů při měření. Fig. 29 Location of the measuring screws during measurement. Obr. 30–34 Zatěžovací diagramy a křivka hustoty pravděpodobnosti. Fig. 30–34 Load diagrams and a probability density curve. Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation 48 © 2023 The Author. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0) Obr. 35–36 Pokles osové síly 30 min po dotažení a po části životnostního testu. Fig. 35–36 Axial force drop 30 min after tightening and after a part of the life test. Obr. 37–39 Časový záznam normovaných signálů M1, M2, M3 pro směr Fx, Fy, Fz. Fig. 37–39 Time history of the standardized signals M1, M2, M3 for direction Fx, Fy, Fz. Program vycházel ze zatěžovacích spekter, které tehdy zúčastněné automobilky pro vývoj takových zařízení a pro ověření jejich životnosti používaly. Výsledkem byl zatěžovací program, který v maximální možné míře vyhovoval nárokům všech zúčastněných firem. Jeho název je CARLOS TC, je to zkratka výrazu:CAR LOading Standard Trailor Coupling. CARLOS TC se skládá ze 3 modulů, každý obsahuje 3 normované časové signály ve směru X, Y, Z: Modul 1 (M1): představuje zákaznické použití, délka: 630 s, 500 opakování ●Modul 2 (M2): zhoršený styl jízdy, délka: 271 s, 50 opakování; ●Modul 3 (M3): Speciální zatížení, délka: 51 s, 10 opakování; ●Celková délka testu je dána touto kombinací: 10×(5×(10×M1+M2)+M3); ●Celková doba testu: 92 hodin. Pro různé hmotnosti vozidla a vlečeného přívěsu se používá parametr měřítka D: . . Fzg Hanger Fzg Hanger mm Dg mm ⋅ =⋅ +   , kde: mFzg hmotnost vozidla, mHänger hmotnost přívěsného vozíku, g gravitační konstanta. 7.3 Realizace testu Při testu se používá celý vůz, navážený na maximální hmotnost, případně karoserie na povozku, též uměle dovážená na maximální hmotnost. V obou případech je vůz fixován za náhrady zadních kol k základové desce. Tažné zařízení je příslušným způsobem namontováno, šrouby jsou předepsaným způsobem dotaženy. V tomto případě se používá dotažení za mez kluzu spoje (základní moment + úhel). Ročník 34 • 1/2023 Doprava • Transportation