Je leest:

Slimme auto plooit zich naar botsing

Slimme auto plooit zich naar botsing

Auteur: | 1 oktober 2000

Met de meeste auto’s kun je beter geen botsing krijgen; ze zijn of te stijf of te slap. In het ene geval sta je bloot aan hoge vertragingskrachten. In het andere geval wordt de passagierskooi in elkaar gedrukt. Een ‘intelligente auto’ past zijn constructiestijfheid aan de botssituatie aan.

Veel mensen wanen zich veilig als hun auto is voorzien van alle mogelijke veiligheidssnufjes zoals ABS, gordelspanners en allerlei airbagsystemen. Uiteraard verhogen deze toevoegingen de veiligheid, maar als de voertuigconstructie niet bestand is tegen de optredende botskrachten, kan het toch nog slecht aflopen. Realistische botstesten uitgevoerd door consumentenorganisaties bewijzen dat.

Voor de veiligheid van de inzittenden tijdens een frontale botsing is het van belang dat de voertuigconstructie voor de passagierskooi alle botsenergie absorbeert, zodat de overlevingsruimte in elke botssituatie is gegarandeerd. Om dit te testen, zijn in Europa twee wettelijke frontale botstesten voorgeschreven waarbij in twee verschillende botssituaties wordt getest.

In de praktijk weet je echter van te voren niet met welke snelheid, onder welke hoek en met welk gedeelte van de voorkant een eventuele botsing zal plaatsvinden. Vaak optimaliseert de fabrikant een auto voor de specifieke testsituatie om zo nét aan de eisen te voldoen.

Wanneer de botssituatie er echter iets anders uitziet (zoals in de praktijk altijd het geval is), kan het twijfelachtig zijn of de veiligheid nog wel is gewaarborgd. Vooral omdat bij de wettelijk voorgeschreven frontale botstest met – in vaktermen – volledige overlap niet eens met dummy’s wordt gebotst. Alleen de stuurwielverplaatsing wordt dan gemeten. We spreken van ‘volledige overlap’ als bij een frontale botsing de gehele voorkant vol wordt getroffen.

Bij veel botsingen wordt een tegenligger voor slechts een gedeelte geraakt, omdat beide botspartners elkaar op het laatste moment nog proberen te ontwijken. Dergelijke botsingen uit het midden heten ‘offset’-botsingen. Hierdoor raakt slechts een gedeelte van de autoconstructie belast; bij botsingen met hogere snelheid kan de voorkant dan niet alle botsenergie opnemen.

Dit is ook het geval bij botsingen tegen slanke obstakels zoals een boom. Als gevolg daarvan vervormt de passagierskooi: stuur, dashboard en pedalen dringen naar binnen, en de voorste inzittenden kunnen sterk bekneld raken. Een airbag heeft dan weinig zin.

Kreukelzones

Kreukelzones moeten de botsenergie opnemen. Dit zijn twee langsliggers geplaatst tussen de voorwielen en de motor die door axiaal, langs de lengte-as, opkreukelen via opeenvolgende plooivorming veel energie kunnen opnemen. De opgenomen energie in een kreukelzone is gelijk aan de gemiddelde axiale kracht waarbij de plooien worden gevormd, vermenigvuldigd met de lengteverandering door de deformatie.

Om de botsenergie op te nemen, worden kreukelzones gebruikt. Dit zijn twee langsliggers geplaatst tussen de voorwielen en de motor. Deze visualisatie laat zien waar de krachten tijdens een botsing op werken.

Het probleem is echter dat bij een offset-botsing slechts één langsligger wordt belast. Als gevolg daarvan neemt de voorkant amper de helft van de normale hoeveelheid energie op, behalve als ook de motor nog wordt getroffen. De auto zal dan veel verder moeten opkreukelen, met alle gevolgen van dien.

Je kunt de langsliggers stijver maken, zodat één ervan ook bij offset-botsingen voldoende energie opneemt. Dat heeft als nadeel dat bij een frontale botsing waarbij beide langsliggers betrokken zijn, de auto te stijf zou zijn. De inzittenden zouden te plots aan een te grote vertraging blootstaan.

Een ander probleem vormt de botsing die onder een hoek plaatsvindt. Hierbij wordt ook vaak maar één langsligger belast. Omdat deze langsligger in dwarsrichting onvoldoende stijf geconstrueerd is, zal deze meestal wegknikken. Daarbij vormt zich vaak maar één plooi, in tegenstelling tot opkreukelen langs de lengte-as (axiaal opkreukelen), waarbij tientallen plooien evenredig veel meer energie opnemen. Het stijver maken tegen wegbuigen in de dwarsrichting verhoogt ook weer de axiale stijfheid, wat niet gewenst is.

Samengevat is het met de bestaande kokerconstructies niet goed mogelijk om zowel voor een botsing met volledige overlap als een offset-botsing en eventueel onder een schuine belasting te allen tijde de juiste gewenste hoeveelheid energie te absorberen. De auto zal of te stijf zijn, wat leidt tot te hoge vertragingskrachten voor de passagiers, of te slap zijn, wat leidt tot sterke vervormingen van de passagierskooi.

Daarnaast is het voor de inzittenden van belang dat de vertraging van de auto (bepaald door de stijfheid van de constructie) een specifiek, voorgeprogrammeerd verloop heeft dat tot minimaal letsel leidt. Deze vertraging is pas goed te optimaliseren wanneer deze niet meer afhankelijk van de botssituatie is.

De ideale auto zou bij een bepaalde botssnelheid in elke situatie eenzelfde hoeveelheid energie kunnen opnemen, volgens een geprogrammeerd patroon in een vastgestelde deformatielengte. Een ‘intelligente auto’ past zijn constructiestijfheid aan de botssituatie aan.

Telescoop met kreukelkoker

De telescoop bestaat uit vier stijve kokers die makkelijk over elkaar heen schuiven en door flenzen niet uit elkaar schuiven. De vierkante kreukelkoker is 45 graden om zijn as gedraaid zodat er voldoende ruimte is voor de asymmetrische plooivorming binnen in de kleinste telescoopkoker. De hoekpunten van de kreukelkoker kunnen niet naar buiten komen; ze kunnen steunen tegen de binnenwand van de telescoop.

Aan de voorkant kunnen beide delen star aan een bumperbalk worden bevestigd; aan de achterzijde zitten beide delen vast aan het stijve schutbord en de autobodem. Wanneer beide langsliggers met een stijve bumper aan de voorkant worden verbonden, zal bij een offset-botsing één langsligger axiaal naar achteren stabiel opkreukelen; de andere onbelaste ligger zal met veel kracht worden kromgetrokken, zodat de buigstijve telescoop nog extra energie kan opnemen.

Telescoopconstructie

Waar moet een slimme constructie aan voldoen? Ten eerste moet deze in de lengterichting een normale stijfheid hebben (vastgestelde kreukelkracht). Tegelijkertijd is op de dwarsrichting een heel hoge buigstijfheid nodig om vroegtijdig wegknikken te voorkomen. Dit lukt niet met een enkelvoudig kokerprofiel; maak je buigstijfheid veel groter, dan verhoog je ook de axiale stijfheid.

Door het ontwerp te splitsen in twee aparte delen met een eigen functionaliteit, kun je wel tot een oplossing komen. Een slanke kreukelkoker met een beperkte omtrekmaat met redelijke wanddikte is in de lengterichting niet te stijf. Zo’n constructie verdeelt de krachten gelijkmatig, en kan bovendien voldoende energie absorberen.

Een omhullende telescoopconstructie zorgt voor de benodigde buigstijfheid en door zijdelingse ondersteuning van de kreukelkoker voor continue stabiliteit van het plooiproces. Bedenk namelijk dat bij de asymmetrische plooivorming van een vierkante koker er altijd twee plooien naar elkaar toe bewegen zodat op die plek de kans op uitknikken toeneemt.

Wanneer beide langsliggers met een stijve bumper aan de voorkant worden verbonden, zal bij een offset-botsing één langsligger axiaal naar achteren stabiel opkreukelen; de andere onbelaste ligger zal met veel kracht worden kromgetrokken, zodat de buigstijve telescoop nog extra energie kan opnemen. Dit kromtrekken neemt echter nog niet zoveel energie op als het normale axiale opkreukelen.

Omdat we zowel bij een volledige overlap als bij een offset-botsing evenveel energie willen opnemen, zou het nog mooier zijn wanneer de niet getroffen langsligger ook axiaal zou opkreukelen. Dit is moeilijk te realiseren met een stijve dwarsverbinding. Er zullen snel te hoge momentkrachten optreden die alsnog tot buiging leiden. Tevens kan het motorblok flink in de weg zitten.

Kabels verspreiden botsenergie

Om zowel bij een volledige overlap als bij een offset-botsing evenveel energie te kunnen opnemen, moet de niet getroffen langsligger ook axiaal opkreukelen. Dat kan met een kabelsysteem waarbij de opkreukelende langsligger een kabel aantrekt die verbonden is met de voorkant van de andere onbelaste langsligger. Deze wordt dan gedwongen om ook axiaal op te kreukelen.

Hiertoe zit binnenin de kreukelkoker een sterke stang die goed ondersteund naar achteren kan schuiven. Binnenin de kreukelkoker blijft er namelijk na plooivorming nog net genoeg ruimte over voor de stang. De kabel die aan het achterste uiteinde van die stang vastzit, wordt via twee geleidewielen naar de andere langsligger geleid, waar de kabel vastzit aan de bumper.

De kabel zit in een uitsparing van de stang om de krachten zoveel mogelijk centrisch te leiden, zodat buigkrachten worden voorkomen. In het geval van een botsing met volledige overlap worden beide stangen gelijktijdig naar achteren geduwd en hebben de kabels geen invloed op het kreukelgedrag.

Uiteraard moet de totale langsliggerconstructie onder een hoek worden ingebouwd om het indringen van de stangen in de passagiersruimte te voorkomen. Dit is met de hierbij extra optredende buigkrachten geen probleem voor de stijve telescoopconstructie. Bij een zogenoemd ‘multipurpose vehicle’ met hogere vloer kan de constructie meer horizontaal worden gemonteerd.

Kabelsysteem

Een oplossing biedt een kabelsysteem waarbij de opkreukelende langsligger een kabel aantrekt die verbonden is met de voorkant van de andere onbelaste langsligger. Deze wordt dan gedwongen om ook in de lengterichting op te kreukelen.

Het nieuwe ontwerp is beproefd met numerieke simulaties voor drie verschillende botssituaties. De onbelaste voertuigzijde blijkt inderdaad ook op te frommelen, en neemt bijna evenveel energie op als de direct belaste zijde. Dit systeem kan bijna twee keer zoveel botsenergie opnemen als een constructie zonder kabels.

Omdat beide langsliggers stabiel opkreukelen, is ook de vertraging van de drie verschillende botssituaties vergelijkbaar, zodat de inzittenden onafhankelijk van de botssituatie eenzelfde vertraging ervaren. Dit biedt nieuwe mogelijkheden om airbags en gordels met spanners te optimaliseren op minimaal letsel. Niet de botssituatie, alleen de botssnelheid heeft nu nog invloed.

Simuleren met PAM-CRASH

De sectie Automotive Engineering & Product Design van de Technische Universiteit Eindhoven gebruikt het industriële ‘eindige elementen’ softwarepakket PAM-CRASH zoals ook in gebruik bij de grote automobielfirma’s. Dit programma kan nauwkeurige computersimulaties van allerlei voertuigbotsingen doorrekenen op snelle computers. Daarnaast beschikt de sectie over een eigen botsbaan om voertuigcomponenten en materialen op crashgedrag te onderzoeken.

Intelligent energie-absorberend systeem

Door een extra energie-absorberend systeem aan de kabelstangen toe te voegen, kan er bij een hogere botssnelheid extra energie worden opgenomen bij dezelfde deformatielengte.

Achter het schutbord kan een hydraulisch remsysteem worden gemonteerd waarbij remblokken zijdelings tegen de naar achteren schuivende stang duwen en zo door middel van wrijving de schuifweerstand verhogen. Er is nu meer kracht benodigd om de langsliggers op te kreukelen, omdat de stang moeilijker naar achteren beweegt. De stijfheid van de kreukelzone is dus verhoogd en neemt nu meer energie op.

Een intelligent systeem moet nu afhankelijk van de botssnelheid de remkracht regelen. Door de moderne elektronica in de auto (onder andere ABS) is de botssnelheid in principe bekend en kan de druk vooraf al goed ingesteld staan.

Kennislink, CC by-sa 3.0

Bij lage botssnelheid is geen extra remdruk nodig; de standaard kreukelzone is stijf genoeg. Bij hogere botssnelheid is een toenemende extra remdruk nodig om de extra energie (evenredig met de snelheid in het kwadraat) in warmte om te zetten.

Het kan bij hogere snelheden vóórkomen dat de auto niet alle energie kan opnemen omdat bijvoorbeeld de kreukelzones al volledig gedeformeerd zijn. Het intelligente energie-absorberende systeem doet dan de rest. De extra energie wordt in zo’n geval niet in het passagiersgedeelte opgenomen door deformatie van de kooi en het naar binnen dringen van het dashboard of zelfs de motor, maar door wrijving van remschoenen op de stangen. Toepassing van hittebestendige lagen moet oververhitting voorkomen.

Vertragingspatroon

Het regelbare remsysteem kan ook invloed uitoefenen op het vertragingspatroon. De vertraging gegenereerd door de kreukelzones is immers redelijk constant, terwijl uit onderzoek met gesimuleerde dummy’s blijkt dat voor minimaal letsel een sterkere vertraging aan het begin van de botsing (zodat later ruimte is voor minder vertraging) gewenst is. In de eerste fase van de botsing heeft de inzittende nog geen sterke koppeling met de vertragende auto. Terwijl de auto al vertraagt, schiet de inzittende met de oorspronkelijke snelheid door. Pas als de gordels en airbag hun werk doen, wordt de inzittende wel sterk vertraagd.

Om de inzittende zo gelijkmatig mogelijk te vertragen en al zo snel mogelijk met de vertraging van het voertuig mee te laten doen (om latere vertragingspieken te voorkomen), is het van belang de auto eerst veel te laten vertragen. Ook om de gordels snel te spannen en de airbag te activeren, is dat van belang.

Vervolgens is een minder sterke vertraging nodig. De inzittende moet namelijk niet te vroeg en niet met een te hoge relatieve snelheid tegen de airbag aankomen. Nadat de inzittende volledig contact met de auto heeft via gordel en airbag, kan het voertuig weer sterk vertragen om tijdig tot stilstand te komen zonder dat dit tot nieuwe piekkrachten bij de inzittende leidt.

Vooral in de eerste fase van de botsing is de extra remkracht van belang. In de tweede fase is de kreukelzone stijf genoeg. In de laatste fase spelen andere voertuigdelen door samendrukking en de verschuiving van de motor ook een sterk vertragende rol. Met name de eerste fase moet worden gebruikt om bij hogere snelheid extra te vertragen, omdat dan door de hoge snelheid veel kostbare deformatielengte verloren gaat. Nadat de eerste deformatiefase na zo’n 18 centimeter voorbij is, kan de remkracht worden opgeheven, om zonodig in de derde fase nog wat te assisteren.

Alle mogelijke botssituaties

Een hydraulisch remsysteem is goed te regelen en kan bovendien de vertraging optimaliseren. Denk bijvoorbeeld aan de invloed van de botspartner, zoals een lichte auto of een zware vrachtwagen. Het systeem meet tijdens de botsing de vertraging en regelt deze bij. Bij een lichtere botspartner verhoogt automatische stijfheidverlaging de overlevingskansen van beide partners.

Door het massavoordeel is je eigen vertraging minder kritisch. Bots je daarentegen op een zwaardere auto, dan kan door automatische stijfheidverhoging van je eigen auto wat kreukellengte van de zwaardere botspartner worden aangesproken (jouw auto kreukelt minder; de andere auto meer). Ook de invloed van lading (veel inzittenden, of een aanhangwagen) kan worden meegenomen.

Op deze wijze is een voertuig te ontwerpen dat voor alle mogelijke frontale botssituaties een optimale vertraging genereert, en waarbij de passagierskooi nooit zal vervormen omdat alle energie in de constructie voor het schutbord is opgenomen. Hiermee ontstaat in elke frontale botssituatie het minimaal mogelijke letsel.

Je kunt per slot van rekening beter op voorhand de constructie aanpassen, dan achteraf met veel moeite door betere gordels en airbags een verkeerde puls opvangen. Verbeterde airbags kun je immers beter benutten om het letsel nog verder te verminderen dan om tekortkomingen van het voertuig te corrigeren.

We verwachten dat de extra kosten van dit systeem zichzelf ruimschoots terugverdienen door besparing op letselschade en de daarbij behorende economische en emotionele schade.

Tot slot een tip: draag altijd de autogordel (liefst zo strak mogelijk), want het niet dragen van een autogordel tijdens een botsing is vergelijkbaar met duiken in een zwembad zonder water! Want ook al vertraagt de auto nog zo optimaal, als dit niet op de inzittende kan worden overgedragen, zal deze met de oorspronkelijk snelheid tegen het inmiddels stilstaande stuurwiel en harde dashboard alsnog te pletter slaan.

De airbag (indien aanwezig) is niet in staat om de inzittende volledig op te vangen, het is slechts een aanvulling op de levensreddende taak van de gordel en is zodoende daar ook op afgestemd.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.