کدام ایمن‌تر است، ب‌ام‌و سری 7 یا مرسدس S کلاس؟!

نوشته شده توسط مهندس شهریار قسمتی تبریزی)

هرساله بر اهمیت تامين ایمنی در خودروها افزوده مى‌شود و تمامى برند‌های معتبر خودروسازی، بخش اعظمى از بودجه تحقيق و توسعه خود را صرف اين موضوع مى‌كنند.‌ ایمنی خودروها براى خودروسازان در دو دهه اخير، آنچنان پراهميت است كه ‌به گواه موسسات معتبر ارزيابى ايمنى، حالا ديگر نه فقط خودروهای پرمیوم بلکه خودرو‌های متوسط بازار در محدوده قيمتى 20 تا 30 هزار دلاری نيز در بخش‌های ایمنی فعال و غیر فعال، پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند.

سرعت پرس– هرساله بر اهمیت تامين ایمنی در خودروها افزوده مى‌شود و تمامى برند‌های معتبر خودروسازی، بخش اعظمى از بودجه تحقيق و توسعه خود را صرف اين موضوع مى‌كنند.‌ ایمنی خودروها براى خودروسازان در دو دهه اخير، آنچنان پراهميت است كه ‌به گواه موسسات معتبر ارزيابى ايمنى، حالا ديگر نه فقط خودروهای پرمیوم بلکه خودرو‌های متوسط بازار در محدوده قيمتى 20 تا 30 هزار دلاری  نيز در بخش‌های ایمنی فعال و غیر فعال، پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند. توسعه‌ای از سطح تجهیزاتی ایمنی و رفاهی که امروزه به طور نسبی حتی خودروهای رده پایین‌تر را هم در بر گرفته است. یکی از مهم‌ترین بخش‌های یک خودرو در تامین ایمنی سرنشینان، سازه بدنه آن است. بخشی که در نجات جان سرنشینان در تصادفات‌، پایداری خودرو و فرمان پذیری‌ نقش بسیار پررنگی دارد. با این توصیف و برخلاف مقایسه چندجانبه مرسوم بین دو خودرو، اینبار در این فرصت قصد داریم صرفاً در بخش سازه بدنه، مقایسه دقیقی بین دو رقیب سرسخت یعنی مرسدس کلاس S جدید با کد W223 و  ب‌ام‌و سری 7‌(G11,12)  انجام دهیم و ببینیم که از این دو رقیب، کدامیک برتری‌های خاصی در این بخش نسبت به یکدیگر دارند یا خیر؟

نسل هفتم کلاس اس (W223)

مرسدس‌بنز در طول فعالیت خود با معرفی نسل‌های جدید کلاس S، همواره سعی داشته است تا توان مهندسی خود را به دنیا نشان دهد. سابقه طولانی این کمپانی در اختراع و ابداع انواع فناوری‌ها نیز خود موید همین موضوع است. نسل هفتم کلاس S با کد W223 -که در سال 2020 معرفی شد- با برخورداری از انواع تکنولوژی‌‌های روز فنی و ایمنی تاکیدی است بر پیشرو بودن این خودروساز.

در W223 علاوه‌بر پیشرفت‌های چشم‌گیر در بخش قوای محرکه‌، سیستم‌های ایمنی فعال‌، امکانات رفاهی و کیفیت ساخت، در بخش ایمنی غیر‌فعال (Passive safety) هم یک خودروی ارزشمند و منحصر به فرد را شاهدید. در منابع مختلف، اطلاعات جامعی در رابطه با جدیدترین سیستم‌های ایمنی فعال و غیر‌فعال این خودرو منتشر شده است اما همانطور که پیشتر ذکر شد ما به سراغ بخشی از سامانه ایمنی این خودرو یعنی سازه بدنه آن رفته‌ایم، بخشی که کمتر به آن پرداخته شده است.

سگمنت  F یا کلاس خودروهای بزرگ لوکس از لحاظ ابعاد و وزن، مشخصات خاص خود را دارند و در طراحی و ساخت آنها معیارها و الویت‌بندی‌های متفاوتی نسبت به دیگر خودروهای عادی وجود دارد. با توجه به افزایش اهمیت در کاهش آلایندگی و میزان مصرف سوخت‌ خودروها در طول دو دهه اخیر، تولید‌کنندگان این سگمنت نیز توجه ویژه‌ای به کاهش وزن هرچه بیشتر محصولات لوکس خود داشته‌اند‌. موضوعی که موجب افزایش استفاده از آلیاژهای سبک در سازه بدنه آنها شده است. تا جایی‌که امروزه شاهد استفاده از انواع آلومینیوم تا 60 درصد از بدنه یک خودرو هستیم. در کلاس S جدید نیز بیش از 50 درصد کل سازه خودرو را آلیاژ‌های مختلف ریخته‌گری و اسکترود شده آلومینیومی تشکیل می‌دهد. پلت‌فرم کلاس S جدید نسل دوم از پلت‌فرم MRA (modular rear architecture)  مرسدس است‌. نسل اول این پلت فرم برای ساخت بسیاری از مرسدس‌های ما قبل سال 2019 از جمله نسل قبلی کلاس S با کدنیز W222 به کار گرفته شده بود.

در این بدنه، نقاطی مانند پوسته بدنه که با رنگ نقره‌ای علامت‌گذاری شده از ورق‌های آلومینیوم، نقاط آبی کم‌رنگ از آلومینیوم ریخته‌گری‌، نقاط خاکستری پر رنگ از steel و نقاط سبز رنگ از منیزیم تولید شده‌اند. مجموعه بخش جانبی خودرو که شامل ستون‌ها، قاب سقفی و اعضای طولی جانبی می‌باشد از ترکیب مواد آلومینیوم با فولاد با استحکام بالا تشکیل شده و برخی از پوسته‌های داخلی به‌ویژه اتصالات ‌بین ستون‌ها، قاب سقف و اعضای طولی جانبی متناسب با تنش‌ها طراحی شده‌اند. ضمن اینکه پوسته بیرونی سقف، کاپوت، گلگیرها، درب صندوق عقب و درها نیز از ورق تمام آلومینیومی ساخته شده‌اند.

محفظه سرنشینان‌: سلول(قفسه) ایمنی یا همان کابین سرنشینان‌، هسته اصلی طراحی ایمنی در مرسدس بنز را تشکیل می‌دهد. این سازه ساخته شده از فولاد بسیار سخت، متشکل از یک چارچوب نگهدارنده با بالاترین استحکام در بخش‌های جانبی و انتهایی عقب خودرو است. این کابین در طرفین نیز توسط پانل‌های راکر(پشت داشیورد) بسیار سخت و با ساختار پروفیل آلومینیومی اکسترود شده کف، تکمیل می‌شود.

ساختار کف نیز از فولادهای با استحکام فوق‌العاده بالا ساخته شده و در ترکیب با اسکلت کابین، سازه‌ای بسیار کاربردی را پدید می‌آورد. در این ساختار، تونل مرکزیِ مستحکم و اجزای جانبی که همان پروفیل کف هستند، اساس کابین را تشکیل می‌دهند. توجه داشته باشید که تونل مرکزی به آن بخشی از کف کابین گفته می‌شود که در آن گیربکس و میل گاردان قرار می‌گیرند. این مجموعه از طریق میله‌(تیر)های متقاطع و مورب به هم متصل می‌شوند. سازه نگهدارنده نیز به‌گونه‌ای طراحی شده که پانل‌های کف، ضمن استحکام،سبک‌تر شده‌اند. نکته‌ای که موجب کاهش قابل توجهی در وزن کابین شده است. این نکته هم ناگفته نماند که سطح نیروی وارد شده(بار) به تونل نیز -که مخصوصاً به هنگام ضربه از جلو ضروری است- توسط پروفیل‌های فولادی به هم پیوسته، تقویت شده‌اند.

پانل راکر(سازه زیر داشبورد) نیز از حیث مهندسی و استحکام به طوری خاص برای این کار طراحی شده است. درواقع دیواره  پشت موتور(دیواره حدفاصل کابین و موتور) که از فولاد با استحکام بالا ساخته شده است از سوی ستون‌های A نیز پشتیبانی می‌شود.

همانطور که مشاهده می‌کنید، ستون‌A ،‌B ، تونل گیربکس، پروفیل‌های افقی کف محفظه سرنشینان -که ریل‌های صندلی‌های جلو برروی آن ها قرار دارد- و سازه فوقانی پشت داشبورد، همگی از فولاد پیشرفته هستند که در تصویر فوق به رنگ بنفش مشخص شده‌اند. برای تقویت بیشتر، سازه‌های زیر ستونA  و B و همچنین سازه فوقانی داخل گلگیر‌های جلو از فولاد با استحکام بالا انتخاب شده‌اند که آنها نیز در تصویر با رنگ قرمز مشخص هستند.

ساختار ب‌ام‌و سری 7

در ادامه نیز نگاهی داریم به سازه ب‌ام‌و سری 7 به عنوان رقیب سنتی مرسدس S کلاس تا ببینیم کدامیک از سازه‌های این دو از پیچیدگی و مقاومت بالاتری برخوردار است؟ بنز S کلاس یا ب‌ام‌و سری 7‌؟!

نسل ششم سری 7 با کد اتاق (G11,12) در سال 2016 معرفی شد‌، این نسل از سری 7 در زمان معرفی خود، نسبت به دیگر رقبا دارای ویژگی‌های منحصر به‌فردی  بود که آن را شاخص این سگمنت از بازار می‌کرد. همانطور که پیشتر اشاره شد، یکی از مهمترین نکات در این سگمنت از خودروها(F-segment)  پایین نگه داشتن وزن خودرو، ضمن حفظ و افزایش ایمنی است‌.

باید به این نکته هم دقت داشت که با توجه به ابعاد بزرگ و امکانات رفاهی در نظر گرفته شده‌، وزن این دسته از خودروها نسبت به خودروهای عادی بسیار بیشتر است و ‌تلاش خودروسازان بر این است تا با برخورداری از فناوری‌های روز، ضمن حفظ ویژگی‌های خاص محصولات، وزن آنها را کاهش دهند. بد نیست بدانید که نسل ششم از سری 7 با 1755 کیلوگرم وزن در نسخه پایه و 2255 کیلوگرم در فول‌ترین مدل، خدود 130 کیلوگرم نسبت به نسل پنجم خود و چیزی قریب 100 کیلوگرم نسبت به رقبا کاهش وزن دارد. اما راز این کاهش وزن چشم‌گیر ضمن افزایش ایمنی، در چیست‌؟

این پروژه در محصول جدید، با یک طراحی هوشمند به نام طراحی هوشمند کاهش وزن intelligent light weight design‌ آغاز شد. طراحی هوشمند کاهش وزن چند اصل‌ کاهش وزن‌، افزایش قابلیت‌های دینامیکی خودرو‌(در شرایط رانندگی تحت فشار)، افزایش استحکام پیچشی سازه خودرو در سرعت‌های بالا‌، راحتی و آسایش و آکوستیک بودن سازه اتومبیل را مورد توجه قرار داده است.   در ادامه نگاهی داشته باشید به استراکچر سری 7 که از پنج متریال متفاوت تشکیل شده‌ است:

در تصویر فوق A فولاد پیشرفته با مقاومت کششی بالا، B  فولاد‌های چند فازی، C آلومینیوم، ‏D فیبر کربن سخت شده با الیاف رزین CFRP و E دیگر فولاد ها.

از نکات مهم در سازه سری 7‌، می‌توان به استفاده هم زمان از فولاد پیشرفته با مقاومت پیچشی بالا و الیاف کربن در آن اشاره کرد. در تصویر بالا، در ستون A خودرو به صورت ترکیبی از الیاف کربن CFRP و فولاد UHSS به صورت یکپارچه استفاده شده است و همین موضوع باعث می‌شود تا سازه ستون A در مقایسه با دیگر خودروهای تولید انبوه در دنیا دارای استحکام فوق العاده بالایی باشد.

  

همانطور که در تصاویر فوق مشاهده می‌کنید، ستون A ساخته شده از Ultra high strength steel و پنل فیبرکربن CFRP است و در ستون B و سازه رکاب‌های جانبی نیز از همان فولاد UHSS به همراه پنل فیبرکربن استفاده شده است. که این موضوع باعث می‌شود در تصادفات جانبی سازه ستون B و رکاب‌های جانبی در مقابل ضربات بسیار شدید وارده به بخش‌های جانبی مقاومت بالایی داشته باشند .

ب‌ام‌و در این پروژه، استفاده از کربن را با نام (هسته کربنی ) معرفی کرد. در هسته کربنی، ب‌ام‌و برای تقویت مهم‌ترین قسمت‌های سازه -که در تصادفات نقش مهمی در حفاظت از سرنشنیان ایفا می‌کند- در ساخت ستون‌های  A ,B وC ، رکاب‌ها‌، محفظه گاردان و گیربکس(تونل مرکزی) از پنل‌های فیبر‌کربن نوعCFRP  استفاده کرده است. رویه‌ای که نسبت به فولاد 50 درصد و نسبت به آلومینیوم 30 درصد وزن کمتر داشته اما سه تا 5 برابر مستحکم‌تر از فولاد است.

هسته کربنی

هسته کربنی

جالب است بدانید که ب‌ام‌و در طی سال‌های 2013 تا 2016 میلادی، تنها برای تولید نسل ششم از سری 7‌ خود بیش از 500 میلیون یورو سرمایه گذاری کرد! سرمایه‌گذاری که شامل اتوماسیون‌، ریخته‌گری آلومینیوم‌، احداث سالن جدید برای تولید الیاف کربن تقویت شده با پلاستیک و همچنین احداث یک مرکز جدید برای تولید سازه بدنه با روش BIW می‌شود. روش BIW یا Body in white روش تولید از سازه‌ای است که به صورت مولتی‌متریال از‌فولاد‌، آلومینیوم و فیبر‌کربن تشکیل شده باشد. اگرچه تنها 3‌ درصد از کل سازه که مجموع وزن آن‌ها به 13 کیلوگرم می‌‌رسد، از قطعات کربن تقویت شده با رزین ساخته شده‌اند، اما همین میزان از استفاده، به‌تنهایی تا‌40 کیلوگرم از 130 کیلوگرم کاهش وزن این نسل را به‌خود اختصاص می‌دهد.

روش BIW

 

‏فیبرهای کربن به کار رفته در ستون‌A ، ستون C و ریل مرکزی سقف نیز  از روش قالب گیری انتقال رزین با فشار بالا تولید شده است. در سازه طاقچه عقب و ستونC ، الیاف کربن به روش (SMC) به تولید رسیده‌اند (شکل بخش های مشخص شده با رنگ بنفش). در این روش‌، ورق اپوکسی تقویت شده با فیبرکربن بازیافتی ترکیب شده است‌. درواقع فیبرهای کربنی که از ضایعات تولید بدنه سری 7 بدست می‌آیند با ضایعات حاصل از برش ورق‌های خشک فرایند تولید بدنه ب‌ام‌و i3 و i8 ترکیب شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این شیوه تکه‌های فیبرکربن، بریده شده و به شکل حصیر‌های بافته نشده و با دقت خاصی رزین را در محل های مناسب‌ و با فشار تزریق می‌شود. با این شیوه، ضمن صرفه جویی درهزینه‌های تولید، از حجم ضایعات کاسته می‌شود.

در سازه هر دو خودرو، استفاده از آلومینیوم کاملاٌ مشهود است اما ب‌‌ام‌و بر خلاف مرسدس برای کاهش وزن به‌جای استفاده از انواع آلومینیوم از الیاف کربن تقویت شده با پلاستیک استفاده کرده است. در مقایسه بین سازه بدنه سری 7 و کلاس S جدید، در قدم اول متوجه می‌شویم که متریال مورد استفاده در بخش رکاب‌های جانبی تنها از دو نوع آلومینیوم ریخته‌گری و اکسترود شده است. تفاوت‌های کلیدی این دوسازه در بحث تقویت ثانویه نقاط حساس به ویژه در تصادفات است. به میزان استفاده از فولاد پیشرفته با استحکام پیچشی بالا در سری 7 دقت کنید‌: ستون‌A ،‌B ،‌C ، سازه زیر داشبورد و رکاب‌های جانبی همگی از این آلیاژ ساخته شده‌اند. ب‌‌ام‌و برای تقویت هرچه بیشتر استحکام نقاط نامبرده شده از 4 نوع الیاف کربن استفاده کرده است. تنها با مقایسه سازه و متریال رکاب‌های جانبی هر دو خودرو، می‌توان به تفاوت چشمگیر استحکام آن‌ها پی برد.

نتیجه: وزنه به سمت مرسدس سنگین‌تر است اما ب‌ام‌و برنده

در یک مقایسه وزنی، مرسدس سنگین‌تر از ب‌ام‌و بوده و ترازو به سمت آن پایین می‌آید و بدین ترتیب این سری7 است که هم در بخش مقاومت سازه و هم در کاهش وزن از رقیب دیرینه خود جلو می‌زند. سری 7 با توجه به تیپ‌های متفاوت در نسل G11,12 بین 1755 تا 2255 کیلوگرم و در نسل جدید با کد G70 با همین روش ساخت سازه بدنه، چیزی بین 2075 تا 2270 کیلوگرم وزن دارد. در سوی دیگر اما مرسدس کلاس اس W223 با 1995 تا 2350 کیلوگرم وزن با سازه‌ای به مراتب ضعیف‌تر، از رقیب خود وزن بیشتری هم دارد!

از لحاظ ابعاد‌، سری 7 جدید (G70) با 3215 میلی‌متر فاصله طولی محوری‌، طول کلی 5391 میلی‌متر و عرض 1950 میلی‌متر از کلاس S لانگ (‌به جز نسخه مای باخ) با 3216 میلی متر فاصله طولی محوری ، طول کلی 5289 و عرض 1954 میلی متری نه تنها کوچکتر نیست، بلکه کمی هم بزرگتر از آن نشان می‌دهد.

تأثیر چشمگیر استفاده از الیاف کربن در ب‌ام‌و با مقایسه وزن و ابعاد هر دو خودرو کاملاً مشهود است‌. با توجه به اینکه حتی حجم استفاده از فولاد پیشرفته با استحکام پیچشی بالا در ب‌ام‌و سری 7 به مراتب بیشتراز کلاس S است و در کنار آن از الیاف کربن استفاده کرده است باید بگوییم در بحث ایمنی سازه و قابلیت‌های دینامیکی برتری‌های قابل توجهی نسبت به بنز دارد و بنابراین ب‌ام‌و برنده جدال سازهاست.

برگرفته از کتاب برنامه ایمنی خودرو ها ( طراحی و تحلیل سازه و بدنه خودرو در تصادفات)