Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биомеханика дорожно-транспортных происшествий. Учебное пособие
.pdf
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СОУДАРЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
3.1. Испытания автомобилей
С первых дней своего существования автомобили представляли
определенную опасность, как для окружающих, так и для находящихся
в них людей. В результате этого возникла необходимость исследовать
процесс столкновения для изучения комплекса явлений, сопровож
дающих дорожнотранспортное происшествие.
В 1960 г. фирма Mersedes впервые стала производить стендовые
испытания автомобилей, направленные на определение степени
безопасности конструкции. Стенд представлял собой платформу
тележку, передвигавшуюся по рельсам и приводимую в движение
тросом от двух лебедок, применяемых обычно для запуска планеров.
На платформе можно было закрепить как переднее сидение автомо
биля с рулевым управлением, так и всю переднюю часть автомобиля со
всем внутренним оборудованием и органами управления. Двига
ющаяся по рельсам тележка под влиянием тяги лебедок набирает
заданную начальную скорость и затем ударяется о неподвижный
барьер или стенку. Лобовая стенка барьера снабжена упругими
амортизаторами или облицована упругим материалом, жесткость
которых подобрана таким образом, чтобы по возможности полнее
имитировать деформацию передка автомобиля, происходящую в
реальных условиях столкновения. Стенды, подобные описанному,
теперь применяются в лабораториях многих других фирм и исследо
вательских учреждений. При этом для приведения тележки в движение
наряду с тросовым (лебедочным) приводом используют энергию
распрямляющейся пружины, давление сжатого воздуха и реактивную
тягу, возникающую при сгорании взрывчатого вещества.
Ассоциация по научным исследованиям в автомобилестроении
решила создать специальную лабораторию по полномасштабным
испытаниям автомобилей на удар и столкновение. Испытываемые
автомобили движутся по специальной дорожке длиной около 52 м с
помощью линейного индукционного электродвигателя. Начальное
ускорение автомобиля ограничено величиной 15g, с тем чтобы
исключить нарушения в положении элемента автомобиля и манекена.
Когда автомобиль находится на расстоянии 3 м от барьера, электро
двигатель, расположенный в траншее под направляющей дорожкой,
автоматически разобщается с автомобилем и тормозится, в то время
как автомобиль продолжает движение на барьер по инерции почти без
41
потери приобретенной скорости. Все испытание занимает лишь не
сколько секунд. Полностью автоматическое управление испытанием
дает возможность проводить точный хронометраж и воспроизводить
все необходимые условия испытания.
В США создан стенд, названный «ударными салазками», на кото
ром можно воспроизводить конечные результаты столкновения авто
мобиля с препятствием. Отличие этого стенда от других стендов
подобного типа заключается в том, что если обычно автомобиль,
двигаясь с какойто скоростью, в момент столкновения резко замедляет
ее, снижая до нуля, то здесь наоборот, автомобиль находящийся в
покое, в момент, соответствующий моменту столкновения, начинает
ускоренно двигаться, но в направлении, обратном направлению
обычного движения. При этом картина нагружения автомобиля и
манекенов силами инерции получается такой же, как и при реальном
столкновении, хотя автомобиль в конечный момент столкновения
(удара) получает максимальную скорость, а не нулевую, как обычно.
При экспериментах используется специальная тележка. На ней уста
новлены обтянутые мягким материалом и снабженные соответ
ствующими приборами поверхности, имитирующие элементы автомо
биля, о которые ударяется манекен прирезкой остановке тележки.
Экспериментальная тележка весит 1000 кг и движется по рельсу
длиной 10 м. Движение тележки ускоряется на пути длиной 2,5 м при
помощи гидравлического силового цилиндра. После пробега 6 м
тележка ударяется о тормозной блок, в котором имеются гидравли
ческие тормозные устройства, позволяющие изменять величину
тормозной силы.
Процесс перемещения тележки и манекена в момент удара
регистрируется тремя кинокамерами. Две из них производят съемку
сбоку, а третья – спереди. Ударные нагрузки, приложенные к поверх
ности, с которой сталкивается манекен, регистрируют двумя датчи
ками, один из которых измеряет перпендикулярные, а другой танген
циальные усилия, действующие на поверхности.
Совершенствование стендов для испытания автомобиля и частей
его конструкции дает возможность лучше исследовать процесс стол
кновения.
Существуют несколько видов испытаний автомобиля на столкно
вение:
неуправляемый автомобиль или незакрепленный руль;
с помощью направляющего рельса;
падение поднятого краном автомобиля;
спуск по наклонной направляющей;
42
резкое (мгновенное) торможение;
резкий старт;
использование динамических саней;
использование направляющего рельса;
с помощью пневматической катапульты;
с помощью пружинной катапульты;
на направляющем рельсе;
на дороге с помощью радиоуправления.
Использование такого большого количества методов испытаний
доказывает, что не существует оптимального варианта: каждый метод
имеет свои достоинства и недостатки. Например, при буксировке, при
спуске по наклонной направляющей и при использовании импульса
силы допустима только ограниченная скорость движения; при испыта
ниях на падение не гарантируется правильное положение испытуемого
автомобиля во время удара. Движение автомобиля с помощью
постороннего источника энергии, необходимость блокировки руля или
использование направляющего рельса не дают полной картины
столкновения. Последний недостаток, присущий большинству методов
испытаний, является одним из наиболее серьезных.
Рекомендуется стандартизировать испытательные методы для
получения сравнимых результатов при различных способах испыта
ний. В то же время стандартизация позволяет выбирать оптимальный
для данных условий вариант испытаний.
Статические испытания. Этот метод базируется на том, что к
каждому элементу автомобиля крепятся тросы, к которым затем
прикладывают силу, пропорциональную произведению массы данного
элемента на его замедление. Тросы, связанные с элементами автомо
биля, натягивают, а перемещению автомобиля препятствует барьер,
который представляет собой как бы реакцию к прилагаемым силам.
Соотношения этих сил, величина которых разнится для каждого троса,
соответствует соотношениям замедлений, приложенных на том же типе
автомобиля во время динамических барьерных испытаний на столкно
вение. Этот метод испытаний имеет два важных преимущества: он
допускает замедленное и видимое разрушение конструкции автомоби
ля и позволяет измерить нагрузки, соответствующие различным степе
ням деформации. Сравнение результатов, полученных при статическом
и барьерном испытаниях, показало, что между этими двумя методами
нет больших расхождений. Упрощенное испытание может быть прове
дено путем закрепления центральной части кузова и динамического
воздействия на переднюю (имитация лобового удара) или на заднюю
часть (задний удар) автомобиля. Динамическое воздействие осуще
43
ствляется с помощью толкающего плунжера. Максимальное упроще
ние состоит в продольном сжатии испытуемого автомобиля с помощью
пресса.
Испытание на катапульте. Метод испытаний с использованием
катапульты еще больше приближен к реальным условиям столкнове
ний; он достаточно прост, экономичен и пригоден для разнообразных
условий испытаний. На катапульте можно производить испытания при
низкой и средней скоростях движения автомобиля, принимая во
внимание, что повреждения конструкции автомобиля, получающиеся
при столкновениях на скорости 40 км/ч, уже значительны, особенно в
ослабленных местах кузова; согласно статистике, большинство дорож
ных происшествий в городах происходит на скорости около 40 км/ч.
Цель испытаний: выявить безопасность пассажиров при столкнове
нии и возможность последующего восстановления автомобиля. При
этом строят диаграммы деформации при замедлении для различных
точек автомобиля в зависимости от скорости столкновения. Кроме
того, исследуют: поведение элементов усиления кузова; состояние
обшивки кузова и панелей в зависимости от материала (пластмасса
или металл) или метода сборки (точечная сварка или съемная панель);
поведение деталей и надежность дверных замков при ударных
нагрузках в связи с возможностью самопроизвольного открывания и
выбрасывания пассажиров; возможность вдавливания двигателя в
пассажирский салон; прочность сидений и мест крепления ремней
безопасности; опасность травм водителя и пассажиров со стороны
рулевого колеса, рулевой колонки и других частей, выступающих
внутрь кузова; различные типы стекол и возможность их разрушения.
Результаты исследований: точная оценка серьезности травм и
аварии; при наличии показателя серьезности аварии можно будет
определить предел выносливости человеческого организма к воздей
ствию ударных нагрузок, в результате чего будут изменены оценочные
критерии конструкции автомобиля, сведен к минимуму травматизм
при авариях на автомобильном транспорте; более реальная оценка
вариантов конструкции деталей, образующих интерьер салона; статис
тические данные по травматизму на автомобильном транспорте можно
будет систематизировать по признаку тяжести травм; будет исключена
возможность неправильного анализа причин и последствий травм,
полученных в автомобильных катастрофах.
Динамические испытания автомобилей обеспечивают большую
полноту информации о деформации и ускорении различных точек
автомобиля и манекена. Этот метод является достаточно прибли
женным к реальным условиям ДТП, так как позволяет определить и
44
оценить поведение автомобиля и манекена, движущихся с определен
ной скоростью.
Наиболее эффективным способом сравнительной оценки пассив
ной безопасности автомобиля являются так называемые краштесты.
Они имитируют наезд автомобиля на препятствие. Первые краштесты
стали проводиться еще в 20е годы. Например, под руководством Генри
Форда с железнодорожной насыпи спускались специальные жестяные
макеты серийно выпускаемых автомобилей. Но тогда это не было
обязательным требованием потребителя, и подобные испытания не
были регулярными. Регулярные исследования искусственно разбитых
автомобилей после специально смоделированных столкновений нача
лись после Второй мировой войны.
Сегодня краштесты проводятся как исследовательскими центрами
автомобильных компаний, так и независимыми государственными и
частными организациями. Краштесты стоят очень дорого, поэтому
предварительно они проводятся виртуально, с использованием спе
циального программного обеспечения и лишь затем на натуральных
объектах.
В табл. 9 представлены виды краштестов.
Таблица 9
Виды краштестов
Программа
испытаний
(организация),
страна
Прави
ла 94 и
95ЕЭК
ООН
EuroNCAP,
Европа;
NRMA,
Австралия
Стандарты
FMVSS 208
и 214,
США
NHTSA,
США
IIHS,
США
OSA,
Япо
ния
Фронтальный
удар:
скорость
столкновения,
км/ч (миль/ч)
Боковой удар:
скорость
столкновения,
км/ч (миль/ч)
50(31) 64(40) 48(30) 56(35) 64(40) 55(34)
50(31) 50(31) 54(33,5) 61(38) – 55(34)
45
950
63
1367
Схемы краштестов
Схема фронтального удара по
1.
американскому федеральному стандар
ту 208, методикам NHTSA (США) и
OSA (Япония)
Схема фронтального удара по
2.
Правилу 94 ЕЭК ООН, программе
EuroNCAP, американского института
IIHS
Схема бокового удара по Правилу
3.
ЕЭК ООН и программе EuroNCAP. По
австралийской (NRMA) и японской
(OSA) методике машину бьют в правую
водительскую дверь
4.
Схема бокового удара по аме
риканскому стандарту 214. Управление
NHTSA бьют автомобиль дважды:
тележку нацеливают на переднюю и
заднюю дверь под углом 63
46
В Европе в рамках краштестов EuroNCAP проводят следующие
испытания:
наезд на барьер со скоростью 64 км/ч. Автомобиль врезается в
препятствие не всей передней частью, а с перекрытием, которое состав
ляет 40 % со стороны водителя. Так происходит и при большинстве
фронтальных столкновений двух автомобилей. Если же продольные
оси автомобилей в момент столкновения совпадают, то перекрытие
стопроцентное;
боковой удар барьером со скоростью 48 км/ч;
имитация наезда автомобиля на пешехода как на взрослого, так и
на ребенка. Скорость в этом случае равна 40 км/ч. Цель испытания –
выяснить, насколько передняя часть автомобиля (бампер, капот) при
наезде опасна для голеней, бедер и головы пешехода;
имитация бокового удара о столб. Автомобиль размещают по
перечно на подвижной тележке и на скорости 29 км/ч направляют во
дительской дверью в металлический столб диаметром примерно 25 см.
Этот тест проходят только те автомобили, которые оснащены спе
циальными средствами защиты головы водителя и пассажиров [6].
Краштест IIHS больше похож на европейский тест NCAP, чем
используемый NHTSA. NHTSA производит боковой удар на скорости
61 км/ч, и оценка дается по пятизвездной системе. Испытуемый авто
мобиль подвергается сильному удару, имитирующему столкновение с
другим автомобилем. Оценка основывается на ускорении головы и
грудной клетки во время удара. Этот тест способствовал разработке
боковых подушек безопасности.
По Правилам ЕЭК ООН 94 для имитации фронтальных столкно
вений долгое время был принят прямой наезд со скоростью 50 км/ч на
плоское недеформируемое препятствие, расположенное перпендику
лярно траектории движения автомобиля, хотя такие условия встре
чаются не чаще чем в 35 % реальных столкновений. В итоге ЕЭК ООН
приняла (июль 1995 г.) Правила № 94 (“Защита водителей и пассажи
ров автомобилей при фронтальных столкновениях”), которые с 2000 г.
становятся обязательными при сертификации автомобилей в России.
Их основные требования: использование недеформируемого препят
ствия, расположенного под углом 30 град. к траектории движения;
обязательное размещение на всех местах переднего ряда сидений
антропометрических манекенов третьего поколения («Гибрид III»),
оснащенных необходимой измерительной и регистрирующей
аппаратурой [7].
При боковых столкновениях по Правилам № 95 и ГОСТ 2196176
схема испытаний сводится к следующему: скорость подвижного
47
препятствия массой 950 кг в момент контакта ударного деформи
руемого элемента с боковиной испытываемого автомобиля – не менее
50 км/ч; высота над поверхностью дороги нижнего края ударного эле
мента – 300 мм; манекен, позволяющий в процессе испытаний опреде
лять и затем оценивать с помощью биомеханических критериев (трав
мирования головы, грудной клетки, мягких тканей, брюшной полости и
тазобедренного сустава) показатели безопасности [8].
В испытаниях для измерения повреждений человека используются
манекены. На таких манекенах определяют и измеряют повреждения
организма во время ДТП. Преимущества манекенов в том, что они
могут быть использованы в большом количестве экспериментов.
Манекен состоит из металлического и частично пластикового скелета
(каркаса), обеспечивающего имитацию подвижности тела человека при
воздействии поперечных нагрузок, снаружи он покрыт пластиком,
поролоном и резиной, имитирующими живую ткань. Наружная
оболочка имеет слоистую структуру, имитирующую строение кожи и
лицевых мышц. Голова присоединена к туловищу таким образом, что
сохраняет вертикальное положение до ускорения 2g. Строение
туловища манекена допускает его посадку в такой позе, которую
занимает человек на сиденье автомобиля. Грудная клетка манекена
должна быть достаточно твердой, упругой и иметь соответствующую
жесткость. На манекене установлено более 20 датчиков: ускорений
центра тяжести головы, расположенный во внутренней полости
каркаса головы; нагрузок, измеряющих в трех направлениях силы и
моменты в нижней части шеи; усилий в плече; ускорения верхней и
нижней частей позвоночника; перемещение ребра; нагрузок, действу
ющих на брюшную полость в трех направлениях; нагрузок пояснич
ного отдела позвоночника; нагрузок на лонное сочленение; нагрузок на
крестец; ускорений тазовой кости; нагрузок на бедро; определения угла
тазовой кости [8].
Неудобство использования манекенов заключается в отсутствии
прямого метода измерений повреждений манекена. Схожесть скелета
манекена и человека ограничена позвоночным столбом, ребрами и
несколькими другими костями. Сочленения скелета – обычные
шарниры, в то время как у человека в каждом сочленении имеется
большое число степеней свободы.
Стандартный манекен является аналогом мужчины среднего роста
и имеет соответствующие размеры, вес и свободу перемещений в
отдельных суставах. Одно из важных требований к манекену – это
совпадение центра тяжести отдельных его частей с реальными
данными для мужчины среднего роста, так как в противном случае
48
кинематика частей манекена при аварии не будет отражать реальной
картины, происходящей при ДТП.
Регистрация места, характера и степени тяжести травмы, получен
ной манекеном определить достаточно трудно. Один из применяемых
приемов – покрытие наружной поверхности манекена двумя слоями
краски, внутреннего слоя – красной и весьма прочной, а наружного
слоя – белой и сравнительно непрочной. Такой прием дает возмож
ность достаточно точно фиксировать места травм по участкам обна
жившейся красной краски, но не позволяет оценивать тяжесть травмы
и лишь весьма приблизительно характеризует истинную реакцию
человеческого тела при аварии.
Отдел исследований безопасности пассажиров фирмы General
Motors разработал новую серию манекенов, которые близки по своим
свойствам к человеческому телу. Скелет манекена повреждается при
тех же нагрузках, что и скелет живого человека, а порезы на его коже
появляются в результате таких же динамических воздействий, которые
приводят к порезам на коже человека. В местах ушибов кожа изменяет
цвет, коленные чашечки смещаются, при ударах сочлененные части
тела поворачиваются относительно друг друга. При сильных ударах на
черепе появляются трещины. «Кожа» манекена изготовлена из
синтетического материала и отделена слоем натуральной резины от
материала красного цвета, который при порезах кожи создает
впечатление кровотечения. Дальнейшее совершенствование конструк
ции манекенов позволит оценивать не только количество, но и степень
тяжести получаемых травм [5].
Степень безопасности по результатам краштестов оценивается по
пятизвездной системе. В табл. 10 приведены доли серьезных травм и их
оценка в баллах.
Таблица 10
Оценка безопасности автомобилей при проведении краштестов
Оценка
в баллах
(летальный исход или госпитализация), %
Фронтальный удар Боковой удар
Доля серьезных травм
5 <10 <5
4 1120 610
3 2135 1120
2 3645 2125
1 >46 >26
По программе EuroNCAP полученные данные вставляются в мате
матическую формулу, которая дает окончательное число, являющееся
49
базовым для оценки безопасности автомобилей при краштестах
NHTSA. Если оценка автомобиля по этой формуле 1000, то он соответ
ствует пяти звездам и только на 10 % и меньше есть опасность какого
либо серьезного травмирования находящихся в нем людей. Четырех
звездный автомобиль также соответствует стандартам, и опасность
травмирования составляет 1120 %. Трехзвездный автомобиль отвечает
требованиям стандартов, а одно и двухзвездные автомобили оценива
ются как не отвечающие требованиям и не имеющие соответствующего
качества.
В России также проводят краштесты для исследования безопас
ности отечественных автомобилей, но при этом автомобили испы
тывают только на фронтальные столкновения. Эти испытания произ
водятся по методике EuroNСAP: лобовое столкновение с деформи
руемым барьером левой частью переда автомобиля с 40процентным
перекрытием на скорости 64 км/ч. В табл. 11 приведены результаты
испытаний некоторых отечественных автомобилей.
Таблица 11
Результаты испытаний отечественных автомобилей
Модель ТС
Степень защиты
водитель пассажир
голова
шея
грудь
бедра
голени
стопы
голова
шея
грудь
ВАЗ11113
ВАЗ2106
ВАЗ2107
ВАЗ2109
ВАЗ2110
ВАЗ2114
ГАЗ3110
Нива
ИЖ2126
Лада Калина
Для сравнения представлены результаты испытаний зарубежных
автомобилей (табл. 12).
бедра
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]