новая папка / mami_auto122

сопровождающего автомобиля или из центрального диспетчерского пункта, находящегося на испытательной площадке.

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 испытаниях 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. При испытаниях на опрокидывание также используются несколько методов. Рекомендуется стандартизировать испытательные методы для получения сравнимых результатов при различных способах испытаний. В то же время стандартизация позволяет выбирать оптимальный для данных условий вариант испытаний.

Статические испытания. Этот метод базируется на том принципе, что к каждому элементу автомобиля крепятся тросы, к которым затем прикладывают силу, пропорциональную произведению массы данного элемента на его замедление. Тросы, связанные с элементами автомобиля, 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 столкновение. Этот метод испытаний имеет два важных преимущества: он допускает замедленное и видимое разрушение конструкции автомобиля и позволяет измерить нагрузки, соответствующие различным степеням деформации. Сравнение результатов, полученных при статическом и барьерном испытаниях, показало, что между этими двумя методами нет больших расхождений. Упрощенное испытание может быть проведено путем закрепления центральной части кузова и динамического воздействия на переднюю (имитация лобового удара) или на заднюю часть (задний удар) автомобиля. Динамическое воздействие осуществляется с помощью толкающего плунжера. Максимальное упрощение состоит в продольном сжатии испытуемого автомобиля с помощью пресса.

Метод испытаний с использованием катапульты еще больше приближается к реальным условиям столкновений. К тому же он достаточно прост, экономичен и пригоден для разнообразных условий испытаний. На катапульте можно производить испытания при низкой и средней скоростях 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 дорожных происшествий в городах происходит на скорости

191

около 40 км/ч. Именно поэтому большинство испытаний проводится на этой скорости. В последнее время стали увеличивать скорость автомобиля при испытаниях, что вызвано изменением характера движения на дорогах за последнее десятилетие. При этом исследуют также возможность возгорания автомобилей при столкновениях с высокими скоростями.

Цели испытаний: выявить безопасность пассажиров при столкновении 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 (лонжеронов, траверсов, крепежных узлов и т. п.); 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 дверей 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 воздействию ударных нагрузок, в результате чего будут изменены оценочные критерии конструкции автомобиля, сведен к минимуму травматизм при авариях на автомобильном транспорте; более реальная оценка вариантов конструкций деталей, образующих интерьер салона; статистические 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.

Динамическое испытание автомобилей обеспечивает большую полноту информации о деформации и ускорении различных точек автомобиля и манекена. Этот метод является достаточно приближенным к реальным условиям ДТП, так как позволяет определить и оценить поведение автомобиля и манекена, движущихся с определенной скоростью.

2.2.6. Исследование процесса столкновения

Столкновение автомобилей происходит в течение десятых, а иногда и сотых долей секунды. Конструкция и скорость — вот основные факторы, влияющие на величину разрушения (деформации) и его время. Для наглядности представим себе автомобиль в виде железнодорожного состава. Вагоны — это всевозможные элементы автомобиля, следующие друг за другом в определенном порядке (бампер, радиатор, вентилятор, двигатель и т. д.), а сцепки вагонов - элементы крепления (болты, сварка).

192

Во многих фильмах мы наблюдали драматический момент столкновения поездов. Поезда уже столкнулись, но движение вагонов продолжается: они надвигаются, корежатся, перевертываются, соскальзывают с рельс и, наконец, все замирает. Где-то посредине груда искореженного металла, а по обе стороны от нее стройный ряд оставшихся невредимыми вагонов. То же самое происходит и с автомобилем. Энергия, которой он обладал в момент столкновения, должна быть поглощена (рассеяна). Сминается бампер, фары, кузов, затем происходит сдвиг двигателя; если энергия еще велика, то разрушаются рама и салон автомобиля.

Время поглощения кинетической энергии деформацией рассматриваемого элемента конструкции автомобиля, можно распределить следующим образом: смятие бампера - 0,01; фар - 0,02; радиатора - 0,003; капота - 0,005; вентилятора, - 0,0003; сдвиг двигателя - 0,008; дальнейшая деформация кузова с перемещением двигателя - 0,03 с. Итого общее время деформации - 0,0588 с для скорости соударения около 50 км/ч.

Когда два транспортных средства, например автомобили, сталкиваются, то между ними происходит взаимодействие, называемое ударом. Удар - это явление, происходящее в механической системе, характеризуемое резким изменением скоростей ее точек за очень малый промежуток времени и обусловленное кратковременным действием очень больших сил. Столкновение автомобиля с препятствием (неподвижным или другим автомобилем) состоит из двух фаз: само столкновение (от момента соприкосновения до момента наибольшего сближения) и последующее перемещение автомобиля (от момента наибольшего сближения до момента разъединения). В первой фазе - кинетическая энергия относительного движения автомобилей переходит в остаточную деформацию и частично в потенциальную энергию упругой деформации, тепловую энергию, энергию звуковых колебаний и др. Во второй фазе - при восстановлении или разъединении потенциальная энергия упругой деформации преобразуется вновь в кинетическую энергию автомобиля. Для совершенно неупругих тел удар заканчивается на первой фазе. Иногда неупругий удар бывает и при столкновении автомобилей. В этом случае они продолжают движение вместе как одно целое с одинаковой скоростью. (идеально упругих ударов автомобилей практически не бывает.)

Прямая, проходящая через точку соприкосновения автомобилей при их столкновении, направленная параллельно относительной скорости их центров тяжести в начале столкновения, называется линией удара или столкновения. Понятие линии удара имеет существенное значение, так как именно по этой линии действует ударный импульс при столкновении автомобилей. Различают следующие виды столкновений. Если скорости автомобилей до столкновения параллельны линии удара, то столкновение называется прямым, а если не параллельны, то столкновение называется косым. Столкновение называется центральным, если линия удара проходит через центры тяжести автомобилей, в противном случае оно будет эксцентричным или внецентральным. Следует иметь в виду, что направление

193

линии удара при столкновении автомобилей зависит не только от направления движения, но и от величины скорости движения каждого из них. Если скорости движения автомобилей различны, то линия удара будет расположена под меньшим углом к продольной оси того из них, который перед столкновением имел большую скорость.

Специалисты многих стран мира уделяют значительное внимание изучению последствий лобовых столкновений легковых автомобилей. Для этого на специальных полигонах проводят испытания автомобилей на столкновения. В ходе таких испытаний автомобили получали значительные повреждения узлов и деталей передней части, происходившие обычно в следующем порядке: бампер, крылья, капот, радиатор, в который вдавливался вентилятор, и водяной насос. Затем в ряде случаев наблюдался прогиб рамы и деформация пола автомобиля. Все эти процессы протекали в течение 0,01- 0,06 сек.

Кинетическая энергия обычного легкового автомобиля, движущегося с умеренной скоростью, очень велика. Так, автомобиль стандартных размеров, весящий 1800 кг, при наезде на неподвижное препятствие со скоростью около 50 км/ч обладает кинетической энергией, в момент удара равной 16 800 кГм. Вся эта энергия, рассеиваемая в виде тепла при нормальном торможении за относительно длительный промежуток времени, при столкновении должна рассеяться за доли секунды. По имеющимся данным, энергия, развивающаяся при катастрофах тяжелых автомобилей, достигает сотен тысяч килограммометров. Автомобили, ударяющиеся в неподвижную прочную стенку большой массы, поглощают при этом всю энергию удара, так как жесткая стенка практически не деформируется. Если два одинаковых легковых автомобиля весом по 1800 кг сталкиваются лоб в лоб на скорости 50 км/ч, эффект бывает таким же, как если бы каждый ударился о неподвижное препятствие. Если же один из них движется медленнее, чем другой, то суммарная энергия, выделяемая при столкновении, будет несколько меньше, чем в предыдущем случае. Однако автомобилю с меньшим весом или движущемуся с меньшей скоростью придется поглотить большую энергию, чем та, которой он обладал к моменту столкновения. Кинетическая энергия движущегося автомобиля при столкновении должна превратиться в механическую работу, а не в теплоту, как это бывает при обычном торможении. Как правило, эта энергия превращается в работу деформации остова автомобиля и его узлов. Сила удара при столкновении может быть уменьшена, если автомобиль или его деталь в результате удара перемещаются на возможно большее расстояние. Таким образом, качество легкового автомобиля с точки зрения безопасности пассажиров определяется его способностью поглощать энергию удара при столкновении. Водитель и пассажиры при столкновении после мгновенной остановки автомобиля еще продолжают двигаться в течение нескольких долей секунды, сохраняя скорость движения, которую автомобиль имел в момент, предшествующий аварии. Именно в этот отрезок времени происходит большая часть увечий и

194

травм со смертельным исходом в результате удара головой о ветровое стекло или грудью о рулевое колесо.

Несомненный интерес представляют результаты испытаний, характеризующие энергетическую сторону процесса столкновения автомобилей. По данным американских исследователей фирмы Ford, при лобовом ударе автомобилей, движущихся со скоростью от 34 до 83 км/ч, мощность разрушений и деформаций изменялась в пределах 850-5980 л. с. Соответственно сила, сминавшая переднюю часть автомобиля на длине 1 м, составляла 12—39 т. Под действием этой силы передняя часть автомобиля сжималась подобно гармошке (упругая и остаточная деформации на длине от 0,33 до 1,33 м). Такую деформацию автомобиля в дальнейшем будем называть телескопированием.

Имея в виду квадратичную зависимость живой силы автомобиля перед ударом его в препятствие от величины скорости движения, нетрудно предположить, что уже при начальной скорости 100 км/ч последствия удара будут гибельны для находящихся в нем людей. Эту мысль подтверждают результаты испытании автомобилей, ударяющихся в дерево с начальной скоростью 103 км/ч, проведенные на испытательном полигоне фирмы General Motors. Кривая зависимости поглощаемой кинетической энергии, полученная экспериментально, показывает, что по истечении 0,03 сек с начала столкновения мощность разрушения передка автомобиля достигла внушительной величины - около 17 тыс. л. с. Инженеры фирмы просто не представляют себе «безопасную» конструкцию автомобиля, способную поглотить столь огромную энергию, гарантируя одновременно такой характер изменения и максимальную величину замедления, которые были бы безопасны для находящихся в кузове людей.

2.2.7. Кинематика перемещения человека в автомобиле

Качество легкового автомобиля с точки зрения безопасности пассажиров определяется его способностью поглощать энергию удара при столкновении, т.е. проходить после удара такое расстояние, которое могло бы ограничить усилия, действующие на водителя и пассажиров в течение долей секунды после удара. Водитель и пассажиры при столкновении автомобиля с другим или с препятствием после мгновенной его остановки продолжают двигаться в направлении первоначального движения еще в течение некоторого времени со скоростью, предшествовавшей моменту аварии. Именно в этот отрезок времени происходит большая часть увечий и травм со смертельным исходом в результате удара головой о ветровое стекло или грудью о рулевое колесо.

В существующих конструкциях автомобилей расстояние от головы до ветрового стекла почти всегда меньше, чем расстояние от тела пассажира до приборного щитка (рис. 2.2.2). При перемещении не зафиксированного на сиденье тела чаще всего голова ударяется о лобовое стекло, воспринимая основную энергию удара, в то время как тело еще не дошло до приборного

195

щитка. Расстояние от коленей пассажира до щитка или кузова обычно еще меньше, чем от туловища до щитка.

Рис. 2.2.2. Размещение человека в кабине

Такое расположение приводит к следующим движениям человека (рис. 2.2.3):

1)если колени находятся рядом со щитком, то при столкновении они ударяются о щиток, туловище поворачивается так, что голова водителя или пассажира ударяется о верх ветрового стекла или раскладку;

2)если колени удалены на значительное расстояние от щитка приборов, то туловище пассажира двинется вперед, голова ударится о стекло, а затем все туловище ударится о щиток.

Это простейшие виды перемещения людей, которые приняты сейчас для анализа безопасности автомобилей при столкновениях. Фактически перемещение человека значительно сложнее.

196

2.3. Разработка конструкции безопасного автомобиля

2.3.1. Общие закономерности создания безопасного автомобиля

Обеспечение «пассивной» безопасности автомобиля практически имеет не меньшее значение чем обеспечение его активной безопасности и является частью одной общей проблемы - обеспечения безопасности движения. Работая над повышением пассивной безопасности, конструктор должен стремиться:

- обеспечить защитную зону вокруг каждого пассажира; -ограничить перемещение водителя и пассажиров относительно сиденья;

-уменьшить уровень травматизма от ударов о внутренние поверхности пассажирского помещения кузова; -уменьшить нагрузки, действующие на пассажира;

-принять меры к уменьшению вероятности травмы в послеаварийной обстановке; -предусмотреть удобный выход из потерпевшего аварию автомобиля.

Один из важнейших факторов, вызывающих повреждения человеческого организма, - перегрузки (при ускорениях и замедлениях). Цель проектирования безопасного автомобиля - создание такого внутреннего и внешнего конструктивного обустройства, которое помогало бы водителю и пассажирам выдерживать большие перегрузки, возникающие при ДТП. Проектирование безопасного автомобиля должно быть основано на анализе количественных данных о повреждениях. Анализ помогает определить наиболее опасные элементы конструкции автомобиля с точки зрения вероятности получения травм водителями и пассажирами. На основании подобного анализа проводятся необходимые конструктивные мероприятия для снижения травмоопасности того или иного элемента.

Цель большинства исследовательских работ: анализ некоторых основных правил безопасности при авариях; обсуждение с инженерной точки зрения различных типов повреждений при ДТП; анализ основных узлов и деталей автомобиля, наиболее часто причиняющих пассажирам и водителям травмы и ушибы; проверка некоторых существующих методов и программ, применяемых для установления количественных значений уровня терпимости человеческого организма к ударам.

Принцип конструирования защитных приспособлений в автомобиле должен в первую очередь предполагать уменьшение серьезных и смертельных травм. Следовательно, при конструировании нужно соблюдать это условие в первую очередь, иногда даже пренебрегая возможностью увеличения количества легких травм.

Технико-эксплуатационные требования, которые должны быть предъявлены к автомобильной промышленности с целью повышения безопасности пассажиров при ДТП, могут быть установлены только тогда, когда будут точно определены все причины, вызывающие травмы людей, находящихся в

197

автомобиле. Некоторые факторы, влияющие на характер повреждения при ударе - мягкие поверхности и большие площади соприкосновения, - уменьшают трав мы, однако удар в голову опаснее, чем удар в корпус. Возможность травмирования человека необходимо оценивать не только качественно, но и количественно, для чего следует найти параметр, определяющий величину вероятности повреждения.

Потенциальную возможность получить повреждение можно подразделить на две области: первую - до порогового значения получения травмы и вторую - получение травм от незначительных до смертельных. Очевидно, что между этими двумя областями нельзя провести строгой границы. Поэтому следует применять «уровни выносливости», которые определяют потенциальную возможность излечимости травмы, не ведущей к инвалидности. Требуется установить «уровни выносливости» для всех частей тела человека и зависимость этих уровней от элементов автомобиля, наносящих травму. Самый низкий «уровень выносливости» и определит требования к безопасной конструкции автомобиля.

Говоря о насущных вопросах создания безопасного автомобиля, можно сделать выводы:

-наибольшая защита водителя и пассажиров требуется при лобовых столкновениях; -наибольшая безопасность пассажира обеспечивается применением ремней

безопасности; количество и тяжесть травм значительно снижаются при правильном проектировании передней части автомобиля с точки зрения восприятия и гашения энергии удара;

-защитное приспособление должно находиться как можно ближе к телу человека во избежание эффекта «удара кнутом».

Эффективность ремней безопасности может быть значительно повышена:

-при создании меньшего удельного давления на тело человека;

-при надлежащей упругости (динамической емкости) ремня в момент начала удара; -при изменении размеров салона с целью увеличения пространства для

растягивания ремня; - при правильном соотношении динамических емкостей ремня и передней

части автомобиля по деформации.

Удары сбоку и сзади доставляют меньше неприятностей, чем лобовые, поэтому основное внимание должно уделяться обеспечению безопасности людей при лобовых ударах.

При проектировании безопасного автомобиля:

1)уровень безопасности нового автомобиля должен быть значительно выше, чем у любого другого для всех расчетных условий (он также будет относительно выше и для «сверхрасчетных», непредвиденных условий, хотя

ив меньшей степени);

2)пассажирское отделение должно удовлетворять всем требованиям безопасности, т. е. чтобы двигатель или колеса не «въехали» в него от удара;

198

3)ни удар, ни любая поломка не должны вызывать подачи назад рулевой колонки;

4)руль и колонка должны перемещаться и поглощать энергию удара (телескопировать), а также распределять удар по груди водителя без нанесения травм при ускорениях и силах в расчетных пределах;

5)выброс пассажиров должен быть исключен в любых расчетных условиях;

6)все пассажиры должны иметь индивидуальные защитные и удерживающие средства, особенно на местах размещения детей;

7)перед пассажирами не должно быть никаких острых и выступающих деталей;

8)если деталь убрать нельзя, то она должна быть такова, чтобы уменьшить силу ее давления на тело;

9)если и этого нельзя сделать, то нужно выполнить ручки и щитки такими, чтобы они легко прогибались (деформировались) под нагрузкой, поглощали энергию удара и распределяли удар на большую площадь тела;

10)стекла окон должны быть максимально гибкими, чтобы не повредить голову, а расстояние от головы водителя до ветрового стекла - выбираться в зависимости от размеров и конструкции автомобиля;

11)бензобаки не должны перемещаться или рваться от внутреннего давления при любых условиях.

2.3.2.Защитные свойства кузова

Основной метод уменьшения нагрузок, действующих на пассажира, — восприятие кинетической энергии удара при помощи демпфирующей системы. По существу, чем продолжительнее период замедления автомобиля, тем меньше инерционные нагрузки и, следовательно, меньше усилия, воздействующие на предмет. Кинетическая энергия удара может восприниматься как самим автомобилем, так и системой ограничения перемещения пассажира внутри кузова. При лобовом ударе возникают наиболее высокие ударные нагрузки, поэтому этот случай аварии требует особого внимания при конструировании автомобиля. Проектировщик должен стремиться к тому, чтобы уменьшить пиковые инерционные нагрузки; подчинить контролю темп нарастания величины замедления; установить допустимый уровень замедления; свести к минимуму толчок, ощущаемый пассажиром в начальный момент удара; обеспечить отклонение в безопасном направлении предметов, проникающих внутрь салона; предусмотреть достаточно жесткую конструкцию салона. При лобовом ударе с начальной скоростью 80 км/ч замедления достигают 65 g. При соответствующем же изменении конструкции автомобиля значение пикового замедления можно уменьшить до 35-45 g.

Если в конструкции передней части кузова использовать материалы, обладающие повышенной ударной энергоемкостью, как, например, различные материалы сотовой структуры, гидравлические амортизаторы и хрупкие алюминиевые трубы, то защитные свойства кузова при лобовом

199

ударе существенно возрастут. При использовании для амортизации удара алюминиевых труб вес конструкции возрастает незначительно, в то время как характер протекания инерционных нагрузок при ударе значительно изменяется. Кроме того, положительных результатов можно добиться и при помощи обычных стальных элементов кузова, если при их конструировании исходить из задачи обеспечения прогрессивной деформации передней части кузова при ударе. На некоторых моделях американских автомобилей впереди жесткой оболочки средней части кузова размещена усиленная перегородка, которая является не только поперечной деталью пространственной конструкции кузова, но служит и преградой, способной отклонить вниз двигатель, который при лобовом ударе стремится переместиться в сторону салона. При сильном лобовом ударе демпфирующая способность передней перегородки недостаточна. Поэтому необходимо предотвратить проникновение тяжелого агрегата внутрь салона введением дополнительных элементов и изменением конструкции рамы или подрамника. Защитная зона вокруг водителя и пассажиров обеспечивается благодаря жесткому каркасу пассажирского салона в сочетании с легко деформирующимися при ударе передней и задней частью кузов (рис.2.3.1, 2.3.2). Такого рода «мягкие» части кузова предназначены в возможно большей степени поглощать энергию удара и тем самым не допускать деформации кузова непосредственно вокруг пассажиров, одновременно снижая возникающие при этом ускорения людей в автомобиле.

Таким образом, разрабатывая кузов «безопасного» автомобиля, нельзя ограничиваться добавлением отдельных безопасных элементов к существующим конструкциям. Следует основываться на совершенно новых конструкциях и принципах. В соответствии с патентом ФРГ, выданным фирме Mercedes еще в 1952 г., № 854157 (см. рис. 2.3.1), «безопасный» автомобиль должен иметь жесткий снаружи салон и двери с надежными замками. Все внутренние элементы салона должны быть деформируемыми, а ремни - пластически растяжимыми. Система «автомобиль-ремень-человек» должна создаваться таким образом, чтобы протекание во времени замедления автомобиля, рулевой колонки и панели приборов было полностью соразмерно в отношении человеческих возможностей энерговосприятия и соотношений «сила—путь» и «сила-время». Такие конструкции несущей системы получили название «сотовых». Фирма Mercedes запатентовала ряд конструктивных мероприятий, обеспечивающих создание кузова с особо прочной и жесткой «коробкой» пассажирского помещения и энергопоглощающими передней и задней частями.

200