Ниже, кроме внутренней и внешней безопасности автотранспортных средств, рассматриваются требования к послеаварийной и функциональной безопасности, так как их свойства связаны с пассивной безопасностью.
Особое внимание уделено вопросам управления деятельностью по обеспечению безопасности, так как отсутствие координации работ по этому направлению приводит к существенной задержке реализации эффективных мероприятий по повышению безопасности АТС.
Внутренняя пассивная безопасность определяется ударнопрочностными свойствами автомобиля, характеристиками используемых квазизащитных и специальных защитных удерживающих средств, а также возгораемостью и огнестойкостью применяемых в конструкции автомобилей материалов и устройств.
Уровень обеспечения внутренней пассивной безопасности отдельных типов АТС (легковых, грузовых автомобилей и автобусов) существенно различается, поэтому в дальнейшем будет рассматриваться отдельно.
Небольшая масса и низкое расположение водителя и пассажиров в легковых автомобилях относительно дорожного полотна вызывает необходимость реализации более высоких требований по ПБ по сравнению с грузовыми автомобилями и автобусами.
Ниже рассматриваются требования, предъявляемые к отдельным свойствам легковых автомобилей, для обеспечения защиты водителей и пассажиров при ДТП.
Требования к ударно-прочностным свойствам
Результаты исследования механизмов травмирования человека в автомобиле и биомеханики ДТП показывают, что ударно-прочностные свойства автомобиля при ДТП должны:
- обеспечивать сохранение жизненного пространства для водителя и пассажиров;
- обеспечивать по возможности низкий уровень перегрузок в салоне;
- исключать выпадение из автомобиля при ДТП из-за само-открывания дверей и обеспечивать возможность эвакуации из автомобиля после ДТП через свободно открывающиеся двери;
- исключать деформации в зоне размещения топливного бака и топливопроводов для предотвращения течи топлива;
- исключать возгораемость автомобиля из-за опасных деформаций в местах расположения электроприборов;
- не допускать перемещений в глубь салона деталей рулевого управления на величину более 50...80 мм.
Статистика ДТП показывает, что для водителей и пассажиров легковых автомобилей травмоопасными в основном являются столкновения - фронтальные, боковые и задние. Что касается опрокидывания, то легковой автомобиль, если его кузов проектируется с учетом нормативов по обеспечению долговечности (для автомобилей с кузовом типа родстер - при наличии дуги безопасности) и при оснащении дверными замками и петлями, соответствующими нормам безопасности (Правилам ООН №11), не требует реализации дополнительных мероприятий по совершенствованию ударно-прочностных свойств.
Для обеспечения защиты водителя и пассажира легкового автомобиля при столкновении в первую очередь необходимо на стадии проектирования и доводки автомобиля решить проблемы согласования противоречивых требований - по обеспечению жизненного пространства в салоне и одновременно - низкого уровня перегрузок салона.
Рассмотрим решение этой проблемы на примере фронтального столкновения.
Принимается начальное условие, что при фронтальном столкновении должна деформироваться только передняя часть автомобиля от передней точки бампера до передней стенки салона (реально при ΔVa > 50 км/ч около 10% от общей деформации приходится на переднюю часть салона автомобиля).
В соответствии с международной практикой ударно-прочностные свойства (силовые характеристики, перегрузки и деформации) при фронтальных столкновениях нормируются с учетом динамического нагружения при прямом наезде на неподвижное препятствие. При этом оптимальной считается средняя перегрузка Na ≤ 20:
Максимальную деформацию автомобиля можно приближенно представить как сумму возможных деформаций передней части автомобиля и передней части салона:
где Sп - возможная деформация передней части автомобиля; Sc - деформация салона.
Деформация Sп представляет собой наименьшую из разностей (А-В) или (С-D), где А - расстояние от передней точки бампера до передней стенки салона; В - длина двигателя, включая закрепленные на нем прочные недеформируемые агрегаты, расположенные в подкапотном пространстве; С - расстояние от передней точки бампера до ближайшей к переднему колесу точки средней части кузова (салона); D - наружный диаметр переднего колеса.
Для оценки полноты использования при столкновении возможной деформации передней части автомобиля и деформации салона используется коэффициент деформации автомобиля Ks = (Saдеф)max/Sn. В общем случае возможны три значения коэффициента деформации: Ks = 1, Ks < 1 и Ks > 1. При Ks = 1 реальная деформация равна теоретически - возможной, т.е. возможная деформация передней части автомобиля используется полностью. Силовые характеристики элементов передней части автомобиля обеспечивают поглощение энергии удара только за счет деформации передней части автомобиля; прочность средней части кузова обеспечивает восприятие нагрузок, действующих в процессе столкновения, без деформации салона. При Ks < 1 происходит неполное использование возможной деформации передней части, жесткость элементов превышает необходимую для условий эталонных столкновений величину, прочность средней части кузова обеспечивает восприятие действующих нагрузок без деформации салона. При Ks > 1 деформация превышает возможную, происходит деформация салона.
Значение Ks для моделей легковых автомобилей, обеспечивающих сохранение жизненного пространства при фронтальных столкновениях, определенные по результатам эталонных испытаний, меняются в пределах 0,83... 1,37.
Анализ показывает, что для сохранения жизненного пространства и обеспечения безопасности уровня перегрузок Ks на стадии проектирования должен задаваться в пределах 0,9...0,85.
Определив необходимое для обеспечения безопасности значение (Saдеф)max и задав с учетом особенностей предварительной компоновки величину Sп, вычисляем значение Lп без. - безопасной длины передней части автомобиля:
где Lж - эффективная длинна недеформируемых элементов передней части автомобиля.
Длина передней части автомобиля не должна быть меньше полученного значения Lп без., а величина деформации меньше (Saдеф)max, так как в обратном случае существенно увеличивается относительная скорость ΔVч-а при контакте тела с элементами салона автомобиля, что влечет увеличение тяжести травмирования (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Влияние деформируемости передней части автомобиля при фронтальном столкновении на величину относительной скорости тела при его контакте с элементами салона. 1 - изменение скорости автомобиля с малодеформируемой передней частью; 2-то же для автомобиля с увеличенной деформацией передней части; 3 - изменение скорости пассажира; ΔV'ч-а - разность скоростей автомобиля и человека при контакте тела с малодеформируемым автомобилем; ΔV"ч-а - то же при увеличенной деформации передней части автомобиля
На графике рисунка видно, что снижение деформируемости передней части автомобиля приводит к значительному увеличению относительной скорости при соприкосновении тела человека с элементами автомобиля (ΔV'ч-а > ΔV"ч-а).
Для комплексной оценки пассивной безопасности (в том числе ударно-прочностных свойств) легковых автомобилей при фронтальных, боковых и задних столкновениях проводятся полномасштабные испытания (краш-тесты), имитирующие характерные условия вышеперечисленных типов столкновений (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Схемы полномасштабных испытаний легковых автомобилей: а, б - имитация фронтального столкновения; в - имитация бокового столкновения; г - имитация наезда сзади (удар сзади)
Оценка проводится с использованием международных Правил ООН. Для сравнительной оценки может быть использована методика EuroNCAP.
Оценка безопасности легковых автомобилей при фронтальных столкновениях
Фронтальные столкновения транспортных средств (особенно под углом и со смещением) с другими автомобилями и неподвижными препятствиями по глобальности деформации конструкции и тяжести травмирования пользователей были и продолжают быть самым тяжелым видом ДТП. Это многократно подтверждено отечественными и зарубежными статистическими исследованиями. Поэтому вполне оправданы громадные средства, вынужденно затрачиваемые производителями автомобилей на разработку и внедрение технических решений, направленных на защиту пользователя при этом виде ДТП.
За последнюю четверть XX века автомобилестроители достигли существенных успехов в обеспечении травмобезопасности при фронтальных столкновениях.
В начальный период развития работ по повышению ПБ за базовые нормативы принимались условия обеспечения безопасности при наиболее легко воспроизводимых и стабильных, хотя и не самых частых, разновидностях ДТП.
Для имитации фронтальных столкновений был принят прямой наезд со скоростью 50 км/ч на плоское недеформируемое препятствие, расположенное перпендикулярно траектории движения. Хотя такие условия встречаются не чаще чем в 3-5% от реальных столкновений, однако они были сравнительно легко и стабильно воспроизводимы. И такой выбор (подход) в то время, когда автомобильная промышленность и наука не обладали большими техническими возможностями, был вполне оправдан.
На начальном этапе развития работ по пассивной безопасности имитирующие человека манекены использовались преимущественно как испытательное приспособление, создающее специфические нагрузки на исследуемый объект - узел или деталь автомобиля. Критерии оценки степени безопасности конструкции еще напрямую не связывались с допускаемыми травмобезопасными воздействиями на человеческий организм. Такой упрощенный подход, обусловленный уровнем развития автомобильной науки и экспериментальных технологий, на определенном этапе полностью оправдался. В странах с развитой автомобилизацией была сбита первая волна роста потерь от ДТП и обеспечен приемлемый общий уровень безопасности эксплуатирующегося парка легковых автомобилей.
Дальнейшее развитие экспериментальной техники и технологий и коренное изменение процесса проектирования, основанное на применении высокопроизводительной вычислительной техники и мощного специализированного программного обеспечения, позволили поднять работы по обеспечению безопасности пользователей в процессе ДТП на качественно новый уровень. В середине 90-х годов XX века представилась возможность перейти к системному подходу, когда безопасность автомобиля как комплекса технических решений стала оцениваться по достаточно прямым травматическим воздействиям, получаемым пользователем в нормируемых условиях ДТП. Этому в большой мере способствовало появление антропометрических манекенов взрослого человека, конструкция которых постоянно совершенствуется. Соответственно техническому прогрессу и степени готовности ведущих производителей автомобилей развивалась и нормативная база.
Появилась техническая возможность для существенного повышения безопасности при фронтальных ударах за счет применения при проведении исследований:
- биомеханических критериев травмирования человека;
- антропометрических манекенов третьего поколения для биомеханической оценки последствий фронтального удара;
- полномасштабных моделей, имитирующих ударно-прочностные свойства передней части автомобиля;
- автоматических надувных систем.
В июле 1995 года были приняты Правила № 94 ООН в отношении защиты водителей и пассажиров автомобилей при фронтальных столкновениях. Принципиальным отличием оценки пассивной безопасности при фронтальных столкновениях в соответствии с Правилами №94 являются:
- использование недеформируемого препятствия, расположенного под утлом 30° к траектории движения;
- обязательное размещение на всех местах переднего ряда сидений антропометрических манекенов третьего поколения (Hybrid III), оснащенных необходимой измерительной и регистрирующей аппаратурой;
- нормирование некоторых биомеханических параметров воздействий на манекены.
Однако упомянутый документ выступал как переходный, фиксирующий уже достигнутое состояние.
В 1996 г. была принята Директива ЕЭС 96/79, а с 1998 г. вступили в действие аутентичные требованиям упомянутой Директивы ЕС - поправки серии 01 к Правилам №94, которым в настоящее время должны соответствовать новые модели автомобилей.
Дополнительно (по сравнению с базовыми Правилами №94, т.е. без требований поправок серии 01) стал нормироваться ряд параметров воздействия на манекены.
Рис. 3.3. Схема имитации фронтального столкновения: 1 - деформируемое препятствие; 2 - манекены «Гибрид III»
При проведении полномасштабных испытаний, имитирующих фронтальное столкновение (рис. 3.3), критерии травмирования манекенов, установленных соответствующим образом и помещенных на передние боковые места для сидения, должны удовлетворять следующим требованиям:
- величина критерия травмирования головы манекена (НРС) не должна превышать 1000 единиц, и результирующее ускорение головы не должно превышать 80 g в течение 3 мс;
- величина критериев травмирования шеи манекена (NIC) не должна превышать величин осевых растягивающего (3,3 кН - в момент времени 0 мс; 2,9 кН - в течение 35 мс; 1,1 кН - свыше 60 мс) и сдвигающего (3,1 кН - в момент времени 0 мс; 1,5 кН - в течение 2535 мс; 1,1 кН - свыше 45 мс) усилий в направлении спереди назад в месте соединения головы и шеи;
- значение изгибающего момента шеи манекена при растяжении по оси не должно превышать 57 Нм;
- величина критерия сжатия грудной клетки манекена (ThCC) не должна превышать 50 мм;
- величина критерия вязкости для грудной клетки (V*C) манекена не должна превышать 1,0 м/с;
- величина критерия нагрузки на бедра (FFC) не должна превышать величины сжимающей нагрузки (9,07 кН в момент времени 0 мс; 7,58 кН - свыше 10 мс), передаваемой по оси к каждому бедру манекена и измеряемой с учетом продолжительности сжимающей нагрузки, мс;
- величина критерия сжатия голени манекена (TCFC) не должна превышать 8 кН;
- показатель травмирования голени манекена (TI), замеряемый в верхней и нижней точках каждой голени, не должен превышать 1,3 единиц;
- смещение подвижных коленных шарниров манекена должно быть не более 15 мм.
При испытании остаточное смещение рулевого колеса, измеряемое в центре ступицы рулевого колеса, не должно превышать 80 мм в вертикальном направлении вверх и 100 мм в горизонтальном направлении назад. Ни одна из дверей в ходе испытаний не должна открываться и не должна происходить блокировка блокировочных систем передних дверей. Во время испытания допускается лишь незначительная утечка жидкости из системы питания, в случае постоянной утечки жидкости после столкновения эта утечка не должна превышать 30 г/мин.
После проведения испытаний (после удара) должны соблюдаться следующие условия:
- возможность открытия передних дверей без помощи инструментов (одна дверь для каждого ряда сидений);
- освобождение манекенов из удерживающей их системы, которая в случае блокировки должна открываться под действием усилия не более 60 Н, прилагаемого к центру стопорного рычага;
- возможность извлечения манекенов из ТС без смещений сидений.
Вышеописанный краш-тест воспроизводит встречное столкновение легковых автомобилей. Для оценки степени защиты водителя и пассажиров при наезде на недеформируемое неподвижное препятствие в будущем планируется использовать столкновение со скоростью 50 км/ч при условиях, описанных в Правилах ООН № 32 и 34 (см. рис. 3.2). При этом оценка будет производиться с использованием биомеханических показателей, измеряемых с помощью манекена мужчины 50-процентной репрезентативности и манекена женщины 5-процентной репрезентативности, размещенных на переднем сидении автомобиля в качестве пассажиров.
Для возможности оценки соответствия конструкции автомобиля используемым биомеханическим критериям при проведении полномасштабных испытаний применяется не менее двух антропометрических манекенов третьего поколения и современный комплекс измерительной и регистрирующей аппаратуры.
Кроме того, нормируются показатели состояния транспортного средства после столкновения. Эти требования направлены на то, чтобы обеспечить возможность максимально быстрой эвакуации манекенов (пользователей) из транспортного средства после ДТП без причинения им дополнительных повреждений, на отсутствие течи топлива и острых выступающих частей в интерьере кузова.
Проведение полномасштабного фронтального столкновения по Правилам ООН № 94 с определением показателей критериев травмирования осуществляется после предварительной подготовки ТС, и соответственно подготовки манекенов (после испытаний голени на удар, а также испытания верхней и нижней частей стопы на удар.)
Место для проведения испытаний должно занимать достаточную площадь, где можно оборудовать горизонтальную и ровную дорожку разгона, поставить препятствие и техническое оборудование. Препятствие представляет собой железобетонный блок шириной по фронтону не менее 3 м и высотой не менее 5 м. Масса препятствия должна быть не менее 7-104 кг, а его фронтальная поверхность должна быть вертикальной с отклонением в пределах ±1°. Препятствие должно быть врыто в землю и снабжено, в случае необходимости, дополнительными упорами для исключения возможности его смещения при ударе.
Поверхность препятствия состоит из деформируемой структуры (рис. 3.4) фронтальная поверхность которой расположена перпендикулярно направлению движения испытываемого ТС с отклонением в пределах ±1° и представляет собой разрушаемую секцию, монтируемую на поверхность твердого блока. Деформируемая часть препятствия жестко крепится к краю блока массой не менее 7-104 кг. Передняя поверхность препятствия должна быть установлена таким образом, чтобы на всех стадиях столкновения ТС не контактировало ни с одной частью конструкции, расположенной выше 75 мм от верхней поверхности препятствия (исключая верхний фланец). Наружная поверхность блока, к которой крепится деформируемое препятствие, должна быть плоской, сплошной по высоте и ширине и должна быть установлена вертикально (±1°) и перпендикулярно (±1°) к оси подъездного пути ТС. В ходе испытания поверхность блока, на которой закреплено препятствие, не должна смещаться более чем на 10 мм. Для предотвращения смещения бетонного блока, в случае необходимости, должны использоваться дополнительные крепления или упоры. Край деформируемого препятствия должен быть выровнен с краем бетонного блока той стороны, с которой проводится испытание ТС.
Рис. 3.4. Схема деформируемого препятствия для испытания автомобилей на фронтальное столкновение: 1 - неподвижное препятствие; 2 - тыльный лист деформируемого препятствия; 3 - алюминиевый ячеистый блок; 4 - наружный лист; 5 - бамперный элемент; 6 - облицовочный лист бамперного элемента; 7 - монтажный фланец
Деформируемая часть препятствия представляет собой алюминиевую сотовую структуру и состоит из следующих отдельных элементов:
- основного ячеистого блока (высота по оси алюминиевых полос сотовой структуры - 650 мм, ширина - 1000 мм, толщина по осям ячеек сотовой структуры - 450 мм, размер ячейки - 19,1 мм, материал - алюминий 3003;
- бамперного элемента (высота - 330 мм, ширина - 1000 мм, толщина - 90 мм, размер ячейки - 6,4 мм, материал - алюминий 3003);
- тыльного листа (800х1000х2,0 мм);
- наружного листа (1700х1000х0,81 мм);
- облицовочного листа бамперного элемента (330х1000х0,81 мм).
Материал всех листов - алюминий 5251/5052. Препятствие должно быть ориентировано таким образом, чтобы первый контакт ТС с препятствием произошел со стороны рулевой колонки. Расположение ТС по отношению к препятствию должно быть таким, чтобы в результате ТС совместилось с поверхностью препятствия на 40% (±20 мм) (см. рис. 3.4).
При проведении полномасштабного фронтального столкновения ТС приводится в движение своим двигателем или любым другим обеспечивающим движение устройством, причем в момент удара на ТС не должны воздействовать никакие дополнительные направляющие или обеспечивающие движение устройства.
Транспортное средство должно достигать препятствия по траектории с боковым отклонением по отношению к расчетной траектории не более 15 см, и его скорость в момент удара должна составлять (56 ±0,2) км/ч.
В процессе испытаний должны быть проведены измерения для определения и оценки на соответствие техническим требованиям показателей критериев травмирования.
Измерения в области головы манекена - ускорение а в центре тяжести - рассчитывается по трем осям ускорения, измеряемого по акселерометру КЧХ 1000. Считается, что критерии травмирования головы (НРС) соблюдены, если во время испытания не произошло контакта муляжа головы с каким-либо элементом конструкции ТС.
Значение критерия НРС рассчитывается по следующей формуле:
где составляющая а означает результирующее ускорение, которое выражается в единицах силы тяжести, g (9,81 м/с²).
Если можно более или менее точно установить начальный момент контакта муляжа головы, то и t2 - два момента времени, выраженные в секундах и определяющие интервал между начальным моментом контакта и концом регистрации, для которого значение НРС является максимальным.
Если начальный момент контакта муляжа головы определить невозможно, то и t2 - два момента времени, выраженные в секундах и определяющие интервал между началом и концом регистрации, для которого значение НРС является максимальным.
Для расчета максимального значения НРС не учитываются те его значения, для которых временной интервал (t2-t1) превышает 36 мс.
Значение результирующего ускорения головы при столкновении, которое в сумме превышает 3 мс, рассчитывается на основании графика изменения ускорения головы.
Измерения в области шеи манекена - осевое растягивающее и сдвигающее усилия в направлении спереди назад в месте соединения шеи и головы - производятся по КЧХ 1000, изгибающий момент по горизонтальной оси в месте соединения шеи и головы измеряется по КЧХ 600. Критерии травмирования шеи (NIC) определяются осевым растягивающим и сдвигающим усилиями, кН, в направлении спереди назад в месте соединения головы и шеи, измеряемыми с учетом продолжительности действия этих усилий, мс. Величина критерия изгибающего момента шеи определяется изгибающим моментом, Нм, измеряемым по горизонтальной оси в месте соединения головы и шеи.
Измерения в области грудной клетки манекена - это определение деформации грудной клетки между грудиной и позвоночником, измеряемой по КЧХ 180. Критерий травмирования грудной клетки (ThCC) определяется на основе абсолютного значения деформации грудной клетки, выраженного в мм.
Показатель по мягким тканям (V*C) рассчитывается как мгновенный результат сжатия и коэффициент смещения грудины. Сигнал, регистрирующий смещение грудины, подвергается фильтрации по КЧХ 180.
Сжатие во время t рассчитывается по этому отфильтрованному сигналу следующим образом:
Скорость смещения грудины во время t рассчитывается по формуле
где Dt - смещение за время t в метрах, a dt - временной интервал в секундах между измерениями смещения. Максимальная величина dt должна составлять 1,25·10-4.
Измерения в области бедра и голени манекена - осевое сжимающее усилие и изгибающие моменты - измеряются по КЧХ 600; смещение голени по отношению к бедру измеряется в области подвижного коленного шарнира по КЧХ 180. Критерий травмирования бедра (FFC) определяется на основе сжимающей нагрузки, кН, передаваемой по оси к каждому бедру манекена и измеряемой с учетом продолжительности сжимающей нагрузки, мс.
Критерий сжимающего усилия голени (TCFC) определяется на основе сжимающей нагрузки, кН, передаваемой по оси к каждой голени манекена.
Показатель травмирования голени (TI) рассчитывается на основе изгибающих моментов (Мх и Му) по следующей формуле:
где ; Mx - изгибающий момент по оси х; Му - изгибающий момент по оси у; (MC)R - критический изгибающий момент, равный 22,5 Нм; F - осевое сжимающее усилие по направлению z; (FC) - критическое сжимающее усилие по направлению z, равное 35,9 кН.
Показатель травмирования голени рассчитывается для верхней и нижней точек каждой голени; вместе с тем усилие Fz может быть измерено в обеих точках. Полученное значение используется для расчета Tl в верхней и нижней точках голени. Значения моментов Мх и М измеряются в двух точках раздельно.
Следует отметить, что существует тенденция к возвращению полномасштабных испытаний без применения деформируемого барьера.
Оценка безопасности легковых автомобилей при боковых столкновениях
В середине 90-х годов XX века, когда работы по исследованию пассивной безопасности вышли на новый качественный уровень (произошел качественный скачок), появились технические возможности для существенного повышения безопасности при боковом ударе. Сложные механизмы биомеханики бокового удара стало возможным изучать за счет применения при проведении исследований:
- биомеханических критериев травмирования человека;
- антропометрических манекенов для биомеханической оценки последствий бокового удара;
- полномасштабных моделей, имитирующих ударно-прочностные свойства передней части автомобиля;
- автоматических надувных систем для защиты при боковом ударе.
В июле 1995 г. были приняты Правила № 95 ООН в отношении защиты водителей и пассажиров автомобилей при боковых столкновениях. Принципиальным отличием оценки ПБ при боковых столкновениях в соответствии с Правилами № 95 стало использование при испытаниях специального манекена и деформируемого ударного элемента (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Испытание автомобиля на боковой удар в соответствии с Правилами ООН №95: 1 - испытуемый автомобиль; 2 - деформируемый элемент, имитирующий переднюю часть автомобиля; 3 - подвижная тележка; 4 - манекен, расположенный на месте водителя
Специальный манекен, используемый в испытаниях по Правилам № 95, способен имитировать механику взаимодействия человека с боковиной кузова. Наиболее распространенной моделью человека, приспособленной для использования при боковых столкновениях, является манекен «Eurosid-I» (рис. 3.6). Размеры и масса манекена для бокового удара соответствуют размеру и массе взрослого мужчины 50%-ной репрезентативности. Он внешне отличается от антропометрических манекенов, используемых при фронтальных столкновениях, отсутствием нижних частей верхних конечностей (предплечья и кисти). Манекен состоит из металлического и (частично) пластикового скелета (каркаса), обеспечивающего имитацию подвижности тела человека при воздействии поперечных нагрузок. Снаружи скелет покрыт пластиком, поролоном и резиной, имитирующих «живую» ткань.
Рис. 3.6. Общий вид манекена «Eurosid-1» для испытания на боковой удар
Манекен оснащен современной измерительной аппаратурой, включающей более 20-ти датчиков для получения информации, необходимой как для оценки рассмотренных биомеханических критериев, так и для использования в виде дополнительного источника информации для возможности регламентации новых требований к пассивной безопасности автомобилей при боковых столкновениях.
Для имитации геометрических характеристик и ударно-прочностных свойств передней части наезжающего на боковину легкового автомобиля в новой методике испытаний используется полномасштабная физическая модель, состоящая из шести независимых, деформирующихся при ударе блоков (располагаются в два ряда) и устанавливаемая в качестве ударного элемента на подвижном препятствии (тележке) общей массой 950 кг. Размеры ударного элемента (ширина 1500 + 10 мм, высота 500 + 5 мм) моделируют геометрическую форму и размеры передней части автомобиля, а толщина верхнего (440 + 5 мм) и нижнего (500 + 5 мм) ряда блоков моделирует деформируемую зону передка с учетом выступающей части бампера. Каждый блок состоит из алюминиевых сотовых элементов (ячеек), ориентированных в том же направлении, что и целый блок.
Передняя (лицевая) поверхность ударного элемента покрывается алюминиевыми листами, чтобы снизить влияние местного проникновения путем распределения нагрузки по всей площади ударного элемента. Внутри блоков устанавливаются промежуточные листы фольги (мембраны), моделирующие взаимосвязь элементов, составляющих переднюю часть автомобиля.
При проведении полномасштабных испытаний, имитирующих боковое столкновение, критерии травмирования манекенов, установленных соответствующим образом, должны удовлетворять следующим требованиям:
- показатель травмирования головы (НРС) не должен превышать 1000 единиц (в случае отсутствия соприкосновения головы манекена с элементами автомобиля НРС не измеряется и не рассчитывается);
- показатели травмирования грудной клетки должны составлять: а) показатель отклонения ребер (RDC) не должен превышать 42 мм; б) показатель по мягким тканям (*С) не должен превышать 1,0 м/с;
- показатель травмирования таза - пиковая нагрузка на лонное сочленение (PSPE) не должна превышать 6 кН;
- показатель травмирования брюшной секции - пиковая нагрузка на брюшную секцию (APF) не должна превышать 2,5 кН.
Показатель травмирования головы (НРС) - ускорение в центре тяжести - рассчитывается по трем осям ускорения. Если голова вступает в соприкосновение с элементами кузова, то этот показатель травмирования рассчитывается для всего периода времени от момента первоначального соприкосновения и до последнего момента соприкосновения.
НРС - максимальное значение, определяемое из следующего выражения:
где а - создаваемое ускорение в центре тяжести головы, м/с², разделенное на 9,81, зарегистрированное как функция времени и подвергнутое фильтрации по классу канала частотных характеристик 1000 Гц; t1 и t2 - два любых момента времени между моментом первоначального соприкосновения и последним моментом последнего соприкосновения.
Для измерения показателя травмирования грудной клетки (ТНСС) используются три канала измерения смещения ребер. Пиковое значение смещения грудной клетки - это максимальное значение смещения любого ребра, определенное при помощи датчиков смещений грудной клетки и подвергнутое фильтрации по КЧХ 180.
Показатель травмирования мягких тканей (V*C) (пиковое значение реакции мягких тканей) - это максимальное значение показателя по мягким тканям, которое рассчитывается на основе мгновенного результата относительного сжатия грудной клетки применительно к одной стороне грудной клетки и скорости сжатия, вычисленной как производная от степени сжатия.
Стандартная ширина одной стороны грудной клетки составляет 140 мм. Отсюда показатель по мягким тканям
где D - смещение ребер, м.
Показатель по мягким тканям рассчитывается как мгновенный результат сжатия с учетом коэффициента смещения ребра. Оба эти значения получают путем определения смещения ребра. Сжатие во время t рассчитывается как смещение от отфильтрованного сигнала, выражаемого в качестве доли половины ширины грудной клетки манекена, замеренной на металлических ребрах (0,14 м):
Скорость смещения ребра во время t рассчитывается по отфильтрованному смещению как:
где Dt - смещение за время t в метрах, a dt - временной интервал в секундах между измерениями смещения. Максимальная величина dt должна составлять 125·10-6 с.
Измерения показателя защиты брюшной секции проводятся при КЧХ 1000. Пиковая нагрузка на брюшную секцию - это максимальное значение суммы трех сил, измеренных при помощи датчиков, установленных на глубине 39 мм от поверхности со стороны удара.
Измерения показателя травмирования таза проводятся также при КЧХ 1000. Пиковая нагрузка на лонное сочленение (PSPF) - это максимальная нагрузка, измеренная при помощи датчика нагрузки в районе лонного сочленения и подвергнутая фильтрации по КЧХ 600.
Кроме рассмотренных выше биомеханических критериев травмирования, при проведении испытаний оцениваются: произвольное открытие дверей при ударе, возможность эвакуации пассажиров, утечка топлива и образование острых выступающих частей в интерьере кузова.
Рассмотренная выше методика испытаний имитирует удар в боковину неподвижного легкового автомобиля другого легкового автомобиля. Это наиболее частая разновидность боковых столкновений. Однако до 10% боковых столкновений могут составлять ДТП, при которых легковой автомобиль, двигаясь в процессе заноса перпендикулярно своей продольной оси, ударяется об узкие вертикальные предметы (например, опоры светильников, дорожных знаков, ствол дерева и др.) Для оценки безопасности легковых автомобилей при такой разновидности бокового столкновения используется методика, изложения в ГТП ООН № 14, принятых в 2013 году (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Испытания автомобиля на боковой удар о столб в соответствии с ГТП ООН №14: 1 - столб, диаметром 254 мм; 2 - испытуемое транспортное средство; 3 - манекен, расположенный на месте водителя; 4 - подвижная платформа, на которую устанавливается транспортное средство
При данном испытании легковой автомобиль устанавливается на подвижной платформе, затем разгоняется до скорости 32 км/ч и ударяется боковой частью о столб (который имитирует узкий вертикальный предмет) диаметром 254 мм. При проведении этого испытания используется более современный, по сравнению с используемым в Правилах ООН № 95 манекеном EUROSID-2, антропометрический манекен WORLDSID. Этот антропометрический манекен позволяет с большей точностью оценивать последствия бокового столкновения в соответствии с требованиями Правил ООН № 95 и ГТП ООН № 14.
Вышеописанные нормативные документы (Правила ООН № 95 и ГТП ООН № 14) в ближайшей перспективе используются параллельно до того момента, когда накопленные данные по испытаниям позволят применить только одну из этих методик для оценки последствий боковых столкновений.
Оценка безопасности легковых автомобилей при задних столкновениях (ударах сзади)
При ударе сзади основными возможными причинами травмирования водителя и пассажиров из-за конструктивных недостатков АТС являются:
- отсутствие или неудовлетворительные характеристики установленных подголовников, не обеспечивающих предотвращение хлыстовых травм шеи;
- заклинивание задних дверей;
- возгораемость автомобиля из-за образования течи топлива из топливного бака и горловины;
- нарушение жизненного пространства для сзади сидящих пассажиров из-за деформации задней части автомобиля.
Оценка безопасности при ударе сзади производится при проведении краш-теста в условиях наезда на заднюю часть неподвижного испытуемого автомобиля тележкой, имитирующей среднюю массу легкового автомобиля (1100 кг) с жесткой недеформируемой ударной плитой (рис. 3.2,г).
В соответствии с Правилами ООН № 32 и 34 скорость тележки в момент удара составляет 35...38 км/ч, для оценки факта нарушения жизненного пространства используется величина перемещения точки Н(Н)заднего сидения (не более 75 мм), фиксируется заклинивание дверей, течь топлива и возгораемость. Манекены в испытаниях не применяются; эффективность срабатывания подголовников не оценивается.
В условиях увеличивающейся загрузки дорог растет число задних столкновений (особенно с участием 3-х и более транспортных средств). Это привело к появлению конструктивных решений (систем) существенно повышающих пассивную безопасность автомобиля за счет использования так называемых активных подголовников. Для оценки их эффективности стало необходимым проводить краш-тесты с применением антропометрических манекенов, способных оценивать тяжесть хлыстообразных травм шеи. Поэтому в ближайшем будущем можно ожидать создание таких манекенов и использование для нормирования безопасности при ударе сзади биомеханических критериев при одновременном повышении скорости тележки при ударе до 50 км/ч.
Оценка безопасности легковых автомобилей по методике EuroNCAP (European New Car Assesment Programm)
EuroNCAP - Европейская программа по оценке пассивной безопасности легковых автомобилей международным некоммерческим объединением, созданная для сравнительной оценки автомобилей, находящихся на потребительском рынке.
Программа начала действовать в 1995 г., и ее работа проводится по следующему алгоритму: вначале организаторы отбирают популярные на рынке автомобили одного класса и модельного года, затем закупают по два автомобиля каждой модели и проводят комплекс испытаний, включающий:
- краш-тест, имитирующий фронтальное столкновение (методика испытаний соответствует Правилам ООН № 94), но скорость испытуемого автомобиля в момент наезда на деформируемое препятствие составляет 64 км/ч (вместо принятых Правилами ООН 56 км/ч);
- краш-тест, имитирующий боковое столкновение (методика испытаний соответствует Правилам ООН № 95);
- имитацию наезда на пешехода со скоростью 40 км/ч (методика испытаний соответствует Правилам ООН №127 и ГТП ООН № 9);
- краш-тест, имитирующий боковой удар в столб на скорости 29 км/ч (испытания проводятся только для автомобилей, оборудованных боковыми подушками-занавесками для защиты головы, методика испытаний соответствует ГТП ООН № 14).
Дополнительно при проведении фронтального и бокового краш-тестов на задних сиденьях устанавливаются рекомендованные производителем автомобиля ДУУ и оцениваются их защитные свойства.
По результатам испытаний даются три оценки: за обеспечение безопасности водителя и впереди сидящего пассажира при фронтальном и боковом столкновениях; за защиту детей и за обеспечение безопасности пешеходов. Кроме того, дается интегральная оценка безопасности в виде присвоения звезд (максимальное число - 5). Среди фирм-производителей автомобилей испытания по методике EuroNCAP пользуются большой популярностью.
Требования к квазизащитным удерживающим средствам
Эти требования базируются на условиях выбранного базового способа воспроизведения полномасштабного фронтального столкновения. Конструкции квазизащитных удерживающих средств автомобилей должны не допускать возникновения при контакте с ними тела человека травмоопасных перегрузок, в том числе за счет образования в процессе ДТП острых выступающих частей.
С учетом вероятности (тяжести) нанесения травм водителям и пассажирам АТС регламентируются требования безопасности к следующим элементам легкового автомобиля:
- внутреннему оборудованию салона автомобиля (Правила ООН №21);
- элементам рулевого управления (Правила ООН № 12);
- стекловым материалам кузова (Правила ООН № 43);
- сидениям (Правила ООН №№ 17 и 126).
Для обеспечения травмобезопасности практически все элементы салона кузова должны:
- выдерживать статическую или динамическую нагрузку, эквивалентную той нагрузке, с которой воздействует на эти элементы тело человека 50%-ной репрезентативности (или масса самого элемента) при перегрузке 20...30g в направлении вдоль продольной оси автомобиля;
- не образовывать в зоне контакта травмоопасные перегрузки при соударении головой и грудью с перечисленными выше элементами при АК-а до 25 км/ч;
- геометрические параметры наружных поверхностей деталей, образующих интерьер автомобиля, должны иметь максимально возможную площадь в зонах возможного контакта с телом человека для того, чтобы при соударениях по возможности обеспечить безопасный уровень локальных перегрузок;
- сиденья должны иметь прочное крепление к кузову, которое не должно нарушаться при динамическом воздействии при ДТП сзади находящихся пассажиров и багажа;
- рулевое управление (рулевое колесо) должно обладать энергопоглощающими свойствами, исключающими возникновение усилий при контакте с грудью водителя превышающих 11 кН;
- используемые в автомобиле стекла должны обладать качествами, позволяющими свести до минимума опасность телесных повреждений пользователей при их разрушении. В автомобилях должны использоваться в основном многослойные безосколочные стекла (безопасные стекла).