Strefa zgniotu - Crumple zone

Crash Test pokazuje w jaki sposób strefa zgniotu pochłania energię uderzenia.
Tłumik uderzenia ciężarówki do konserwacji dróg, Auckland , Nowa Zelandia
Zasięg pokazany na niebiesko pociągu serii E217 East Japan Railways (JR East). Kabina kierowcy to strefa zgniatania/zgniatania).
Strefa zgniotu z przodu tych samochodów pochłonęła wpływ zderzenia czołowego.

Strefy kontrolowanego zgniotu , strefy zgniotu , czyli strefy zderzeniowe są cechą strukturalną bezpieczeństwa stosowane w pojazdach, głównie w samochodach, aby zwiększyć czas, w którym zmiana prędkości (a co za tym idzie pęd ) występuje od uderzenia podczas kolizji przez kontrolowanego odkształcenia ; w ostatnich latach jest również włączany do pociągów i wagonów kolejowych.

Strefy zgniotu mają na celu wydłużenie czasu, w którym całkowita siła ze zmiany pędu jest przyłożona do osoby, ponieważ średnia siła przyłożona do osób jest odwrotnie proporcjonalna do czasu, w którym jest przyłożona.

gdzie jest siła , to czas, to masa i to prędkość ciała. W SI jednostek Siła mierzona jest w Newtonach , czas, w sekundach, masa kg , prędkości w metrach na sekundę , a otrzymaną impuls mierzy się w sekundach Nm (N⋅s).

Zazwyczaj strefy zgniotu znajdują się w przedniej części pojazdu, aby amortyzować uderzenie czołowe , ale można je również znaleźć w innych częściach pojazdu. Według badania przeprowadzonego przez Brytyjskie Centrum Badawcze Napraw Ubezpieczeń Samochodowych, gdzie w pojeździe dochodzi do uszkodzeń, 65% to uderzenia z przodu, 25% z tyłu, 5% z lewej strony i 5% z prawej strony. Niektóre samochody wyścigowe wykorzystują aluminium, kompozyt/włókno węglowe o strukturze plastra miodu lub piankę pochłaniającą energię, aby utworzyć tłumik uderzenia, który rozprasza energię zderzenia przy znacznie mniejszej objętości i wadze niż strefy zgniotu w samochodach drogowych. W niektórych krajach w pojazdach do konserwacji autostrad wprowadzono również tłumiki uderzeń.

W dniu 10 września 2009 roku, ABC News programy Good Morning America i ze Świata pokazał amerykańskiego Insurance Institute for Highway Safety teście zderzeniowym z 2009 Chevrolet Malibu w offset czołowego zderzenia z 1959 Chevrolet Bel Air sedan. W sposób dramatyczny zademonstrował skuteczność nowoczesnego projektowania bezpieczeństwa samochodów w porównaniu z projektowaniem z lat 50., w szczególności sztywnych komór bezpieczeństwa pasażerów i stref zgniotu.

Wczesna historia rozwoju

Koncepcja strefy zgniotu została pierwotnie wynaleziona i opatentowana przez węgierskiego inżyniera Mercedes-Benz Bélę Barényi w 1937 roku, zanim pracował dla Mercedes-Benz, a w bardziej rozwiniętej formie w 1952 roku. Mercedes-Benz „Ponton” z 1953 roku był częściową realizacją jego pomysłów, dzięki silnej, głębokiej platformie do utworzenia częściowej klatki bezpieczeństwa, opatentowanej w 1941 roku.

Patent Mercedes-Benz nr 854157, przyznany w 1952 roku, opisuje decydującą cechę bezpieczeństwa biernego. Barényi zakwestionował panującą do tej pory opinię, że bezpieczny samochód musi być sztywny. Podzielił karoserię na trzy sekcje: sztywną, nieodkształcającą się kabinę pasażerską oraz strefy zgniotu z przodu iz tyłu.

Pierwszym nadwoziem Mercedes-Benz opracowanym przy użyciu tego patentu był Mercedes W111 „Tail Fin” Limuzyna z 1959 roku . Klatka bezpieczeństwa i strefy zgniotu zostały osiągnięte przede wszystkim dzięki konstrukcji podłużnic: były one proste w środku pojazdu i tworzyły sztywną klatkę bezpieczeństwa z panelami nadwozia, przednie i tylne wsporniki były zakrzywione tak, że odkształcały się w wypadku, pochłaniając część energii zderzenia.

Nowsze rozwiązanie polegało na osłabieniu tych zakrzywionych podłużnic przez pionowe i boczne żebra w celu utworzenia teleskopowych struktur odkształcających typu „zgniatacz” lub „rurki zgniatanej”.

Funkcjonować

Aktywowana tylna strefa zgniotu
Przekrój pokazujący różną wytrzymałość metalu w Saabie 9000 . Komora bezpieczeństwa jest wykonana z mocniejszego metalu (czerwona) w porównaniu do stref zgniotu (żółty).
Mazda 121 (ponownie nazwana Ford Fiesta ) samochód do testów zderzeniowych Brytyjskiego Laboratorium Badań Transportu .
Volkswagen Polo po pełnym zderzeniu czołowym z odkształcalną ścianą w Laboratorium Badawczym Transportu
Aktywowana przednia strefa zgniotu VW Vento / Jetta
Toyota Camry po zderzeniu z przednim drzewa. Wdrożono poduszki powietrzne.

Strefy zgniotu działają poprzez zarządzanie energią zderzenia i wydłużanie czasu, w którym następuje spowolnienie pasażerów pojazdu, jednocześnie zapobiegając wtargnięciu lub deformacji kabiny pasażerskiej. To lepiej chroni pasażerów samochodu przed obrażeniami. Osiąga się to poprzez kontrolowane osłabienie protektorowych części zewnętrznych samochodu, przy jednoczesnym wzmocnieniu i zwiększeniu sztywności wewnętrznej części nadwozia samochodu, czyniąc kabinę pasażerską „komórką bezpieczeństwa”, dzięki zastosowaniu większej ilości belek wzmacniających i większej wytrzymałości stale. Energia uderzenia, która dociera do „ogniwa bezpieczeństwa”, jest rozprowadzana na możliwie największym obszarze, aby zmniejszyć jego odkształcenie. Volvo wprowadziło boczną strefę zgniotu wraz z wprowadzeniem SIPS ( Side Impact Protection System ) na początku lat 90-tych.

Gdy pojazd i cała jego zawartość, w tym pasażerowie i bagaż, poruszają się z dużą prędkością, mają bezwładność / pęd , co oznacza, że ​​będą kontynuować jazdę z tym kierunkiem i prędkością (pierwsza zasada ruchu Newtona). W przypadku nagłego spowolnienia pojazdu ze sztywną ramą w wyniku uderzenia, niezamocowana zawartość pojazdu będzie kontynuowała ruch do przodu z poprzednią prędkością z powodu bezwładności i uderzy we wnętrze pojazdu z siłą równą wielokrotności ich normalnej masy wynikającej z grawitacji. Celem stref zgniotu jest spowolnienie zderzenia w celu wydłużenia czasu, w którym pasażerowie zwalniają, tak aby zmniejszyć szczytową siłę wywieraną na pasażerów w określonym czasie.

Pasy bezpieczeństwa przytrzymują pasażerów, dzięki czemu nie przelatują przez przednią szybę i są we właściwej pozycji dla poduszki powietrznej, a także wydłużają czas, w którym pasażerowie zwalniają. Pasy bezpieczeństwa pochłaniają również energię bezwładności pasażera, ponieważ są zaprojektowane tak, aby rozciągały się podczas zderzenia, ponownie, aby wydłużyć czas zwalniania pasażerów. Krótko mówiąc: pasażer, którego ciało jest wyhamowywane wolniej z powodu strefy zgniotu (i innych urządzeń) przez dłuższy czas przeżywa znacznie częściej niż pasażer, którego ciało uderza pośrednio w twardą, nieuszkodzoną metalową karoserię, która prawie się zatrzymała. momentalnie. To tak, jakby różnica między wbiciem kogoś w ścianę głową do przodu (złamanie czaszki) a ramieniem do przodu (nieznaczne stłuczenie ciała) polega na tym, że ramię, które jest bardziej miękkie, ma dziesiątki razy dłuższe spowolnienie prędkości, uginając się nieco przy czas, niż twarda czaszka, która nie styka się ze ścianą, dopóki nie musi poradzić sobie z ekstremalnie wysokim ciśnieniem. Napięcie pasów bezpieczeństwa przy unieruchamianiu pasażerów podczas zderzenia powoduje, że konieczna jest ich wymiana, jeśli pojazd jest naprawiany i po kolizji wraca na jezdnię. Należy je również wymienić, jeśli ich stan uległ pogorszeniu, np. z powodu strzępienia lub uszkodzeń mechanicznych lub mocowania paska. W Nowej Zelandii jest oficjalnie obowiązkowa wymiana zużytych pasów bezwładnościowych typu szpulowego tylko na pasy typu "webbing Grabber", które mają mniejszy luz i są bardziej efektywne w starszych samochodach. Nowsze samochody mają elektronicznie napinane pasy bezpieczeństwa, które są zsynchronizowane z odpalaniem poduszek powietrznych. Kupowanie używanych pasów bezpieczeństwa nie jest dobrym pomysłem nawet w krajach, w których jest to legalne, ponieważ mogły już zostać napięte w przypadku uderzenia i mogą nie chronić swoich nowych użytkowników tak, jak powinni.

Ostatecznym uderzeniem ciała pasażera we wnętrze samochodu, poduszkę powietrzną lub pasy bezpieczeństwa jest uderzenie organów wewnętrznych w klatkę piersiową lub czaszkę z powodu ich bezwładności. Siła tego uderzenia jest sposobem, w jaki wiele wypadków samochodowych powoduje obrażenia powodujące niepełnosprawność lub zagrażające życiu. Inne sposoby to uszkodzenie szkieletu i utrata krwi z powodu rozerwania naczyń krwionośnych lub uszkodzenie spowodowane ostrym złamaniem kości narządów i/lub naczyń krwionośnych. Sekwencja technologii zmniejszania prędkości — strefa zgniotu — pasy bezpieczeństwa — poduszki powietrzne — wyściełane/odkształcalne wnętrze — zostały zaprojektowane do współpracy jako system zmniejszający szczytową siłę uderzenia na zewnątrz ciała pasażera (pasażerów). wydłużenie czasu, w którym ta siła jest przekazywana. Podczas kolizji spowolnienie spowolnienia ludzkiego ciała nawet o kilka dziesiątych sekundy drastycznie zmniejsza siłę szczytową.

Ford Escort z rynku amerykańskiego, który brał udział w zderzeniu czołowym z pojazdem Sport Utility Vehicle – pokazującym podniesiony punkt uderzenia – nie zauważył strefy zgniotu samochodu.

Czasami wyrażane jest błędne przekonanie o strefach zgniotu, że zmniejszają one bezpieczeństwo pasażerów pojazdu, umożliwiając zawalenie się nadwozia, co grozi zmiażdżeniem pasażerów. W rzeczywistości strefy zgniotu znajdują się zazwyczaj przed i za głównym nadwoziem samochodu (która tworzy sztywną „komórkę bezpieczeństwa”), zagęszczając się w przestrzeni komory silnika lub bagażnika/bagażnika. Nowoczesne pojazdy wykorzystujące to, co powszechnie określa się jako „strefy zgniotu”, zapewniają znacznie lepszą ochronę pasażerów w surowych testach w porównaniu z innymi pojazdami ze strefami zgniotu i stałymi obiektami statycznymi niż starsze modele lub SUV-y, które wykorzystują oddzielną ramę podwozia i nie mają stref zgniotu.

Wypadają gorzej, gdy biorą udział w wypadkach SUV-ów bez stref zgniotu, ponieważ większość energii uderzenia jest pochłaniana przez pojazd ze strefą zgniotu – jednak nawet w przypadku pasażerów „gorszego” samochodu będzie to nadal często stanowi poprawę, ponieważ zderzenie dwóch pojazdów bez stref zgniotu będzie zwykle bardziej niebezpieczne dla pasażerów obu pojazdów niż kolizja, która jest przynajmniej częściowo buforowana.

Innym błędnym poglądem na temat stref zgniotu, który jest czasami wyrażany, jest to, że pochłaniają one energię zderzenia, dzięki czemu mniej energii jest przenoszone na pasażerów, podczas gdy w rzeczywistości całkowita siła przekazana pasażerowi zależy wyłącznie od jego masy i przyspieszenia (lub przypadku zderzenia, opóźnienia), ponieważ Siła = masa x przyspieszenie, a strefy zgniotu, poduszki powietrzne i inne elementy bezpieczeństwa nie wpływają na zmianę masy pasażera ani całkowitej zmiany prędkości (przyspieszenia/hamowania) pojazdu. mieszkańców. Zamiast tego, cała przesłanka tych funkcji bezpieczeństwa polega na rozłożeniu całkowitej siły przyłożonej na pasażerów na dłuższy okres czasu, tak aby szczytowa siła przekazywana była mniejsza, co zmniejsza prawdopodobieństwo obrażeń.

Innym problemem jest „niekompatybilność uderzeń”, gdzie „twarde punkty” końców szyn podwozia SUV-ów są wyższe niż „twarde punkty” samochodów, powodując, że SUV „zastępuje” komorę silnika samochodu. Aby rozwiązać ten problem, nowsze SUV-y/terenówki zawierają struktury pod przednim zderzakiem, zaprojektowane tak, aby angażować niższe strefy zgniotu samochodu. Pokazane tutaj niskopoziomowe przednie belki poprzeczne Volvo XC70 Komunikat prasowy Volvo na temat tej funkcji: „Niższa belka poprzeczna, która pomaga chronić niższe samochody: Rama pomocnicza przedniego zawieszenia w nowym Volvo XC60 jest uzupełniona dolną belką poprzeczną umieszczoną na wysokości belka w konwencjonalnym samochodzie. Dolna belka poprzeczna uderza w konstrukcję ochronną nadjeżdżającego samochodu, aktywując jego strefę zgniotu zgodnie z przeznaczeniem, aby zapewnić pasażerom maksymalny poziom ochrony”.

Absorpcja uderzeń przy niskiej prędkości

Przód zderzaka został zaprojektowany tak, aby wytrzymać kolizje przy niskich prędkościach, np. na wybojach parkingowych, aby zapobiec trwałemu uszkodzeniu pojazdu. Osiąga się to dzięki elastycznym elementom, takim jak przedni fartuch. W niektórych pojazdach zderzak wypełniony jest pianką lub podobnymi substancjami elastycznymi. Ten aspekt projektowania zwrócił na siebie większą uwagę w ostatnich latach, ponieważ ocena zderzeń NCAP dodała do swojego systemu testów wpływ na pieszych. Redukcja sztywnych konstrukcji wsporczych w strefach zderzenia z pieszymi również stała się celem projektowym.

W przypadku mniej dotkliwych kolizji (do ok. 20 km/h) konstrukcja zderzaka i płata zewnętrznego powinna zapewniać jak najmniejsze uszkodzenia strefy zgniotu i konstrukcji nośnej pojazdu oraz możliwość przeprowadzenia napraw jak najtaniej. W tym celu do montażu zderzaków stosuje się tzw. crash tube lub crash boxy. Crashtubes składają się z wydrążonego stalowego profilu, który przekształca energię padającą poprzez zwijanie profilu.

Symulacja zderzeń modelowana komputerowo

Pierwsza udana symulacja zderzenia czołowego VW POLO (ESI 1986).
Wizualizacja deformacji samochodu w zderzeniu asymetrycznym z wykorzystaniem analizy elementów skończonych.
EuroNCAP FRONTAL IMPACT (pojazdy z kierownicą po lewej stronie).
Test zderzeniowy z przodu Lotus Evora pokazujący strukturę zgniotu aluminiowego podwozia, wysokość sztywnych belek bocznych przedniego podwozia i sztywną przednią belkę poprzeczną.

W 1980 roku, przy użyciu technologii opracowanej dla przemysłu lotniczego i przemysłu jądrowego , niemieccy producenci samochodów zaczęli złożonych komputerowych symulacji zderzeniowych studia, przy użyciu metody elementów skończonych do symulacji katastrofy zachowanie poszczególnych elementów karoserii samochodowych, zespołów składowych i kwartał i pół samochodów w organizmie w białym (BIW) etapie. Eksperymenty te zakończyły się wspólnym projektem Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), konglomeratu wszystkich siedmiu niemieckich producentów samochodów (Audi, BMW, Ford, Mercedes-Benz, Opel (GM), Porsche i Volkswagen), który przetestował zastosowanie dwóch nowych kodów symulacji zderzeń komercyjnych. Te kody symulacyjne odtworzyły frontalne uderzenie całej konstrukcji samochodu osobowego (Haug 1986) i zostały zakończone na komputerze przez noc. Teraz, gdy czas realizacji między dwoma kolejnymi zleceniami (uruchamianie komputera) nie przekroczył jednego dnia, inżynierowie byli w stanie skutecznie i progresywnie poprawić zachowanie analizowanej struktury karoserii podczas zderzenia. Dążenie do poprawy odporności zderzeniowej w Europie nabrało tempa od lat 90., wraz z pojawieniem się w 1997 roku Euro NCAP , przy zaangażowaniu ekspertów w dziedzinie bezpieczeństwa wyścigów samochodowych Formuły 1 .

„Sanie” wewnątrz celi bezpieczeństwa

Eksperymentalny pojazd bezpieczeństwa Pininfarina Nido z 2004 roku lokalizuje strefy zgniotu wewnątrz celi przetrwania. Te wewnętrzne strefy zgniotu spowalniają zamontowaną na saniach komórkę przeżycia. Volvo rozwija również ten pomysł do zastosowania w małych samochodach. Ich fotel kierowcy jest przymocowany do czegoś, co jest w zasadzie „saniami” na szynie, z amortyzatorami z przodu. Podczas zderzenia całe „sanie” fotela kierowcy i przypiętego pasem kierowcy przesuwają się do przodu nawet o 8 cali, a amortyzatory rozpraszają szczytową energię uderzenia, wydłużając czas hamowania kierowcy. Jednocześnie kierownica i deska rozdzielcza po stronie kierowcy przesuwają się do przodu, aby zrobić miejsce dla kierowcy, który jest rzucany do przodu napinając pasy bezpieczeństwa. W połączeniu z przednią strefą zgniotu i poduszką powietrzną, system ten może znacznie zmniejszyć siły działające na kierowcę podczas zderzenia czołowego.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki