Зоны смятия , зоны раздавливания [1] или зоны столкновения — это структурная функция безопасности, используемая в транспортных средствах, в основном в автомобилях, для увеличения времени, в течение которого происходит изменение скорости (и, следовательно, импульса ) от удара во время столкновения путем контролируемой деформации ; в последние годы она также внедряется в поезда и железнодорожные вагоны. [2] [3] [4] [5]
Зоны деформации предназначены для увеличения времени, в течение которого общая сила от изменения импульса прикладывается к пассажиру, поскольку средняя сила, приложенная к пассажирам, обратно пропорциональна времени, в течение которого она прикладывается. Физические явления можно выразить уравнением:
где — сила, — время, — масса, — скорость тела. В единицах СИ сила измеряется в ньютонах , время — в секундах, масса — в килограммах , скорость — в метрах в секунду , а результирующий импульс измеряется в ньютон-секундах (Н⋅с).
Обычно зоны смятия располагаются в передней части автомобиля, чтобы поглотить удар лобового столкновения , но они могут быть обнаружены и в других частях автомобиля. Согласно исследованию British Motor Insurance Repair Research Centre, посвященному тому, где на транспортном средстве происходит повреждение при ударе, 65% были фронтальными ударами, 25% — задними ударами, 5% — левыми и 5% — правыми. [6] В некоторых гоночных автомобилях используются алюминиевые, композитные/углеродные соты или энергопоглощающая пена [7] [8] для формирования амортизатора удара , который рассеивает энергию удара, используя гораздо меньший объем и меньший вес, чем зоны смятия дорожного автомобиля. [1] Амортизаторы удара также были введены на транспортных средствах для обслуживания автомагистралей в некоторых странах.
10 сентября 2009 года в программах ABC News « Доброе утро, Америка» и «Мировые новости» был показан краш-тест Института страхования дорожной безопасности США Chevrolet Malibu 2009 года выпуска при лобовом столкновении с седаном Chevrolet Bel Air 1959 года выпуска . Он наглядно продемонстрировал эффективность современных систем безопасности автомобилей по сравнению с конструкциями 1950-х годов, в частности, жестких ячеек безопасности для пассажиров и зон смятия. [9] [10]
Концепция зоны деформации была первоначально изобретена и запатентована венгерским инженером Mercedes-Benz Белой Барени в 1937 году, до того как он начал работать в Mercedes-Benz, а в более развитой форме — в 1952 году. [11] Mercedes-Benz «Ponton» 1953 года был частичной реализацией его идей, [12] имея прочную глубокую платформу для формирования частичной ячейки безопасности, запатентованной в 1941 году. [11]
Патент Mercedes-Benz под номером 854157, выданный в 1952 году, описывает решающую особенность пассивной безопасности. Барени подверг сомнению господствовавшее до тех пор мнение, что безопасный автомобиль должен быть жестким. Он разделил кузов автомобиля на три секции: жесткий недеформируемый салон и зоны смятия спереди и сзади. [13] [14]
Первым кузовом Mercedes-Benz, разработанным с использованием патента, был седан Mercedes W111 "Tail Fin" 1959 года. [11] Ячейка безопасности и зоны деформации были достигнуты в первую очередь за счет конструкции продольных элементов: они были прямыми в центре автомобиля и образовывали жесткую клетку безопасности с панелями кузова, передние и задние опоры были изогнуты таким образом, что они деформировались в случае аварии, поглощая часть энергии столкновения. [11] [15] [16] [17]
Более поздняя разработка заключается в том, чтобы ослабить эти изогнутые продольные элементы вертикальными и боковыми ребрами, образуя телескопические деформационные структуры типа «аварийный контейнер» или «раздавливающая труба».
.jpg/1280px-Caraccidentinpleasanton(CROPPED).jpg)
Зоны деформации работают, управляя энергией столкновения и увеличивая время, в течение которого происходит замедление пассажиров транспортного средства, а также предотвращая проникновение в пассажирский салон или его деформацию. Это лучше защищает пассажиров автомобиля от травм. Это достигается за счет контролируемого ослабления жертвенных внешних частей автомобиля, при этом усиливая и увеличивая жесткость внутренней части кузова автомобиля, превращая пассажирский салон в «ячейку безопасности», используя больше усиливающих балок и стали более высокой прочности. Энергия удара, которая достигает «ячейки безопасности», распределяется по максимально широкой области, чтобы уменьшить ее деформацию. Volvo представила боковую зону деформации с введением SIPS ( системы защиты от бокового удара ) в начале 1990-х годов.
Когда транспортное средство и все его содержимое, включая пассажиров и багаж, движутся на скорости, они обладают инерцией / импульсом , что означает, что они будут продолжать движение вперед в этом направлении и с этой скоростью (первый закон движения Ньютона). [19] В случае внезапного замедления транспортного средства с жесткой рамой из-за удара, незакрепленное содержимое транспортного средства продолжит движение вперед с прежней скоростью из-за инерции и ударится о салон транспортного средства с силой, во много раз превышающей их нормальный вес из-за силы тяжести. Целью зон деформации является замедление столкновения для увеличения времени, в течение которого пассажиры замедляются, чтобы уменьшить пиковую силу, приложенную к пассажирам за заданное время. [20]
Ремни безопасности удерживают пассажиров, чтобы они не вылетели через лобовое стекло, и находятся в правильном положении для подушки безопасности, а также увеличивают время, в течение которого пассажиры замедляются. Ремни безопасности также поглощают инерционную энергию пассажира, будучи спроектированными так, чтобы растягиваться во время удара, снова, чтобы увеличить время, в течение которого пассажир замедляется. [21] Короче говоря: пассажир, чье тело замедляется медленнее из-за зоны смятия (и других устройств) в течение более длительного времени, выживает гораздо чаще, чем пассажир, чье тело косвенно ударяется о твердый, неповрежденный металлический кузов автомобиля, который остановился почти мгновенно. Эта разница в замедлении аналогична разнице между ударом человека о стену головой вперед (перелом черепа) и плечом вперед (легкий ушиб плоти) — рука, будучи мягче, замедляется в десятки раз дольше, чем твердый череп, который должен выдерживать чрезвычайно высокое давление в момент соприкосновения со стеной. Поскольку ремни безопасности растягиваются, удерживая пассажиров во время удара, их необходимо заменить, если транспортное средство ремонтируется и возвращается на дорогу после столкновения. Их также следует заменить, если их состояние ухудшилось, например, из-за износа или механических или монтажных неисправностей ремня. В Новой Зеландии официально обязательна замена изношенных ремней безопасности инерционного типа только на ремни типа «webbing grabber», которые имеют меньший люфт и более эффективны на старых автомобилях. [22] В новых автомобилях установлены электронные ремни безопасности с предварительным натяжением, которые синхронизированы с срабатыванием подушки безопасности. [23] Покупка бывших в употреблении ремней безопасности — не лучшая идея даже в странах, где это разрешено законом, поскольку они могли уже растянуться в результате удара и не защитить своих новых пользователей так, как должны.
Окончательный удар после того, как тело пассажира ударяется об салон автомобиля, подушку безопасности или ремни безопасности, происходит от удара внутренних органов о грудную клетку или череп из-за их инерции. Сила этого удара является тем способом, которым многие автомобильные аварии вызывают инвалидизирующие или опасные для жизни травмы. Другие способы - это повреждение скелета и потеря крови из-за разрыва кровеносных сосудов или повреждения, вызванные острым переломом кости органов и/или кровеносных сосудов. Последовательность технологий снижения скорости (зоны смятия → ремень безопасности → подушки безопасности → мягкий/деформируемый интерьер) разработаны для совместной работы в качестве системы для снижения пиковой силы удара по внешней стороне тела пассажира за счет удлинения времени, в течение которого эта сила передается. [23] При столкновении замедление торможения человеческого тела даже на несколько десятых секунды резко снижает пиковую передаваемую силу. [14]
Иногда высказывается ошибочное мнение о зонах деформации [ требуется ссылка ] , что они снижают безопасность для пассажиров транспортного средства, позволяя кузову транспортного средства разрушаться, тем самым рискуя раздавить пассажиров. Фактически, зоны деформации обычно располагаются спереди и сзади основного корпуса автомобиля (который образует жесткую «ячейку безопасности»), сжимаясь в пространстве моторного отсека или багажника/багажника. Современные автомобили, использующие зоны деформации, обеспечивают гораздо лучшую защиту для своих пассажиров в суровых испытаниях против других автомобилей с зонами деформации и твердыми статическими объектами, чем старые модели автомобилей или внедорожников, которые используют отдельную раму шасси и не имеют зон деформации.
Современные автомобили с зонами деформации, как правило, оказываются в худшем положении, когда попадают в аварии с внедорожниками без зон деформации, поскольку большая часть энергии удара поглощается автомобилем с зоной деформации — однако, хотя «хуже» автомобиль может получить больше повреждений, пассажиры автомобиля часто меньше страдают от столкновения. Результат столкновения двух автомобилей без зон деформации обычно будет более опасным для пассажиров обоих автомобилей, чем столкновение, которое хотя бы частично амортизировано. [ необходима цитата ]
Другая проблема — «несовместимость при ударах», когда «жесткие точки» концов направляющих шасси внедорожников находятся выше, чем «жесткие точки» легковых автомобилей, из-за чего внедорожник «наезжает» на моторный отсек автомобиля. [18] Чтобы решить эту проблему, более современные внедорожники/внедорожники включают конструкции под передним бампером, предназначенные для задействования зон смятия автомобиля с более низкой высотой. [24] Здесь показаны низкоуровневые передние поперечные элементы безопасности Volvo XC70 [25] Пресс-релиз Volvo об этой функции: «Нижняя поперечная часть, которая помогает защитить более низкие автомобили: передний подрамник подвески в новом Volvo XC60 дополнен нижней поперечной частью, расположенной на высоте балки в обычном автомобиле. Нижняя поперечная часть ударяется о защитную конструкцию встречного автомобиля, активируя его зону смятия, как и предполагалось, чтобы пассажирам был предоставлен максимальный уровень защиты».
Передняя часть бампера спроектирована так, чтобы выдерживать столкновения на низкой скорости, например, при парковке, чтобы предотвратить постоянное повреждение транспортного средства. Это достигается за счет эластичных элементов, таких как передний фартук. В некоторых транспортных средствах бампер заполнен пеной или аналогичными эластичными веществами. Этот аспект дизайна привлек больше внимания в последние годы, поскольку оценка столкновений NCAP добавила удары пешеходов в свой режим испытаний. Уменьшение жестких опорных конструкций в зонах ударов пешеходов также стало целью проектирования.
В случае менее серьезных столкновений (примерно до 20 км/ч) конструкция бампера и внешней панели должна обеспечивать минимальное повреждение зоны смятия и несущей конструкции транспортного средства, а также максимально низкую стоимость ремонта. Для этого для крепления бамперов используются так называемые краш-трубы или краш-боксы. Краш-трубы состоят из полого стального профиля, который преобразует энергию удара путем сворачивания профиля. [ необходима цитата ]
.png/1280px-EuroNCAP_FRONTAL_IMPACT_(left-hand_drive_veicles).png)
В начале 1980-х годов, используя технологии, разработанные для аэрокосмической и ядерной промышленности , немецкие автопроизводители начали сложные компьютерные исследования моделирования столкновений , используя методы конечных элементов , имитирующие поведение при столкновении отдельных компонентов кузова автомобиля, узлов-компонентов и четвертей и половин автомобилей на стадии кузова в белом (BIW) состоянии. Эти эксперименты достигли кульминации в совместном проекте Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), конгломерата всех семи немецких автопроизводителей ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel ( GM ), Porsche и Volkswagen ), который проверил применимость двух новых коммерческих кодов моделирования столкновений. Эти коды моделирования воссоздали лобовое столкновение всей конструкции легкового автомобиля (Хауг, 1986), и они были завершены на компьютере за одну ночь. Теперь, когда время выполнения между двумя последовательными подачами работ (компьютерными прогонами) не превышало одного дня, инженеры смогли внести эффективные и прогрессивные улучшения в поведение при столкновении анализируемой конструкции кузова автомобиля. Стремление к повышению безопасности автомобилей при столкновении в Европе усилилось с 1990-х годов, с появлением в 1997 году Euro NCAP , в котором приняли участие эксперты по безопасности гонок Формулы-1 .
Экспериментальный автомобиль безопасности Pininfarina Nido 2004 года размещает зоны смятия внутри ячейки выживания. Эти внутренние зоны смятия замедляют ячейку выживания, установленную на салазках. [19] Volvo также разрабатывает эту идею для использования в небольших автомобилях. Их водительское сиденье установлено на том, что по сути является «салазками» на рельсе, с амортизаторами перед ним. При ударе все «сани» водительского сиденья и пристегнутого водителя скользят вперед на 8 дюймов, а амортизаторы рассеивают пиковую энергию удара удара, удлиняя время замедления для водителя. Одновременно рулевое колесо и боковая панель приборов водителя скользят вперед, чтобы освободить место для водителя, поскольку они отбрасываются вперед, растягивая ремень безопасности. В сочетании с передней зоной смятия и подушкой безопасности эта система может значительно уменьшить силы, действующие на водителя при лобовом ударе. [26]
Он разделил кузов автомобиля на три секции: жесткий недеформирующийся пассажирский салон и зоны смятия спереди и сзади. Они предназначены для поглощения энергии удара (кинетической энергии) путем деформации во время столкновения.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
