Пассивная безопасность автомобиля

Безопасное сиденье другой конструкции показано на рисунке 18, б. Передняя его часть салазками 4 опирается на ролики 5, а задняя на двуплечие рычаги 8, шарнирно связанные с осью 7. Ролики 5 и ось 7 посредством опор 3 соединены с днищем кузова. Под действием продольного ускорения сиденье перемещается по роликам вперед и одновременно опускается вследствие поворота рычагов 8 на оси 7. Пружины 6 смягчают силу удара.

У грузовых автомобилей и автопоездов с седельным тягачем большую опасность представляет груз, плохо закрепленный на платформе. При встречных столкновениях и наездах автомобилей на неподвижное препятствие груз в процессе удара продолжает двигаться вперед по инерции. Если скорость и масса груза достаточно велики, то его кинетическая энергия может достигать 300...500 кНЧм, а ударные нагрузки, действующие на детали автомобиля, 7000...10000 кН. Поскольку силы трения между грузом и днищем платформы невелики, а свободное пространство перед грузом мало, то на преодоление трения расходуется всего 3...5% этой энергии. Под действием остальной энергии происходит деформация и разрушение деталей автомобиля.

Рисунок 1.18 Безопасные сиденья: а и в - до удара; б и г - после удара; 1 - шарнир; 2 - амортизатор; 3 - опора; 4 - салазки; 5 - ролик; 6 - пружина; 7 - ось; 8 - рычаг

Перемещаясь почти с той же скоростью, с какой двигался автомобиль перед ударом, груз ударяется о передний борт платформы, деформирует его, а затем сминает заднюю стенку кабины. Жизненное пространство внутри кабины резко сокращается, что увеличивает вероятность травмирования водителя и пассажиров.

Для увеличения безопасности могут быть использованы энергопоглощающие передние бамперы, уменьшающие скорость автомобиля в начале удара, а также амортизирующие устройства, устанавливаемые между передним бортом грузовой платформы и грузом.

Устранение травмоопасных деталей. По действующим правилам жизнь водителя и пассажиров должна быть сохранена при наезде автомобиля на неподвижное препятствие со скоростью 14 м/с; во время столкновения автомобилей при скорости 19,4 м/с; в случае удара сзади по автомобилю предметом массой до 1250 кг со скоростью 22,2 м/с; при боковом ударе (под углом 90є) со скоростью 9 м/с; во время двух- или трехкратного переворачивания автомобиля с начальной скоростью 14 м/с.

Для выполнения указанных требований вокруг человека, сидящего в автомобиле, создают защитную зону (жизненное пространство), внутрь которой не должны проникать детали автомобиля при авариях. Форма жизненного пространства зависит от антропологических размеров тела человека, его перемещений во время ДТП и конструкции автомобиля.

На рисунке 1.19, а показано положение тела водителя в начальный момент удара и нанесены границы перемещений деталей автомобиля при столкновении. Линия 1 - 1 соответствует легким повреждениям, линия 2 - 2 - тяжелым, а линия 3 - 3 - смертельным. Точки на кривых означают: К - крыша, Р - рулевая колонка, П - панель приборов, Щ - передний щит кузова. Таким образом, чтобы уменьшить тяжесть телесных повреждений, нужно ограничить перемещение деталей по крайней мере до линии 1 - 1. На рисунке 1.19, б приведены результаты исследований американских инженеров и итальянской фирмы Фиат по определению формы жизненного пространства.

Рисунок 1.19 Жизненное пространство: а - автомобиля ГАЗ-3102 «Волга»; б - различных автомобилей; К - крыша; Р - рулевая колонка; П - панель приборов; Щ - передний щит кузова; 1 - 1 - легкие повреждения; 2 - 2 - тяжелые повреждения; 3 - 3 - смертельные травмы

Детали автомобиля, ограничивающие жизненное пространство, должны быть без острых граней и узлов, выступающие части (кнопки, выключатели, рычаги) должны быть утоплены и покрыты мягкой обивкой.

Рычаги, переключатели и кнопки, расположенные на панели приборов в зоне возможного удара о них водителя и пассажиров и выступающие над поверхностью панели на 3...9,5 мм, должны иметь головку площадью не менее 200 мм² с радиусом закругления краев не менее 2,5 мм. Детали, выступающие над панелью более чем на 9,5 мм, должны под действием горизонтального усилия 390 Н, направленного вперед, утапливаться (так, чтобы высота части детали, выступающей над панелью, была не более 9.5 мм), отсоединяться или обламываться.

Большое количество травм и смертельных исходов во время ДТП связано с ветровым стеклом. Стекла должны быть упругими и амортизировать при ударе, чтобы исключить повреждения костей черепа. При разбивании стекол они не должны образовывать осколков с острыми углами и гранями, которые могут причинить порезы.

В настоящее время применяют стекла двух видов: однослойные закаленные и трехслойные (триплекс).

Чтобы уменьшить травматизм при опрокидывании автомобиля, усиливают стойки кузова и крыши, вводят жесткие дуги над головами пассажиров. Люди, оставшиеся при опрокидывании внутри автомобиля, обычно получают менее серьезные повреждения, чем выпавшие из него. Поэтому в стандартах и правилах ЕЭК ООН оговаривается, что конструкция замков должна обеспечивать два положения: полностью закрытое и не полностью закрытое. В первом положении замки дверей и фиксаторы должны выдерживать продольную нагрузку 11,34 кН и поперечную 9 кН, а во втором положении 4,5 кН в каждом направлении. Дверной замок должен оставаться в полностью закрытом положении при действии на него в любом направлении инерционной нагрузки до 30Чg.

Дверные петли любой конструкции должны выдерживать продольную нагрузку 11,34 кН и поперечную 9 кН.

1.4 Внешняя пассивная безопасность

В процессе ДТП должна быть обеспечена сохранность, как самого автомобиля, так и окружающих предметов. При столкновениях и наездах внешнюю пассивную безопасность обеспечивают, прежде всего бамперы. Однако бамперы современных автомобилей не всегда соответствуют этому назначению.

Правильно сконструированный бампер должен обеспечивать не только внутреннюю пассивную безопасность, но и внешнюю и поглощать бульшую часть кинетической энергии, развивающейся при ударе. Для этого прежде всего необходимо, чтобы передние и задние бамперы всех транспортных средств и самоходных механизмов, движущихся по общей дорожной сети, находились на одной высоте от покрытия [22].

По зарубежным рекомендациям задний бампер следует устанавливать на всех грузовых автомобилях, у которых нижний конец кузова находится на высоте не менее 0,7 м над дорогой или задний свес составляет 1 м. Оптимальная высота установки бампера 0,38...0,51 м. Длина бампера должна быть несколько меньше габаритной ширины автомобиля, но не короче чем на 0,1 м с каждой стороны.

Исследования показали, что современный бампер легкового автомобиля может предохранить фары и облицовку радиатора при наезде на неподвижное препятствие со скоростью не более 1 м/с. Предложено много конструкций безопасных бамперов. Вначале бампер обтягивали толстым слоем пористой резины или упругого пластика, однако это не привело к желаемым результатам. Было установлено, что бампер при слабых толчках должен защищать от повреждения дорогие элементы кузова, а при сильных ударах деформироваться вместе с передней частью автомобиля.

Согласно американскому стандарту при встречном столкновении со скоростью 2.2 м/с и боковом столкновении со скоростью 1,4 м/с автомобили практически не должны иметь повреждений, а удар должен быть поглощен на пути 5...8 см.

Безопасные бамперы содержат энергопоглощающий элемент, в котором энергия удара преобразуется в работу деформации или тепловую энергию. По типу упругого элемента бамперы могут быть механические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

На рисунке 1.20, а показан бампер с механическим амортизирующим элементом, работающим на сжатие. Бампер состоит из средней балки 1 и двух боковых крыльев 2, соединенных шарниром 3. Энергопоглощающий элемент выполнен в виде конуса 7, жестко соединенного с кузовом автомобиля. Внутри конуса проходит стержень 4 с коническим блоком 6 из упругой пластмассы, упирающимся в буртик 5. К стержню 4 гайкой 8 прикреплена тяга 9 вспомогательного элемента, состоящего из конуса 11 и упругого элемента 10. Верхняя часть конуса соединена с боковым крылом 2. При ударе эластичные блок 6 и элемент 10 вдвигаются внутрь конусов и, сжимаясь, поглощают энергию удара.

В механических амортизаторах упругий элемент может работать на сдвиг (рисунок 1.20, б). Поперечный брус 15 бампера соединен со стальной пластиной 16, привулканизированной к резиновому элементу 14. Наружная часть элемента закреплена в обойме 13. При ударе пластина перемещается назад до тех пор, пока не упрется в упругий буфер 12 на кузове автомобиля.

Рисунок 1.20 Безопасные бамперы с упругими амортизирующими элементами: а - схема бампера с элементами, работающими на сжатие; б - схема бампера с элементами, работающими на сдвиг; 1 - балка; 2 - боковое крыло; 3 - шарнир; 4 - стержень; 5 - буртик; 6 - конический блок; 7 - энергопоглощающий конус; 8 - гайка; 9 - тяга; 10 - упругий элемент; 11 - конус; 12 - буфер; 13 - обойма; 14 - резиновый элемент; 15 - поперечный брус бампера; 16 - пластина

Резина элемента при этом деформируется, как показано в нижней части рисунка 1.20, б.

Примерные размеры элемента, работающего на сдвиг, можно определить следующим образом.

Из условий равенства кинетической энергии автомобиля и работы деформации резины можно написать

МЧv²=W_рЧG_рЧe², (1.13)

где М и v - масса и скорость автомобиля;

W_р - объем резины в упругих элементах;

G_р - модуль сдвига резины;

e - относительная деформация резины при сдвиге, равная для натурального каучука 2,5, для специальных сортов резины 3,5...4.

Высота резинового элемента

h=Д /e, (1.14)

где Д - абсолютная деформация резины, равная перемещению автомобиля при остановке.

Площадь горизонтального сечения резинового элемента равна W/h. Обычно применяют несколько блоков (рисунок 20, б), имеющих квадратную форму со стороной квадрата зЧh, где з =1...2. Тогда W/h=2ЧnЧз²Чh², где n - число энергопоглощающих элементов. Отсюда число элементов

n= W/(2Чh³Чз²)=2ЧmЧv²Ч e/(2ЧG_рЧ з²ЧД³). (1.15)

Элементы, работающие на сдвиг, удобны тем, что их жесткость не зависит от направления перемещения бампера при ударе. Наиболее приемлемым оказался для них материал, синтезированный на основе этиленпропиленовых соединений.

В пневматических и гидравлических амортизирующих элементах энергия удара поглощается при сжатии газа или перетекании жидкости через дросселирующие отверстия. Схема бампера с гидропневматическим амортизатором показана на рисунке 1.21, а. На кузове автомобиля установлен цилиндр 6 с гильзой 2, соединенной с корпусом 9. Поршень 7 закреплен на штоке 4 с конической передней частью. Между корпусом 9 и штоком 4 имеется кольцевое дросселирующее отверстие 3. Задний конец штока жестко укреплен на кузове автомобиля. Полости 5 корпуса бампера и цилиндра заполнены вязкой жидкостью (глицерином, минеральным или силиконовым маслом), а полость 8 - инертным газом, например азотом. Утечки предотвращаются уплотнениями 1. При ударе корпус 9 перемещается назад, и поршень 7 сжимает газ. Одновременно гильза 2 вдвигается в цилиндр 6, вытесняя жидкость через дросселирующее отверстие в полость, расположенную за поршнем. Благодаря конической форме штока расход жидкости через отверстие 3 уменьшается при перемещении корпуса 9, скорость поршня снижается в каждую секунду на одну и ту же величину, и автомобиль движется с постоянным замедлением. Процесс замедления автомобиля при этом эквивалентен процессу замедления при постоянной силе сопротивления гидравлического элемента

Рисунок 1.21 Безопасный бампер с гидропневматическим амортизирующим элементом: а - схема бампера; б - характеристика бампера; 1 - уплотнение; 2 - гильза; 3 - дросселирующее устройство; 4 - шток; 5 - полость корпуса бампера; 6 - цилиндр; 7 - поршень; 8 - полость; 9 - корпус бампера

P=MЧv/(2ЧSЧn), (1.16)

где v₀ - начальная скорость удара;

S - перемещение автомобиля во время удара;

n - число гидравлических элементов.

Характеристика бампера - зависимость между деформацией и замедлением - имеет форму, близкую к прямоугольнику (штриховая линия на рисунке 1.21, б). Количество энергии, поглощаемой бампером при такой форме характеристики, максимально. Для автомобиля массой 2040 кг при v₀=22,4 м/с и n=2 удалось получить перемещение в процессе удара, равное всего 0,76 м, при этом 0,3 м -- ход поршня, а 0,46 м - деформация рамы. Сила, действующая на бампер, составила 80,3 кН, а среднее замедление 33,4Чg, что значительно ниже предельных значений. При давлении около 4 мПа диаметр поршня равен 11 см, что вполне приемлемо по конструктивным соображениям. После удара инертный газ в полости 8 увеличивается в объеме и корпус возвращается в исходное положение. Иногда вместо газа используют спиральную или тарельчатую пружину, однако они недостаточно долговечны.

Во время наезда автобуса или грузового автомобиля пешеход отбрасывается в сторону. При наезде же легкового автомобиля пешеход сначала падает на капот и некоторое время движется вместе с автомобилем, после чего падает на дорогу. Смертельный исход в обоих случаях наступает при скорости автомобиля около 11 м/с.

Для уменьшения травматизма предложены защитные приспособления, удерживающие пешехода после удара и предохраняющие его от падения на дорогу. При срабатывании такого приспособления в первой стадии наезда (через 0,2...0,3 с) пешеход забрасывается на капот автомобиля. После начала торможения автомобиля пешеход, продолжая двигаться с приобретенной скоростью, сползает вперед по капоту и падает вниз. Защитная сетка начинает автоматически выдвигаться примерно спустя 0,2 с после удара. Через 1 с выдвижение ее полностью заканчивается, и сетка принимает падающего человека.

На рисунках 1.22 и 1.23 показана защитная рамка, устанавливаемая на некоторых английских автомобилях. При ударе бампера 1, изготовленного из эластичной резины, срабатывает датчик и из углубления по периметру капота поднимается рамка 2, подхватывающая пешехода и удерживающая его в этом положении. Рамка во время испытаний удерживала манекен при скоростях автомобиля до 7 м/с.

Защитная рамка приводится в действие гидравлическим цилиндром 1, расположенным вертикально (рисунок 1.24, а) или горизонтально (рисунок 1.24, б). Последняя конструкция более громоздка, поэтому ее рекомендуют применять в автомобилях с задним расположением двигателя. После удара и срабатывания датчика шток 2 цилиндра выдвигается и непосредственно (рисунок 1.24, а) или через систему рычагов (рисунок 1.24, б) давит на переднюю часть рамки 4 с облицовкой 5 из мягкого пластика. Рамка освобождается от защелки 3 и, поворачиваясь относительно шарнирной опоры 6, поднимается, подхватывая пешехода и удерживая его на крыше 7 капота.

Отработка отдельных элементов автомобиля, повышающих его пассивную безопасность, ведется во многих странах мира. Внедрение наиболее удачных конструктивных решений в продукцию массового производства способствует дальнейшему снижению аварийности на автомобильном транспорте и созданию прототипов специальных безопасных автомобилей [23, 24, 25].

Рисунок 1.22 Автоматическая защитная рамка: 1 -- бампер; 2 -- рамка



Рисунок 1.23 Схема работы защитной рамки

Рисунок 1.24 Схема привода защитной рамки: 1 - цилиндр; 2 - шток; 3 - защелка; 4 - рамка; 5 - облицовка рамки; 6 - шарнирная опора; 7 - крышка капота

2. Эксплуатационные качества автомобиля, обеспечивающие пассивную безопасность

2.1 Виды ДТП, травмобезопасность элементов автомобиля, выдерживаемые человеком нагрузки

Основными видами ДТП являются фронтальные и боковые (прямые или косые) столкновения автомобилей, прямой или косой наезд на движущийся или стоящий автомобиль и опрокидывание (рисунок 2.1). В результате столкновений при ДТП размеры пассажирского помещения («пространство выживания») уменьшаются в ряде случаев до опасных пределов, находящиеся в автомобиле люди испытывают перегрузки, иногда превышающие критические значения, получают травмы отдельных частей тела, при перемещении под действием замедления и при ударах об стенки салона. Возможны также случаи выпадения людей из салона автомобиля с последующим тяжелым травмированием.

Рисунок 2.1 Наиболее распространенные типы ДТП: а - встречное столкновение; б - наезд сзади на движущийся в том же направлении автомобиль; в - наезд на неподвижный автомобиль сзади; г - то же, спереди; д - наезд сбоку на движущийся (неподвижный) автомобиль; е - наезд на неподвижное препятствие; ж - боковой удар о неподвижное препятствие; з - опрокидывание на горизонтальной поверхности; и - то же, при съезде колес одной стороны с опорной поверхности дороги

Данные, полученные в результате анализа ДТП специальными центрами, позволили выявить наиболее характерные виды ДТП, их долю в общем числе аварий и травмоопасность отдельных элементов автомобиля. Так по данным США на лобовые столкновения приходится 56,5% от общего числа аварий, а число наездов на автомобиль сзади равно 7,8%. При этом 48,9% от общего числа лобовых ударов составляют взаимные столкновения автомобилей и 12,6% - столкновения с препятствиями. 50% лобовых ударов происходит со скоростью, меньшей чем 65 км/ч [8].

Группа по исследованию ДТП при Бирмингемском университете, организованная в 1995г., изучила на месте сразу после возникновения 636 ДТП, из которых 482 произошли в городах, а 154 - на автострадах.

Это соотношение, как считается, характерно для Англии. В ДТП участвовало 1049 автомобилей, из них 76 % легковых (таблица 2.1).

Из таблицы 2.1 следует, что лобовые удары, если включить сюда повреждения передних углов автомобиля, составляют примерно 50%, боковые удары - около 25%; удары в задок и опрокидывание - до 10% от общего количества.

Хотя боковые удары составляют относительно небольшую часть, процент повреждения людей, находящихся в автомобиле, при этом весьма велик. Это объясняется тем, что при боковом ударе люди, находящиеся в автомобиле, расположены гораздо ближе к «орудию» удара и слабее защищены от него, чем при фронтальном ударе.

Таблица 2.1. Распределение ДТП по отдельным районам в зависимости от зон удара на автомобиль

Зона удара	Доля ДТП, приходящаяся на отдельные районы, % от общего количества	Всего, % от общего количества
	Город	Пригород	Автострады
Передняя часть Передние углы Боковые поверхности: правой стороны левой стороны Задняя часть Крыша и боковины при опрокидывании	32,9 22.9 17,9 11,1 9,4 5,8	28,4 22,5 15,7 10,1 9,4 5,8	21,0 15,8 20,2 5,3 5,3 32,4	31,4 22,6 17,0 10.2 9,8 9,0

В таблице 2.2 даны сведения о предметах, с которыми произошли столкновения.

На рисунке 2.2 приведены данные по травмам на американских автомобилях, полученные в США. На основе этих данных исследовались возможности человеческого организма противостоять нагрузкам, возникающим при ДТП.

Таблица 2.2. Сведения об объектах, с которыми произошло столкновение при ДТП

Объект, с которым произошло столкновение	Доля ДТП, приходящаяся на отдельные районы, % от общего количества	Всего, % от общего количества
	Город	Пригород и автострады
Автомобили Пешеходы Оборудование улиц (в основном фонарные столбы) Деревья Канавы, насыпи, стенки. изгороди	78,2 12,4 5,4 2,3 6,7	70,8 0,9 4,9 2,0 21,8	72,6 9,4 5,3 2,2 10,5



Рисунок 2.2 Степень опасности различных узлов автомобиля в отношении травмирования водителя и пассажиров.

Установленные в процессе исследований величины нагрузок, выдерживаемых человеческим организмом, и вызываемые ими повреждения приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Величины нагрузок, выдерживаемых человеческим организмом, и вызываемые ими повреждения

Часть тела человека	Нагруз-ка, Н	Допустимое замедление, м/с2	Время воздей-ствия, мс	Предполагаемые повреждения
Лицо Колено Голова (череп) Грудь	90 225 90 400	40 20 110 75 50 60	30 30 4 8 30 110	Повреждение тканей лица, возможен перелом костей Перелом коленных чашечек Легкое или среднее сотрясение мозга Излечимые внутренние повреждения

Установлено, что выдерживаемая человеческим организмом нагрузка тем выше, чем меньше время ее воздействия, и зависит от степени подготовленности людей к ее восприятию. Например, сознательное напряжение мышц перед ударом позволяет выдерживать усилие 3720 Н и воспринимать до 55% общей нагрузки на организм.

Подразделяя последствия фронтального удара на три категории (восстанавливаемые изменения жизненных функций, невосстанавливаемые, но позволяющие жить травмы и функциональные повреждения и немедленная или последующая смерть), известный исследователь безопасности автомобиля П. Стап предложил два диапазона скорости автомобиля в момент фронтального столкновения для оценки его последствий: до 48 км/ч (допустимый диапазон) и до 96 км/ч (диапазон выживания -- возможность оставаться живым лишь при наличии на автомобиле устройств, повышающих безопасность: ремни безопасности, безопасная рулевая колонка, мягкая панель приборов и т. п.).

2.2 Фронтальный удар и удар сзади

Как уже указывалось, основным видом ДТП являются фронтальные удары автомобилей в препятствие (56,5% от общего количества аварий). Из этого числа 48,9% составляют взаимные лобовые столкновения автомобилей, 12,6% столкновения автомобилей с препятствиями, 7,8% лобовые столкновения при наезде автомобиля на заднюю часть другого автомобиля.

Испытание автомобиля ударом в неподвижное препятствие (железобетонный блок) показано на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Испытание автомобиля на удар о неподвижное препятствие

Учитывая значительную стоимость и большой объем работ по подготовке и проведению ударных испытаний (стоимость одного испытания равна примерно тройной стоимости нового автомобиля), сделаны многочисленные попытки математического моделирования процесса удара автомобиля в неподвижное препятствие.

Теоретические и экспериментальные исследования поведения автомобиля при искусственно создаваемом столкновении с неподвижным препятствием позволили получить необходимые сведения о характере деформации кузова при фронтальном ударе, а также данные об эффективности защиты находящихся в нем людей при применении различных конструкций передней части и корпуса кузова.

В результате этих исследований была определена деформация передней части (и задней части при ударе сзади) кузова, при которой пассажирское помещение в процессе столкновения имеет наименьшую деформацию, а замедления частей тела водителя и пассажиров, пользующихся ремнями безопасности с креплением в трех точках, не превышают допустимых пределов.

Оптимальный характер деформации кузова при фронтальном ударе и ударе сзади показан на рисунке 2.4. Примерами ранних конструктивных решений, вводившихся для обеспечения оптимальной жесткости передней части автомобиля рамной конструкции, являются введение усилителей переменного сечения в верхней части передка автомобиля и изменение соединения передних лонжеронов с поперечиной (рисунок 2.5), разработанные фирмой «Ford». Этой же фирмой разработана рама, передние части лонжеронов которой имеют S-образную форму (рисунок 2.6).



Рисунок 2.4 Оптимальный характер деформации передней и задней частей автомобиля соответственно при наезде на препятствие и при ударе сзади

ЕЭК ООН были приняты Правила №32 в отношении поведения конструкции транспортных средств при ударе сзади и Правила №33 в отношении поведения конструкции транспортных средств при лобовом столкновении.

При измерении после испытания по Правилам №32 остаточного пространства с помощью трехмерного объемного манекена определяется величина продольного перемещения вертикальной проекции на пол точки R(H) самого заднего места для сиденья по отношению к исходной точке, выбранной на недеформированной части конструкции транспортного средства.

Продольное перемещение указанной точки не должно превышать 75 мм. Более подробно методика оценки безопасности конструкции автомобиля методом наезда сзади описана в работе [9].



Рисунок 2.5 Конструктивное выполнение передней части автомобиля, обеспечивающее получение оптимальной величины деформации: 1 - верхние усилители передних крыльев; 2 - усилители панели капота; 3 - усилители панели капота; 3 - усилители крепления кузова к раме (четыре); 4 - усилитель щита передней части; 5 - перевернутый кронштейн крепления кузова; 6 - косынки

Рисунок 2.6 Рама с S-образными лонжеронами фирмы «Ford»: 1 - после удара; 2 - до удара

2.3 Боковой удар

Для снижения тяжести травм при боковом ударе на американских автомобилях была повышена жесткость боковых дверей введением продольного элемента, состоящего из двух спаренных между собой штамповок из листа толщиной 1,75 мм, образующих коробчатое сечение шириной 50,8 мм и высотой 203 мм (рисунок 2.7), что увеличило массу двухдверного кузова примерно на 21,7 кг, а четырехдверного - на 22,2 кг.

Рисунок 2.7 Усиливающий брус боковой двери, поглощающий энергию бокового удара: а - схема расположения брусьев; б - сечение бруса; в - конструкция двери с усиливающим брусом

2.4 Опрокидывание. Прочность и надежность замков и петель дверей

По данным группы исследования ДТП при Бирмингемском университете (Англия) за 1995 г. Около 9% от общего числа аварий составили ДТП, в результате которых произошло опрокидывание с повреждением при этом крыши и боковины автомобиля. Наибольшее число опрокидываний произошло на автострадах при движении с высокими скоростями, что привело в результате ДТП к тяжелым травмам водителей и пассажиров.

Повышение безопасности при опрокидывании достигается применением закрытых коробчатых сечений в зоне ветровых и задних окон и жестких связей между центральными стойками. В связи с этим сейчас уменьшается количество открытых автомобилей, а новые модели их имеют декоративно оформленные дуги закрытого сечения над головами пассажиров.

Учитывая, что пассажиры, оставшиеся при опрокидывании в автомобиле, имеют менее серьезные повреждения, чем выпавшие из него, помимо повышения требований к замкам по восприятию ими поперечной нагрузки, появилось требование в отношении того, чтобы замок двери воспринимал и продольную нагрузку, возникающую при деформации дверного проема.

В Правиле №11 ЕЭК ООН предусмотрено, что элементы замков и петель дверей не должны разъединяться при приложении продольной нагрузки, равной 11340 Н (или 4540 Н, если ротор замка находится в зацеплении только с внешним зубом защелки).

Предусматривается также, что ротор замка не должен освобождаться из полностью защелкнутого положения и допускать открывание двери под действием направленной продольно или поперечно инерционной нагрузки, равной 30Чg.

3. Требования к пассивной безопасности автомобилей

3.1 Требования к пассивной безопасности пассажирского помещения легкового автомобиля

Исследование последствий ДТП позволило выделить элементы пассажирского помещения, являющиеся наиболее частой причиной травмирования водителя и пассажиров.

На основании полученных данных, а также сведений о переносимых человеческим организмом ударных нагрузках, были разработаны требования к безопасности пассажирского помещения легкового автомобиля. Максимальный эффект, как показывает анализ ДТП, достигается при применении комбинированных ремней безопасности. Однако установка их не решает полностью задачи по защите находящихся в автомобиле людей от травмирования при ДТП. В настоящее время имеется ряд официальных требований, касающихся элементов внутреннего оборудования, которые практически идентичны друг другу.

Правила №21 ЕЭК ООН, касающиеся предметов внутреннего оборудования и частей механических транспортных средств, также во многом совпадают с этими требованиями.

Требования федерального стандарта США №201 в отношении панелей приборов исходят из того, что при ударе о них пассажира, сидящего справа, наиболее важным показателем является пиковое замедление частей тела человека и, в первую очередь, его головы.

Стандартом №201 предусмотрено аналогичное требование и в отношении спинок передних сидений (о которые может удариться пассажир, сидящий сзади) а также противосолнечных козырьков

Зоной возможного удара головой о панель приборов в соответствии с Правилами №21 ЕЭК ООН считается вся верхняя поверхность панели приборов, ограниченная справа стойкой ветрового окна, слева -- окружностью обода рулевого колеса, увеличенной по периферии полосой шириной 127 мм. Передней линией зоны возможного удара головой о панель приборов является нижняя линия проема ветрового стекла; сзади она ограничена задним контуром панели приборов. В эту зону не включаются стойки ветрового окна.

Ширина зоны удара головой пассажиров, сидящих сзади, о передние раздельные сиденья ограничивается Правилами №21 ЕЭК полосами шириной 10 см (4'') по обе стороны от оси задней поверхности каждой спинки передних раздельных сидений или вертикальными продольными плоскостями, проходящими на расстоянии 10 см (4'') от оси каждого крайнего места переднего нераздельного сиденья.

Приведенные в литературе данные свидетельствуют о том, что алюминиевые панели приборов, имеющие арматуру из проволочной сетки, а также панели с мягкими накладками (даже значительной толщины, но не имеющие арматуры), малоэффективны с точки зрения снижения пикового замедления при ударе. Лучшие результаты при испытаниях получены на панелях приборов, изготовленных из тонколистовой стали, имеющих большое число узких прорезей, большое расстояние между опорами и большие радиусы кривизны поверхности.

Твердые выступающие детали в салоне автомобиля рассматриваются стандартом №201 и Правилами ЕЭК ООН как источники травм. В связи с этим оговорены размеры выступающих частей и минимальная площадь поверхности в зоне возможного удара. Например, различные рукоятки не должны выступать из панели приборов более чем на 9,5 мм при приложении к панели усилия 40,8 Н в направлении удара головой. При выступании от 3,2 до 9,5 мм над поверхностью панели хотя бы одно поперечное сечение выступа должно иметь площадь не менее 2 см². Если же рукоятки выступают более чем на 9,5 мм, то они должны или утапливаться до этой величины при усилии 408 Н или отламываться без образования острых кромок; сечение на расстоянии 6,5 мм от наиболее выступающей точки должно иметь площадь более 6,5 см².

Для удовлетворения требований безопасности рукоятки управления на панелях приборов и ручки дверей и стеклоподъемников располагают в утопленных нишах или делают эластичными.

Для предупреждения травм селезенки и печени водителя и пассажиров при боковом ударе стандарт №201 требует обеспечения деформации подлокотника в боковом направлении не менее чем на 50 мм. Если же подлокотник деформируется менее чем на 38,1 мм, то его жесткая арматура должна иметь ширину по вертикали не менее 25,5 мм, а верхние и боковые края ее должны иметь радиусы более 19 мм.

Подлокотник должен перекрывать по высоте поверхность таза пассажира более чем на 50,8 мм.

Правила №21 ЕЭК ООН устанавливают требования к нижней поверхности крыши, с которой может соприкасаться шар диаметром 165 мм. Эта поверхность не должна иметь направленных вниз поверхностей и острых кромок; ширина выступающих частей должна быть больше высоты выступа, а его радиусы должны быть более 5 мм. Ребра жесткости и планки на внутренней поверхности крыши не должны выступать вниз более чем на 19 мм. Если не удовлетворяются эти требования, то поверхности должны быть покрыты материалом, рассеивающим энергию удара. Установлены также требования к открывающейся крыше и к мягкому тенту.

Определенный процент травм зарегистрирован при ударе пассажира или водителя о внутреннее зеркало заднего вида (см. рисунок 2.2). В связи с этим американским стандартом №111 предусмотрено, что в случае, когда зеркало расположено в зоне удара головой, крепление его должно быть таким, чтобы под действием усилия 408 Н в переднем или боковом направлении, при повороте в любой плоскости на 45є вверх или вниз от горизонтали, зеркало должно отламываться без образования острых кромок или же отклоняться далее. В то же время крепление должно обеспечивать устойчивое изображение в зеркале. Для удовлетворения этого требования на американских, а также на многих европейских автомобилях зеркала крепят к кузову посредством шарового шарнира («Москвич-2140»), пластмассовыми срезающимися винтами или применяют другое безопасное крепление.

Жесткие и в то же время противоречивые требования предъявляются к ветровым стеклам: с одной стороны - высокое сопротивление действию ударных нагрузок (во избежание порезов при аварии), с другой - достаточная упругость, позволяющая смягчить травмы головы и позвоночника. Этим требованиям удовлетворяет стекло типа триплекс, чем обусловлено широкое применение его в Европе.

На защитные свойства триплекса влияют толщина промежуточного слоя и способ крепления стекла к кузову. Если раньше промежуточный слой выполнялся толщиной 0,38 мм, то сейчас применяют стекло с новым химическим составом и толщиной слоя 0,75 мм. По имеющимся данным безопасные свойства стекла с плавающим креплением через резиновый уплотнитель гораздо выше, чем при жестком креплении при помощи мастики, так как в первом случае стекло при ударе по инерции несколько смещается вперед, что снижает скорость удара головой о стекло примерно на 20%.

Серьезные требования предъявляются к сиденьям автомобилей. В Правилах №17 ЕЭК ООН содержатся конкретные критерии прочности сидений, шарниров спинок и крепления их к полу кузова.

При ударе в автомобиль сзади, в том случае если спинка или запирающее устройство ее шарнира имеют недостаточную жесткость, спинка сиденья отклоняется назад и тело пассажира скользит по ней вверх, что может привести к травмам позвоночника. В связи с этим в американском стандарте №207 и в шведском требовании №10 предусмотрено, что спинка сиденья и запирающее устройство ее шарнира должны выдерживать приложение момента, равного 380 НЧм.

Крепление сиденья испытывается приложением в центре его тяжести горизонтальных усилий, направленных вперед и назад, равных двадцатикратному весу сиденья. При этом шарнир спинки сиденья может разгружаться дополнительным креплением спинки к основанию сиденья. Правилами предусмотрено также, что рукоятка блокировочного устройства, позволяющего перемещать вперед спинку переднего сиденья (или само сиденье) для более удобной посадки на заднем сиденье, должна быть доступна как пассажиру, сидящему на этом сиденье, так и пассажирам, сидящим сзади. Блокировка не должна нарушаться при воздействии как вперед, так и назад горизонтального продольного ускорения величиной 20Чg.

3.2 Требования к пассивной безопасности кабины грузового автомобиля

ЕЭК ООН были приняты Правила №29. касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты лиц, находящихся в кабине грузового транспортного средства в случае лобового удара, опрокидывания или перемещения груза, находящегося в кузове.

Правила применяются только к грузовым транспортным средствам, наибольшая масса которых превышает 7000 кг, и приравненным к ним транспортным средствам, но не относятся к тракторам и сельскохозяйственным машинам.

В соответствии с пунктом 5 Правил №29 кабина должна быть сконструирована и укреплена на транспортном средстве таким образом, чтобы в случае ДТП устранить полностью или снизить опасность ранения находящихся в ней лиц.

3.3 Требования к пассивной безопасности места водителя

Основные размеры, система демпфирования и подрессоривания, свойства обивочного материала, формы подушки и спинки сиденья водителя автобуса, а также расположение сиденья в кабине и его регулировки регламентируются стандартами. Расстояние от подушки до пола (при нагрузке 750 Н) должно быть в пределах ±50 мм, глубина сиденья 400...480 мм, ширина подушки не менее 450 мм, высота спинки не более 530 мм. Сиденье должно иметь регулировку по высоте в пределах ±50 мм, и «вперед - назад» в пределах ±80 мм. Стопорные устройства не должны допускать самопроизвольного изменения положения сиденья во время движения, при резком замедлении или аварии. Сиденье, детали его крепления, регулировочные и стопорные устройства должны выдерживать в направлении вперед или назад статическую нагрузку, равному двадцатикратному весу сиденья в сборе; статический момент, равный 500 НЧм относительно задних точек крепления оснований сиденья, направленный назад.

Стопорные устройства механизма регулировки спинки должны не раскрываться и без поломок, выдерживать нагрузку, равную двадцатикратному весу спинки в сборе. При креплении ремней безопасности к спинке стопорные устройства механизма регулирования спинки должны выдерживать одновременно с указанной нагрузкой и нагрузку, которую должны выдерживать ремни безопасности.

Поверхность панели приборов в зоне возможного удара не должна иметь острых углов и выступающих кромок, могущих увеличить тяжесть последствий удара. Под зоной возможного удара подразумевается поверхность панели приборов за исключением полос шириной 127 мм, около проекции рулевого колеса на панель приборов, а также и около боковых стенок кабины. Все поверхности, находящиеся в поле зрения водителя, не должны давать бликов. Нижний край панели приборов, если он не выполнен из энергопоглощающего материала, должен быть закруглен радиусом не менее 19 мм. Рычаги, кнопки, переключатели и другие детали, расположенные на панели приборов в зоне возможного удара и выступающие над поверхностью панели до 9,5 мм, должны иметь широкие головки с закругленными краями; сечение их на расстоянии не более 2,5 мм от наиболее выступающей части должно иметь площадь не менее 200 мм², а радиус скругления краев - не менее 2,5 мм. При выступании над поверхностью панели более 9,5 мм эти детали должны утапливаться, отгибаться или отсоединяться до выступания 9,5 мм под действием усилия 380 Н, приложенного в направлении удара и не иметь при этом опасных выступов. Освещение панели приборов не должно ослеплять водителя.

3.4 Ремни безопасности

Анализ аварий автомобилей и имитация их столкновением автомобиля с находящимся в нем манекеном с неподвижным препятствием позволили установить, что вслед за ударом автомобиля в препятствие (первичный удар) происходит удар находящегося в автомобиле человека (манекена при имитации) об элементы пассажирского салона (вторичный удар).

При существующих размерах передней части легковых автомобилей и расстояниях от частей тела человека до внутренних панелей кузова погасить полностью энергию первичного удара, не превышая допустимые для человека нормы действующих на него замедлений, не удается. Для того чтобы величины замедлений не превышали допустимых пределов, необходимо было бы обеспечить деформацию передней части кузова автомобиля на длине около 750 мм при скорости в момент удара 50 км/ч. Еще труднее, не превышая допустимые величины замедлений, погасить энергию бокового удара или опрокидывания. В этих случаях длина, на которой возможна деформация боковых элементов панелей кузова, и расстояния от частей тела человека до них крайне малы. Поэтому для исключения или хотя бы снижения тяжести травм водителя и пассажиров в результате удара на автомобилях начали применять ремни безопасности, удерживающие человека от перемещений в направлении удара.

Вначале применяли только поясные набедренные ремни, концы которых закрепляли на полу кузова. Поскольку эти ремни не удерживают корпус пассажира, то он мог свободно перемещаться в момент удара по дуге. В некоторых случаях при этом было зарегистрировано даже большее, чем без поясного ремня, замедление головы. Позднее получили распространение диагональные плечевые ремни, один конец которых закрепляют на полу, а второй -- на верхней части стойки. Выше плеча пассажира. Однако эти ремни были эффективны только при опрокидывании автомобиля.

Наилучшие результаты дает одновременное использование поясного и диагонального ремней.

Расстояния между точками крепления поясного ремня не должно быть меньше 350 мм. Точки крепления плечевого ремня должны выдерживать нагрузку не менее 22940 Н, а поясного - 22680 Н.

Чем плотнее прилегает ремень к телу человека, тем эффективнее он «работает», так как при сильных ударах даже плотно прилегающий ремень за счет некоторой его эластичности позволяет телу пассажира переместиться на 200...300 мм в направлении удара.

За последние годы получили распространение ремни с втягивающими устройствами, в частности, с инерционными катушками (которые позволяют человеку относительно свободно делать обычные движения по управлению автомобилем), срабатывающие только при высоких значениях ускорения, свыше 0,4Чg. Однако, наряду с частичным уменьшением неудобств, системы ремней с втягивающими устройствами обладают рядом недостатков. Несмотря на незначительные усилия втягивания ремня в катушку, при длительной непрерывной езде с ремнями, имеющими втягивающее устройство, создается неприятное ощущение от постоянного притягивания человека к спинке и подушке сиденья. Кроме того, эти системы допускают при обычных (с ускорением менее 0,4Чg) движениях удаление человека от спинки и подушки сиденья на всю длину ремня. Если в момент, когда человек вынул лямку из катушки на значительную длину, произойдет столкновение с препятствием или опрокидывание автомобиля, то ремень уже не будет его удерживать.

В связи с этим продолжаются разработки новых, более удобных систем ремней, а также других способов защиты людей, находящихся в автомобиле, от ударов о внутренние панели пассажирского помещения, которые не зависели бы от желания или нежелания водителя и пассажиров применять их.

3.5 Влияние требований к безопасности автомобиля на его массу

Минимальные наружные и максимальные внутренние размеры кузова являются необходимым условием достижения малой массы автомобиля. У легковых автомобилей почти всегда применяют несущий кузов. С точки зрения обеспечения прочности, на первый взгляд, представлялось бы правильным, чтобы большей массой обладала часть кузова между осями, а передняя и задняя части были бы легче. Однако это правило действительно лишь отчасти. К этим частям кузова, называемых свесами, предъявляются особые требования, обусловленные необходимостью безопасного движения. В случае аварии эти части кузова должны за счет пластической деформации уменьшить воздействие на пассажиров, возникающее при столкновении больших значений отрицательного ускорения. Деформирующиеся зоны передней и задней частей кузова должны обеспечивать прогрессивную деформацию при ударе, что требует применения кузовных элементов специальной конструкции, в том числе для крепления бамперов, и поэтому масса этих частей мало отличается от массы средней части кузова.

При лобовом столкновении необходимая большая пластическая деформация передней части кузова обеспечивается отсутствием в ней особо жестких элементов, препятствующих деформации. Пластическая деформация распространяется вплоть до передних колес, поэтому с точки зрения повреждаемости двигателя и радиатора желательно, чтобы они не выходили за переднюю границу колес. Картер рулевого механизма должен быть помещен в специальном защищенном пространстве. Перемещение рулевой колонки внутрь кузова часто бывает причиной опасных травм грудной клетки водителя, поэтому величина этого перемещения строго ограничена и определяется при испытаниях на столкновение. Между рулевым колесом и рулевым механизмом управления устанавливается элемент, способный быстро передавать крутящий момент, но не переносить осевое усилие. И при использовании таких деталей можно достичь экономии массы, например, путем замены двух шарниров тонкостенной трубой из перфорированной стали, деформирующейся при осевой нагрузке, вызываемой столкновением.

Пластическая деформация передней части кузова является хорошей защитой пассажиров, но требует последующего дорогостоящего ремонта. Именно этот вид ремонта составляет, как правило, большую часть загрузки автомастерских и недешев для владельца. Поэтому конструкторы стремятся создать бампер, который поглощал бы энергию при небольших столкновениях, не передавая ее на кузов и тем самым не повреждая последний.

Бампер должен достаточно выступать перед кузовом, чтобы при ударе переместиться и поглотить значительную энергию без ее последующего высвобождения. Такая функция обеспечивается или пластическим элементом, который после деформации заменяется, или жидкостным трением, как в амортизаторе. Во втором случае бампер медленно возвратится в первоначальное положение.

Рисунок 3.1 Амортизирующий бампер автомобиля. Ход амортизатора 80 мм

Схема такого бампера показана на рисунке 3.1. Он прикреплен к поршням, входящим в заполненные маслом цилиндры. В выдвинутом положении поршни удерживаются пневматической пружиной, и перетекание масла в цилиндрические пустоты поршней обеспечивается наличием отверстия, площадь которого регулируется коническим штифтом, входящим в отверстие. Большое сечение кольцевого отверстия способствует тому, что в начале движения сопротивление перетеканию масла незначительно, но по мере вхождения штифта в отверстие площадь кольца уменьшается и сопротивление быстро возрастает.

После удара бампер медленно возвращается в первоначальное положение.

Передний бампер с устройствами амортизации и ребрами жесткости в кузове увеличивает массу автомобиля и его длину. В меньшей мере это же относится и к заднему бамперу.

Защита против боковых ударов обеспечивается достаточной толщиной дверей, деформация которых уменьшает воздействие удара на пассажиров. При этом необходимо обеспечить открывание дверей после деформации. Все это вызывает увеличение массы и ширины автомобиля.

4. Нормирование экологических качеств автотранспортной техники в условиях Республики Казахстан

4.1 Нормирование экологических качеств автомобилей

Существуют два подхода к нормированию выбросов вредных веществ в атмосферу от автотранспорта.

Первый заключается в регламентировании концентрации или абсолютных величин выбросов отдельных токсичных компонентов отработавших газов на конкретном режиме работы двигателя без какого-либо последующего пересчета или с приведением впоследствии этих выбросов к некоторому показателю, например к единице мощности двигателя или пробега автомобиля. В данном случае нормируемый показатель не может отражать действительных выбросов в атмосферу и служит лишь неким качественным критерием для экологической оценки той или иной автотранспортной техники. Чем больше режимов работы двигателя удается принять в рассмотрение и чем ближе они к реальным в условиях эксплуатации, тем точнее нормативный показатель может отражать действительные выбросы от автомобиля в атмосферу. Такой подход обычно используется эксплуатационниками для диагностики технического состояния систем питания автомобильных двигателей.

Второй подход заключается в выборе так называемого ездового цикла и регламентации вредных выбросов, возникающих в процессе его реализации. В этом случае, естественно, нормируемые параметры более реально отражают выбросы автомобилей в атмосферу. Все зависит от степени соответствия выбранного ездового цикла существующим условиям эксплуатации автомобилей.

Из анализа методов нормирования экологических качеств автомобилей в странах Европы, США, Японии и бывшем СССР вытекают следующие выводы.

Во-первых, существуют, по крайней мере, три наиболее развитые системы нормирования вредных выбросов автомобилей. Это европейская (к ней наиболее тесно тяготеет система нормирования, принятая в бывшем СССР), американская и японская. Общие черты этих систем заключаются в том, что:

· экологические параметры автомобилей оцениваются в испытаниях по ездовым циклам;

· дополнительно регламентируются выбросы отдельных вредных веществ. содержащихся в отработавших газах, при работе двигателя автомобиля на холостом ходу;

· кроме этого, нормированию подлежат топливные испарения и выбросы картерных газов.

Принятые в каждой из этих систем методы определения вредных выбросов отличаются друг от друга преимущественно применяемыми ездовыми циклами. В Японии регламентируется содержание углеводородов в отработавших газах при работе двигателя на холостом ходу. В США на федеральном уровне установлены различные нормативы выбросов для работы автомобилей в нормальных и горных условиях, а в Калифорнии дополнительно введены ограничения на выбросы формальдегида для автомобилей, работающих на смесевых топливах.

Второй вывод заключается в том, что нормы, установленные каждой из систем, различны и зачастую трудно сопоставимы между собой. Нормы США и Японии выглядят несколько «жестче» по сравнению с европейскими. Это объясняется тем, что, например, в США применяется ездовой цикл с более благоприятными (с точки зрения выбросов вредных веществ) режимами работы двигателя.

Существенны расхождения допустимого содержания оксида углерода при работе двигателя на холостом ходу между американскими (0,5%), с одной стороны, и европейскими и японскими нормативами (4,5%) - с другой. Причина здесь кроется в том, что американские автомобили в отличие от европейских и японских уже с середины 80-х годов практически в объемах всего производства оснащаются электронными системами управления впрыском топлива и стандартными системами снижения токсичности отработавших газов, что позволяет применять столь жесткое ограничение.

Анализ нормативов, зафиксированных в межгосударственных стандартах, показывает, что в бывшем СССР, после его присоединения в 1987 г. к Женевскому соглашению, предпринимались шаги по доведению производимой автотранспортной техники до норм, удовлетворяющим мировым требованиям. Отсутствие успеха такой деятельности можно объяснить громоздкостью и государственной зарегулированностью советского автомобилестроительного производства. Другим, не менее важным моментом являлось ограниченное производство современных автомобильных топлив, не содержащих свинцовых добавок, с заданным фрикционным составом и низким содержанием серы. Эти факторы не позволили внедрить передовые технологии в автомобилестроении, что было сделано в свое время в США и практически завершилось сейчас в странах Западной Европы.

Отсюда также следует вполне определенный вывод об отсутствии должного нормативного обеспечения экологической деятельности на автомобильном транспорте в Республике Казахстан.

4.2 Перспективы экологического нормирования

Нормирование экологических качеств автотранспортной техники в условиях Казахстана имеет специфические особенности.

Первое - это отсутствие собственного автомобилестроительного и сколько-нибудь значимого автосборочного производства. В данном случае Казахстан целиком зависит от импортеров автотранспортной техники. А так как в нашей стране принят курс на развитие свободных рыночных отношений, что допускает реализацию автомобилей самых разных производителей, то, очевидно, следует делать выбор из существующих систем оценки экологических качеств автомобилей, либо компилировать наиболее подходящие требования в самостоятельный национальный документ.