Активная и пассивная безопасность. Программируемые зоны деформации
Технический прогресс не стоит на месте! Так, например, сегодня многие автомобили получили особые технологии, благодаря которым их водители могут избежать ДТП либо же, если авария все же произошла, уменьшить тяжесть ее последствий. Конечно, мы говорим о системах безопасности! Они бывают активные и пассивные.
Принято считать, что создателем пассивной системы является европейский конструктор Бела Барени, который, к слову, номинировался на звание Автомобильного инженера века. Основы понимания темы пассивной безопасности он отразил в патенте, который был выдан в 1952 году в Мюнхене.
Так, Барени предложил создавать транспортные средства из трех последовательно расположенных зон: двух зон деформации, располагающихся спереди и сзади, а также жестким каркасом или капсулой посередине, обеспечивающей геометрическую целостность машины. Помимо этого, по мнению конструктора, также обеспечивать большую безопасность авто смогли бы и некоторые другие элементы, например, складывающаяся рулевая колонка и безопасная отделяемая крыша.
С тех пор прошел не один десяток лет. Задумка Барени успешно реализовывается и даже совершенствуется в деталях, однако ее базовые принципы остаются неизменны.
Активная и пассивная безопасность: в чем их отличия?
Как уже упоминалось выше, автомобильная безопасность делится на два вида — активную и уже немного знакомую нам пассивную. Первая представляет собой системы и устройства, позволяющие машине избежать столкновения, а вторая помогает сохранить здоровье и жизнь водителя и пассажиров, если авария все же случилась. И это — главное отличие этих систем между собой.
Современные технологии пассивной безопасности в автомобиле
Помимо «классических» и знакомых каждому водителю средств для смягчения последствий ДТП, к которым можно отнести ремни и подушки безопасности, в борьбу за сохранность водителя и пассажиров вступает электроника. И вот несколько современных технологий, которые уже успели стать настоящими помощниками для многих автомобилистов:
· система распознавания усталости — настоящее спасение для новичков и опытных водителей, которые не могут оценить степень своей усталости;
· функция автоматического торможения при аварии — идеальный вариант для уменьшения негативных последствий аварии. Уже при первичном контакте машины с любым препятствием она сразу же начинает тормозить, чтобы не допустить последующего столкновения;
· ассистент контроля дистанции во время парковки — удивительный помощник, который полностью контролирует дистанцию и помогает водителю безопасно парковаться;
· ABS/ESP/AFU — это особые технологии, которые улучшают поведение машины на дороге в трудных ситуациях. Так, ABS — антиблокировочная система — повышает управляемость машиной на скользком покрытии, таком как снег, лед или мокрый асфальт;
· ESP — система динамической стабилизации машины — отвечает за сохранение траектории движения транспортного средства на высокой скорости или в условиях плохого сцепления колес с дорожным покрытием. Ну а AFU помогает при экстренном торможении;
· HANDS FREE — все, что вам нужно для того, чтобы беспрепятственно и абсолютно законно с точки зрения ПДД говорить по телефону за рулем — это подключить смартфон через Bluetooth к аудиосистеме транспортного средства;
· датчики дождя и света — благодаря такой технологии машина сама решает, в какой момент нужно включить фары или дворники. Это особенно актуально, если вы вдруг въехали в туннель или вдруг резко начал идти дождь или снег.
Программируемые деформируемые зоны и сплавы
Еще один важный элемент пассивной безопасности — это правильный кузов. Для того чтобы достичь его, конструкторы используют несколько методов. Один из них – это лазерная сварка, в результате которой получаются герметичные и ровные швы, делающие кузов максимально надежным и уберегающие его от ржавчины; само же транспортное средство радует высоким уровнем пассивной безопасности.
Второй метод, помогающий получить правильный кузов — это его усиление. Кузов — это сложная конструкция, где для каждого элемента определена эффективная толщина, жесткость и используемый сплав. За счет этого в случае аварии энергия удара поглощается зонами с программируемой деформацией, а жесткие элементы кузова уберегают от печальных последствий для водителя и ее пассажиров.
Еще один немаловажный момент, позволяющий усовершенствовать кузов — это его облегчение. Теперь для его создания применяется листовой алюминий, правда он в основном используется только при производстве определенных деталей: капота, дверей, крышки багажного отсека. Хотя в практике автопрома есть и модели с полностью алюминиевым кузовом, например, в Audi A8 первого поколения кузов без обвеса весил всего 249 кг.
Примечательно, что алюминиевые детали имеют точно такие же характеристики, как и стальные, но при этом они на 60% легче, а в случае столкновении алюминий поглощает на 50% больше энергии, нежели сталь, которая может быть использована для центральных стоек. Правда и стоит он намного дороже.
Еще один важный пункт, которого следует коснуться, обсуждая пассивную безопасность автомобиля — это зоны деформации. Они функционируют по принципу управления энергией удара. Ее поглощает именно внешняя часть авто, тогда как внутренняя, то есть салон, почти не деформируется, уберегая от возможных травм. Достигается такой эффект в результате ослабления внешней части кузова и укрепления его внутренней части балками повышенной прочности. Результаты плановых краш-тестов как раз подтверждают необходимость данной технологии.
Важнейшим элементом пассивной безопасности является исправная тормозная система — чем ниже скорость возможного столкновения, тем меньше ущерб за счет снижения импульса (вспоминаем физику).
Тормозные колодки Ween обеспечат вам безопасность в дороге.
Как работают зоны деформации кузова автомобиля
Разглядывая фотоснимки в «хлам» разбитых в ДТП транспортных средств полувековой давности, многие делают вывод, что автопроизводители стали делать менее надежные и безопасные машины.
Ранее ставка делалась на прочный и жесткий кузов автомобиля, который бы смог выдержать столкновение и не сильно деформировался, не причинив тем самым, большого вреда пассажирам. Но из-за этого все усилия возникающие при ДТП передавались прямо на находящихся в авто людей, что, как правило, и приводило к трагедии.
Так дела обстояли до 1953 года, ибо именно в это время компанией Mercedes-Benz и была создана зона деформации. Один из ее ведущих инженеров, Bela Barenyi, какое-то время занимался данной проблемой и в вышеуказанном году его идея наконец то была претворена в жизнь в концепте Mercedes-Benz Ponton.
В 1967 году, Мерседес Heckflosse стал первой серийной машиной с «зонами деформации».
Хорошо это или плохо, но согласно закону Исаака Ньютона, тело по инерции двигается в том же самом направлении, что и авто и с аналогичной скоростью.
Если, предположим, скорость движения транспорта 80 км/ч, то, естественно, с такой же самой скоростью движутся и люди находящиеся внутри машины, и если транспорт с чем-то столкнется, то их тела будут двигаться по инерции, пока их что-либо не затормозит.
Каким же способом зоны деформации претворяются в жизнь?
Зоны деформации функционируют в полном соответствие с описанным. Расположенные спереди и позади автомашины, они поглощают в момент аварии высвобождаемую энергию, которая и приводит к процессу деформации. Некоторые части транспортного средства спроектированы таким образом, дабы они деформировались. Салон автомобиля усилен сталью с высокой прочностью и множеством балок.
Еще: «зоны деформации» продлевают время столкновения и замедляют остановку машины.
А как же тогда быть если авто совсем маленькое?
Вопрос весьма интересный, поскольку в миниатюрных авто для зон деформации совершенно нет места. Возьмем в качестве примера Смарт. В такой тип машинки вставить зоны деформации совершенно некуда. Но инженеры придумали решение и для аналогичных автомобилей.
Любое поколение Smart основано на капсуле безопасности tridion, ячейки из стали, в которую включены расположенные продольно и поперечно элементы, способные распределить ударную мощь на всю площадь машины. Иным же, не малозначимым компонентом Smart, можно считать «аварийные коробки».
Конструкция Smart предполагает использование спереди и сзади металлических буферов, прикрепленных скользящими трубками к продольным балкам капсулы безопасности.
В 2004 году этот концепт нашел альтернативу классической зоне деформации, состоящую из ячейки, санок и поглотителя. В результате лобового столкновения, транспорт поглощает некоторую часть энергии на размещенную спереди деформируемую часть шасси.
Изготовлены данные компоненты в форме укороченных конусов, дабы иметь возможность рассеивать энергию с помощью поглотителя из металла, передающего энергию удара вдоль лонжеронов.
Неиспользованная энергия, по инерции сдвигает санки вперед, сжимает оба поглотителя между твердой ячейкой безопасности и приборной доской.
Заключение
Так как активная безопасность постоянно усовершенствуется, то значению зон деформации меньше стало уделяться внимания. Но это совсем не значит, что они утратили свою значимость.
Надо сказать больше. Многие производители автомобилей и дальше ее развивают, а некоторые организации стали добавлять очень сложные краш-тесты. Выходит, что соответствовать основным требованиям безопасности стало труднее, что и вынуждает автопроизводителей видоизменять конструкцию и дизайн машин.
Как работают зоны деформации в автомобиле?
Основы современной безопасности автомобилей
Глядя на фотографии автомобилей из прошлого, сделанными из толстостенных и могучих стальных листов, кажется, что современные автопроизводители сделали все от них зависящее, чтобы сделать машины менее безопасными. Толщину стенок металла уменьшили, вес постоянно снижают, это же все несомненно сказывается на прочности, и не в лучшую сторону, скажет обыватель. А посмотрите на фотографии автомобилей 50-х годов в Северной Америке. Огромные автомобили с гигантскими капотами. Разве такой автомобиль возможно было разбить? Риторический вопрос, как нам казалось. Но давайте разберемся по порядку.
Ранний автомобильный дизайн подразумевал жесткие конструкции, которые по замыслам инженеров того времени должны были препятствовать деформации и снижать вероятность травм. Отчасти они были правы. Еще раз взгляните на фотографии аварий тех лет, машины даже в серьезных столкновениях получали минимальные повреждения, минимум деформаций. Хорошо ли это?
Может для жестянщика и хорошо, но вот для пассажиров нет. В большинстве случаев при серьезном столкновении, это приводило к серьезным или даже фатальным последствиям. Слишком велики перегрузки.
Так было до 1953 года, когда на горизонте замоячили первые зоны деформации для автомобилей. Как и за многие другие технологии в автомобильной инженерной мысли, компания, ответственная за создания технологичесих прорывов носила название Mercedes-Benz. Один из инженеров, Бела Барений, занимался в течение продолжительного времени решением этой проблемы и в 1953 году, его идея была реализована в моделе «Ponton» (трехобъемном) Мерседесе (модели серии W120). Первая попытка была удачная, но прошло немало времени, исследований и доработок, прежде чем гуманная технология пошла в серию.
Лишь в 1967 году Mercedes-Benz Heckflosse (также известный как Fintail) стал первым серийным автомобилем в мире с «зонами деформации», функцией безопасности включающей каркас безопасности совмещенный с зонами деформации.
Теория
Нравится вам это или нет, но именно физика может объяснить, почему сминаемые зоны необходимы в автомобиле.
Первый закон Исаака Ньютона гласит, «Объект в движении останется в движении с той же скоростью и в том же направлении, до тех пор, пока на него не подействуют несбалансированные силы».
Например, если транспортное средство едет со скоростью 80 км/ч, то и объекты внутри будут обладать той же скоростью, и, если это транспортное средство резко останавливается (происходит столкновение, мгновенное замедление), тела будут «чувствовать» необходимость продолжать двигаться в том же направлении на скорости 80 км а час, до тех пор, пока что-то не остановит их. Более того, даже если препятствие остановит сами тела, их внутренние органы будут продолжать двигаться с не меньшей скоростью, тем самым вызывая серьезные повреждения.
И еще один важный закон из дебрей физики.
Ньютон также говорил, что сила равна массе, умноженной на ускорение.
Переводя в нашу ситуацию можно сказать, что в результате столкновения, это означает, что сила, действующая на автомобиль и его пассажиров, уменьшается, если время, необходимое для остановки транспортного средства увеличивается.
Так что зоны деформации делают?
Они работают в точном соответствии с двумя законами. Размещенные в передней и задней частях автомобиля, они поглощают энергию при столкновении, возникающей во время удара. Это достигается за счет деформации, то, о чем не слышали в первые 50 лет автомобилестроения. Деформироваться должен не весь кузов автомобиля. В то время как определенные части автомобиля разработаны для того, чтобы деформироваться, пассажирский салон, напротив, усилен с использованием высокопрочной стали и крепких лонжеронов, чтобы предотвратить его разрушение и изменение объема.
Также, зоны деформации замедляют столкновение. Вместо того, чтобы два твердых тела мгновенно сталкивались, зоны деформации увеличивают время до остановки транспортного средства.
Как видите, в общих чертах все очень просто. Деформирующаяся «гармошка» поглощает энергию удара, жесткая сердцевина- скорлупа защищает людей внутри автомобиля. Все прекрасно работает на больших или среднеразмерных автомобилях, с достаточно крупными капотами и большой массой. Но что делать, если автомобиль небольшой? У них тоже есть деформируемые зоны?
Что делать с небольшими автомобилями?
Это очень хороший вопрос, на самом деле. Действительно, маленькие авто не имеют места для зоны деформации. Возьмите Smart для примера. Где же можно разместить зоны деформации на машине, такой как эта? Инженеры нашли для этих автомобилей свое решение.
Все поколения Smart строятся вокруг клетки безопасности Tridion, стального корпуса, который сочетает продольные и поперечные элементы, распространяющие силу удара по большой площади автомобиля. Также, еще одним важным компонентом безопасности Smart является и своеобразная зона деформации.
«Smart Fortwo укомплектован стальными бамперами спереди и сзади, которые прикручены к продольным лонжеронам клетки безопасности с помощью труб скольжения. Они могут быть недорого заменены после незначительных столкновений. При ударах во время парковки или столкновениях на скорости менее 5 км в час урон от аварии не будет заметен вовсе. До 16 км в час, трубы скольжения двигаются для сохранения клетки Tridion от воздействия удара.
При скорости более 16 км в час, клетка безопасности Tridion распределяет силу удара по всей своей поверхности, чтобы рассеять энергию и защитить своих пассажиров (при условии, перпендикулярного удара с захватом всей ширины передней части автомобиля). В задней части Smart’а, коробчатый элемент с запрограммированный деформирующейся областью также сделан из стали, которая сминается так же, как и передние трубы скольжения. При ударе, превышающем определенный порог силы, подача топлива в двигатель прекращается, а центральный замок автоматически разблокируется».
Pininfarina Nido Concept
В 2004 году на концепции Pininfarina была показана альтернатива классической зоне деформации. Nido Concept состоит из 3 основных элементов: клетки, салазок и поглотителя. В случае лобового столкновения, автомобиль поглощает часть энергии при помощи деформируемой передней части шасси, построенного с использованием двух металлических распорок с внутренним пенопластовым поглотителем.
Эти компоненты имеют форму усеченных конусов, чтобы рассеивать энергию по сотовой металлической перегородке, которая, в свою очередь переносит энергию вдоль центрального тоннеля и боковых элементов.
Остальная энергия, благодаря массе манекенов и салазок, сдвигает салазки вперед, и сжимает два сотовых поглотителя между жесткой клеткой и приборной панелью салазок, в результате чего постепенно и контролируемо производится торможение манекенов.
Вставка элементов сотового поглотителя между жесткой клеткой и салазками означает, что при столкновении, кривая замедления для данной системы ниже чем кривая для жесткой ячейки. Этого создатели и добивались.
Вместо заключения
С появлением и постоянным совершенствованием активной безопасности, роль зоны деформации в отношении защиты водителя и пассажиров практически исчезла из поле зрения общественного внимания, но это не означает, что она стала менее важной.
Наоборот, так как большинство автопроизводителей начали продвигать основную идею пассивной защиты еще дальше, роль этого элемента безопасности автомобиля возрастает. В этом им помогают организации типа IIHS, NHTSA или Euro NCAP, которые проводят свои краш-тесты автомобилей, и эти тесты с каждым разом все труднее пройти. Усложняют задачу все более жесткие правила к защите пешеходов. Для этого автопроизводителям приходится создавать особую форму капота, в которую не всегда удобно «ложится» система защиты самих пассажиров автомобиля.
Тем не менее, клетки безопасности стали еще мощнее и технологичнее, благодаря более широкому использованию особо прочный стали и даже армированного углеродным волокном пластика (CFRP).
Вот такая краткая история развития и основные вехи этого важного элемента любого автомобиля, от мала, до велика.
Программируемые зоны деформации автомобиля
Название: Пассивная безопасность автомобиля (Хусаинов, А. Ш.)
3.4.1. зоны программируемой деформации
С точки зрения пассивной безопасности кузов современного автомобиля состоит из двух элементов:
зоны программируемой деформации для гашения энергии удара:
o лобового; o бокового; o сзади;
o при опрокидывании;
o при столкновении с пешеходом для его защиты.
При разработке мероприятий по улучшению пассивной безопасности при наиболее частом и опасном по последствиям лобовом ударе в задачи инженера входит распределить силу удара на всю силовую структуру кузова и попытать- ся растянуть во времени процесс деформации кузова (рис. 3.24). Если больше время остановки автомобиля при столкновении, то меньше ускорения, меньше нагрузки, действующие на пассажиров.
Если в конструкции кузова не предусматривать силовую структуру, то при ударе задняя часть автомобиля «налетает» на переднюю часть, и под уда- ром оказывается салон. Ведь на самом деле стрелки (см. рис. 3.24) надо рисо- вать в обратную сторону: при столкновении передняя часть (бампер) останав- ливается в первую очередь, а остальные части продолжают еще некоторое вре- мя «ехать».
Именно поэтому при лобовом столкновении у автомобиля может деформиро- ваться кузов в задней части – за салоном, и это не будет недостатком конструк- ции, а напротив, позволит распределить энергию удара по большому числу элементов силой структуры.
а) Прогон рамы крыши
Нижняя передняя поперечина
в) г)
Рис. 3.24. Распределение энергии фронтального удара (показано стрелками)
по силовой структуре несущего кузова и раме автомобиля:
а – вид сбоку (VolkswagenPassat B6); б – вид снизу (VolkswagenPassat B6); в – по раме
Volkswagen Crafter; г – через силовой агрегат на раму Volkswagen Crafter
При лобовом ударе в первую очередь нагрузку воспринимает бампер и первая поперечина рамы или (у легковых автомобилей) силовой структуры
2 3
2 3
Рис. 3.25. Силовая структура передней части автомобилей
Volkswagen Golf (а) и Audi Q7 (б):
1 – поперечина; 2 – крашбокс; 3 – лонжерон
Однако поперечина не может работать без крашбоксов, в задачи которых входит гашение энергии слабого удара, а при сильном ударе – дать возможность поперечине перенаправить энергию на второй крашбокс. Поперечина начинает работать (передавать нагрузку на другой лонжерон), если она повернулась в точке сопряжения поперечина–крашбокс. Поперечина начинает работать (пере- давать нагрузку на другой лонжерон), если она повернулась в точке сопряжения поперечина–крашбокс. Тогда средняя часть поперечины оказывается ближе к наружной поверхности удара, что заставляет поперечину выровняться, то есть нагрузить второй крашбокс. Таким образом, два крашбокса и поперечина вместе выполняют функцию перераспределителя энергии с одного лонжерона на два.
Лонжероны так же, как крашбоксы, делают с зонами программированной деформации, но это сложная задача: с одной стороны, лонжерон – несущий эле- мент, на котором закреплен силовой агрегат и передняя подвеска автомобиля.
Рис. 3.26. Места программированной деформации на лонжероне автомобиля Mercedes ML 2011 года:
1 – залом на ребре лонжерона; 2 – подштамповка, изменяющая форму сечения лонжерона;
3 – ручей программированной деформации; 4 – отверстие–концентратор напряжений;
5 – усилитель крыла переменного сечения
От жесткости лонжеронов зависит виброустойчивость кузова и управляемость автомобиля. С другой стороны, при лобовом столкновении жесткий лонжерон не загасит энергию удара, а передает ее на силовой каркас салона, что тот не выдерживает. Поэтому лонжерон должен быть одновременно и жестким, и пла- стичным, что на первый взгляд невозможно (рис. 3.26). На лонжероне выпол- нено множество заломов и концентраторов напряжений, благодаря которым эта деталь «не ломается пополам», а «собирается в гармошку». При этом поглоща- ется значительное количество энергии, достаточное для обеспечения пассивной безопасности при ударе средней силы.
От лонжеронов и усилителей крыльев нагрузка должна быть распределе- на на силовой каркас салона. Эту функцию выполняют стойки А (рис. 3.27), и нижняя поперечина силового каркаса салона (рис. 3.28). Верхняя поперечина моторного щитка играет лишь вспомогательную роль и больших нагрузок не несет.
От стойки А энергия удара перераспределяется на порог (рис. 3.29, а, б) и прогон рамы крыши (3.29, в, г). У автомобилей без крыши порог делают уси- ленным (четырехкамерным).
Стойка В связывает между собой середины порога и прогона рамы кры-
ши, добавляя им прочности (рис. 3.30).
3
Рис. 3.27. Распределение нагрузки на стойку А силового каркаса салона Audi:
а – распределитель нагрузки лонжерон (усилитель крыла) – стойка А; б – левая и правая стойки; в – силовое взаимодействие стойки А с другими элементами:
1 – порог; 2 – прогон рамы крыши; 3 – усилитель крыла
Рис. 3.28. Нижняя передняя поперечина силового каркаса салона Volkswagen Passat B6 (вид снизу спереди):
1 – нижняя поперечина; 2 – центральный туннель
Рис. 3.29. Сечения элементов силового каркаса салона:
а – трехкамерный порог Audi A8 (седан); б – четырехкамерный порог Audi TT (кабриолет);
в, г – прогон рамы крыши соответственно Audi A3 и А6
Рис. 3.30. Сечение стойки В автомобиля Audi А6
Стойка В играет главную распределительную роль при боковом ударе. Так как при ударе сбоку салон меньше всего защищен, то стойка В выполняется из самой прочной стали, что есть в каркасе салона. Благодаря этому стойка спо- собна распределить энергию удара на порог, прогон рамы крыши и централь-
ную поперечину пола салона. От порога нагрузка передается на переднюю, среднюю и заднюю поперечины каркаса салона, а через прогон – на поперечи- ны рамы крыши. Таким образом, энергия передается сразу всему силовому кар- касу салона. Поглотители энергии (крашбоксы) здесь, к сожалению, разместить негде, а энергию гасить надо, и поэтому, таким поглотителем является сам по- рог, а также армированный до центрального тоннеля пол вдоль порога. Немно- го деформироваться от бокового удара может только нижняя часть каркаса са- лона. В верхней части каркаса салона зон деформации нет.
При опрокидывании автомобиля нагрузку воспринимают стойки А, В и С
совместно с рамой крыши, включающей прогоны и три поперечины.
Содержание
Аннотация
Введение
1. безопасность автомобилей
1.1. активная безопасность автомобиля 1.1.1. шины и колеса 1.1.2. тормозное управление 1.1.3. рулевое управление 1.1.4. кинематика подвески 1.1.5. система курсовой стабилизации
1.2. пассивная безопасность автомобиля
1.3. послеаварийная безопасность автомобиля
1.4. контрольные вопросы
2. требования к пассивной безопасности автомобилей
2.1. оценка пассивной безопасности автомобилей с помощью манекенов 2.1.1. общие принципы 2.1.2. манекен hybrid iii 2.1.3. манекен eurosid–1
2.2. сертификационные испытания легковых автомобилей 2.2.1. виды испытаний легковых автомобилей и их компонентов 2.2.2. испытание по правилу еэк оон № 94 2.2.3. испытание по правилу еэк оон №12 2.2.4. испытание по правилу еэк оон №95
2.3. сертификационные испытания грузовых автомобилей 2.3.1. виды испытаний грузовых автомобилей и их компонентов 2.3.2. испытание по правилу еэк оон №29
2.4. сертификационные испытания автобусов 2.4.1. классификация автобусов 2.4.2. виды испытаний автобусов и их компонентов 2.4.3. испытания автобусов по правилу еэк оон №66
2.5. контрольные вопросы
3. обеспечение пассивной безопасности легковых автомобилей
3.1. системы пассивной безопасности
3.2. удерживающие системы 3.2.1. ремни безопасности 3.2.2. тайминг процесса столкновения и подушки безопасности 3.2.3. детские удерживающие системы 3.2.4. системы удержания головы
3.3. безопасность органов управления 3.3.1. рулевая колонка 3.3.2. педальный узел
3.4. ударопоглощающие свойства кузова 3.4.1. зоны программируемой деформации 3.4.2. энергопоглотители (крашбоксы)
3.5. материалы несущих систем
3.6. контрольные вопросы
Предметный указатель
Глоссарий
Библиографический список