БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЯЩЕНКО. В. Ф. Юхименко а. А. Яценко безопасность
 Скачать 3.57 Mb.
|
|
Раздел 3. ПАССИВНАЯ, ПОСЛЕАВАРИЙНАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ 3.1. Пассивная безопасность автомобиля Пассивная безопасность (ПБ) как новое научное направление стала рассматриваться в 60-х гг. XX в. Первые в СССР полномасштабные испы- тания автомобиля на пассивную безопасность были проведены в 1969 г. на Центральном автополигоне в г. Дмитрове Московской области. Интенсивное развитие работ по повышению пассивной безопасно- сти во всем мире, в том числе и в нашей стране, пришлось на 1970-е гг. Система включает в себя пассивную безопасность человека (Ч) – водителя, пассажира, пешехода, транспортного средства/автомобиля (А), дороги (Д). Структурная схема системы обеспечения пассивной безопасности (СПБ) комплекса человек – автомобиль – дорога – среда приведена на рис. 3.1. СПБ ПБА А-П А-А НП-А А-ОУ А-Ч-УСЧ А-Ч-УСГ-Ч ПБД ПБЧ Внешняя ПБ Внутренняя ПБ Рис. 3.1. Структурная схема системы обеспечения пассивной безопасности: СПБ – система пассивной безопасности; ПБА – пассивная безопасность автомобиля; ПБД – пассивная безопасность дороги (дорожные ограждения, травмобезопасные стойки и т.п.); ПБЧ – пассивная безопасность человека (шлемы, УС, ДУС); А-П – автомобиль–пешеход; А-ОУ – автомобиль – объект удара; А-Ч-УСЧ – автомобиль–человек–удерживающее средство человека; А-Г-УСГ-Ч – автомобиль–груз–удерживающее средство груза–человек; А-А – автомобиль–автомобиль; НП-А – неподвижное препятствие – автомобиль Внешняя ПБ – это свойство транспортного средства/автомобиля (А) снижать или исключать вероятность и тяжесть травмирования пешеходов, а также водителей и пассажиров других автомобилей – участников ДТП. 163 Внутренняя ПБ – это свойство транспортного средства/автомобиля снижать или исключать вероятность и тяжесть травмирования водите- лей и пассажиров при ДТП. Подсистемы автомобиль – пешеход (А-П) и автомобиль – объект удара (А-ОУ) определяют внешнюю ПБ и их функционирование на- правлено на повышение ПБ автомобиля как объекта возможного соуда- рения с пешеходом и другими автомобилями – участниками движения. Остальные подсистемы определяют внутреннюю ПБ. Работа подсистемы автомобиль–человек–удерживающее средство че- ловека (А-Ч-УСЧ) направлена на обеспечение удерживающей связи между автомобилем и человеком при безопасном уровне перегрузок его тела. Для этого решаются задачи по созданию и применению специальных удержи- вающих систем совместно с оптимизацией ударно-прочностных свойств кузова, повышением энергопоглощающих свойств и травмобезопасности. Задачей подсистемы автомобиль – груз – удерживающее средство гру- за – человек (А-Г-УСГ-Ч) является снижение вероятности и тяжести трав- мирования человека вследствие нарушения жизненного пространства в кабине автомобиля грузом, переместившимся в результате столкновения. Характеристики подсистем функционально влияют друг на друга. Удерживающее средство (УС) – это устройство (система уст- ройств), обеспечивающее связь между автомобилем и человеком (или грузом) для исключения вероятности или снижения тяжести травмиро- вания человека (или повреждения груза) при ДТП. УС по функцио- нальным качествам подразделяются на защитные (безопасные) или травмоопасные. Защитными (безопасными) считаются те устройства, которые снижают вероятность или тяжесть травмирования. В против- ном случае устройство является травмоопасным. УС по конструктивным особенностям подразделяют на квазиза- щитные и специальные УС. Квазизащитные УС – это устройства, основное функциональное на- значение которых не связано с обеспечением ПБ человека. Они распо- ложены как в зонах возможного удара человека (рулевое управление, панели приборов, спинки сидений для сидящих сзади пассажиров и т.д.), так и в зонах возможного перемещения груза (задняя стенка каби- ны, передний борт грузовой платформы и т.д.). Специальные УС – это средства, специально устанавливаемые в ав- томобилях для повышения эффективности связи человека или груза с автомобилем. К ним относятся ремни безопасности, надувные подушки, подголовники, детские сиденья, специальные крепления для защиты от перемещающегося при ударе груза. Основным требованием внешней пассивной безопасности является обеспечение такого конструктивного выполнения наружных поверхно- стей и элементов автомобиля, при котором вероятность повреждений 164 человека этими элементами в случае дорожно-транспортных происше- ствий была бы минимальной. Внутренняя пассивная безопасность рассматривается как совокуп- ность свойств автомобиля, обеспечивающих сохранность жизни и здоровья водителей и пассажиров при дорожно-транспортном происшествии. Как известно, значительное число так называемых несчастных ДТП связано с попутными столкновениями. В связи с этим одним из требо- ваний к внешней пассивной безопасности автомобилей является предо- хранение самого автомобиля от повреждений при помощи внешних элементов конструкции. Конструктивно это выполняется в «последнее время в виде так на- зываемого «безопасного» бампера, цель которого заключается в погло- щении незначительной части энергии удара. Конструкция бампера и передней части. автомобиля должна иметь необходимые соотношения жесткости и прочности, чтобы при столкновении на небольших скоро- стях (8... 12 км/ч) бампер защищал от повреждения элементы кузова автомобиля, а при столкновении на значительных скоростях бампер и передняя часть автомобиля деформировались бы совместно, поглощая значительную часть энергии удара и защищая таким образом водителей и пассажиров от серьезных травм. Задача жизнеобеспечения водителя и пассажиров в салоне автомо- биля состоит в создании условий, при которых человек мог бы безопас- но выдержать быстрое изменение кинетической энергии. Это достигает- ся деформацией кузова автомобиля при столкновении, перегрузки (за- медление), возникающие в момент столкновения вычислим по формуле: ) 2 /( 2 S j , где – скорость в момент удара; S – деформация кузова. Время действия перегрузок (замедление) 50... 100 мс (рис. 3.2). 10 ) / ( , 2 с м j 30 20 10 0 25 50 75 100 t,мc Рис. 3.2. Зависимость замедления j от времени t столкновения при различных скоростях движения 165 К внутренней пассивной безопасности автомобиля предъявляются два основных требования: – создание условий, при которых человек мог бы безопасно выдер- жать значительные перегрузки, возникающие под действием отрица- тельного ускорения; – исключение травмоопасных элементов внутри кузова (кабины). Автомобиль при наезде на неподвижное препятствие обладает вы- сокой кинетической энергией удара. Вся эта энергия должна рассеяться в доли секунды. Как правило, эта энергия превращается в работу де- формации кузова автомобиля и его узлов. Таким образом, пассивная безопасность автомобиля определяется его способностью поглощать энергию удара при столкновении. Води- тель и пассажиры при столкновении после мгновенной остановки авто- мобиля еще продолжают двигаться, сохраняя скорость движения, кото- рую автомобиль имел в момент, предшествующий столкновению. Именно в этот отрезок времени происходит большая часть травм в ре- зультате удара головой о ветровое стекло, грудью о ролевое колесо, ко- ленями о нижнюю кромку щитка приборов. Это явление называют вто- ричным ударом. Анализ ДТП показал, что подавляющее большинство погибших на- ходилось на переднем сиденье, поэтому при разработке мероприятий по пассивной безопасности автомобиля внимание в первую очередь уделя- ется обеспечению безопасности водителя и пассажиров, находящихся на переднем сиденье. Основные требования к пассивной безопасности автомобиля могут быть сформулированы следующим образом: деформации передней и задней части кузова при столкновении должны обеспечивать допусти- мый уровень замедления; жесткость салона должна быть такой, чтобы сохранить зону жизнеобеспечения, т.е. сохранить минимально необхо- димое пространство, в пределах которого исключено сдавливание тела человека, находящегося внутри кузова (рис. 3.3). Рис. 3.3. Зона жизнеобеспечения (не заштрихована) и деформируемые части автомобиля (заштрихованы) 166 Кроме того, должны быть предусмотрены следующие меры, снижаю- щие тяжесть последствий при столкновении: – рулевое колесо и колонка должны перемещаться и поглощать энер- гию удара (телескопировать), а также распределять удар по груди водителя без нанесения ему травм; – должна быть исключена возможность выброса или выпадания пас- сажиров или водителя (надежность дверных замков); – должны быть предусмотрены индивидуальные защитные и удержи- вающие средства для всех пассажиров и водителя (ремни безопасности, подголовники, пневмоподушки); – перед пассажирами и водителем не должно быть травмоопасных элементов; – стекла (ветровые, боковые) не должны быть травмоопасными. Эффективность применения ремней безопасности в сочетании с дру- гими мероприятиями пассивной безопасности подтверждена статистиче- скими данными. Так, использование ремней уменьшает количество травм на 60...75%. Резко снижается также и тяжесть последствий ДТП. При наличии ремней безопасности пассажир перемещается на рас- стояние, которое может достигать 1 м, благодаря упругим деформациям передних частей автомобиля, а также амортизирующим качествам самого ремня. Одним из эффективных способов решения проблемы ограничения пе- ремещения водителя и пассажиров при столкновении является применение пневматических подушек, которые наполняются газом (рис. 3.4). Рис. 3.4. Схема действия пневмоподушек при ДТП Эта система не только эффективна, но и удобна, так как срабатыва- ет автоматически при ударе и в обычном состоянии и не стесняет дви- 167 жений водителя и пассажиров. Подушки встроены в центральную часть рулевого колеса, в приборный щиток и заднюю часть спинок переднего сиденья и в ненаполненном состоянии вообще незаметны. В момент удара срабатывает инерционный датчик и происходит наполнение по- душки сжатым воздухом в течение 30... 40 мс. Пассажир (водитель) по- сле столкновения перемещается вперед в сторону наполненной подуш- ки, сжимая находящийся в ней газ, который выпускается через ка- либрованное отверстие в атмосферу. Таким образом поглощается кине- тическая энергия удара. Основной недостаток системы в том, что она не предотвращает вы- брасывания людей из автомобиля при столкновениях и не защищает при боковых ударах. При этой системе остаются необходимыми и ремни безопасности, основная роль которых – ограничение перемещения тел водителя или пассажира при столкновениях. Уровень ПБ автомобиля косвенно характеризуется ударно- прочностными свойствами конструкции автомобиля и пожаробезопас- ностью. Измерителями ударно-прочностных свойств автомобилей является деформация (перемещение) автомобиля и отдельных его элементов, перегрузки человека (автомобиля) и вероятность выбрасывания челове- ка из автомобиля. Измерителем пожаробезопасности (или возгораемости) является вероятность воспламенения (горения) транспортных средств во время ДТП и после него. Особенности средств по обеспечению пассивной безопасности в значительной степени зависят от типа ТС, для которого они предназна- чаются. Поэтому в дальнейшем нормативы, регламентирующие пассив- ную безопасность, подразделяют на три группы, в зависимости от ис- пользования в пассажирских (легковых автомобилях и автобусах) или грузовых транспортных средствах. 3.1.1. Нормативы, регламентирующие пассивную безопасность легковых автомобилей Из основных типов ДТП (фронтальное столкновение, боковое столк- новение, удар сзади, опрокидьшание) наиболее частыми и опасными, яв- ляются фронтальные (60% всех ДТП) и боковые столкновения. Поэтому неудивительно, что в первое время работы по повышению пассивной безо- пасности автомобилей отмечались широким внедрением мероприятий по обеспечению безопасности водителей и пассажиров именно при фронталь- ных столкновениях (оптимизация ударно-прочностных характеристик пе- редней части автомобиля, внедрение ремней безопасности, травмобезопас- ных рулевых управлений и т.д.). В результате, фронтальные столкновения, несмотря на то, что их относительное число не уменьшилось, постепенно становятся не самыми травмоопасными (к сожалению, на дорогах России 168 при незначительном числе водителей и пассажиров, использующих ремни безопасности, фронтальные столкновения по-прежнему приносят наи- большее число погибших и травмированных при ДТП). С начала 90-х гг. XX в. в ряде экономически развитых стран лидерство среди ДТП по числу пострадавших переходит к боковым столкновениям. Фронтальные столкновения транспортных средств (особенно под углом и со смещением) с другими автомобилями и неподвижными пре- пятствиями по глобальности деформации конструкции и тяжести трав- мирования участников движения являются самым тяжелым видом ДТП. Это многократно подтверждено отечественными и зарубежными стати- стическими исследованиями. Поэтому вполне оправданы громадные средства, которые вынуждены затрачивать изготовители автомобилей на разработку и внедрение технических решений, направленных на за- щиту людей при этом виде ДТП. За последнюю четверть XX в. были достигнуты существенные успехи в обеспечении травмобезопасности при фронтальных столкновениях. В начальный период развития работ по повышению ПБ за базовые нормативы принимались условия обеспечения безопасности при наиболее легко воспроизводимых, хотя и не самых частых, разновидностях ДТП. Для имитации фронтальных столкновений был принят прямой наезд со скоростью около 50 км/ч на плоское недеформируемое препятствие, расположенное перпендикулярно траектории движения. Хотя такие усло- вия встречаются не чаще чем в 3...5% от реальных столкновений, однако они были сравнительно легко и стабильно воспроизводимы. И такой под- ход, в то время когда автомобильная промышленность и наука не обладали большими техническими возможностями, был вполне оправданным. Логично, что стендовые испытания отдельных элементов автомобиля, влияющих на травмобезопасность водителей и пассажиров при фронталь- ных столкновениях (предписания Правил № 11, 12, 14, 16, 17, 21, 26, 33, 34, 44 ЕЭК ООН), базировались на имитации условий выбранного базового способа воспроизведения полномасштабного фронтального столкновения. Основные функциональные требования указанных Правил ЕЭК ООН, которые входят в число обязательных предписаний, заключаются в сле- дующем. Отдельные узлы (элементы) легковых автомобилей, от ударно- прочностных и геометрических характеристик которых зависит уровень безопасности водителей и пассажиров при фронтальных столкновениях (это передняя часть кузова и салона автомобиля, дверные замки, элементы рулевого управления, ремни безопасности и места их крепления, сиденья и детали интерьера передней части салона), должны: – выдерживать статическую или динамическую нагрузку, эквивалент- ную той нагрузке, с которой воздействует на эти узлы (элементы) тело че- ловека 50%-ой репрезентативности или масса самого узла (элемента) при перегрузке (20...30)g в направлении вдоль продольной оси автомобиля; 169 – не образовывать травмоопасные перегрузки при имитации соударе- ния головой и грудью с перечисленными ранее узлами (элементами) на скорости около 25 км/ч в зоне контакта (Правила № 12, 21); – обеспечивать необходимое жизненное пространство в деформиро- ванном при ДТП автомобиле (Правила № 12, 33); – геометрические параметры наружных поверхностей деталей, обра- зующих интерьер автомобиля, должны иметь максимально возможную площадь в зонах вероятного контакта с телом человека, с тем чтобы при соударениях по возможности снизить уровень локальных перегрузок (Пра- вила № 26). В отличие от перечисленных ранее правил Правила № 16 и 44 предпи- сывают также испытания, где в качестве испытательного оборудования используются некоторые подобия человека (упрощенные антропометриче- ские манекены). Так, Правилами № 16 ЕЭК ООН (Ремни безопасности и их установка) предусмотрено полномасштабное динамическое нагружение систем рем- ней в условиях имитации базового способа воспроизведения фронтального столкновения (на стенде-имитаторе) с применением одноногого манекена, отдаленно напоминающего человека выше среднего роста и массой 75 кг. При этом нормируется максимальное перемещение манекена под действи- ем инерционной нагрузки. Правилами № 44 ЕЭК ООН (Детские удерживающие устройства и их установка) предусмотрены полномасштабные динамические испытания удерживающих устройств (на стенде-имитаторе) в аналогичных условиях с применением манекенов детей разной массы: до 10 кг; от 9 до 18 кг; от 15 до 25 кг и от 26 до 36 кг. При этом оцениваются предельные величины пе- регрузок, действующих на грудную клетку манекена, и максимальные ве- личины перемещений под действием инерционной нагрузки. Кроме того, нормируются конструктивные решения сидений, основные геометрические и прочностные характеристики, гигиенические характеристики применяе- мых материалов. Как видно из приведенного краткого обзора, на начальном этапе раз- вития работ по пассивной безопасности имитирующие человека манекены использовались преимущественно как испытательное приспособление, соз- дающее специфические нагрузки на исследуемый объект – узел (элемент) автомобиля. Критерии оценки степени безопасности конструкции еще на- прямую не связывались с допускаемыми травмо-безопасными воздейст- виями на человеческий организм. Такой упрощенный подход, обусловленный уровнем развития автомо- бильной науки и экспериментальных технологий, на определенном этапе полностью оправдался. В экономически развитых странах была сбита пер- вая волна роста потерь от ДТП и обеспечен приемлемый общий уровень безопасности эксплуатирующегося парка легковых автомобилей. Дальнейшее развитие экспериментальной техники и технологий и ко- ренное изменение процесса проектирования, основанное на применении 170 вычислительной техники и специализированного программного обеспече- ния, позволили поднять работы по обеспечению безопасности водителя и пассажиров в процессе ДТП на качественно новый уровень. В середине 90-х гг. XX в. представилась возможность перейти к системному подходу, когда безопасность автомобиля как комплекса технических решений стала оцениваться по достаточно прямым травматическим воздействиям, полу- чаемым водителем и пассажирами в условиях ДТП. Правила ЕЭК ООН № 32, 33, 34, 94, 95 (Приложение 6), включают в себя требования, касающиеся прочностных свойств кузова транспортных средств и, как следствие, касающиеся зашиты водителя и пассажиров транспортного средства при различных видах столкновений и при возник- новении пожара (рис. 3.5). Рис. 3.5. Виды полномасштабных испытаний легковых автомобилей: а – имитация фронтального столкновения (Правила № 12, 33, 34); б – имитация фронтального столкновения (Правила № 94); в – имитация бокового столкновения (Правила № 95); г – имитация удара сзади (Правила № 32, 34) 171 Предписания в соответствии с Правилами № 32, 33, 34, разрабо- танные на 20 лет раньше Правил № 94, 95, базируются на морально ус- таревшем методе воспроизведения условий фронтального столкновения (рис. 3.5, а) или удара сзади (рис. 3.5, г). По результатам этого метода можно оценить лишь прочность кузова и косвенно прогнозировать по- ведение человека и степень его «травмирования». Предписания, касающиеся технических требований и методов испы- таний, приведенные в Правилах № 94 и 95 по защите водителя и пассажи- ров в случае фронтального (рис. 3.5,б) и бокового (рис. 3.5,в) столкновений, были разработаны в 90-х гг. XX в. Они имеют современный, качественно новый уровень требований по повышению пассивной безопасности: при проведении комплекса испытаний используются биомеханические манеке- ны, позволяющие при испытании (краш-тесте) определять критерии трав- мирования водителя и пассажиров транспортного средства, т.е. оценить степень тяжести их травмирования. Правила № 32 ЕЭК ООН регламентируют требования к прочности конструкции кузова пассажирских транспортных средств категории Mi при ударе сзади. |