Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Структурная особенность, используемая в транспортных средствах
Structural feature used in vehicles
Зоны деформации, зоны смятия,
Crumple zones, crush zones,
Зоны деформации предназначены для увеличения времени, в течение которого общая сила от изменения импульса воздействует на пассажира, поскольку средняя сила, действующая на пассажиров, обратно пропорциональна времени ее воздействия. Физика этого явления может быть выражена следующим уравнением:
Crumple zones are designed to increase the time over which the total force from the change in momentum is applied to an occupant, as the average force applied to the occupants is inversely related to the time over which it is applied. The physics involved can be expressed by the equation:
где – сила, – время, – масса и – скорость тела. В системе СИ сила измеряется в Ньютонах, время – в секундах, масса – в килограммах, скорость – в метрах в секунду, а результирующий импульс – в Ньютон-секундах (Н⋅с). Как правило, зоны деформации располагаются в передней части транспортного средства для поглощения энергии при лобовом столкновении, но они могут быть установлены и на других частях автомобиля. Согласно исследованию, проведенному Британским центром исследований ремонта автомобилей, 65% повреждений приходятся на лобовые столкновения, 25% – на удары сзади, 5% – на левый бок и 5% – на правый бок. Некоторые гоночные автомобили используют алюминий, композитные материалы на основе углеродного волокна или пеноматериалы, поглощающие энергию, для создания демпфера удара, который рассеивает энергию столкновения, занимая значительно меньший объем и имея меньший вес, чем зоны деформации дорожных автомобилей. Демпферы удара также начали устанавливать на автомобили, используемые для обслуживания автомагистралей, в некоторых странах. 10 сентября 2009 года в программах ABC News "Доброе утро, Америка" и "Мировые новости" был показан краш-тест, проведенный Американским институтом страховой безопасности шоссейных транспортных средств автомобиля Chevrolet Malibu 2009 года при смещенном лобовом столкновении с седаном Chevrolet Bel Air 1959 года. Этот тест наглядно продемонстрировал эффективность современных конструкторских решений в области безопасности автомобилей по сравнению с решениями 1950-х годов, особенно в отношении прочных пассажирских ячеек и зон деформации.
where is the force, is the time, is the mass, and is the velocity of the body. In SI units, force is measured in Newtons, time in seconds, mass in kilograms, velocity in metres per second, and the resulting impulse is measured in newton seconds (N⋅s). Typically, crumple zones are located in the front part of the vehicle, to absorb the impact of a head on collision, but they may be found on other parts of the vehicle as well. According to a British Motor Insurance Repair Research Centre study of where on the vehicle impact damage occurs, 65% were front impacts, 25% rear impacts, 5% left side, and 5% right side. Some racing cars use aluminium, composite/carbon fibre honeycomb, or energy absorbing foam to form an impact attenuator that dissipates crash energy using a much smaller volume and lower weight than road car crumple zones. Impact attenuators have also been introduced on highway maintenance vehicles in some countries. On September 10, 2009, the ABC News programs Good Morning America and World News showed a U. S. Insurance Institute for Highway Safety crash test of a 2009 Chevrolet Malibu in an offset head on collision with a 1959 Chevrolet Bel Air sedan. It dramatically demonstrated the effectiveness of modern car safety design over 1950s design, particularly of rigid passenger safety cells and crumple zones.
История раннего развития
Концепция зоны деформации была первоначально изобретена и запатентована венгерским инженером Белой Бареньи в 1937 году, до начала работы в Mercedes-Benz, а в более развитой форме – в 1952 году. Mercedes-Benz "Ponton" 1953 года стал частичной реализацией его идей, благодаря прочной глубокой платформе, формирующей частичную ячейку безопасности, запатентованную в 1941 году. Первым автомобилем Mercedes-Benz, разработанным с использованием этого патента, стал Mercedes W111 "Tail Fin" Saloon 1959 года. Более современная разработка для этих изогнутых продольных элементов заключается в их ослаблении вертикальными и поперечными ребрами для создания телескопических деформационных структур, известных как "амортизирующие элементы" или "трубы для смятия".
The crumple zone concept was originally invented and patented by the Hungarian Mercedes Benz engineer Béla Barényi in 1937 before he worked for Mercedes Benz and in a more developed form in 1952. The 1953 Mercedes Benz "Ponton" was a partial implementation of his ideas, by having a strong deep platform to form a partial safety cell, patented in 1941. The first Mercedes Benz carbody developed using the patent was the 1959 Mercedes W111 "Tail Fin" Saloon. A more recent development for these curved longitudinal members is to be weakened by vertical and lateral ribs to form telescoping "crash can" or "crush tube" deformation structures.
Функция
Зоны деформации работают, управляя энергией удара и увеличивая время, в течение которого происходит замедление находящихся в автомобиле людей, а также предотвращая проникновение в пассажирский салон или его деформацию. Это обеспечивает лучшую защиту пассажиров от травм. Это достигается за счет контролируемого ослабления внешних, жертвуемых частей автомобиля, одновременно с укреплением и повышением жесткости внутренней части кузова, превращая пассажирский салон в "безопасную ячейку" путем использования большего количества усиливающих балок и сталей повышенной прочности. Энергия удара, достигающая "безопасной ячейки", распределяется по максимально возможной площади для уменьшения ее деформации. Volvo представила боковую зону деформации с внедрением SIPS (Системы защиты при боковом ударе) в начале 1990-х годов. Когда автомобиль и все его содержимое, включая пассажиров и багаж, движутся с определенной скоростью, они обладают инерцией/импульсом, то есть продолжат двигаться вперед с той же скоростью и в том же направлении (первый закон Ньютона). В случае резкого замедления автомобиля с жестким каркасом из-за столкновения, незакрепленные предметы в автомобиле продолжат движение вперед с прежней скоростью по инерции и ударятся во внутреннюю часть автомобиля с силой, во много раз превышающей их обычный вес из-за гравитации. Цель зон деформации – замедлить столкновение, чтобы увеличить время, в течение которого происходит замедление пассажиров, и тем самым уменьшить пиковую силу, воздействующую на них за определенный промежуток времени. Ремни безопасности удерживают пассажиров, предотвращая их вылет через лобовое стекло, обеспечивают правильное положение для подушки безопасности и также увеличивают время замедления. Ремни безопасности также поглощают инерцию пассажиров, поскольку они сконструированы так, чтобы растягиваться при ударе, что также увеличивает время замедления. Короче говоря, пассажир, тело которого замедляется медленнее благодаря зоне деформации (и другим устройствам) в течение более длительного времени, гораздо чаще выживает, чем пассажир, тело которого непосредственно ударяется о твердый, неповрежденный металлический кузов автомобиля, который остановился почти мгновенно. Это как разница между ударом головой о стену (с переломом черепа) и плечом (с незначительными ушибами) – рука, будучи более мягкой, имеет в десятки раз больше времени, чтобы замедлить скорость, постепенно уступая, чем твердый череп, который соприкасается со стеной только тогда, когда ему приходится выдерживать чрезвычайно высокое давление. Растяжение ремней безопасности при удержании пассажиров во время удара означает, что их необходимо заменять, если автомобиль был отремонтирован и возвращен на дорогу после столкновения. Их также следует заменять, если их состояние ухудшилось, например, из-за износа, механических повреждений или неисправностей креплений. В Новой Зеландии официально требуется заменять изношенные ремни безопасности инерционного типа только на ремни типа "захват ленты", которые имеют меньший люфт и более эффективны на старых автомобилях. В новых автомобилях используются ремни безопасности с электронным преднатяжением, которые синхронизированы с работой подушек безопасности. Покупка подержанных ремней безопасности – плохая идея даже в странах, где это разрешено законом, поскольку они могли быть уже растянуты в результате удара и не смогут обеспечить надлежащую защиту новым пользователям. Окончательное воздействие после того, как тело пассажира ударяется о салон автомобиля, подушку безопасности или ремни безопасности, заключается в ударе внутренних органов о ребра или череп из-за их инерции. Сила этого удара является причиной многих травм, приводящих к инвалидности или угрожающих жизни. Другие причины – повреждение скелета и потеря крови из-за разрыва кровеносных сосудов или повреждение органов и/или кровеносных сосудов острыми осколками костей. Последовательность технологий снижения скорости – зона деформации – ремень безопасности – подушка безопасности – мягкий/деформируемый салон – предназначена для работы как единая система, снижающая пиковую силу удара на внешнюю сторону тела пассажира за счет увеличения времени воздействия этой силы.
Crumple zones work by managing crash energy and increasing the time over which the deceleration of the occupants of the vehicle occurs, while also preventing intrusion into or deformation of the passenger cabin. This better protects car occupants against injury. This is achieved by controlled weakening of sacrificial outer parts of the car, while strengthening and increasing the rigidity of the inner part of the body of the car, making the passenger cabin into a "safety cell", by using more reinforcing beams and higher strength steels. Impact energy that does reach the "safety cell" is spread over as wide an area as possible to reduce its deformation. Volvo introduced the side crumple zone with the introduction of the SIPS (Side Impact Protection System) in the early 1990s. When a vehicle and all its contents, including passengers and luggage are travelling at speed, they have inertia / momentum, which means that they will continue forward with that direction and speed (Newton's first law of motion). In the event of a sudden deceleration of a rigid framed vehicle due to impact, unrestrained vehicle contents will continue forwards at their previous speed due to inertia, and impact the vehicle interior, with a force equivalent to many times their normal weight due to gravity. The purpose of crumple zones is to slow down the collision to increase the time over which the occupants decelerate so as to decrease the peak force imparted on the occupants over a given time. Seatbelts restrain the passengers so they don't fly through the windshield, and are in the correct position for the airbag and also increase the time over which the occupants decelerate. Seat belts also absorb passenger inertial energy by being designed to stretch during an impact, again to increase the time over which an occupant decelerates. In short: a passenger whose body is decelerated more slowly due to the crumple zone (and other devices) over a longer time survives much more often than a passenger whose body indirectly impacts a hard, undamaged metal car body which has come to a halt nearly instantaneously. It is like the difference between slamming someone into a wall headfirst (fracturing their skull) and shoulder first (bruising their flesh slightly) is that the arm, being softer, has tens of times longer to slow its speed, yielding a little at a time, than the hard skull, which isn't in contact with the wall until it has to deal with extremely high pressures. The stretching of seatbelts while restraining occupants during an impact, means that it is necessary to replace them if a vehicle is repaired and put back on the road after a collision. They should also be replaced if their condition has deteriorated e. g. through fraying or mechanical or belt mounting faults. In New Zealand it is officially mandatory to replace worn inertia reel type seatbelts only with "webbing grabber" type belts that have less play and are more effective on older cars. Newer cars have electronically fired pre tension seatbelts that are timed to work with the airbag firing. Buying used seatbelts is not a good idea even in countries where it is legal to do so, because they may have already been stretched in an impact event and may not protect their new users as they should. The final impact after a passenger's body hits the car interior, airbag or seat belts is that of the internal organs hitting the ribcage or skull due to their inertia. The force of this impact is the way by which many car crashes cause disabling or life threatening injury. Other ways are skeletal damage and blood loss, because of torn blood vessels, or damage caused by sharp fractured bone to organs and/or blood vessels. The sequence of speed reducing technologies—crumple zone — seat belt — airbags — padded/deformable interior—are designed to work together as a system to reduce the peak force of the impact on the outside of the passenger(s)'s body by lengthening the time over which this force is imparted. Volvo XC70 low level front safety cross members shown here Volvo's press release about this feature:
"Lower cross member that helps protects lower cars: The front suspension subframe in the new Volvo XC60 is supplemented with a lower cross member positioned at the height of the beam in a conventional car. The lower cross member strikes the oncoming car's protective structure, activating its crumple zone as intended so the occupants can be given the maximum level of protection."
Volvo XC70 – показанные здесь поперечины безопасности передней части низкого уровня. Пресс-релиз Volvo об этой функции:
"Нижняя поперечина, которая помогает защитить автомобили с низким центром тяжести: в новой Volvo XC60 передняя подвеска дополнена нижней поперечиной, расположенной на высоте балки в обычном автомобиле. Нижняя поперечина соприкасается с защитной структурой встречного автомобиля, активируя его зону деформации, как и предполагалось, чтобы пассажиры могли получить максимальную защиту."
Crumple zones work by managing crash energy and increasing the time over which the deceleration of the occupants of the vehicle occurs, while also preventing intrusion into or deformation of the passenger cabin. This better protects car occupants against injury. This is achieved by controlled weakening of sacrificial outer parts of the car, while strengthening and increasing the rigidity of the inner part of the body of the car, making the passenger cabin into a "safety cell", by using more reinforcing beams and higher strength steels. Impact energy that does reach the "safety cell" is spread over as wide an area as possible to reduce its deformation. Volvo introduced the side crumple zone with the introduction of the SIPS (Side Impact Protection System) in the early 1990s. When a vehicle and all its contents, including passengers and luggage are travelling at speed, they have inertia / momentum, which means that they will continue forward with that direction and speed (Newton's first law of motion). In the event of a sudden deceleration of a rigid framed vehicle due to impact, unrestrained vehicle contents will continue forwards at their previous speed due to inertia, and impact the vehicle interior, with a force equivalent to many times their normal weight due to gravity. The purpose of crumple zones is to slow down the collision to increase the time over which the occupants decelerate so as to decrease the peak force imparted on the occupants over a given time. Seatbelts restrain the passengers so they don't fly through the windshield, and are in the correct position for the airbag and also increase the time over which the occupants decelerate. Seat belts also absorb passenger inertial energy by being designed to stretch during an impact, again to increase the time over which an occupant decelerates. In short: a passenger whose body is decelerated more slowly due to the crumple zone (and other devices) over a longer time survives much more often than a passenger whose body indirectly impacts a hard, undamaged metal car body which has come to a halt nearly instantaneously. It is like the difference between slamming someone into a wall headfirst (fracturing their skull) and shoulder first (bruising their flesh slightly) is that the arm, being softer, has tens of times longer to slow its speed, yielding a little at a time, than the hard skull, which isn't in contact with the wall until it has to deal with extremely high pressures. The stretching of seatbelts while restraining occupants during an impact, means that it is necessary to replace them if a vehicle is repaired and put back on the road after a collision. They should also be replaced if their condition has deteriorated e. g. through fraying or mechanical or belt mounting faults. In New Zealand it is officially mandatory to replace worn inertia reel type seatbelts only with "webbing grabber" type belts that have less play and are more effective on older cars. Newer cars have electronically fired pre tension seatbelts that are timed to work with the airbag firing. Buying used seatbelts is not a good idea even in countries where it is legal to do so, because they may have already been stretched in an impact event and may not protect their new users as they should. The final impact after a passenger's body hits the car interior, airbag or seat belts is that of the internal organs hitting the ribcage or skull due to their inertia. The force of this impact is the way by which many car crashes cause disabling or life threatening injury. Other ways are skeletal damage and blood loss, because of torn blood vessels, or damage caused by sharp fractured bone to organs and/or blood vessels. The sequence of speed reducing technologies—crumple zone — seat belt — airbags — padded/deformable interior—are designed to work together as a system to reduce the peak force of the impact on the outside of the passenger(s)'s body by lengthening the time over which this force is imparted. Volvo XC70 low level front safety cross members shown here Volvo's press release about this feature:
"Lower cross member that helps protects lower cars: The front suspension subframe in the new Volvo XC60 is supplemented with a lower cross member positioned at the height of the beam in a conventional car. The lower cross member strikes the oncoming car's protective structure, activating its crumple zone as intended so the occupants can be given the maximum level of protection."
Поглощение удара при низких скоростях
Передняя часть бампера предназначена для поглощения ударов при столкновениях на низкой скорости, например, при парковке, чтобы предотвратить серьезные повреждения автомобиля. Это достигается за счет использования эластичных элементов, таких как передняя накладка. В некоторых автомобилях бампер заполнен пенопластом или другими эластичными материалами. В последние годы этот аспект конструкции стал уделяться больше внимания, поскольку в программу испытаний NCAP включены удары о пешеходов. Снижение жесткости опорных конструкций в зонах возможного столкновения с пешеходами также стало одной из целей проектирования. При менее серьезных столкновениях (до примерно 20 км/ч) конструкция бампера и внешней панели должна обеспечивать минимальное повреждение зоны деформации и несущей конструкции автомобиля, а также максимально упростить и удешевить ремонт. Для этого при креплении бамперов используются так называемые краш-бокс или амортизирующие элементы. Краш-боксы представляют собой полые стальные профили, которые поглощают энергию удара за счет деформации при сминании.
The front of the bumper is designed to withstand low speed collisions, e. g. as in parking bumps to prevent permanent damage to the vehicle. This is achieved by elastic elements, such as the front apron. In some vehicles, the bumper is filled with foam or similar elastic substances. This aspect of design has received more attention in recent years as NCAP crash assessment has added pedestrian impacts to its testing regime. The reduction of rigid support structures in pedestrian impact areas has also been made a design objective. In the case of less severe collisions (up to approx. 20 km/h), the bumper and outer panel design should ensure that the crumple zone and the load bearing structure of the vehicle is damaged as little as possible and repairs can be carried out as cheaply as possible. For this purpose, so called crash tubes or crash boxes are used for mounting bumpers. Crashtubes consist of a hollow steel profile, which transforms the incident energy by rolling up the profile.
Компьютерная симуляция аварии
В начале 1980-х годов, используя технологии, разработанные для аэрокосмической и ядерной промышленности, немецкие автопроизводители начали проводить сложные компьютерные исследования моделирования аварийных ситуаций, применяя метод конечных элементов для имитации поведения отдельных компонентов кузова автомобиля, их сборок, а также четвертных и половинных моделей кузова на этапе "белого кузова" (BIW). Эти работы вылились в совместный проект Forschungsgemeinschaft Automobil Technik (FAT) – объединения всех семи немецких автопроизводителей (Audi, BMW, Ford, Mercedes Benz, Opel (GM), Porsche и Volkswagen), целью которого была проверка применимости двух новых коммерческих программных комплексов для моделирования столкновений. Эти программы моделировали фронтальное столкновение полной конструкции пассажирского автомобиля (Haug 1986) и выполнялись на компьютере за одну ночь. Благодаря тому, что время между последовательными запусками заданий (вычислениями) не превышало суток, инженеры получили возможность эффективно и последовательно улучшать характеристики кузова автомобиля при авариях. Стремление к повышению безопасности автомобилей в Европе ускорилось с 1990-х годов, особенно после появления в 1997 году Euro NCAP, в котором также были задействованы эксперты по безопасности из мира автогонок Формулы-1.
In the early 1980s, using technology developed for the aerospace and nuclear industries, German car makers started complex computer crash simulation studies, using finite element methods simulating the crash behaviour of individual car body components, component assemblies, and quarter and half cars at the body in white (BIW) stage. These experiments culminated in a joint project by the Forschungsgemeinschaft Automobil Technik (FAT), a conglomeration of all seven German car makers (Audi, BMW, Ford, Mercedes Benz, Opel (GM), Porsche, and Volkswagen), which tested the applicability of two emerging commercial crash simulation codes. These simulation codes recreated a frontal impact of a full passenger car structure (Haug 1986) and they ran to completion on a computer overnight. Now that turn around time between two consecutive job submissions (computer runs) did not exceed one day, engineers were able to make efficient and progressive improvements of the crash behaviour of the analyzed car body structure. The drive for improved crashworthiness in Europe has accelerated from the 1990s onwards, with the 1997 advent of Euro NCAP, with the involvement of Formula One motor racing safety expertise.
"Следы" внутри камер безопасности
Экспериментальный автомобиль безопасности Pininfarina Nido 2004 года располагает зонами деформации внутри защитной капсулы. Эти внутренние зоны деформации замедляют защитную капсулу, установленную на санях.
The 2004 Pininfarina Nido Experimental Safety Vehicle locates crumple zones inside the survival cell. Those interior crumple zones decelerate a sled mounted survival cell.