БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЛОМАКИН

бампер и передняя часть автомобиля деформировались бы совместно, поглощая значительную часть энергии удара и защищая, таким образом, пассажиров от серьезных травм.

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.

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 рис. 2.3.7, а показан бампер с механическим амортизирующим элементом, работающем на сжатие. Бампер состоит из средней балки 1 и двух боковых крыльев 2, соединенных шарниром 3. Энергопоглащающий 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.

На некоторых американских автомобилях бамперы имеют резиновые блоки, растягивающиеся в процессе удара и поглощающие до 70% энергии (при скорости 2,2 м/с). При этом на каждый амортизатор действует усилие около 60кН. В конце удара между бампером и кузовом автомобиля остается зазор, равный примерно 13 мм.

В механических амортизаторах упругий элемент может работать на сдвиг (рис. 2.3.7, 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. Резина элемента при этом деформируется, как показано в нижней части рис. 2.3.7, б.

211

2 – боковое крыло; 3 – шарнир; 4 – стержень; 5 – буртик; 6 – конический

14 – резиновый элемент; 15 – поперечный брус бампера; 16 - пластина

M v02 =Wp G e ,

где M – масса автомобиля;

v0 – скорость автомобиля в момент соударения; Wp – объем резины в упругих элементах;

Gp – модуль сдвига резины 4 10-5 МПа;

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

Высота резинового элемента:

h = ∆e ,

где ∆ – абсолютная деформация резины, равная перемещению автомобиля при остановке (если кузов автомобиля не деформировался).

Площадь горизонтального сечения резинового элемента равна:

Wp h

Обычно применяют несколько блоков (рис. 2.3.7, б), имеющих квадратную форму со стороной квадрата ηh , где η = 1÷2. Тогда

Wp h = 2nη2 h2 ,

гдеn – число энергопоглощающих элементов. Отсюда число элементов

n =Wp (2h3 η2 ) = M v02 e(2Gp η2 ∆3 )

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.

Предложены также конструкции бамперов, в которых металлический корпус, воспринимая удар, надвигается на стальные ножи, укрепленные на кузове. Верхний слой металла бампера срезается ножами, и работа, затрачиваемая на образование стружки, поглощает кинетическую энергию.

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 рис. 2.3.8,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

212

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.

Характеристика бампера — зависимость между деформацией и замедлением

— имеет форму, близкую к прямоугольнику (штриховая линия на рис. 2.3.8, б). Количество энергии, поглощаемой бампером при такой форме характеристики, максимально. Для автомобиля массой 2040 кг при v0 = 22,4 м/с и п - 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 80,3кН, а среднее замедление 33,4g, что значительно ниже предельных значений. При давлении около 4 МПа диаметр поршня равен 11см, 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.

7- поршень; 8- полость; 9- корпус бампера

У некоторых моделей автомобилей гидравлические элементы безопасного бампера автоматически выдвигаются вперед на 30 - 40см при достижении скорости движения 10 - 15 м/с. Это обеспечивает нужный зазор между

213

бампером и кузовом при ударе, позволяя вместе с тем сохранить небольшую габаритную длину автомобиля на стоянках.

Применяются также гидропневматические бамперы из легко деформируемого упругого синтетического материала, например поливинилхлорида. В этом случае бампер представляет собой оболочку толщиной около 6 мм, внутренняя полость которой объемом 10-20л заполнена водой (рис. 2.3.9, а). Во время столкновения автомобилей сначала деформируется корпус бампера и сжимается воздух, находящийся над водой. Затем под действием давления воздуха и воды выталкиваются пробки, закрывающие небольшие (диаметром 24-40 мм) отверстия в верхней части оболочки, и вода выбрасывается из отверстий. При ударе такого бампера автомобиля, движущегося со скоростью до 14 м/с о стоящий автомобиль, оба автомобиля получают лишь незначительные повреждения, а при скорости менее 8м/с не остается ни каких следов столкновения. Зимой бампер заполняют антифризом.

Рис. 2.3.9. Безопасные бамперы из синтетических материалов:

а – бампер с выбиваемыми заглушками; б – бампер с растягивающимся сильфоном; 1 – упругая оболочка; 2 – суживающаяся часть трубки; 3 – трубка; 4 – корпус; 5 – сильфон; 6 – пружина

Другой вариант гидропневматического бампера показан на рис. 2.3.9, б. В этом бампере нет отверстий в упругой оболочке 1, внутренняя полость которой сообщается трубкой 3 с сильфоном 5 из синтетической ткани, находящимся в отдельном корпусе 4. Пружина 6 внутри сильфона удерживает его в сжатом состоянии. При ударе жидкость из внутренней полости через трубку 3 выбрасывается внутрь сильфона, увеличивая его объем (на рисунке сильфон показан в разжатом состоянии) и преодолевая сопротивление пружины. Трубка 3 имеет суживающуюся часть 2, которая

214

увеличивает сопротивление перетеканию жидкости. Энергия удара гасится вследствие перетекания жидкости через небольшое отверстие (диаметром 19— 40 мм) и преодоления силы пружины сильфона.

В ФРГ разработан безопасный пневматический бампер (рис. 2.3.10), состоящий из двух рукавов 1, уложенных параллельно выемки каркаса 5 из алюминиевого сплава. Опорный рукав 4 лежит в выемке кузова и сообщается с внутренней полостью каркаса через клапан 3. Все элементы бампера закрыты защитной оболочкой 2. При наездах и столкновениях усилие через рукава и каркас передается на опорный рукав 4. Давление в рукаве 4 повышается, и воздух через клапан 3 с малым проходным сечением поступает в полость каркаса.

Применение бамперов, поглощающих энергию удара, требует изменения конструкции многих элементов кузова. Для размещения амортизаторов необходимо усиливать рамы и нижние части несущих кузовов и изменять их конфигурацию. Вследствие увеличения массы бампера приходится устанавливать более жесткие и прочные рессоры. На многих моделях автомобилей изменены колеса, шины, рулевые механизмы, детали подвески. У некоторых американских автомобилей при установке новых бамперов собственная масса автомобиля увеличилась на 24—59 кг.

Рис. 2.3.10. Безопасный бампер с пневматическим амортизирующем элементом:1 – рукава; 2 – защитная оболочка; 3 – клапан; 4 – опорный рукав; 5 – каркас

Большое количество наездов транспортных средств на пешеходов и большая тяжесть последствий этого вида ДТП привели к изменениям внешнего оформления автомобилей. В последние годы скруглены острые углы облицовки радиатора, устранены выступавшие предметы (в том числе декоративные детали). Прекращена установка фигурных фирменных эмблем на передней части капота, например оленя на автомобилях ГАЗ или собаки на автомобилях Линкольн. Бамперы легковых автомобилей делают без клыков, а у бамперов грузовых убраны буксирные крюки.

Бампер современного автомобиля должен удовлетворять требованиям Правила № 42 ЕЭК ООН. При испытаниях по нему наносят удар маятником

215

весом, соответствующим массе автомобиля на высоте 455мм от земли, скорость столкновения - 4 км/ч. Кроме фронтального удара, бампер испытывают на косой удар. Его наносят под углом 30° к продольной оси, при этом скорость столкновения составляет 2,5 км/ч. После удара не должны пострадать элементы кузова, светотехника, детали системы охлаждения, выпуска.

По американским и канадским стандартам скорость столкновения задается в 2 раза выше европейской — 8 км/ч. Поэтому многие автомобили, поставляющиеся на американский рынок, отличаются от европейских бамперами (добавим, еще и светотехникой, так как по американским стандартам должна быть другая регулировка светового пучка). Кроме того, по канадским требованиям бампер должен сохранять свои свойства при температуре до —30 °С.

Сегодня бампер не только защищает автомобиль от удара, он стал неотъемлемой деталью, обеспечивающей аэродинамику автомобиля. Его отогнутые края выполняют функции спойлеров, увeличивaют прижимную силу и препятствуют возникновению вихрей.

Французские автопроизводители предлагают изготавливать бамперы из специального пластика. Благодаря его свойствам бамперы, внешне ничем не отличающиеся от обычных, после удара со скоростью до 10 км/ч способны самостоятельно восстанавливать свою заводскую форму.

В последнее время наметилась тенденция совмещать бампер с фальшрадиаторной решеткой. Все чаще конструкторы используют так называемые фронтэнд (Front-end), представляющие собой отдельные модули, в которые вмонтированы не только поглощающие удар элементы, но и светотехника, детали системы охлаждения, климатической установки, датчики парковки и ускорений. Такие фронтэнды уже применяются серийно на Audi A6. Они значительно облегчают жизнь производителям — элемент приходит на сборку уже полностью собранный, что позволяет значительно сократить время и качество сборки. Но они имеют и существенный недостаток для потребителя — в случае повреждения приходится менять сразу весь фронтэнд, а обходится в несколько раз дороже.

2.3.4. Двери автомобилей

Самопроизвольное открывание дверей салона при аварии кроме серьезной опасности выпадения пассажиров чревато еще и тяжелыми травмами вследствие интенсивно развивающихся деформаций и разрушений структурных элементов кузова. Поэтому двери кузова не должны открываться при ударе, т.е. их замки должны иметь предохранительные устройства, способные выдерживать любые возможные нагрузки. Наиболее удачно эта проблема может быть решена путем применения дверей, скользящих в продольных направляющих кузова.

Требования к замкам и устройствам крепления дверей, таким, как петли, и другие удерживающие устройства регламентированы Правилом №

216

11 ЕЭК ООН. В соответствии с ним каждый дверной замок должен иметь положение, в котором дверь полностью закрыта; для навесных дверей должно быть предусмотрено также промежуточное положение, в котором дверь закрыта не полностью.

Раздвижная дверь, не имеющая промежуточного положения закрытия, должна, если она оказалась не полностью закрытой, автоматически возвращаться в положение, в котором она частично приоткрыта; необходимо, чтобы водитель и пассажирыТСмогливидеть, что дверь частично приоткрыта.

Замки должны быть сконструированы таким образом, чтобы исключить непроизвольное открытие дверей.

Устройства крепления боковых дверей на петлях (за исключением складных дверей, располагаемых по бокам ТС) устанавливаются в передней части в направлении движения. Для двойных дверей это требование должно применяться к створке двери, которая открывается первой; в этом случае необходимо, чтобы вторую створку можно было застопорить.

Система замок — личинка дверного замка должна выдерживать:

•продольную нагрузку, равную 4,44 кН, когда замок находится в промежуточном положении закрытия, и 11,11 кН, когда я мок полностью закрыт;

•поперечную нагрузку, равную 4,44 кН, когда замок находится в промежуточном положении закрытия, и 8,89 кН, когда замок полностью закрыт.

Дверной замок должен оставаться в полностью закрытом со стоянии, когда при отключенном механизме блокировки на сив тему замка, включая механизм по приведению его в действе действует в продольном и поперечном направлениях ускорения равное 30g.

Комплект устройств крепления для каждой двери должен выдерживать продольную нагрузку 11,11 кН и поперечную нагрузку 8,89 кН, действующие

вобоих направлениях.

Для раздвижных дверей система направляющих и ползуна (или система любых других устройств крепления) не должна разъединяться под действием поперечной нагрузки 8,89 кН, приложенной в направлении наружу к несущим элементам, находящиеся на противоположных краях двери (всего

17,8 кН).

Кроме перечисленных основных требований, дверные замки не должны срабатывать под действием инерционных нагрузок, приложенных к замочным ручкам в направлении «по ходу» или «против хода» на аварийной стороне автомобиля. Наличие наружного предохранительного устройства, исключающего возможность открывания дверей детьми изнутри салона, обязательно для всех моделей автомобилей. Нужны усиленные пружины запирающего механизма и дополнительное приспособление, удерживающее дверь в соединении со стойкой кузова даже в случае сильной деформации дверного проема, при которой неизбежно разъединение деталей запирающего механизма. Это может быть прочный шип в замках с «языком» или Г-образная скоба, объединенная с защелкой в замках роторного типа.

217

Дверные замки необходимо оборудовать надежной системой блокировки, предотвращающей случайное отпирание двери как изнутри, так и снаружи, которое может произойти, при соприкосновении кнопки замка с каким-либо предметом, под действием инерционных нагрузок и при ударе в момент аварии. Однако после аварии система блокировки дверных замков не должна препятствовать открыванию двери для быстрого выхода из автомобиля. Такой системой оборудованы, например, автомобили Mercedes.

2.3.5. Ремни безопасности

При лобовом столкновении автомобиля, в случае если пассажир имеет свободу перемещений в салоне, он под действием сил инерции продолжает двигаться вперед со скоростью, которую имел автомобиль в момент начала удара, и в результате ударяется о детали интерьера кабины уже в то время, когда автомобиль остановился. Сидящий резко останавливается, подвергается крайне высоким замедлениям и испытывает так называемый «вторичный» удар. В том случае, если пассажир связан с автомобилем какимнибудь удерживающим приспособлением, скорость его перемещения при ударе по своему значению будет близка к скорости автомобиля, а эффективный путь остановки пассажира зависит от величины деформации передней части кузова и будет равен 0,5-0,8 см против 2-4 см в предыдущем случае. Таким образом, наблюдается уменьшение величины замедления в 2025 раз.

Наиболее простым и эффективным средством, ограничивающим перемещение людей внутри автомобиля при авариях, являются ремни безопасности. Правилами ЕЭК ООН № 16 и национальными стандартами многих стран предусмотрено применение ремней безопасности в автомобилях. В России требования к ремням безопасности и местам их крепления изложены в ГОСТ 18887-89 и ГОСТ Р 41.14-99 (Правила ЕЭК ООН № 14).

В зависимости от конструкции ремни безопасности подразделяются на поясные, диагонально-поясные (трехточечные), диагональные и двойные плечевые. В общем случае комплект ремня безопасности состоит из лямок, пряжки, приспособления для регулировки, устройства для поглощения энергии, втягивающего устройства и деталей крепления. Места крепления ремней безопасности должны быть оборудованы на всех посадочных местах, предназначенных для взрослых пассажиров и водителей, в автобусах места крепления ремней безопасности должны быть расположены на сиденьях первого ряда.

Простой набедренный (поясной) предохранительный ремень не предотвращает серьезной опасности удава головой о некоторые внутренние поверхности салона. Кроме того, во время аварии пассажир может проскочить под такой ремень. Поясной ремень можно использовать только

218

для средних мест сиденья, а также для других мест в автомобиле с открытым кузовом, где нельзя использовать верхнюю точку крепления.

Наибольшее распространение получили диагонально-поясные ремни с трехточечным креплением.

На рис.2.3.11 показаны различные конструкции ремней безопасности.

Рис. 2.3.11. Ремни безопасности: а – диагонально-поясной с трехточечным креплением (трехточечный); б – двойной плечевой; в – поясной;

Исследования диаграмм и кинопленок, полученных при испытаниях этих ремней, дают возможность выявить недостатки ремней безопасности этого типа (рис.2.3.12):

1. Наличие зазора между ремнем и пассажиром вызывает в начальный момент удара автомобиля резкое натяжение ремня, в результате чего последний может разорваться.

219

Рис.2.3.12. Фазы перемещения манекена, закрепленного трехточечным ремнем безопасности, при лобовом столкновении: а - движение вперед; б – движение назад

2.В активной фазе удара тело пассажира по инерции продолжает движение вперед. Наличие элементов поясного ремня ведет к тому, что верхняя часть тела получает вращательное движение вперед, в результате чего значительно увеличиваются инерционные нагрузки, приходящиеся на грудную клетку. Голова, перемещаясь по инерции, вызывает изгиб позвонков. Однако нижняя челюсть при этом опирается на верхнюю часть грудной клетки, и сравнительно небольшие напряжения сдвига позвонков не приводят к такому их перемещению, которое будет сопровождаться ущемлением спинного мозга.

Если в результате столкновения пассажир ударяется в ветровое стекло или переднее сиденье, то к простому изгибу добавляется продольное усилие сжатия, что может повлечь за собой раздавливание хрящевых позвоночных дисков и серьезные повреждения самих позвонков. Это является важным аргументом для оборудования автомобиля таким образом, чтобы обеспечить возможно более свободное пространство между пассажирами и стенками, о которые они рискуют удариться.

3.Во время фазы возврата пассажир резко возвращается на сиденье, что вызывает опрокидывание головы назад под действием сил инерции. Позвоночник при этом находится в сверхнапряженном состоянии, характеризуемом серьезными повреждениями позвонков и нервных центров. Этот недостаток можно частично исправить, применяя подголовники, жестко соединенные со спинкой сиденья. Но, тем не менее, замедление, сообщаемое пассажиру при возврате его назад, остается практически таким же высоким (около 40 g),как и в случае прямого удара.

Для исключения эффекта «второго удара» были разработаны инерциональные катушки безопасности. Они позволяют пользоваться ремнем безопасности, вытягивая его из катушки без особых усилий, но в случае резкого ускорения он надежно блокируется фиксирующим устройством. На рис. 2.3.13 изображена инерционная катушка, реагирующая на замедление как тела человека, так и автомобиля и действующая на плечевой ремень.

В неподвижном корпусе 7 катушки вращается ось 8, одним концом соединенная с возвратной пружиной 9, а другим-с подвижной частью 4 храповика, маховиком 2 и маятником 1. Неподвижная часть 6 храповика закреплена на корпусе 7. На торце подвижной части храповика выфрезерованы три профильных канавки, в которых расположены стальные шарики 3. При плавных движениях тела человека вытягиванию ремня препятствует только сила возвратной пружины 9, так как части 4 и 6 храповика раздвинуты пружиной 5 и шарики находятся в глубокой части канавок. В случае выдергивания ремня с большой скоростью маховик 2 вследствии инерции начинает вращаться позднее храповика. Шарики

220