БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЛОМАКИН
.pdf-фиксацию тела в определенном положении, несмотря на динамические воздействия, прежде всего горизонтальные;
-возможность изменения позы.
Материал обивки сиденья должен быть паропроницаемым, но в то же время обеспечивать необходимую термоизоляцию, обивка сиденья должна противостоять загрязнениям, легко очищаться, быть износостойкой и не изнашивать одежду.
Как видно, требования во многом противоречивы и взаимно исключают друг друга, рациональное решение, как обычно, достигается в результате разумного компромисса.
Сиденье должно соответствовать стандартным требованиям пассивной безопасности, прежде всего должна быть обеспечена необходимая прочность сиденья (ГОСТ Р 41.80—99 (Правило № 80 ЕЭК ООН)). Автомобильное сиденье (подушка, спинка и их крепление) должно выдерживать горизонтальную нагрузку, направленную вперед и назад, приложенную в центре масс сиденья и равную двадцатикратному весу сиденья, и направленный назад момент относительно точки H около 530 Н·м.
Удобная поза водителя и пассажира обеспечивается габаритными параметрами сиденья, формой и упругостью подушки сиденья и спинки. Основная нагрузка от веса сидящего человека приходится на седалищные бугры, сравнительно небольшие зоны на ягодицах, которые «приспособлены» для восприятия значительных давлений. В зависимости от наклона подушки сиденья и ее формы таз человека может занимать различное положение (рис. 2.3.19).
На рис. 2.3.19, а изображено положение таза водителя или пассажира при плоском сиденье. Вес верхней части корпуса создает на плече l вращающий момент, действующий на таз. При этом седалищные бугры сползают вперед, а позвоночник неестественно изгибается. Стрелки показывают основные силы, сдвигающие тело человека. На рис. 2.3.19, б изображено сиденье, имеющее опорный валик 1, который препятствует скольжению туловища вперед. Опора 2 в зоне поясницы поддерживает таз, он занимает анатомически правильное положение, и мышцы туловища расслабляются. Стрелки поясняют направление сил, удерживающих тело человека. Положительный эффект достигается также наклоном подушки сиденья спереди назад. При этом необходимый угол наклона зависит от высоты сиденья и положения бедер.
Способность человека чувствовать давление на различные участки кожи называется тактильной чувствительностью. Когда человек занимает на сиденье правильное положение, основная вертикальная нагрузка приходится на седалищные бугры или располагается несколько впереди них. Здесь между костями таза и сиденьем находятся только кожа и жировые прослойки (мышечных волокон нет). Величина давления в этой зоне может быть около 7 кПа. В других местах подушки сиденья, с которыми соприкасается тело человека, давление должно быть существенно ниже. На рис. 2.3.20 показаны эпюры удовлетворительного распределения давления на подушке и спинке.
231
Рис. 2.3.19. Влияние профиля сиденья на положение позвоночника: а – при плоском сиденье; б – при сиденье с опорным валиком; 1 – опорный валик; 2 – опора в зоне поясницы
Рис. 2.3.20. Эпюра удовлетворительного распределения давлений (кПА) на спинку (а) и подушку (б) сиденья
Позвоночник человека имеет выгибы вперед (например, поясничный лордоз) и назад (например, кифоз в области лопаток). В области под лопатками надо обеспечить поддержку спины, давление в этой зоне будет выше. В области крестца давление также может быть высоким, особенно если водитель с большой силой нажимает на педали. Такое распределение давлений благоприятно.
232
Для удерживания тела от смещения в боковом направлении можно сделать форму сиденья вогнутой, чашеобразной, но такое сиденье, удобное, например, для гонщиков на соревнованиях типа ралли, при обычной езде будет сковывать движения и затруднять изменение позы, что в конечном итоге приведет к усталости. Поэтому для обычных автомобилей ограничиваются тем, что в боковых частях подушки делают валики, которые не увеличивают существенно давление на внешние стороны бедер, но препятствуют боковому смещению тела при крутых поворотах. Вогнутая форма придается также и спинке.
Способность сиденья изолировать человека от динамических, прежде всего вибрационных, воздействий определяется упругостью сиденья и способностью демпфировать колебания. Человек, сидящий на упругом сиденье, представляет собой колебательную систему. Эта система имеет определенную частоту собственных колебаний, и если эта частота совпадает с собственной частотой колебаний подрессоренной массы автомобиля или близка к ней, то возникает резонанс (амплитуда колебаний человека на сиденье резко возрастает). Амплитуда колебаний уменьшается с увеличением демпфирования колебательной системы. Если характеристика упругости подушки сиденья нелинейна, т. е. ее жесткость возрастает с увеличением сжимающей силы, то резонансные явления проявляются слабее. Свойства колебательной системы «человек—сиденье» удобно оценивать величиной статического прогиба, т.е. деформацией сиденья под действием веса человека. Статический прогиб однозначно связан с частотой собственных колебаний. В среднем для комфортабельных мягких сидений можно принять деформацию подушки от веса человека равной около 80 мм, для жестких спортивных сидений — около 45 мм.
Упругодемпфирующие характеристики автомобильных сидений зависят от их конструкции, в частности, от того, какой вид упругого элемента использован. Сиденья с металлическими упругими элементами показаны на рис. 2.3.21. Система из стальных пружин, независимо от их вида, накрывается сверху каким-либо мягким материалом, а уже затем — обивкой. Различные пружины из стальной проволоки обеспечивают при правильном конструировании хорошие упругие свойства сиденья, но демпфирование иногда оказывается недостаточным. Повысить демпфирующие свойства сиденья удается, например, если каждую из витых пружин заключить в отдельный чехол из ткани, но это можно сделать только вручную, и сиденье получается дорогим.
233
Рис. 2.3.21. Сиденья с металлическими упругими элементами:
а - цилиндрические пружины сжатия; б – пружины непрерывного плетения; в – змейковые пружины; г – горизонтальные пружины растяжения
Пример такой конструкции показан на рис. 2.3.21, а справа. Пружины непрерывного плетения (рис. 2.3.21, б), для которых используется тонкая стальная проволока, тесно соприкасаются между собой, их витки входят друг в друга, и возникающее трение интенсивно гасит колебания. Такие сиденья применяются на многих легковых автомобилях. Змейковые (зигзагообразные) пружины (рис. 2.3.21, в), используемые иногда в сочетании с витыми пружинами, позволяют получить хорошие характеристики упругости сиденья с правильным ее распределением по поверхности, но при этом не всегда могут обеспечить достаточное демпфирование. Стальные пружины растяжения используются на недорогих автомобилях, и при их применении правильное распределение жесткости по поверхности сиденья затруднительно.
В качестве упругих элементов сидений часто используются различные вспененные синтетические материалы. Примеры конструкций таких сидений приведены на рис. 2.3.22. Для получения нужных характеристик упругости сиденья в массиве подушки устраиваются воздушные полости (рис. 2.3.22, а). Сиденье с резиновыми (чаще с резинотканевыми) лентами в качестве основного упругого элемента (рис. 2.3.22, б) имеет примерно те же свойства, что и сиденье со стальными пружинами растяжения, но расположенную над ними прослойку можно делать более тонкой и мягкой, потому что ленты шире пружин и не продавливают ее. Жесткое формованное основание под подушкой из вспененного материала (рис. 2.3.22, в), которое часто выполняется штамповкой из стального листа, обеспечивает нужную форму подушки, но защита от вибраций ограничена. Такие сиденья часто используются в городских автобусах, иногда наряду с ними применяются жесткие сиденья, часто отформованные заодно со спинкой (рис. 2.3.22, г).
234
Рис. 2.3.22. Сиденья с неметаллическими упругими элементами:
а – с подушкой из вспененной резины или полиуретана; б – с резиновыми лентами; в – с подушкой на жестком основании; г – жесткое сиденье
Наилучшую защиту от низкочастотных колебаний обеспечивает подрессоренное сиденье (рис. 2.3.23).
Подушка и спинка такого сиденья обычно выполняются из вспененного материала на штампованных из стального листа основаниях. Основное устройство сиденья — система подрессоривания. Она включает в себя направляющее устройство, упругий элемент и демпфирующее устройство. Упругий элемент может быть разных типов и конструкций: стальная пружина или торсион, пневматический баллон. Упругий элемент имеет устройство для регулирования в зависимости от массы человека, пользующегося сиденьем. Такие сиденья, как правило, применяются для водителей тяжелых грузовых автомобилей и тракторов. Демпфирующее устройство, чаще всего гидравлический амортизатор, обеспечивает нужную степень затухания колебаний, иногда имеет регулировки. Для подгонки положения сиденья под размеры конкретного человека оно снабжается системой регулировок.
Из-за трения тела о сиденье при движении транспортного средства, от теплоты и испарений, выделяемых телом, между телом человека и сиденьем возникает неблагоприятная среда. Одежда становится влажной, создается ощущение дискомфорта. Важнейшим свойством обивки и непосредственно прилегающего к ней изнутри материала сиденья является паропроницаемость. Наилучшей паропроницаемостью обладают ткани из натуральных волокон. Однако для сидений большинства транспортных средств они применяются ограниченно, потому что часто не обладают необходимой износостойкостью, сравнительно легко загрязняются и с трудом чистятся.
235
Рис. 2.3.23. Подрессоренное сиденье
Для сидений дорогих автомобилей применяются ткани из натуральных волокон в комбинации с синтетическими, чаще всего имеющие короткий мягкий ворс. Полностью синтетические ткани успешно используются на автомобилях малых и средних классов. Натуральная кожа обладает большинством желательных свойств, однако она дорогая, поэтому применяется на дорогих автомобилях. Очень часто используются различные материалы под общим названием «искусственная кожа». Обычно это ткань с покрытием из синтетического материала. Для обеспечения необходимой паропроницаемости искусственная кожа делается перфорированной.
На дорогих автомобилях иногда применяются специальные вентиляционные устройства, расположенные внутри сидений, которые позволяют создавать наиболее комфортные условия для человека.
Необходимо, чтобы обивка сиденья имела определенные фрикционные свойства, шероховатость. Это препятствует нежелательному перемещению человека при горизонтальных ускорениях. В то же время поверхность материала обивки не должна быть излишне грубой, потому что это будет способствоватьизнашиваниюодежды.
Для повышения комфортабельности транспортного средства, особенно в холодное время года, на многих автомобилях устанавливается система подогрева сидений.
Помимо разработки специальных безопасных сидений, постоянно улучшаются существующие конструкции: усиление крепления сидений; фиксация спинок передних сидений защелками; ограничение перемещения головы в момент удара при помощи подголовников. Рассмотрим, как эти изменения могут влиять на характер травм, получаемых пассажирами.
Усиленное крепление передних сидений применяется с целью уменьшить аварийные нагрузки на сидящих в них людей, особенно когда пассажиры, находящиеся сзади, не имея предохранительных устройств, упираются в спинки передних сидений. Однако в этом случае задний пассажир ударяется о спинку переднего сиденья с большей силой и получает более тяжелую травму. В последние годы серьезное внимание стали уделять надежному
236
креплению подушки заднего сиденья и его спинки. В результате существенно уменьшилось число случаев, когда подушка или спинка отрываются, дополнительно нагружая пассажиров, сидящих сзади, во время аварии. Аварийная нагрузка на сидящих спереди уменьшается в случае фиксации опрокидывающейся спинки переднего сиденья при помощи защелки. Однако при этом возрастает число травм шеи, получаемых передними пассажирами при наезде на автомобиль сзади, если на спинках передних сидений не установить подголовники. При фиксации спинок сидений с помощью защелок задние пассажиры не ударяются о детали интерьера передней части салона. В результате предотвращаются травмы, получаемые при откидывании вперед спинок передних сидений. Но если пассажир, сидящий сзади, не имеет какого-либо предохранительного устройства, ограничивающего его перемещение, то он ударяется о неподвижную спинку сиденья с большей силой, чем в том случае, когда спинка переднего сиденья откидывается под действием его веса вперед. Следовательно, при лобовых аварийных ударах травматизм задних пассажиров при ударе о жесткую неподвижную спинку возрастает.
Дополнение спинок сидений подголовниками должно производиться с учетом безопасности пассажиров, сидящих сзади. Многие из таких устройств имеют металлическую фурнитуру, отдельные детали которой выступают назад, представляя собой повышенную опасность для заднего пассажира. Для уменьшения травматизма пассажиров, сидящих сзади, необходимо снять металлические детали отделки с верхней и боковых граней спинок передних сидений; на задней поверхности спинок передних сидений поставить накладки из пластика или другого материала, обладающего повышенной ударной энергоемкостью; усилить конструкцию задней двери и задней части боковины кузова, а также изменить расположение или конфигурацию жестких ручек, подлокотников, пепельниц и прочих деталей, выступающих внутрь пассажирского помещения.
Задние сиденья современных легковых автомобилей отличаются повышенной прочностью. При скорости наезда 48 км/ч деформация задней части сиденья практически отсутствует, а при скорости 89 км/ч величина деформации очень незначительна - всего 38 мм. Однако высоту спинки заднего сиденья рекомендуется увеличить, с тем чтобы пассажиры получили надежную опору для головы. При установке на стандартное заднее сиденье, имеющее высоту спинки 533 мм, подголовников высотой 152 мм, даже высокие пассажиры хорошо защищены от травм при наезде на автомобиль сзади со скоростью 48 км/ч.
Поскольку задние пассажиры находятся намного ближе к месту удара, чем передний пассажир и водитель, то инерционные нагрузки, воздействующие на их грудную клетку и голову, в два раза больше. При наезде сзади задний пассажир может удариться головой о задний брус крыши. В результате на позвоночник будет действовать значительное вертикальное усилие, которое может послужить причиной многих серьезных травм. Удар головой о крышу сопровождается большими ускорениями головы и грудной клетки
237
(соответственно 24 g и 23 g). Таким образом, использовать заднее стекло и задний брус крыши для того, чтобы удерживать пассажира на сиденье, не рекомендуется. Если задний пассажир не ударяется головой о крышу, то воздействующие на него ускорения имеют меньшее значение, но возможен опасный перелом шейных позвонков при откидывании головы назад под действием сил инерции. Во избежание перелома необходимо увеличить высоту задних сидений. В соответствии с зарубежными нормативами остов сиденья и его салазки должны быть прочно закреплены на полу кузова, чтобы успешно сопротивляться действию сил инерции, направленных вперед
иназад и превышающих собственный вес сиденья в 20 раз. При ударе в спину сиденья манекена, закрепленного поясным ремнем на заднем сиденье
иперемещающегося со скоростью около 7 м/с, спинка должна деформироваться так, чтобы замедление манекена не превышало 80 g в течение 60 мс.
Сиденья автомобилей должны снабжаться подголовниками (рис. 2.3.24). Они играют важную роль в системе пассивной безопасности, и требования к ним оговариваются ГОСТ 24309 — 90 (Правило № 25 ЕЭК ООН). Минимальная высота подголовника над точкой Н при измерении под углом 25° должна составлять 700 мм. Ширина подголовника не должна превышать 170 мм, и он не должен смещаться назад под действием статической нагрузки 890 Н более чем на 102 мм. Кроме того, к подголовнику предъявляются определенные требования по энергопоглощающим свойствам.
Рис. 2.3.24. Варианты конструктивного исполнения сидений автомобиля
В последнее время все большее применение находят так называемые активные подголовники (рис. 2.3.25). В момент удара сзади они отклоняются вперед, сокращая расстояние между головой и подголовником. Тем самым значительно уменьшается вероятность повреждения шейных позвонков.
238
Рис. 2.3.25. Сиденье с активными подголовниками.
2.3.9. Безопасные рулевые колонки
Исследованию влияния рулевой колонки на безопасность водителя при ДТП уделяется большое внимание. В настоящее время уже доказано, что при хорошо сконструированной и правильно расположенной рулевой колонке опасность травмирования водителей уменьшается на 30-40%. Испытания рулевых колонок производят с помощью специальных манекенов на различных стендах и движущихся автомобилях. Фирмой «Дженерал Моторс» были проведены обширные исследования эффективности рулевых колонок, поглощающих энергию удара. Из 1100 случаев повреждения передней части кузова легкового автомобиля отобрали 222 случая, в которых рулевая колонка была сжата, а рулевое колесо - деформировано. При анализе указанных случаев было обнаружено, что на величину продольного сжатия рулевой колонки при ударе об нее тела водителя влияют: рост и вес водителя, его положение на сиденье, наличие ремней безопасности, тип препятствия, о которое ударяется автомобиль, и скорость (относительная) в момент столкновения. Первые четыре фактора учитываются статистическим анализом. Что же касается относительной скорости автомобиля в момент столкновения, то она пропорциональна величине продольной деформации рулевой колонки. Степень поглощения удара рулевой колонкой в большой мере зависит от относительной скорости автомобиля в момент столкновения, что в конечном счете влияет на тяжесть ранения водителя. Характеристики безопасного рулевого управления были также проанализированы в отношении ранений головы водителя при ударе ее о рулевое колесо автомобиля.
Исследовались также влияния направления удара автомобиля о препятствия (лобовое или смещенное относительно оси автомобиля) на характер ранения водителя о рулевую колонку. Тяжесть ранений водителя при ударе о рулевую колонку при столкновении автомобиля под углом к своей продольной оси
239
уменьшена по сравнению с лобовым столкновением, так как тело водителя при этом скользит в сторону и с меньшим усилием ударяется о рулевую колонку. Для воссоздания более объективной картины к рассмотренным ранее 222 случаям было добавлено еще 22 случая с тяжелыми ранениями водителей. При продольном сжатии рулевой колонки менее 125 мм около 80% водителей или имели небольшие ранения туловища, или вовсе оставались невредимыми. Даже при продольном сжатии свыше 125 мм около 50% водителей не получали серьезных повреждений. Большинство смертельных случаев произошло при столкновениях с относительной скоростью выше 105 км/ч и при продольном сжатии колонки от 150 до 220 мм. Для оценки эффективности применения рулевых колонок, поглощающих энергию удара, было проведено сравнение характера ранения водителя при столкновении автомобилей, оснащенных подобными рулевыми колонками (148 случаев), с характером ранения водителя при столкновении обычных автомобилей (1500 случаев). Эти данные были получены от организации по исследованию последствий автомобильных катастроф. Выявлено, что вероятность получения тяжелых ранений увеличивается при использовании обычной рулевой колонки. Более тщательные исследования поглощающих энергию удара рулевых колонок и характера ранений водителя при автомобильных столкновениях различного типа были выполнены в Научноисследовательском центре биомеханики Университета Вейн.
При лабораторных испытаниях рулевой колонки, поглощающей энергию удара, с использованием манекена, пристегнутого ремнем безопасности к сиденью, суммарное динамическое воздействие тела манекена-водителя на рулевое колесо составляло от 750 до 830 кг. Это динамическое воздействие делилось между нагрузкой на ступицу рулевого колеса (245-335 кг) и нагрузкой на обод (около 495 кг). Скорость в момент столкновения динамических саней с барьером составляла от 39,3 до 47,4 км/ч. Рулевое колесо с тремя спицами, которое использовали в этих опытах, деформировалось при приложении к нему статической нагрузки 363-454 кг (при действии сил поперек ступиц) или 113 кг (при концентрированном осевом усилии в верхней части обода рулевого колеса). Средние нагрузки на рулевое колесо были значительно меньше максимальных, равных 830 кг. Если принять, что эта максимальная нагрузка вызывает продольное сжатие (или продольный изгиб) рулевой колонки на 20 см, то рулевая колонка способна поглотить 166 кгм энергии. По расчетам, такая энергия может быть полностью поглощена рулевой колонкой (при весе водителя 75 кг), если скорость автомобиля в момент столкновения с препятствием равна 24 км/ч. При скорости же автомобиля, равной 48 км/ч, рулевая колонка может поглотить только 25% кинетической энергии удара, а при скорости 96 км/ч - только 6,7%, Продольное сжатие рулевой колонки не должно начинаться, если силы,
действующие на тело водителя со стороны рулевого колеса, ниже уровня, вызывающего травмы. Такое сжатие должно начинаться только при
240