Fotki:

Symulatory zderzeń
Autor: Mgr inż. Jan Leski <>
Źródło: Młody Technik 4/1971 <http://www.mt.com.pl>

Zderzenia z przeszkodami terenowymi oraz pomiędzy sobą różnych pojazdów, a
szczególnie kołowych pojazdów mechanicznych, na drogach i traktach
występują nader często. Wypadki te pociągają za sobą zazwyczaj śmierć lub
kalectwo znajdujących się w pojazdach pasażerów. Wraz z nasilaniem się
tempa rozwoju motoryzacji w różnych krajach, liczba wypadków drogowych
spowodowanych zderzeniami pojazdów stale wzrasta.
Pomimo usilnych starań różnych czynników odpowiedzialnych za bezpieczeństwo
na drogach, stałego wzrostu kultury zawodowej kierowców, doskonalenia
przepisów drogowych — zupełnego wyeliminowania zderzeń pojazdów nie da się
zapewne uzyskać. Z tego założenia wychodzi wielu producentów nowoczesnych
samochodów osobowych i innych pojazdów. Niektórzy uważają wręcz, iż „żaden
samochód, nawet najnowocześniej wykonany, nie może być naprawdę bezpieczny,
gdy za jego kierownicą zasiada człowiek". Pogląd taki, może zresztą zbyt
pesymistyczny, wyraziła w jednej ze swych publikacji pani Mary Lee z
redakcji znanego angielskiego miesięcznika „Science Journal". W tej
sytuacji coraz większego znaczenia nabierają badania zderzeń pojazdów.
Symulowane, a więc wykonywane w sposób sztuczny, rozmyślny, zderzenia
pojazdów mają na celu dostarczanie konstruktorom samochodów danych
dotyczących wytrzymałości materiałów i dynamiki ruchów ciał występujących w
zderzeniu. Korzystając z wyników tego rodzaju badań, konstruktorzy budują
samochody tak, aby w wypadku zderzenia szkody doznane przez pasażerów były
jak najmniejsze.
Niektóre uzyskane wyniki Jak wykazują przeprowadzone doświadczenia,
ulegający zderzeniu samochód jadący z prędkością 50 km/h zatrzymuje się
nagle w czasie krótszym niż 0,1 s, deformując się przy tym na długości
około 90 cm. Przeciążenia działające na organizmy pasażerów w czasie
zderzenia sięgają wartości 65-krotnie większych od przyspieszenia
ziemskiego, a więc biorąc pod uwagę niezwykle krótki (rzędu 0,025 s) czas
ich trwania, leżą na samej granicy wytrzymałości struktury ludzkiego
organizmu. Do tego często jeszcze dochodzi uderzenie ciała o sztywne części
samochodu.
Za podstawę prowadzonych prób zderzeniowych bierze się mechanizm zderzenia
pojazdu ze sztywną przeszkodą, a mówiąc ściślej, analizuje się
oddziaływanie zespołu sił hamowania na poszczególne części organizmu
kierowcy lub pasażera pojazdu w czasie i przestrzeni.
Cóż więc dzieje się na ogół z kierowcą podczas zderzenia?
Uderza on zazwyczaj najpierw o kierownicę samochodu, przy czym jego tułów
zderza się z dolną częścią koła kierownicy, a klatka piersiowa, szyja lub
twarz — zależnie od wzrostu kierowcy i jego położenia na fotelu — uderzają
o górny łuk koła kierownicy. W groźniejszych zderzeniach koło kierownicy
deformuje się i wówczas klatka piersiowa kierowcy może uderzyć w piastę
koła kierownicy. Grozę sytuacji potęguje fakt, iż wymienione części pojazdu
mają stosunkowo małą powierzchnię - skoncentrowaną punktowo, jak w
przypadku piasty koła, lub wydłużoną, jak w przypadku koła kierownicy.
W przypadku nagłego zderzenia pojazdu ze sztywną przeszkodą kierownica
samochodu jest zatem dla kierowcy elementem szczególnie groźnym i
niebezpiecznym. Jednakże ta sama część kierowniczego układu samochodu może
stanowić ochronę kierowcy. Będzie tak wówczas, kiedy konstrukcja kierownicy
umożliwi jej przewidzianą i kontrolowaną deformację pod wpływem określonego
nacisku. Toteż wiele firm samochodowych, głównie japońskich i
amerykańskich, wprowadza do produkcji układy kierowania samochodem z
kierownicami o kolumnach deformujących się pod naciskiem oraz o dużej
powierzchni piasty (fot. 1). Na przykład zakłady General Motors wprowadziły
deformujące się zespoły kierowania do wszystkich swoich samochodów już od
roku 1967.
Symulatory zderzeń Do badania skutków zderzeń pojazdów służą symulatory
zderzeń, czyli urządzenia wytwarzające takie efekty wewnątrz badanego
pojazdu, jakie występują podczas prawdziwego zderzenia.
Jedno z takich urządzeń widzimy na fot. 2, Jest to uniwersalny symulator
zderzeń pojazdów kołowych z twardą przeszkodą, zainstalowany, jako jeden z
pierwszych w Europie, w ośrodku doświadczalnym Vauxhall w Anglii. Jego
uniwersalność polega na możliwości badania różnego typu pojazdów w różnych
przypadkach zderzeń. Urządzenie to jest niewątpliwie drogie, bo łączny
koszt jego budowy i zainstalowania wyniósł, zgodnie z dostępnymi na ten
temat publikacjami, aż 250 000 funtów szterlin-gów, ale ma tę istotną
zaletę, że za jego pomocą objawy zderzenia mogą być obserwowane i
rejestrowane na bieżąco i dokładnie w warunkach kontrolowanych i
powtarzalnych, bez konieczności niszczenia pojazdu, który poddawany jest
badaniu. Ponadto w symulatorze zainstalowane jest pełne wyposażenie
kontrolno-pomiarowe przy minimalnym ryzyku jego uszkodzenia. Można także
posługiwać się podczas badań kamerą filmową (jak to widać zresztą na
fotografii), dzięki której uzyskuje się film z przebiegu całego procesu
symulowanego zderzenia. Film taki, wyświetlony następnie w tempie
wielokrotnie wolniejszym, umożliwia dokładne przestudiowanie wszystkich
zjawisk zachodzących podczas zderzenia w drobnym ułamku sekundy.
Najważniejszą częścią każdego symulatora zderzeń pojazdów jest zespół
san-kowy z platformą, który przesuwa się po torze szynowym. W opisywanym
przypadku symulatora w Vauxhall długość toru wynosi 36 m. Siła wstrząsu,
która za pośrednictwem pneumatycznie napędzanego zderzaka przykładana jest
do platformy, wynosi około 120 ton i umożliwia uzyskiwanie przyspieszeń
dochodzących do 65 „g". Odpowiada to mniej więcej rozpędzaniu pojazdu (lub
jego hamowaniu) od zera do prędkości około 100 km/h na drodze 10 m.
Na przesuwnej ramie montuje się na sztywno samochód poddawany badaniu.
Najczęściej jednakże nie jest to kompletny pojazd, a tylko karoseria
samochodu lub kabina kierowcy ciągnika, w której wnętrzu znajduje się jeden
lub więcej manekinów, imitujących kierowcę oraz pasażerów pojazdu.
Inny typ symulatora zderzeń pokazano na fot. 3. Jest to symulator
przeznaczony do dynamicznych badań pasów bezpieczeństwa, którym specjaliści
z dziedziny bezpieczeństwa ruchu drogowego przyznają prymat w zakresie
ochrony pasażerów pojazdów na podstawie zarówno wyników prób i badań, jak
też i danych statystycznych. Ocenia się mianowicie, że pasy zmniejszają
liczbę groźnych uszkodzeń ciała w wypadkach zderzeń samochodów o połowę, a
niekiedy nawet o 70%, Oczywiście pod warunkiem, że są stale, a nie tylko
sporadycznie używane. Nic więc dziwnego, iż dla ich oceny i badań
konstruuje się specjalne symulatory zderzeń.
W przedstawionym na fot. 3 symulatorze na przesuwnej platformie montowane
jest tylko samo siedzisko pasażerskie, oczywiście wraz z fotelem i pasami
bezpieczeństwa, które stanowią zasadniczo jedyne umocowanie doświadczalnego
manekina. W konstrukcji symulatora wykorzystano zasadę zderzenia z
odbiciem, dlatego też urządzenie może wystarczająco realistycznie symulować
zderzenia, przy stosunkowo niewielkiej długości toru, po którym
przemieszcza się zespół sankowy z platformą i manekinem. Warunki
symulowanych zderzeń w opisywanym symulatorze odpowiadają zderzeniu przy
prędkości około 50 km/h. Występujące w procesie symulowanego zderzenia siły
nacisku, przeciążenia oraz naprężenia w pasach bezpieczeństwa są
rejestrowane przez precyzyjne przyrządy kontrolnopomiarowe.
Opisane dwa przykłady symulatorów zderzeń można by zaliczyć do przykładów
kompleksowych urządzeń symulacyjnych, umożliwiających badania wypadków
zderzeń pojazdów w sposób całościowy. Obok tego rodzaju symulatorów
budowane są i stosowane urządzenia przeznaczone do badań wycinkowych, na
przykład do określania prędkości przesuwu kolan pasażera siedzącego na
przednim fotelu samochodu podczas zderzenia czołowego. Konstrukcja tego
typu urządzeń jest prostsza; są one mniej kosztowne w budowie, chociaż ich
działanie jest bardziej jednostronne, specjalistyczne. Zasadniczą rolę
odgrywają w nich urządzenia związane bezpośrednio z manekinami
umieszczanymi we wnętrzu badanego w symulatorze samochodu (fot. 4).
Manekiny doświadczalne
Nie ulega wątpliwości, że wartościowe dla naukowców i konstruktorów mogą
być tylko wyniki takich prób zderzeniowych, jakie prowadzone były w
warunkach ściśle odpowiadających rzeczywistym warunkom awarii. Innymi
słowy, chodzi o jak największy realizm badań i prób. Dodać przy tym należy,
że w symulowanych zderzeniach można, dla pełnego realizmu, stosować
prawdziwe, seryjne samochody — nie można jednakże narażać na
niebezpieczeństwo utraty życia lub na trwałe kalectwo ludzi, pasażerów tych
pojazdów. Toteż w takich symulowanych zderzeniach żywych pasażerów
zastępują ich martwe imitacje — manekiny doświadczalne.
Jednakże manekiny takie, mocowane w pojazdach poddawanych zderzeniom, muszą
dokładnie odpowiadać pod względem budowy, wytrzymałości mechanicznej i
wielu innych jeszcze cech żywym ludziom. Nie tylko więc szkielety manekinów
muszą odpowiadać znormalizowanemu układowi kostnemu organizmu ludzkiego
(fot. 5), ale ponadto ich pokrycie dostosowuje się pod względem wymiarów,
elastyczności, ciężaru oraz wytrzymałości mechanicznej na rozrywanie,
zginanie, ściskanie i cięcie do cech skóry i mięśni ludzkich. Manekiny
okrywa się typowymi ubiorami, jak dresy wełniane czy skórzane kurtki,
nakrycia głowy, obuwie i rękawice. Dla celów doświadczalnych manekiny
wyposażone zostają w urządzenia pomiarowe i rejestracyjne, skonstruowane w
takiej formie, aby nie zmieniały sytuacyjnych warunków zderzenia. Na fot. 6
widzimy manekin doświadczalny z wykonanym w postaci fartucha pokryciem
klatki piersiowej i brzucha. Pokrycie to spełnia w trakcie badań
zderzeniowych rolę rejestratora nacisku od kierownicy na klatkę piersiową
manekina. Rejestrator ciśnienia wykonany jest w postaci zespołu płytek z
mocno porowatej, piankowej masy. Podczas zderzenia piankowa konstrukcja
płytek ulega miejscowym wgnieceniom, których głębokość jest proporcjonalna
do wartości ciśnienia wywieranego na manekin przez określony zespół
samochodu. Na fot. 7, przedstawiającej rejestrator ciśnienia ze śladami
wgnieceń od kierownicy samochodu, naniesione zostały liczbowe wartości
ciśnień, podane w jednostkach odpowiadających ciśnieniu ok. 0,7 kG/cm2. Na
podstawie symulowanych zderzeń pojazdów z zastosowaniem manekinów
doświadczalnych określone zostały wartości dopuszczalnych sił uderzenia o
kierownicę samochodu, nie powodujących, jeszcze trwałych obrażeń różnych
części organizmu ludzkiego. Wartości tych sił, rzecz jasna, zależą w
znacznymstopniu od indywidualnych cech wytrzymałościowych organizmu każdego
z pasażerów i różnią się pomiędzy sobą. Ustalono więc pewne wartości
średnie dopuszczalnych sil zderzenia. Te wartości średnie oznaczają siły,
które nie są szkodliwe dla organizmów silnych, nie wywołują zbyt dużych
uszkodzeń u organizmów średnio wytrzymałych i nie grożą trwałymi
obrażeniami organizmom słabszym. Wartości tych sił, jak to ilustruje rys.
1, wynoszą dla twarzy 68 kG, krtani 45 kG, klatki piersiowej 227 kG, a dla
nóg aż 730 kG. Widać wyraźnie, iż najgroźniejsze w skutkach są przypadki
zderzeń, w których kierowca uderza o kierownicę pojazdu krtanią, a także
twarzą.
Pomocnicze urządzenia badawcze W trakcie badania skutków zderzeń pojazdów
dużą uwagę przywiązuje się do zdolności pochłaniania energii zderzenia
przez dolną część samochodowego pulpitu przyrządowego. Bada się przy tym
zakres możliwych uszkodzeń poszczególnych części organizmów pasażerów,
siedzących na przednich siedzeniach samochodu. W warunkach symulowanych
zderzeń stosowane są nie tylko opisane wyżej manekiny doświadczalne z
odpowiednim wyposażeniem pomiarowym. Często bowiem dla celów badań
częściowych, np. określania sił działających na tułów, nogi czy głowę
pasażera lub kierowcy, rezygnuje się z niewątpliwie wyszukanych i złożonych
urządzeń, jakie stanowią manekiny, a stosuje się znacznie prostsze
urządzenia doświadczalne. Takie proste urządzenia są szczególnie przydatne
w badaniach laboratoryjnych. Budowane są głównie urządzenia symulujące
zmiany położenia w zderzeniu przede wszystkim głowy i kolan pasażera. Na
fot. 8 widoczne jest wahadłowe urządzenie do badań sił uderzenia kolan
pasażera o przednie partie samochodu podczas zderzenia z twardą przeszkodą.
Urządzenie to instalowane jest w samochodzie poddawanym zderzeniu (fot. 9),
jednakże może ono być również stosowane w warunkach laboratoryjnych.
Zostało ono wyposażone w kompięt aparatury pomiarowej i rejestracyjnej do
wyznaczania (pomiaru) i rejestracji sił działających na pasażera oraz
prędkości przesuwania się jego ciała podczas zderzenia. Jak widzimy na fot.
8, zasadniczą częścią urządzenia jest wahliwe ramię, które podczas nagłego
hamowania, symulującego zderzenie, odchyla się do przodu i widoczną na
zdjęciu głowicą uderza o dolne partie pulpitu przyrządowego w samochodzie.
W głowicy znajduje się przyspieszeniomierz, który mierzy przyspieszenie
zderzenia. Na podstawie pomiaru przyspieszeń oraz skutecznego ciężaru
wahliwego ramienia wyznacza się siły zderzenia. Widoczny na fotografii
wymiar podany w calach (ok. 35 cm) oznacza długość ramienia w urządzeniu.
Zdaniem konstruktorów urządzenia, odpowiada ona średniej długości goleni
ludzkiego podudzia. Długość ta zresztą może być regulowana w określonym
zakresie dla umożliwienia jak największej zgodności z rzeczywistością
symulowania zderzeń pojazdów z pasażerami o różnym wzroście i o różnej
długości nóg. Urządzenie działa przy symulowanej prędkości jazdy wynoszącej
około 20 km/h. Jest to prędkość niezbyt wielka, gdyż uwzględnia już efekt
bezwładnego hamowania na odcinku — od normalnego położenia kolan pasażera w
samochodzie podczas jazdy — do przyrządowego pulpitu samochodu.
Opisane urządzenie wahadłowe służy jako techniczna pomoc doświadczalna przy
zdolności pochłaniania energii zderżenia przez dolne partie samochodów, a
szczególnie przez pulpit przyrządowy. Dodać należy, iż chodzi tutaj o
energię bezwładności wyzwalaną podczas czołowego zderzenia samochodu ze
sztywną przeszkodą. Jednocześnie, dzięki zastosowaniu urządzenia, możliwe
jest określenie ścisłej współzależności pomiędzy początkową odległością od
kolan pasażera do pulpitu przyrządowego w samochodzie a prędkością jazdy w
chwili zderzenia.
Jeszcze inne, również pomocnicze urządzenie badawcze zostało pokazane na
fot. 10. Jest to już urządzenie typowo laboratoryjne i służy do symulowania
zderzeń głowy pasażera z twardymi częściami samochodu. Badania takich
zderzeń są konieczne dla określenia charakteru i wielkości pęknięć kości
głowy, doznawanych przez pasażerów pojazdów podczas zderzeń, a tym samym
dla określenia stopnia niebezpieczeństwa, jakie grozi pasażerom od
wystających, twardych części wewnątrz pojazdu w przypadku nagłego,
krótkotrwałego hamowania. Najbardziej interesującą częścią tego urządzenia
jest półsferyczna skorupa, umocowana u metalowej nasady i wraz z tą nasadą
opuszczana na punktowy lub powierzchniowy bolec metalowy, imitujący
wystające, sztywne części samochodu. Konstrukcja skorupy jest tak dobrana,
aby mogła ona jak najwierniej imitować budowę tkanki kostnej ludzkiej
czaszki. Toteż, jak pokazano na rys. 2, pomiędzy twardą aluminiową
półsferą, a zewnętrzną powłoką z tworzywa sztucznego, znajduje się warstwa
twardej gumy podatnej na wgniecenia. Metalowa podstawa wraz z półsferyczna
skorupą spada z wysokości około 70 cm i uderza o wystającą powierzchnię z
siłą jednej tony. Charakter pęknięcia czy wgniecenia w imitatorze czaszki
zależy nie tylko od siły uderzenia, ale także od wielkości powierzchni
imitatora i części sztywnej pojazdu. W ten sposób można określić siły i
prędkości zderzeń, przy których wystające, sztywne części pojazdu grożą
trwałymi obrażeniami głowy.
Symulatory zderzeń pojazdów oraz inne urządzenia pomocnicze są wyrazem
poszukiwań mających na celu ochronę zdrowia i życia człowieka w
zmotoryzowanym społeczeństwie. Rzecz jasna, iż tego rodzaju rozwiązania nie
gwarantują jednoznacznie bezpieczeństwa jazdy. Jednakże wyniki badań
przeprowadzanych za pomocą tego rodzaju urządzeń niewątpliwie ułatwią
konstruktorom budowę takich samochodów osobowych, ciągników i innych
pojazdów mechanicznych, które nawet w wypadku nieuchronności zderzenia
zapewnią określone możliwości ocalenia pasażerów czy chociażby złagodzenia
skutków zderzenia. A to już jest dużo.
Mgr inż. Jan Leski