Зона смятия

Размер зон деформации (синий) и зоны безопасности машиниста (красный) серии E217. поезда

Зона деформации передней части этих автомобилей поглотила удар при лобовом столкновении.

Зоны смятия , зоны смятия , ^[1] или зоны столкновения — это структурная функция безопасности, используемая в транспортных средствах, в основном в автомобилях, для увеличения времени, в течение которого происходит изменение скорости (и, следовательно, импульса ) в результате удара во время столкновения путем контролируемой деформации ; в последние годы его также используют в поездах и вагонах. ^[2]^[3]^[4]^[5]

Зоны смятия предназначены для увеличения времени, в течение которого общая сила от изменения импульса воздействует на пассажира, поскольку средняя сила, приложенная к пассажирам, обратно пропорциональна времени, в течение которого она прикладывается. Физические аспекты можно выразить уравнением:

F_{\text{avg}}\Delta t=m\Delta v

где $F$ это сила, $t$ это время, $m$ это масса, и $v$ это скорость тела. В СИ единицах сила измеряется в Ньютонах , время в секундах, масса в килограммах , скорость в метрах в секунду , а результирующий импульс измеряется в ньютон-секундах (Н⋅с).

Обычно зоны деформации располагаются в передней части автомобиля, чтобы поглотить удар при лобовом столкновении , но их можно обнаружить и на других частях автомобиля. По данным исследования, проведенного Британским исследовательским центром по ремонту автострахования, в отношении мест возникновения повреждений в результате удара транспортного средства 65% приходится на лобовые удары, 25% на удары сзади, 5% на левую сторону и 5% на правую сторону. ^[6] В некоторых гоночных автомобилях используются соты из алюминия, композита/углеродного волокна или энергопоглощающий пенопласт. ^[7]^[8] создать глушитель удара , который рассеивает энергию удара, используя гораздо меньший объем и меньший вес, чем зоны деформации дорожного автомобиля. ^[1] В некоторых странах глушители ударов также установлены на транспортных средствах для содержания дорог.

10 сентября 2009 года ABC News программы «Доброе утро, Америка» и «Мировые новости» показали Страхового института дорожной безопасности краш-тест 2009 года выпуска США Chevrolet Malibu при лобовом столкновении с седаном Chevrolet Bel Air 1959 года выпуска . Это наглядно продемонстрировало эффективность современной конструкции безопасности автомобилей по сравнению с конструкцией 1950-х годов, особенно жестких ячеек безопасности пассажиров и зон деформации. ^[9]^[10]

Ранняя история развития

Концепция зоны деформации была первоначально изобретена и запатентована венгерским Mercedes-Benz инженером Белой Бареньи в 1937 году, прежде чем он работал в Mercedes-Benz, а в более развитой форме - в 1952 году. ^[11] 1953 года Mercedes-Benz «Ponton» был частичным воплощением его идей. ^[12] благодаря наличию прочной глубокой платформы, образующей частичную камеру безопасности, запатентованной в 1941 году. ^[11]

Патент Mercedes-Benz № 854157, выданный в 1952 году, описывает решающую особенность пассивной безопасности. Бареньи подверг сомнению преобладавшее до того мнение о том, что безопасная машина должна быть жесткой. Он разделил кузов автомобиля на три части: жесткий недеформирующийся салон и зоны деформации спереди и сзади. ^[13]^[14]

Первым автомобилем Mercedes-Benz, разработанным с использованием этого патента, был седан Mercedes W111 «Tail Fin» 1959 года. ^[11] Ячейка безопасности и зоны деформации были достигнуты в первую очередь за счет конструкции лонжеронов: они были прямыми в центре автомобиля и образовывали с панелями кузова жесткий каркас безопасности, передние и задние опоры были изогнуты так, что деформировались при движении. событие аварии, поглощающее часть энергии столкновения. ^[11]^[15]^[16]^[17]

Более поздняя разработка этих изогнутых лонжеронов должна быть ослаблена вертикальными и боковыми ребрами для образования телескопических деформационных структур «аварийного резервуара» или «раздавливающей трубы».

Функция

Volkswagen Polo после полного лобового краш-теста о деформируемую стену в Лаборатории транспортных исследований

Зоны деформации управляют энергией столкновения и увеличивают время, в течение которого происходит замедление пассажиров транспортного средства, а также предотвращают проникновение в пассажирский салон или его деформацию. Это лучше защищает пассажиров автомобиля от травм. Это достигается за счет контролируемого ослабления жертвенных внешних частей автомобиля при одновременном усилении и увеличении жесткости внутренней части кузова автомобиля, превращении пассажирского салона в «ячейку безопасности», за счет использования большего количества усиливающих балок и большей прочности. стали. Энергия удара, достигшая «ячейки безопасности», распределяется по максимально широкой площади, чтобы уменьшить ее деформацию. Volvo представила зону боковой деформации с введением SIPS ( системы защиты от бокового удара ) в начале 1990-х годов.

Когда транспортное средство и все его содержимое, включая пассажиров и багаж, движутся со скоростью, они обладают инерцией / импульсом , а это означает, что они будут продолжать двигаться вперед в этом направлении и со скоростью (первый закон движения Ньютона). ^[19] В случае внезапного замедления транспортного средства с жесткой рамой из-за удара несдержанное содержимое транспортного средства продолжит движение вперед с прежней скоростью по инерции и ударится о салон транспортного средства с силой, во много раз превышающей его обычный вес из-за силы тяжести. Цель зон деформации — замедлить столкновение, чтобы увеличить время, в течение которого пассажиры замедляются, чтобы уменьшить пиковую силу, действующую на пассажиров в течение заданного времени. ^[20]

Ремни безопасности удерживают пассажиров, чтобы они не вылетели через лобовое стекло и находились в правильном положении для подушки безопасности, а также увеличивают время, в течение которого пассажиры замедляются. Ремни безопасности также поглощают инерционную энергию пассажира, поскольку они растягиваются во время удара, что опять-таки увеличивает время, в течение которого пассажир замедляется. ^[21] Вкратце: пассажир, тело которого замедляется медленнее из-за зоны смятия (и других устройств) в течение более длительного времени, выживает гораздо чаще, чем пассажир, тело которого косвенно сталкивается с твердым, неповрежденным металлическим кузовом автомобиля, почти остановившимся мгновенно. Эта разница в замедлении аналогична разнице между ударом кого-то о стену головой вперед (сломая череп) и плечом вперед (легкий синяк) - рука, будучи более мягкой, требует в десятки раз больше времени, чтобы замедлить скорость, чем твердая рука. череп, которому приходится выдерживать чрезвычайно высокое давление в момент соприкосновения со стеной. Поскольку ремни безопасности растягиваются при удержании пассажиров во время удара, их необходимо заменить, если автомобиль ремонтируется и возвращается на дорогу после столкновения. Их также следует заменить, если их состояние ухудшилось, например, из-за износа или механических неисправностей или неисправностей крепления ремня. В Новой Зеландии официально обязательна замена изношенных инерционных ремней безопасности катушечного типа только ремнями типа «тканевый захват», которые имеют меньший люфт и более эффективны на старых автомобилях. ^[22] В новых автомобилях ремни безопасности с предварительным натяжением активируются электроникой, которая синхронизируется с срабатыванием подушки безопасности. ^[23] Покупка бывших в употреблении ремней безопасности не является хорошей идеей даже в тех странах, где это разрешено законом, поскольку они, возможно, уже растянулись в результате удара и не могут защитить своих новых пользователей должным образом.

Окончательный удар после удара тела пассажира о салон автомобиля, подушку безопасности или ремни безопасности заключается в ударе внутренних органов о грудную клетку или череп из-за своей инерции. Сила этого воздействия является причиной того, что многие автомобильные аварии приводят к инвалидности или опасным для жизни травмам. Другими путями являются повреждение скелета и потеря крови из-за разрыва кровеносных сосудов или повреждение органов и/или кровеносных сосудов в результате острого перелома кости. Последовательность технологий снижения скорости (зоны деформации → ремень безопасности → подушки безопасности → мягкий/деформируемый салон) разработаны для совместной работы как системы, позволяющей уменьшить пиковую силу удара по внешней стороне тела пассажира за счет увеличения времени, в течение которого эта сила передается. ^[23] При столкновении замедление замедления человеческого тела даже на несколько десятых секунды резко снижает пиковую передаваемую силу. ^[14]

Иногда высказывается ошибочное представление о зонах смятия ^{[ нужна ссылка ]} заключается в том, что они снижают безопасность пассажиров транспортного средства, позволяя кузову автомобиля рухнуть, что приводит к риску раздавливания пассажиров. Фактически, зоны деформации обычно располагаются спереди и сзади основного кузова автомобиля (который образует жесткий «ячейку безопасности»), уплотняясь в пространстве моторного отсека или багажника/багажника. Современные транспортные средства, использующие зоны деформации, обеспечивают гораздо лучшую защиту пассажиров в жестких испытаниях против других транспортных средств с зонами деформации и твердыми статическими объектами, чем старые модели автомобилей или внедорожники, в которых используется отдельная рама шасси и нет зон деформации.

Современные транспортные средства с зонами деформации имеют тенденцию хуже попадать в аварии с внедорожниками без зон деформации, поскольку большая часть энергии удара поглощается транспортным средством с зоной деформации. чем больше повреждено, тем меньше страдают пассажиры автомобиля. Результат столкновения двух транспортных средств без зон деформации обычно будет более опасным для пассажиров обоих транспортных средств, чем столкновение, которое хотя бы частично смягчено. ^{[ нужна ссылка ]}

Другая проблема - это «несовместимость по ударам», когда «точки жесткости» концов направляющих шасси внедорожников находятся выше, чем «точки жесткости» автомобилей, в результате чего внедорожник «перекрывает» моторный отсек автомобиля. ^[18] Чтобы решить эту проблему, в более поздних внедорожниках / внедорожниках под передним бампером используются конструкции, предназначенные для воздействия на зоны деформации автомобилей с меньшей высотой. ^[24] Здесь показаны низкоуровневые передние поперечины безопасности Volvo XC70. ^[25] Пресс-релиз Volvo об этой функции:«Нижняя поперечина, помогающая защитить низкие автомобили: Подрамник передней подвески в новом Volvo XC60 дополнен нижней поперечиной, расположенной на высоте балки обычного автомобиля. Нижняя поперечина ударяется о защиту встречного автомобиля. конструкции, активируя ее зону деформации, как и предполагалось, чтобы пассажиры могли получить максимальный уровень защиты».

Поглощение ударов на низкой скорости

Передняя часть бампера спроектирована таким образом, чтобы выдерживать столкновения на низкой скорости, например, при парковке, чтобы предотвратить необратимое повреждение автомобиля. Это достигается за счет упругих элементов, таких как передний фартук. В некоторых автомобилях бампер заполнен пеной или подобными эластичными веществами. В последние годы этому аспекту проектирования уделялось больше внимания, поскольку оценка аварийности NCAP добавила в свой режим испытаний воздействие на пешеходов. Целью проекта также было уменьшение количества жестких опорных конструкций в зонах воздействия на пешеходов.

В случае менее серьезных столкновений (примерно до 20 км/ч) конструкция бампера и внешних панелей должна обеспечивать минимальное повреждение зоны деформации и несущей конструкции автомобиля и возможность проведения ремонта. выйти как можно дешевле. Для этого для крепления бамперов используются так называемые краш-трубы или краш-боксы. Аварийные трубы состоят из полого стального профиля, который преобразует падающую энергию, свертывая профиль. ^{[ нужна ссылка ]}

Компьютерное моделирование аварии

VW Polo первая успешная лобовая полная симуляция автокатастрофы (ESI 1986)

В начале 1980-х годов, используя технологии, разработанные для аэрокосмической и атомной промышленности , немецкие автопроизводители начали комплексные компьютерные по моделированию аварий исследования , используя методы конечных элементов , моделирующие поведение при столкновении отдельных компонентов кузова автомобиля, узловых агрегатов и четверть-полуавтомобиля в кузове. в белой (BIW) стадии. Кульминацией этих экспериментов стал совместный проект Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), конгломерата всех семи немецких автопроизводителей ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel ( GM ), Porsche и Volkswagen ), который протестировал применимость двух новых коммерческих программ моделирования аварий. Эти программы моделирования воссоздали лобовое столкновение всей конструкции легкового автомобиля (Хауг, 1986), и за одну ночь они были завершены на компьютере. Теперь, когда время выполнения работ между двумя последовательными подачами заданий (прогонами компьютера) не превышало одного дня, инженеры смогли эффективно и постепенно улучшить поведение анализируемой конструкции кузова автомобиля при столкновении. Стремление к повышению ударопрочности в Европе ускорилось с 1990-х годов, с появлением в 1997 году Euro NCAP с привлечением Формулы-1 экспертов по безопасности автогонок .

«Сани» внутри камер безопасности

2004 года Pininfarina Nido Экспериментальный безопасный автомобиль обнаруживает зоны деформации внутри камеры выживания. Эти внутренние зоны деформации замедляют установленную на санях ячейку выживания. ^[19] Volvo также разрабатывает эту идею для использования в небольших автомобилях. Их водительское сиденье прикреплено к чему-то, что по сути представляет собой «салазки» на рельсе, с амортизаторами перед ним. При ударе вся «салазки» водительского сиденья и пристегнутого водителя сдвигаются вперед на 8 дюймов, а амортизаторы рассеивают пиковую энергию удара, удлиняя время замедления для водителя. Одновременно рулевое колесо и приборная панель со стороны водителя сдвигаются вперед, освобождая место для водителя, поскольку они выбрасываются вперед, растягивая ремень безопасности. В сочетании с передней зоной деформации и подушкой безопасности эта система может значительно снизить силы, действующие на водителя при лобовом ударе. ^[26]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «HowStuffWorks «Как работают зоны смятия» » . Как все работает . Система1 . Проверено 23 сентября 2011 г.
^ Пол Дворжак (6 ноября 2003 г.). «Не смчится ли зона падения? Рассказывает ФЭД» . Машинный дизайн. Архивировано из оригинала 18 марта 2013 г. Проверено 17 июля 2016 г.
^ Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «Как работают зоны деформации — компромиссы в дизайне» . Как все работает . Система1 . Проверено 17 июля 2016 г.
^ «Физика в зоне деформации | Пластик помогает спасать жизни» . Plastics-car.com . Проверено 17 июля 2016 г.
^ «Исследование того, как зоны деформации, встроенные в современные поезда, делают их более безопасными при столкновениях» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2007 г. Проверено 17 июля 2016 г.
^ А. Робинсон; В.А. Ливси (2006). Ремонт кузовов транспортных средств стр.406 . 5-е издание. Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-6753-1 .
^ «Стандартная конструкция глушителя удара» . Проверено 17 июля 2016 г.
^ «Стандартный глушитель удара» . Проверено 17 июля 2016 г.
^ Старк, Лиза (10 сентября 2009 г.). «Эксклюзив по безопасности дорожного движения: автомобильные аварии и смертность в путешествиях предотвращены с помощью технологий — ABC News» . Abcnews.go.com . Проверено 23 сентября 2011 г.
^ Нефф, Джон. «Много фотографий: IIHS раскрывает данные до и после крушения Малибу/Бель-Эйр» . Автоблог.com . Проверено 23 сентября 2011 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Человек из зоны смятия – AutoSpeed
^ Райчу, Тюдор (18 октября 2017 г.). «Как работают зоны смятия» . АвтоЭволюция . SoftNews Net SRL , Румыния . Проверено 11 июня 2019 г.
^ «Галерея изобретателей: Биография Бареньи» . Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам . 2004 г. Он разделил кузов автомобиля на три части: жесткий недеформирующийся салон и зоны деформации спереди и сзади. Они предназначены для поглощения энергии удара (кинетической энергии) за счет деформации при столкновении.
^ Перейти обратно: ^а ^б Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «Как работают зоны смятия — сила удара» . Как все работает . Система1 . Проверено 11 июня 2019 г.
^ «Mercedes-Benz W111 Fintail 1959 года – Mercedes-Benz» . Архивировано из оригинала 9 июня 2019 г. Проверено 16 марта 2017 г.
^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : Исторический рекламный фильм Mercedes-Benz на тему безопасности 1960-е гг. Ч/Б [ Исторический рекламный фильм Mercedes-Benz на тему безопасности; 1960-е, ч/б ] (на немецком языке).
^ Бела Бареньи – история безопасности – оригинал Mercedes-Benz .
^ Перейти обратно: ^а ^б Венцель, Т.; Росс, М. (2003). «Являются ли внедорожники безопаснее автомобилей? Анализ рисков по типу и модели транспортного средства» (PDF) . Совет транспортных исследований . Архивировано из оригинала (PDF) 9 марта 2008 г. Проверено 9 марта 2008 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Перейти обратно: ^а ^б «Как работают зоны смятия» . автоэволюция. 26 мая 2009 года . Проверено 17 июля 2016 г.
^ «Марк Чиполлони Пейдж» . AutoRacing1.com. 26 февраля 2001 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2016 г. Проверено 17 июля 2016 г.
^ «Физика ремней безопасности» . HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 17 июля 2016 г.
^ «Трагическое отсутствие сдержанности» (PDF) . Проверено 17 июля 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Хиллер, Виктор Альберт Уолтер; Кумбс, Питер (2004). Основы автомобильной техники Хиллера . Нельсон Торнс. ISBN 9780748780822 .
^ «Volvo V70/XC70 2008 года — Первая поездка — Motor Trend» . Архивировано из оригинала 3 августа 2016 г.
^ «Новый Volvo XC60 венчает давнюю традицию безопасности Volvo» .
^ Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «HowStuffWorks «Предотвращение смертельных случаев в автогонках» » . Как все работает . Система1 . Проверено 16 июля 2012 г.

Внешние ссылки

[HSWcrumple-1] Перейти обратно: ^а ^б Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «HowStuffWorks «Как работают зоны смятия» » . Как все работает . Система1 . Проверено 23 сентября 2011 г.

[machinedesign-2] Пол Дворжак (6 ноября 2003 г.). «Не смчится ли зона падения? Рассказывает ФЭД» . Машинный дизайн. Архивировано из оригинала 18 марта 2013 г. Проверено 17 июля 2016 г.

[3] Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «Как работают зоны деформации — компромиссы в дизайне» . Как все работает . Система1 . Проверено 17 июля 2016 г.

[4] «Физика в зоне деформации | Пластик помогает спасать жизни» . Plastics-car.com . Проверено 17 июля 2016 г.

[5] «Исследование того, как зоны деформации, встроенные в современные поезда, делают их более безопасными при столкновениях» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2007 г. Проверено 17 июля 2016 г.

[6] А. Робинсон; В.А. Ливси (2006). Ремонт кузовов транспортных средств стр.406 . 5-е издание. Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-6753-1 .

[7] «Стандартная конструкция глушителя удара» . Проверено 17 июля 2016 г.

[8] «Стандартный глушитель удара» . Проверено 17 июля 2016 г.

[9] Старк, Лиза (10 сентября 2009 г.). «Эксклюзив по безопасности дорожного движения: автомобильные аварии и смертность в путешествиях предотвращены с помощью технологий — ABC News» . Abcnews.go.com . Проверено 23 сентября 2011 г.

[10] Нефф, Джон. «Много фотографий: IIHS раскрывает данные до и после крушения Малибу/Бель-Эйр» . Автоблог.com . Проверено 23 сентября 2011 г.

[autospeed2016-11] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Человек из зоны смятия – AutoSpeed

[12] Райчу, Тюдор (18 октября 2017 г.). «Как работают зоны смятия» . АвтоЭволюция . SoftNews Net SRL , Румыния . Проверено 11 июня 2019 г.

[13] «Галерея изобретателей: Биография Бареньи» . Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам . 2004 г. Он разделил кузов автомобиля на три части: жесткий недеформирующийся салон и зоны деформации спереди и сзади. Они предназначены для поглощения энергии удара (кинетической энергии) за счет деформации при столкновении.

[HSWcrumple1-14] Перейти обратно: ^а ^б Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «Как работают зоны смятия — сила удара» . Как все работает . Система1 . Проверено 11 июня 2019 г.

[15] «Mercedes-Benz W111 Fintail 1959 года – Mercedes-Benz» . Архивировано из оригинала 9 июня 2019 г. Проверено 16 марта 2017 г.

[16] Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : Исторический рекламный фильм Mercedes-Benz на тему безопасности 1960-е гг. Ч/Б [ Исторический рекламный фильм Mercedes-Benz на тему безопасности; 1960-е, ч/б ] (на немецком языке).

[17] Бела Бареньи – история безопасности – оригинал Mercedes-Benz .

[transportation2003-18] Перейти обратно: ^а ^б Венцель, Т.; Росс, М. (2003). «Являются ли внедорожники безопаснее автомобилей? Анализ рисков по типу и модели транспортного средства» (PDF) . Совет транспортных исследований . Архивировано из оригинала (PDF) 9 марта 2008 г. Проверено 9 марта 2008 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[autoevolution1-19] Перейти обратно: ^а ^б «Как работают зоны смятия» . автоэволюция. 26 мая 2009 года . Проверено 17 июля 2016 г.

[20] «Марк Чиполлони Пейдж» . AutoRacing1.com. 26 февраля 2001 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2016 г. Проверено 17 июля 2016 г.

[21] «Физика ремней безопасности» . HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 17 июля 2016 г.

[22] «Трагическое отсутствие сдержанности» (PDF) . Проверено 17 июля 2016 г.

[books.google.com-23] Перейти обратно: ^а ^б Хиллер, Виктор Альберт Уолтер; Кумбс, Питер (2004). Основы автомобильной техники Хиллера . Нельсон Торнс. ISBN 9780748780822 .

[24] «Volvo V70/XC70 2008 года — Первая поездка — Motor Trend» . Архивировано из оригинала 3 августа 2016 г.

[25] «Новый Volvo XC60 венчает давнюю традицию безопасности Volvo» .

[26] Грабяновский, Эд (11 августа 2008 г.). «HowStuffWorks «Предотвращение смертельных случаев в автогонках» » . Как все работает . Система1 . Проверено 16 июля 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]