Травмобезопасные салоны и кабины автомобилей

По действующим правилам жизнь водителя и пассажиров должна быть сохранена при наезде автомобиля на неподвижное препятствие со скоростью 14 м/с, во время столкновения автомобилей при скорости 19,4 м/с, в случае удара сзади по автомобилю предметом массой до 1250 кг со скоростью 22,2 м/с, при боковом ударе под углом 90⁰ со скоростью 9 м/с, во время двух или трехскоростного переворачивания автомобиля с начальной скоростью 14 м/с.

Для выполнения этих требований в салоне легковых автомобилей, автобусов и в кузове грузовых автомобилей должна быть создана защитную зону (зона жизненного пространства). Форма этой зоны (пространства) зависит от антропологических размеров человека, его перемещений во время ДТП и конструкции автомобиля.

Чтобы уменьшить тяжесть телесных повреждений, нужно ограничить перемещение частей тела до определенных линий )рис. ). Линия 1-1 соответствует легким повреждениям, 2-2 — тяжелым и 3-3 — смертельным.

Рис. . Жизненное пространство легковых автомобилей

Детали автомобиля, ограничивающие жизненное пространство, должны быть без острых граней и углов, выступающие части (колонки, выключатели, ручки) должны быть утоплены и покрыты мягкой обивкой. Выступающие части рычагов над панелью приборов на 3-9 мм должны иметь головки площадью не менее 200 мм². А детали над панелью более чем на 9,5 мм должны под действием горизонтального усилия 390 Н утапливаться, отсоединяться или разрушаться.

Поскольку большое количество травм при ДТП связано с ветровым стеклом, то к нему предъявляются ряд требований: они должны быть упругими, деформироваться и разрушаться без образования осколков с острыми кромками.

В настоящее время ветровые стекла бывают закаленные однослойные толщиной 3-4 мм. При ударах такие стекла разбиваются на мелкие куски даже при попадании в него камня.

Наиболее широко применяют трехслойные стекла, состоящие из двух специально деформированных растяжением и закаленных при этом стекол толщиной 1,5-2,5 мм и склеенных между собой прозрачной прослойкой пластика толщиной 0,4-0,8 мм. При ударах трещины на триплексах распространяются только в радиальных направлениях и поврежденное стекло не теряет прозрачности в отличие от однослойных. Разбиваясь трехслойные стекла образуют мелкие осколки с острыми кромками, удерживаемые клеем. Толщина клея влияет на демфирующие характеристики триплексов.

Импульс силы удара о стекло примерно пропорциональны толщине стекла в третьей степени. Например, при увеличении толщины стекла с 5 до 6,6 мм импульс, воздействующий на черепную коробку, возрастает в 2,5 раза. Для уменьшения общей трещины триплекса регулируются соотношения толщины наружного, внутреннего стекла и клея. Очень часто стекла армируются металлической сеткой из проволоки диаметром 20-30 мкм для повышения пластичности и вязкости.

Для повышения безопасности стекла устанавливают на упругой прокладке и замок стекол делают так, чтобы при определенной силе удара они вылетели наружу.

Требования по безопасности стеклам дверей и заднего обзора менее жесткие. Они не должны при ДТП образовать осколки с острыми кромками. Поэтому для них используют однослойное закаленное стекло.

Чтобы уменьшить травматизм при опрокидывании автомобиля стойки кузова усиливают, укрепляют стойки крыши, вводят жесткие дуги над головами пассажиров.

Во избежание выброса людей из автомобиля при ДТП и замкам дверей также предъявляют ряд требований. Конструкция замков должна обеспечивать два положения: полностью закрытое и не полностью закрытое. В первом положении замки дверей и фиксаторы должны выдерживать продольную нагрузку 11,34 кН и поперечную 9 кН, а во втором — 4,5 кН в каждом направлении. Дверной замок должен оставаться в полностью закрытом положении при действии на него в любом направлении инерционной нагрузки до 30g. Дверные петли любой конструкции должны выдерживать продольную нагрузку 11,34 кН и поперечную 9 кН.

Внешняя пассивная безопасность

Внешнюю пассивную безопасность АТС можно подразделить на внешнюю механическую (автомобиль — объект соударения) и на внешнюю физиологическую (автомобиль — пешеход).

Для снижения тяжести ДТП при наезде на пешеходов предпринимают ряд конструктивных мер: скругляют острые углы облицовки радиатора; устранены выступающие части, предметы и декоративные элементы; убрали на бамперах клыки, буксирные крюки утоплены. На некоторых автомобилях устанавливаются приспособления для удержания пешехода после удара от падения на дорогу. В целом меры конструктивной безопасности при наезде на пешехода мало эффективны и не привели к желаемым результатам.

Внешнюю безопасность АТС, как правило, оценивают для процессов фронтальных столкновений однотипных автомобилей и более легких автомобилей с объектами большой массы (с грузовыми автомобилями и с другими препятствиями). Во всех случаях значения перегрузок при ДТП зависят от многих факторов. К основным из них следует отнести массу и скорость автомобиля. В частности, расчеты показали, что при одинаковых значениях масс и скорости столкновения до 50 км/ч среднеинтегральные значения перегрузки автомобилей не превышают 20, т.е. допустимого значения. При соударениях автомобилей различной массы перегрузка автомобиля меньшей массы может превышать в 2-3 раза допустимые значения. При скорости столкновения выше 15 м/с значения перегрузок превышают допустимые, а при V_A = V_B = 20 м/с перегрузки могут достигать 62. При соударении автомобилей, движущихся с различными скоростями, перегрузки автомобиля в 3-4 раза больше, чем у автомобиля, движущегося с меньшей скоростью.

Также влияет на перегрузки соотношение масс столкнувшихся автомобилей. Например, перегрузка автомобиля с массой в 2 раза меньшей может быть в 1,5-5,2 раза больше, чем у более тяжелого автомобиля. Поэтому при столкновении легковых и грузовых автомобилей в основном получают тяжелые травмы пассажиры и водители легковых автомобилей.

Безопасные бамперы

При столкновениях и наездах внешнюю пассивную безопасность обеспечивают прежде всего бамперы. Правильно сконструированный бампер должен обеспечивать и внешнюю и внутреннюю пассивную безопасность автомобиля в результате поглощения (демпфирования) кинетической энергии удара. Для этого передние и задние бамперы автомобилей должны быть установлены примерно на одном уровне и они должны иметь энергопоглощающие элементы в конструкциях.

В некоторых странах Европы установлена стандартная высота бамперов, для легковых автомобилей составляет 330⁺¹³ мм. Поскольку эта высота изменяется в зависимости от нагрузки, то в США при наличии в кузове 2 человека (на переднем и на заднем сидении по одному) весом 70 кг бамперы должны быть на линии 432± 25 мм.

Грузовые автомобили почти не имеют задние бамперы. В настоящее время рекомендуется установить их на высоте около 380-510 мм, а длина бампера должна быть несколько меньше габаритной ширины автомобиля, но не короче 0,1 м от каждой стороны.

Современный бампер легкового автомобиля может предохранить фары и облицовку радиатора при наезде на неподвижное препятствие со скоростью не более 1 м/с. Согласно американскому стандарту при фронтальном столкновении со скоростью 2,2 м/с и боковом со скоростью 1,4 м/с автомобиль не должен иметь повреждений.

По типу упругого элемента бамперы могут быть механические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

В механических амортизаторах бамперов используют упругие элементы из резины и упругой пластмассы в виде конических втулок, подушек и пластин. Их параметры примерно оценивают из условий равенства кинетической энергии автомобиля и работы деформации резины:

где M и V — масса и скорость автомобиля; W_p — объем резины в упругих элементах (конструкциях); G_p — модуль сдвига резины; e — относительная деформация резины при сдвиге, равная для натурального каучука 2,5, длс специальных сортов резины 3,5-4.

Высота резинового элемента . Абсолютная деформация D равна перемещению автомобиля от начала контакта с ударяемым объектом. Обычно применяют несколько блоков из резины. Число элементов

где h = 1-2.

В пневматических и гидравлических амортизаторах энергия удара поглощается в результате сжатия газа или дросселированием жидкости через отверстия и щели малого сечения. Наиболее эффективны пневмогидравлические амортизирующие устройства.

Процесс замедления автомобиля при наличии бампера с такими амортизаторами при ударе в основном зависят от силы сопротивления гидравлического элемента

где V₀ — начальная скорость удара; S — перемещение автомобиля за время удара; n — число гидравлических элементов в системе.

Для автомобиля массой 2040 кг при V₀ = 22,4 м/с и n = 2 удалось получить перемещение в процессе удара, равное 0,76 м, при этом 0,3 м — ход поршня амортизатора, а 0,46 — деформация рамы. Сила, действующая на бампер, составила 80,3 кН, а среднее замедление 33,4g, что значительно ниже предельных значений.

После удара за счет сжатого газа поршень, связанный с бампером, возвращается в исходное положение. Можно разработать систему с электронным управлением, позволяющим выдвинуть вперед бампер пропорционально скорости движения автомобиля.

Возможны различные комбинации пневмогидравлических бамперов с легко демпфируемыми материалами и с предохранительными пробками, которые при ударе вылетают, а жидкость (вода) при этом выдавливается через отверстия, закрытые до удара пробками. Разработаны и другие конструкции бамперов.

В последнее время начали в основном устанавливать на легковых автомобилях бамперы из ударопрочного углеволокнистого композиционного материала.