Jak działają strefy zgniotu

Strefy zgniotu są przeznaczone do pochłaniania i redystrybucji siły zderzenia. Zobacz więcej zdjęć bezpieczeństwa samochodu. Yellow Dog Productions / Getty Images

Bezpieczeństwo samochodowe przeszło długą drogę w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci, a jedną z najbardziej skutecznych innowacji jest strefa zgniotu. Znany również jako strefa zgniotu, strefy zgniotu to obszary pojazdu, które są zaprojektowane do deformacji i zgniotu podczas zderzenia. To pochłania część energii uderzenia, zapobiegając przenoszeniu jej na pasażerów.

Oczywiście, zapewnienie bezpieczeństwa ludziom w wypadkach samochodowych nie jest tak proste, jak spowodowanie upadku całego pojazdu. Inżynierowie muszą wziąć pod uwagę wiele czynników przy projektowaniu bezpieczniejszych samochodów, w tym rozmiar i wagę pojazdu, sztywność ramy i naprężenia, na jakie samochód może być narażony w wypadku. Na przykład samochody wyścigowe ulegają znacznie poważniejszym uderzeniom niż samochody uliczne, a SUV-y często zderzają się z większą siłą niż małe samochody.

Dowiemy się, w jaki sposób strefy zgniotu redystrybuują siły biorące udział w wypadku, z jakich stref zgniotu składają się i dowiemy się o kilku innych zaawansowanych systemach bezpieczeństwa, które są obecnie testowane. Dowiemy się również, w jaki sposób strefy zgniotu zostały włączone do samochodów wyścigowych i dlaczego można by zapobiec wielu wypadkom śmiertelnym podczas wyścigów, gdyby sport wcześniej wprowadził te zabezpieczenia. Przyjrzymy się nawet strefom zgniotu zaprojektowanym do pochłaniania potężnego wpływu zderzenia pociągu.

Aby poznać siły występujące w zderzeniu i dowiedzieć się, jak dobrze zaprojektowana strefa zgniotu może zminimalizować obrażenia pasażerów, przeczytaj następną stronę.

Co znajduje się w strefie zgniotu?

Specyfika projektów stref zgniotu to zwykle zastrzeżone informacje, których producenci samochodów niechętnie ujawniają. Mogą się znacznie różnić, w zależności od wielkości i wagi pojazdu. Projektanci muszą znaleźć równowagę między zbyt dużą odpornością na uderzenia a zbyt małą odpornością na uderzenia. Proste projekty mogą obejmować segmenty ramy zbudowane tak, aby zginać się w pewnych obszarach lub składać się na siebie. Bardziej zaawansowane projekty mogą wykorzystywać różnorodne metale i inne materiały starannie zaprojektowane, aby pochłaniać jak najwięcej energii kinetycznej. Samochody o wysokich osiągach często mają konstrukcję plastra miodu, która zapewnia sztywność w normalnych warunkach, ale może zapaść się i zgnieść w wypadku.

Zawartość

1. Siła uderzenia
2. Kompromisy projektowe
3. Zapobieganie ofiarom śmiertelnym w wyścigach samochodowych

Samochody te zostały poddane próbie zderzeniowej w ośrodku badawczym zajmującym się bezpieczeństwem samochodów w Wolfsburgu w Niemczech. Zwróć uwagę, jak wydaje się, że strefy zgniotu pochłonęły większość uderzenia. Peter Ginter / Getty Images

Zawsze, gdy samochód uczestniczy w wypadku, działają intensywne siły kinetyczne. Podczas każdego zderzenia występuje określona siła. Rzeczywiste liczby różnią się w zależności od prędkości i masy samochodu oraz prędkości i masy tego, co uderza. Fizycy mierzą tę siłę jako przyśpieszenie -- Nawet przy przechodzeniu z dużej do niższej prędkości, każda zmiana prędkości w czasie jest naukowo nazywana przyspieszeniem. Aby uniknąć nieporozumień, będziemy odnosić się do przyspieszenia zderzeniowego jako zmniejszenie prędkości.

Strefy zgniotu spełniają dwa cele związane z bezpieczeństwem. Zmniejszają początkową siłę zderzenia i redystrybuują siłę, zanim dotrze ona do pasażerów pojazdu.

Najlepszym sposobem zmniejszenia siły początkowej w zderzeniu przy danej masie i prędkości jest spowolnienie hamowania. Sam widziałeś ten efekt, jeśli z jakiegoś powodu musiałeś naciskać hamulce. Siły, których doświadczasz w przypadku zatrzymania awaryjnego, są znacznie większe niż podczas stopniowego zwalniania w celu zatrzymania się. W przypadku kolizji spowolnienie hamowania nawet o kilka dziesiątych sekundy może spowodować drastyczne zmniejszenie zaangażowanej siły. Siła to proste równanie:

Siła = masa * przyspieszenie

Obcięcie opóźnienia o połowę zmniejsza również siłę o połowę. Dlatego zmiana czasu zwalniania z 0,2 sekundy na 0,8 sekundy spowoduje 75% zmniejszenie całkowitej siły.

Strefy zgniotu osiągają to, tworząc strefę buforową wokół obwodu samochodu. Niektóre części samochodu, takie jak kabina pasażerska i silnik, są z natury sztywne i odporne na odkształcenia. Jeśli te sztywne części w coś uderzą, bardzo szybko zwolnią, powodując dużą siłę. Otaczanie tych części strefami zgniotu pozwala mniej sztywnym materiałom na przyjęcie początkowego uderzenia. Samochód zaczyna zwalniać, gdy tylko strefa zgniotu zaczyna się zgniatać, wydłużając zwalnianie o kilka dodatkowych dziesiątych sekundy.

Strefy zgniotu pomagają również w redystrybucji siły uderzenia. Cała siła musi gdzieś iść - celem jest odesłanie jej od okupantów. Potraktuj siłę zaangażowaną w katastrofę jako budżet siłowy. Wszystko, co dzieje się z samochodem podczas zderzenia i każda osoba znajdująca się wewnątrz samochodu w momencie zderzenia, zużywa część siły. Jeśli samochód uderzy w niestacjonarny obiekt, taki jak zaparkowany samochód, wówczas pewna siła jest przenoszona na ten obiekt. Jeśli samochód uderzy w coś jednym ciosem i obróci się lub przetoczy, większość siły zostanie zużyta na kręcenie się i toczenie. Jeśli części samochodu odlatują, zużywa się jeszcze więcej siły. Co najważniejsze, uszkodzenie samego samochodu zużywa siłę. Gięcie części ramy, tłuczenie paneli karoserii, tłuczenie szkła - wszystkie te czynności wymagają energii. Pomyśl, ile siły potrzeba, aby zgiąć stalową ramę samochodu. Taka siła jest zużyta na zginanie ramy, więc nigdy nie jest przenoszona na pasażerów.

Strefy zgniotu są oparte na tej koncepcji. Części samochodu są zbudowane ze specjalnych konstrukcji wewnątrz nich, które są przeznaczone do uszkodzenia, zgniecenia, zgniecenia i złamania. Wkrótce wyjaśnimy same struktury, ale podstawową ideą jest to, że zniszczenie ich wymaga użycia siły. Strefy zgniotu wykorzystują jak najwięcej siły, aby inne części samochodu, a także pasażerowie, nie ucierpiały na tym skutek.

Dlaczego więc nie uczynić całego samochodu jedną wielką strefą zgniotu? A jeśli potrzebujesz miejsca na strefę zgniotu, aby pochłaniać uderzenia, jak zbudować kompaktowy samochód ze strefami zgniotu? Wyjaśnimy w następnej sekcji.

-

Wynalazca strefy zgniotu

Béla Barényi był inżynierem i wynalazcą, który większość swojej kariery spędził pracując dla Daimler-Benz. Jego nazwisko pojawia się w ponad 2500 patentach. Jeden z tych patentów, wydany w 1952 r., Wyjaśnia, w jaki sposób można zaprojektować samochód z obszarami z przodu iz tyłu zbudowanymi w celu deformacji i pochłaniania energii kinetycznej podczas zderzenia. Zastosował tę koncepcję w 1959 roku w Mercedes-Benz W111 Fintail, pierwszym samochodzie, w którym zastosowano strefy zgniotu [źródło: Niemiecki Urząd Patentów i Znaków Towarowych].

To BMW najwyraźniej doznało poważnego uderzenia i wygląda na poważnie uszkodzone. Jednak żadne uszkodzenie nie dotyczyło kabiny pasażerskiej - przednia strefa zgniotu spełniła swoje zadanie. Tim Graham / Getty Images

Absorpcja i przekierowanie wpływu jest świetna, ale nie jest to jedyny problem dotyczący bezpieczeństwa, o który muszą się martwić projektanci samochodów. Przedział pasażerski samochodu musi być odporny na penetrację przez przedmioty zewnętrzne lub inne części samochodu i musi być trzymany razem, aby pasażerowie nie zostali wyrzuceni. Nie możesz uczynić całego samochodu strefą zgniotu, ponieważ nie chcesz, aby ludzie w nim również się zgniotli. Dlatego samochody są projektowane ze sztywną, mocną ramą otaczającą pasażerów, ze strefami zgniotu z przodu iz tyłu. Redukcja siły i redystrybucja odbywa się wewnątrz kabiny pasażerskiej poprzez

stosowanie poduszek powietrznych.

Są części samochodów, które po prostu nie mogą się zgnieść. Głównym winowajcą jest silnik - w większości pojazdów silnik to duży, ciężki blok stali. Nie ma tam zgniotu. To samo dotyczy pojazdów z aluminiowymi blokami silnika. Czasami samochody muszą zostać przeprojektowane, aby przesunąć silnik dalej do tyłu w ramie, aby pomieścić większą strefę zgniotu. Może to jednak powodować problemy - jeśli silnik zostanie wepchnięty z powrotem do kabiny pasażerskiej w wyniku uderzenia, może spowodować obrażenia.

-Zbiorniki paliwa i zestawy akumulatorów w pojazdach elektrycznych lub hybrydowych również muszą być chronione przed uderzeniami, aby zapobiec pożarom lub narażeniu na toksyczne chemikalia. Mogą być zaprojektowane tak, aby sekcja ramy chroniła zbiornik, ale ta część ramy mogła się wygiąć przed uderzeniem. Na przykład, jeśli samochód jest tylny, rama wygina się, podnosząc zbiornik paliwa i pochłaniając część uderzenia. Nowsze samochody mają systemy, które odcinają dopływ paliwa do silnika podczas wypadku, a Tesla Roadster, samochód elektryczny o wysokich osiągach, ma system bezpieczeństwa, który odcina akumulatory i odprowadza całą energię elektryczną z przewodów biegnących w całym samochodzie, gdy wyczuwa zagrożenie [źródło: Tesla Motors].

Oczywiście łatwo jest zbudować strefy zgniotu w dużym pojeździe z dużą ilością miejsca na zgniatanie, zanim uderzy się w kabinę pasażerską. Projektowanie stref zgniotu w małych pojazdach wymaga pewnej kreatywności. Dobrym przykładem jest smart fortwo, niezwykle mały

i sprawny pojazd. Kierowca i pasażer są zamknięci w klatce bezpieczeństwa tridion, stalowej ramie o doskonałej sztywności jak na swój rozmiar. Geometria została zaprojektowana tak, aby rozłożyć uderzenia na całą ramę. Z przodu iz tyłu smarta fortwo są tym, co nazywa smart crash boxy. Są to małe konstrukcje stalowe, które zapadają się i zgniatają, absorbując uderzenia. Ponieważ crash-boxy są tak małe, uzupełniono je innymi elementami pochłaniającymi uderzenia. Na przykład skrzynia biegów może działać jako amortyzator w przypadku zderzenia czołowego. Krótki rozstaw osi fortwo oznacza, że ​​prawie każde uderzenie dotyczy opon, kół i zawieszenia. Te elementy zostały zaprojektowane tak, aby odkształcać się, odrywać lub odbijać, pomagając pochłonąć jeszcze więcej energii kinetycznej podczas uderzenia [źródło: smart USA].

Następnie zobaczymy, jak strefy zgniotu pomagają utrzymać przy życiu ulubionego kierowcę wyścigowego.

-

Strefy zgniotu w pociągach

Rozmawialiśmy o niesamowitej sile kinetycznej działającej, gdy samochód się rozbija, ale wyobraź sobie siłę występującą w zderzeniu dwóch pociągów. Ze względu na ogromną wagę pociągu zderzenie może wytworzyć siły dziesiątki, a nawet setki razy większe niż w wypadku samochodowym. Jednak strefy zgniotu mogą być używane nawet w tych ekstremalnych okolicznościach. Korzystając z symulacji komputerowych 3D, inżynierowie mogą zbudować strefę zgniotu, która podczas uderzenia będzie się równomiernie i równomiernie odkształcać, pochłaniając maksymalną możliwą siłę. Strefy zgniotu są następnie umieszczane na obu końcach każdego wagonu w pociągu pasażerskim. W przypadku zderzenia reakcja łańcuchowa uderzających o siebie samochodów powoduje rozłożenie siły na wszystkie strefy zgniotu w pociągu. To mogłoby pochłonąć wystarczającą ilość sił uderzenia, aby zapobiec obrażeniom pasażerów [źródło: Machine Design].

Niektóre wypadki, jak ta z udziałem kierowcy Formuły 1 Roberta Kubicy, wyglądają spektakularnie i przerażająco. W rzeczywistości zniszczenie samochodu prawdopodobnie uratowało życie Kubicy. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Nawet jeśli nie jesteś fanem wyścigów samochodowych, prawdopodobnie widziałeś obrazy spektakularnych wypadków, w których samochody toczą się po torze, rzucając części w każdym kierunku, gdy samochód jest dosłownie niszczony. Jednak w cudowny sposób kierowca wysiada ze skręconego wraku i odchodzi bez obrażeń. Chociaż te katastrofy wyglądają przerażająco, całe to spektakularne zniszczenie zużywa energię kinetyczną. To chyba nie jest przyjemna jazda dla kierowcy, ale samochód robi dokładnie to, do czego został stworzony w tej sytuacji - chronić osobę siedzącą na siedzeniu kierowcy.

Zdarzały się również rzadkie sytuacje, gdy samochód wyścigowy uderzył w twardy obiekt przy dużej prędkości, na przykład zderzenie kierowcy NASCAR Michaela Waltripa w Bristolu w 1990 roku. Uderzył w tępy koniec betonowej ściany z prędkością wyścigową i samochód nagle się zatrzymał. . Uderzenie wygenerowało ogromne siły, ale Waltrip nie został ranny. Powód jest oczywisty, patrząc na szczątki jego samochodu tego dnia. Został całkowicie i całkowicie zniszczony. Cała ta siła została wydana na zniszczenie samochodu. Najwyraźniej incydent wykraczał daleko poza możliwości jakiejkolwiek strefy zgniotu i w rzeczywistości było po prostu kwestią szczęścia, że ​​nic nie wtargnęło do kabiny kierowcy, aby zranić Waltripa. Redystrybucja siły uratowała mu życie.

Następstwa wypadku, w którym zginął Dale Earnhardt senior, jego samochód, czarny # 3, nie wydaje się być poważnie uszkodzony. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Istnieje jednak niefortunny kontrapunkt do tej koncepcji. Od lat osiemdziesiątych do początku XXI wieku, z powodu zbyt sztywnego podwozia, zginęło w wielu wyścigach. Prawdopodobnie najbardziej znanym incydentem jest śmierć Dale Earnhardt Senior w 2001 Daytona 500. Początkowo wypadek nie wydawał się poważny, a samochód nie doznał rozległych uszkodzeń; jednak to był właśnie problem. Duża część siły uderzenia była przenoszona bezpośrednio na kierowcę, powodując natychmiastowe i poważne obrażenia. Śmiertelnym urazem było pęknięcie podstawy czaszki, uraz w miejscu połączenia czaszki i rdzenia kręgowego. Uraz ten jest przyczyną śmierci w wielu wypadkach podczas wyścigów samochodowych i występuje, gdy głowa odskakuje do przodu podczas zderzenia, podczas gdy ciało pozostaje unieruchomione pasami bezpieczeństwa. Podczas gdy urządzenia przytrzymujące głowę i szyję zmniejszyły częstość złamań podstawy czaszki, zmniejszenie sił uderzenia w kierowcę również odegrało ważną rolę.

W tym okresie zginęło kilku innych znanych kierowców, a także mniej znani kierowcy w zmodyfikowanych i późnych klasach modeli NASCAR ścigających się na torach w całych Stanach Zjednoczonych. Powodem wzrostu liczby śmiertelnych awarii była po prostu pogoń za wyższą wydajnością. Projektanci samochodów i załogi szukali lepszych właściwości jezdnych, tworząc sztywniejsze podwozie. Obejmowało to dodanie komponentów do ramy, użycie prostych szyn ramy i przejście na stalowe rury o grubszych ścianach. Jasne, usztywnili podwozie, ale kiedy te nieelastyczne samochody uderzyły w ścianę, nie można było ustąpić. Samochód nie pochłania żadnej siły - większość uderzenia przejął kierowca.

Jeszcze przed śmiercią Earnhardta w 2001 roku tory wyścigowe próbowały znaleźć rozwiązanie tego problemu. Tory w północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych eksperymentowały z gigantycznymi blokami przemysłowego styropianu pokrywającymi ściany, podobną koncepcją do technologii miękkich ścian stosowanej obecnie na wielu superspeedway. Co ważniejsze, samochody zostały zmienione. Rury stalowe o mniejszej grubości są teraz używane w niektórych częściach podwozia, a szyny ramy są wygięte lub nacięte, więc odkształcają się nieco przewidywalnie pod wpływem uderzenia.

NASCAR Car of Tomorrow, używany w wyścigach Sprint Cup, ma piankę i inne materiały pochłaniające uderzenia umieszczone w krytycznych obszarach ramy. Chociaż wyścigi samochodowe zawsze będą niebezpiecznym sportem, zastosowanie mniej sztywnej konstrukcji podwozia, technologii miękkich ścian oraz systemów zagłówka i szyi znacznie zmniejszyło siły uderzenia w kierowców..

Aby uzyskać więcej informacji na temat samochodowych urządzeń bezpieczeństwa, wyścigów i innych powiązanych tematów, skorzystaj z łączy na następnej stronie.

-

Bezpieczna jazda w dół

Volvo opracowuje kolejną technologię pochłaniania uderzeń do użytku w małych samochodach. Fotel kierowcy jest zamontowany do czegoś, co w zasadzie jest saniami na szynie, z amortyzatorami przed nim. Podczas zderzenia całe „sanki” (w tym siedzenie i kierowca) przesuwają się do przodu do 8 cali, a amortyzatory dosłownie wykonują swoją pracę, pochłaniając wstrząsy podczas zderzenia. W tym samym czasie kierownica i część deski rozdzielczej przesuwają się do przodu, aby zrobić miejsce dla kierowcy. W połączeniu z przednią strefą zgniotu i prawdopodobnie poduszką powietrzną, system ten może znacznie zmniejszyć siły działające na kierowcę podczas zderzenia czołowego [źródło: Ford Motor Company].

Powiązane artykuły

• Jak działa testowanie zderzeniowe
• Dlaczego nadal konieczne jest zderzenie pojazdów?
• Czy podczas testów zderzeniowych kiedykolwiek korzystano z żywych (lub martwych) ludzi?
• Jak działa siła, moc, moment obrotowy i energia
• Jak działają poduszki powietrzne
• Jak działają hamulce przeciwblokujące
• Jak działają pasy bezpieczeństwa
• Jak działa inteligentny samochód
• Jak działają samochody wyścigowe NASCAR
• Jak działa bezpieczeństwo NASCAR

Więcej świetnych linków

• Magazyn Circle Track
• Materialworlds
• NASCAR

Źródła

• Akins, Ellen. „Bezpieczeństwo w małych samochodach: koncepcja bezpiecznej jazdy Volvo”. Ford Motor Company. 12 stycznia 2005. (1 sierpnia 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bob. „Bezpieczeństwo samochodów seryjnych - kurs odświeżający”. Circle Track. (1 sierpnia 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Projekt maszyny. „Czy strefa zderzenia się załamie? MES mówi”. 6 listopada 2003. (31 lipca 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Materialne światy. „Skutki stref zgniotu: uderzenia w ścianę”. (1 sierpnia 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Inteligentne USA. „Twarda skorupa z miękkim wnętrzem”. (1 sierpnia 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Bezpieczeństwo." (31 lipca 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Niemiecki Urząd Patentów i Znaków Towarowych. „Béla Barényi”. (31 lipca 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html