Автомобильная безопасность прошла долгий путь за последние несколько десятилетий, и одной из самых эффективных инноваций является зона деформации. . Также известна как зона столкновений. , зоны деформации — это области автомобиля, предназначенные для деформации и деформации при столкновении. Это поглощает часть энергии удара, предотвращая ее передачу пассажирам.
Конечно, обеспечить безопасность людей в автомобильных авариях не так просто, как сломать весь автомобиль. Инженеры должны учитывать множество факторов при проектировании более безопасных автомобилей, в том числе размер и вес автомобиля, жесткость рамы и нагрузки, которым может подвергнуться автомобиль при аварии. Например, гоночные автомобили подвергаются гораздо более сильным ударам, чем обычные автомобили, а внедорожники часто разбиваются с большей силой, чем легковые автомобили.
Мы собираемся выяснить, как зоны деформации перераспределяют силы, участвующие в аварии, из чего состоят зоны деформации, а также узнаем о нескольких других передовых системах безопасности, которые проходят испытания прямо сейчас. Мы также узнаем, как зоны деформации были встроены в гоночные автомобили, и почему можно было бы предотвратить ряд смертельных случаев в гонках, если бы спорт принял эти функции безопасности раньше. Мы даже рассмотрим зоны деформации, предназначенные для поглощения мощного удара при столкновении с поездом.
Чтобы узнать силы, участвующие в столкновении, и узнать, как правильно спроектированная зона деформации может свести к минимуму травмы пассажиров, прочитайте следующую страницу.
Что находится в зоне деформации?Особенности конструкции зоны деформации обычно являются конфиденциальной информацией, которую автопроизводители неохотно разглашают. Они могут широко варьироваться в зависимости от размера и веса транспортного средства. Разработчики должны найти баланс между слишком большой ударопрочностью и слишком низкой ударопрочностью. Простые конструкции могут включать в себя сегменты рамы, построенные так, чтобы изгибаться в определенных областях или складываться на себя. В более продвинутых конструкциях могут использоваться различные металлы и другие материалы, тщательно спроектированные для поглощения как можно большего количества кинетической энергии. В высокопроизводительных автомобилях часто используется сотовая конструкция, которая обеспечивает жесткость в нормальных условиях, но может разрушиться и смяться при аварии.
Содержание
Всякий раз, когда автомобиль попадает в аварию, действуют интенсивные кинетические силы. Во время любого столкновения присутствует определенное количество силы. Фактические цифры варьируются в зависимости от скорости и массы автомобиля, а также скорости и массы того, с чем он сталкивается. Физики измеряют эту силу как ускорение -- даже при переходе от высокой скорости к более низкой любое изменение скорости с течением времени научно называется ускорением. Во избежание путаницы мы будем называть ускорение при столкновении замедлением. .
Зоны деформации выполняют две задачи безопасности. Они уменьшают первоначальную силу удара и перераспределяют силу до того, как она достигнет пассажиров автомобиля.
Лучший способ уменьшить первоначальную силу при столкновении с заданной массой и скоростью — замедлить замедление. Вы сами видели этот эффект, если вам приходилось по какой-либо причине нажимать на тормоза. Силы, которые вы испытываете при экстренной остановке, намного больше, чем при постепенном снижении скорости перед светофором. При столкновении замедление замедления даже на несколько десятых секунды может привести к резкому снижению действующей силы. Сила — это простое уравнение:
Сокращение замедления наполовину также уменьшает силу наполовину. Следовательно, изменение времени торможения с 0,2 секунды до 0,8 секунды приведет к снижению общей силы на 75 процентов.
Зоны деформации достигают этого путем создания буферной зоны по периметру автомобиля. Некоторые части автомобиля по своей природе жесткие и устойчивы к деформации, например, салон и двигатель. Если эти твердые части ударяются о что-то, они очень быстро замедляются, что приводит к большой силе. Окружение этих частей зонами деформации позволяет менее жестким материалам выдерживать первоначальное воздействие. Автомобиль начинает замедляться, как только зона деформации начинает сминаться, увеличивая замедление на несколько дополнительных десятых секунды.
Зоны деформации также помогают перераспределить силу удара. Вся сила должна куда-то идти — цель состоит в том, чтобы отвести ее от оккупантов. Думайте о силе, вовлеченной в аварию, как о запасе сил. Все, что происходит с автомобилем во время удара, и каждый человек, находящийся внутри автомобиля в момент удара, тратит часть силы. Если автомобиль сталкивается с нестационарным объектом, например с припаркованным автомобилем, то на этот объект передается некоторая сила. Если машина ударяется обо что-то скользящим ударом и крутится или катится, большая часть силы тратится на вращение и качение. Если части автомобиля отлетают, сил тратится еще больше. Самое главное, на повреждение самого автомобиля тратится сила. Гнуть части рамы, разбивать панели кузова, разбивать стекла — все эти действия требуют энергии. Подумайте, какая сила нужна, чтобы согнуть стальную раму автомобиля. Это усилие тратится на изгибание рамы, поэтому оно никогда не передается пассажирам.
Зоны деформации основаны на этой концепции. Части автомобиля построены со специальными конструкциями внутри, которые предназначены для повреждений, смятия, дробления и поломки. Мы вскоре объясним сами структуры, но основная идея заключается в том, что для их повреждения требуется сила. Зоны деформации тратят как можно больше усилий, чтобы другие части автомобиля, а также пассажиры не пострадали.
Так почему бы не сделать всю машину одной гигантской зоной деформации? И если вам нужно пространство для зоны деформации, чтобы поглощать удары, как построить компактный автомобиль с зонами деформации? Мы объясним это в следующем разделе.
Изобретатель зоны деформации
Бела Бареньи был инженером и изобретателем, большую часть своей карьеры проработавшим в Daimler-Benz. Его имя фигурирует в более чем 2500 патентах. Один из этих патентов, выданный в 1952 году, объясняет, как можно спроектировать автомобиль с областями спереди и сзади, предназначенными для деформации и поглощения кинетической энергии при ударе. Он применил эту концепцию в 1959 году на Mercedes-Benz W111 Fintail, первом автомобиле с зонами деформации [источник:Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам].
Поглощение и перенаправление удара — это здорово, но это не единственная проблема безопасности, о которой должны беспокоиться автомобильные дизайнеры. Пассажирский салон автомобиля должен сопротивляться проникновению посторонних предметов или других частей автомобиля, и он должен держаться вместе, чтобы пассажиры не были выброшены. Вы не можете сделать всю машину зоной деформации, потому что вы не хотите, чтобы люди внутри нее тоже мялись. Вот почему автомобили проектируются с жесткой, прочной рамой, закрывающей пассажиров, с зонами деформации спереди и сзади. Уменьшение и перераспределение усилий осуществляется внутри салона через
использование подушек безопасности.
Есть некоторые части автомобилей, которые просто не могут смяться. Главный нарушитель — двигатель — в большинстве автомобилей двигатель представляет собой большой и тяжелый стальной блок. Нет там никакого смятия. То же самое относится и к автомобилям с алюминиевыми блоками цилиндров. Иногда автомобили должны быть перепроектированы, чтобы переместить двигатель дальше в раму, чтобы приспособить большую зону деформации. Однако и это может вызвать проблемы — если двигатель в результате удара откинет назад в салон, это может привести к травмам.
Топливные баки и аккумуляторные батареи в электрических или гибридных транспортных средствах также необходимо защищать от ударов, чтобы предотвратить возгорание или воздействие токсичных химических веществ. Они могут быть сконструированы таким образом, что часть рамы защищает резервуар, но эта часть рамы может отклоняться от удара. Например, если автомобиль находится сзади, рама изгибается, приподнимая бензобак и поглощая часть удара. В более новых автомобилях есть системы, которые отключают подачу топлива в двигатель во время аварии, а в Tesla Roadster, высокопроизводительном электромобиле, есть система безопасности, которая отключает аккумуляторы и отводит всю электрическую энергию от кабелей, проложенных по всему автомобилю, когда он чувствует чрезвычайную ситуацию [источник:Tesla Motors].
Конечно, легко создать зоны деформации в большом автомобиле, где достаточно места, чтобы согнуться до того, как будет нанесен удар по пассажирскому салону. Создание зон деформации в небольших транспортных средствах требует некоторого творческого подхода. Хорошим примером является smart fortwo, очень маленький
и эффективное транспортное средство. Водитель и пассажир заключены в ячейку безопасности tridion, стальной каркас с превосходной жесткостью для своего размера. Геометрия предназначена для распределения ударов по всей раме. Спереди и сзади smart fortwo расположены то, что смарт называет аварийными блоками. . Это небольшие стальные конструкции, которые разрушаются и сминаются, поглощая удары. Поскольку краш-боксы очень малы, в дополнение к ним были использованы другие элементы, поглощающие удары. Например, трансмиссия может действовать как амортизатор при лобовом столкновении. Короткая колесная база fortwo означает, что почти при любом ударе будут затронуты шины, колеса и подвеска. Эти компоненты были разработаны так, чтобы деформироваться, отрываться или отскакивать, помогая поглощать еще больше кинетической энергии во время удара [источник:smart USA].
Далее мы увидим, как зоны деформации помогают сохранить жизнь вашему любимому автогонщику.
Зоны деформации в поездах
Мы говорили о невероятной кинетической силе, действующей при столкновении автомобиля, но представьте себе силу, возникающую при столкновении двух поездов. Из-за огромного веса поезда при столкновении могут возникать силы, в десятки и даже сотни раз превышающие силы, возникающие при автомобильной аварии. Тем не менее, даже в этих экстремальных условиях можно использовать зоны деформации. Используя трехмерное компьютерное моделирование, инженеры могут построить зону деформации, которая будет стабильно и равномерно деформироваться во время удара, поглощая максимально возможную силу. Затем зоны деформации размещаются на обоих концах каждого вагона пассажирского поезда. В случае столкновения цепная реакция врезающихся друг в друга вагонов распределяет силу по всем зонам деформации поезда. Это могло бы поглотить достаточную силу удара, чтобы предотвратить травмы пассажиров [источник:Machine Design].
Даже если вы не являетесь поклонником автогонок, вы, вероятно, видели кадры захватывающих аварий, в которых машины падают по трассе, разбрасывая детали во всех направлениях, когда машина буквально разрушается. Тем не менее, чудом водитель выбрался из искореженных обломков и ушел невредимым. В то время как эти аварии выглядят ужасающе, все эти впечатляющие разрушения тратят кинетическую энергию. Вероятно, водителю это не доставляет удовольствия, но автомобиль делает именно то, для чего он был разработан в этой ситуации — защищает человека на водительском сиденье.
Также были редкие случаи, когда гоночный автомобиль врезался в твердый объект на высокой скорости, например, авария гонщика NASCAR Майкла Уолтрипа в Бристоле в 1990 году. Он ударился тупым концом бетонной стены на гоночной скорости, и машина очень внезапно остановилась. . Удар вызвал огромные силы, но Уолтрип не пострадал. Причина очевидна, если посмотреть на остатки его машины в тот день. Он был полностью и окончательно разрушен. Все эти силы были потрачены на уничтожение автомобиля. Ясно, что инцидент вышел далеко за пределы возможностей любой зоны деформации, и на самом деле это был просто вопрос удачи, что ничего не проникло в кабину водителя и не ранило Уолтрипа. Перераспределение силы спасло ему жизнь.
Однако у этой концепции есть неудачный контрапункт. С 1980-х до начала 2000-х годов было много гонок со смертельным исходом из-за чрезмерно жесткого шасси. Вероятно, наиболее широко известным инцидентом является смерть Дейла Эрнхардта-старшего на Daytona 500 2001 года. Первоначально авария не казалась серьезной, и машина, похоже, не получила значительных повреждений; однако именно в этом была проблема. Большая часть силы удара была передана непосредственно водителю, что привело к немедленным и тяжелым травмам. Смертельная травма была переломом основания черепа, повреждением области, где череп и спинной мозг соединяются. Эта травма является причиной смерти во многих авариях в автогонках и возникает, когда голова резко дергается вперед при ударе, в то время как тело остается пристегнутым ремнями безопасности. Хотя устройства для фиксации головы и шеи снизили частоту переломов основания черепа, важную роль также сыграло снижение силы удара, воздействующей на водителя.
Несколько других известных гонщиков были убиты в этот период, а также менее известные гонщики в классах модифицированных и поздних моделей NASCAR, участвовавших в гонках на трассах по всей территории Соединенных Штатов. Причиной увеличения числа аварий со смертельным исходом было просто стремление к более высокой производительности. Конструкторы и экипажи автомобилей стремились улучшить управляемость, создав более жесткое шасси. Это включало добавление компонентов к раме, использование прямых направляющих рамы и переход на стальные трубы с более толстыми стенками. Конечно, они сделали шасси более жестким, но когда эти негибкие автомобили врезались в стену, они не уступали. Автомобиль не поглотил силу удара — большую часть удара принял на себя водитель.
Еще до смерти Эрнхардта в 2001 году гоночные трассы пытались найти решение этой проблемы. Треки на северо-востоке США экспериментировали с гигантскими блоками промышленного пенополистирола, облицовывающими стены, аналогичная концепция технологии мягких стен, используемой сегодня на многих суперскоростных автомагистралях. Что еще более важно, автомобили были изменены. В некоторых частях шасси теперь используются более тонкие стальные трубы, а лонжероны рамы имеют изгиб или насечки, поэтому они предсказуемо деформируются при ударе.
Автомобиль будущего NASCAR, используемый в гонках Sprint Cup, имеет пену и другой ударопоглощающий материал, вставленный в критические области рамы. Хотя автогонки всегда будут опасным видом спорта, использование менее жесткой конструкции шасси, технологии мягких стенок и систем фиксации головы и шеи значительно снизило силу удара, воздействующую на водителей при столкновении.
Для получения дополнительной информации об автомобильных устройствах безопасности, гонках и других связанных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.
Безопасная поездка вниз
Volvo разрабатывает еще одну технологию поглощения удара для использования в небольших автомобилях. Сиденье водителя крепится к тому, что представляет собой салазки на рельсах с амортизаторами впереди. При ударе все «салазки» (включая сиденье и водителя) проскальзывают вперед на 8 дюймов, а амортизаторы буквально делают свое дело, поглощая удар от удара. В то же время рулевое колесо и часть приборной панели сдвигаются вперед, освобождая место для водителя. В сочетании с передней зоной деформации и, возможно, подушкой безопасности эта система может значительно снизить силы, действующие на водителя при лобовом столкновении [источник:Ford Motor Company].
Первоначально опубликовано:11 августа 2008 г.
Как работает автомобильная оклейка?
Как работает защита от ржавчины?
Как работают автомобили
Как работают спортивные автомобили
Как работают автомобили