BSEN

Početna › Motorna vozila › Pasivna sigurnost

Pasivna sigurnost

Fizika sudara i zaštita putnika: energija i usporenje pri sudaru, deformacione zone, apsorpcija energije u nosačima, pojasevi i vazdušni jastuci, kriteriji povreda, sudarni testovi i zaštita drugih učesnika u saobraćaju.

Sadržaj
  1. Aktivna i pasivna sigurnost
  2. Energija i usporenje pri sudaru
  3. Deformacione zone i čvrsta kabina
  4. Apsorpcija energije u nosačima
  5. Putnik u sudaru: pojas i vazdušni jastuk
  6. Kriteriji povreda
  7. Sudarni testovi
  8. Zaštita drugih učesnika
  9. Riješen primjer
  10. Literatura

1. Aktivna i pasivna sigurnost

Aktivna sigurnost obuhvata sve što sprječava nesreću: kočnice, ABS i ESC, upravljivost, vidljivost i sisteme pomoći vozaču. Pasivna sigurnost obuhvata sve što smanjuje posljedice kad do sudara ipak dođe: strukturu vozila, sistem zadržavanja putnika (pojasevi, vazdušni jastuci, sjedišta), zaštitu pješaka i sprječavanje podlijetanja. Ovo poglavlje se bavi pasivnom sigurnošću.

2. Energija i usporenje pri sudaru

Pri čeonom udaru u krutu prepreku cijela kinetička energija vozila mora se pretvoriti u rad deformacije:

$$E = \tfrac12\, m\, v^2 = \bar F\, s$$

gdje je s put deformacije (dužina „gužvanja“ prednjeg dijela), a F̄ srednja sila. Srednje usporenje vozila je

$$\bar a = \frac{v^2}{2\,s}$$

Ovo je najvažnija relacija pasivne sigurnosti: usporenje opada s dužinom deformacije. Isti udar pri 56 km/h zaustavljen na 0,3 m daje dvostruko veće usporenje nego na 0,6 m. Zato prednji dio vozila nije „što jači“, nego se namjerno, kontrolisano deformiše.

Brzina ulazi na kvadrat: pri 70 km/h energija je 56 % veća nego pri 56 km/h, a pri 100 km/h tri puta veća.

3. Deformacione zone i čvrsta kabina

Moderna karoserija ima dva suprotna zahtjeva:

Kabina se zato pravi od čelika vrlo visoke čvrstoće (toplo oblikovani borni čelici, granica tečenja i preko 1000 MPa): stubovi, pragovi, krovni okvir i poprečni nosači. Deformacione zone prave se od mekših čelika ili aluminijuma koji se dobro gužvaju. Energija se raspoređuje na više putanja opterećenja (gornja i donja putanja, podužni nosači, podokvir), kako bi i sudar s djelimičnim preklopom ili sa drugim vozilom zahvatio dovoljno strukture.

deformacionazonazadnja zonakruta kabina (putnički prostor)udarkabina: čelici vrlo visoke čvrstoće · zone: kontrolisano gužvanje
Pogled odozgo: prednja i zadnja deformaciona zona troše energiju sudara gužvanjem, a kruta kabina čuva prostor za preživljavanje.

4. Apsorpcija energije u nosačima

Glavni element deformacione zone je podužni nosač, tankozidna cijev koja se pri udaru harmonikasto gužva (progresivno izvijanje). Pri tome stvara približno stalnu silu, što je idealno za apsorpciju energije. Za kvadratnu cijev stranice C i debljine zida t, srednja sila gužvanja po Wierzbickom i Abramowiczu je

$$P_m = 9{,}56\;\sigma_0\; t^{5/3}\; C^{1/3}$$

gdje je σ0 efektivni napon tečenja materijala. Sila jako zavisi od debljine zida (eksponent 5/3), a malo od širine profila. Apsorbovana energija je E = Pm·sef, gdje je efektivni put gužvanja oko 70–75 % dužine nosača. Nosači imaju „okidače“ (udubljenja, rupe), koji osiguravaju da gužvanje počne na pravom mjestu i ne pređe u opasno savijanje cijelog nosača.

Pm  ≈ constnabori (zgužvano)još neoštećenPm  = 9,56 · σ0  · t⁵ᐟ³ · C¹ᐟ³
Tankozidni nosač se pri aksijalnom udaru gužva u pravilne nabore, jedan po jedan, uz približno stalnu silu Pm. Energija je sila pomnožena putem gužvanja.

5. Putnik u sudaru: pojas i vazdušni jastuk

Pri sudaru vozilo usporava, a nevezan putnik nastavlja kretanje istom brzinom dok ne udari u volan, instrument tablu ili vjetrobran. Tada ga zaustavlja kratak put od nekoliko centimetara, uz ogromno usporenje. To je takozvani „drugi sudar“.

t [ms]v [km/h]02550751001250204060vozilo (20,6 g)vezan putnik (13,7 g)nevezan: udar uunutrašnjost pri ≈ 70 ms
Čeoni udar pri 56 km/h, deformacija 0,6 m (primjer iz poglavlja). Vezan putnik usporava zajedno s vozilom i ima duži put, pa i manje usporenje. Nevezan putnik leti nesmanjenom brzinom dok ne udari u unutrašnjost, kada se zaustavi u nekoliko milisekundi.

Pojas veže putnika za vozilo, pa putnik usporava zajedno s vozilom i koristi put deformacije vozila („ride-down“). Uz to dobija i dodatni put zbog istezanja pojasa i pomjeranja tijela. Savremeni pojasevi imaju dva dodatka:

Vazdušni jastuk se naduva za 20–40 ms i raspoređuje silu na veću površinu glave i grudi. Jastuk dopunjuje pojas, ne zamjenjuje ga. Nevezan putnik može biti teško povrijeđen upravo naduvavanjem jastuka.

6. Kriteriji povreda

U sudarnim testovima koriste se lutke s instrumentima (npr. Hybrid III, THOR, WorldSID), a povrede se ocjenjuju preko izmjerenih veličina. Najpoznatiji je kriterij povrede glave (HIC):

$$HIC = \max_{t_1,t_2}\left[(t_2 - t_1)\left(\frac{1}{t_2 - t_1}\int_{t_1}^{t_2} a(t)\,dt\right)^{2{,}5}\right]$$

gdje je a(t) rezultantno ubrzanje glave u g, a vrijeme u sekundama, uz najveći interval od 15 ili 36 ms. Granica koja se uobičajeno koristi je 1000. Eksponent 2,5 izražava činjenicu da su kratki, ali jaki udari opasniji od dužih i blažih. Ostali kriteriji obuhvataju opterećenje vrata, ugib grudnog koša, viskozni kriterij, sile u butnoj kosti i drugo. Konkretne granice propisuje svaki pravilnik, odnosno svaki protokol ispitivanja.

7. Sudarni testovi

TestOpis (orijentaciono)
UN R94čeoni udar s djelimičnim preklopom (40 %) u deformabilnu barijeru pri 56 km/h
UN R137čeoni udar punom širinom u krutu barijeru
UN R95bočni udar pokretne deformabilne barijere mase oko 950 kg pri 50 km/h
UN R135bočni udar u stub
UN R127zaštita pješaka: udarna tijela za nogu i glavu na prednji dio vozila
Euro NCAPpotrošački program s testovima strožim od propisa (npr. čeoni udar pri 64 km/h) i ocjenom u zvjezdicama

Brzine i uslovi su orijentacioni. Mjerodavni su važeći tekstovi pravilnika i protokola.

8. Zaštita drugih učesnika

9. Riješen primjer

Zadatak. Putničko vozilo mase 1700 kg udara čeono u krutu prepreku pri 56 km/h. Put deformacije prednjeg dijela je 0,6 m.

a) Energija, usporenje i srednja sila

\(v = 15{,}56\ \text{m/s}, \qquad E = \tfrac12\cdot 1700\cdot 15{,}56^2 = 206\ \text{kJ}\)

\(\bar a = \dfrac{15{,}56^2}{2\cdot 0{,}6} = 202\ \text{m/s}^2 = 20{,}6\,g, \qquad \bar F = \dfrac{206\,000}{0{,}6} = 343\ \text{kN}\)

b) Koliko daju podužni nosači? Kvadratna cijev 80 × 80 mm, zid 2 mm, σ0 = 300 MPa:

\(P_m = 9{,}56\cdot 300\cdot 10^6\cdot 0{,}002^{5/3}\cdot 0{,}08^{1/3} = 39\ \text{kN}\) po nosaču

Dva nosača s 0,4 m efektivnog gužvanja apsorbuju samo \(2\cdot 39\cdot 0{,}4 = 31\ \text{kJ}\), oko 15 % potrebnog. Sa zidom od 3 mm sila raste na 77 kN po nosaču (eksponent 5/3), ali ni to nije dovoljno. Zato prednja struktura ima više putanja opterećenja, jače profile od čelika veće čvrstoće, a dio energije troše i motor, podokvir i deformacija ostalih dijelova.

c) Usporenje vezanog putnika. Ako putnik zbog pojasa i pomjeranja tijela ima ukupno 0,9 m puta usporavanja (0,6 m deformacije vozila i 0,3 m sopstvenog pomaka):

\(\bar a_p = \dfrac{15{,}56^2}{2\cdot 0{,}9} = 134\ \text{m/s}^2 \approx 13{,}7\,g\)

Nevezan putnik bi isti put prešao bez usporavanja i udario u unutrašnjost brzinom bliskom 56 km/h, uz zaustavni put od nekoliko centimetara i usporenje od nekoliko stotina g. Upravo ta razlika je smisao pojasa.

10. Literatura