БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЛОМАКИН

Рис. 2.3.1. Патент ФРГ № 854157.

В 1950-х гг. начали выпускаться серийные Mercedes, которые воплощали в себе запатентованные ранее принципы. Важнейшая особенность подмоторной рамы таких автомобилей — такая форма и жесткость передних частей лонжеронов, благодаря которым она при ударе автомобиля отгибается вверх и назад над поперечиной узла подвески передних колес. Одновременно концы лонжеронов несколько расходятся в стороны, принимая V-образную форму. Таким образом, деформация передка автомобиля в направлении его продольной оси при ударе протекает постепенно в два этапа и тем существенно демпфирует силу удара.

Рис.	2.3.2.	Оптимальный	характер	деформации		передней
и	задней	частей	автомобиля		соответственно
при наезде на препятствие и при ударе сзади

Обращают на себя внимание особая прочность и жесткость лонжеронов рамы на участке от поперечины подвески до щита передка кузова, а также формы лонжеронов, предохраняющих картер рулевого механизма от восприятия энергии удара. Конструкция, размеры и общая жесткость передней части рамы выбраны так, что при лобовых столкновениях автомобилей (с полной нагрузкой) на скорости 80 км/ч деформация лонжеронов и брызговиков колес

201

заканчивается еще до того, как силовой агрегат может соприкоснуться с препятствием. Конструкция кузова Mercedes имеет предохранительные перекладины из стали с высокой прочностью на разрыв, которые размещаются между внутренней и внешней дверными панелями, хорошо сопротивляются внедрению ударяющего автомобиля и предотвращают его скачок вверх. Кроме того, в этой конструкции кузова усилены замки и петли дверей, а также дверные стойки на участке от их середины до пола кузова. Сечение указанной предохранительной балки - перекладины составляет 5,1 х 20,3см, и четыре таких перекладины, используемые обычно в автомобиле, весят около 22,7кг.

Одним из первых английских автомобилей, кузов которого был построен по этому принципу, был Rover-2000, признанный еще в 1963 г. наиболее безопасным автомобилем массового производства. В настоящее время почти все зарубежные легковые кузова строятся по принципу прогрессивной энергоемкости. В период с 1965 г. при разработке конструкции автомобиля с повышенной способностью передней части поглощать энергию удара на полигоне фирмы Ford (США) было разрушено свыше 175 автомобилей. При этом испытуемый автомобиль, едущий со скоростью 48 км/ч, сталкивается с 200-тонным барьером, что соответствует лобовому столкновению автомобилей, движущихся по шоссе со скоростью примерно 72 км/ч. Количество энергии, которое должно поглотиться при таких ударах, огромно: приблизительно 16 600 кГм для автомобиля полным весом 1800 кг. Эта энергия поглощается при деформации автомобиля меньше чем за 0,1сек. Однако нужно иметь возможность управлять этой деформацией и локализовать ее. Проблема создания передней части кузова с заданной степенью смятия при столкновениях в настоящее время уже практически решена. Например, на всех легковых автомобилях концерна Ford усовершенствована конструкция передней части автомобиля для улучшения ее относительной энергопоглощающей способности без уменьшения надежности и долговечности. Следует отметить, что точно определить необходимую дополнительную защиту пассажиров и водителя невозможно из-за недостатков существующих методов оценки и трудностей в установлении соотношений между результатами испытаний и действительных аварий на шоссейных дорогах. Работа концерна «Ford» в этом направлении является, очевидно, лишь первым шагом. Следующим шагом в этой области должна быть совершенно новая конструкция автомобиля, при создании которой в основу легли бы требования о значительном улучшении ударостойкости автомобиля. Основные изменения свелись к усилению одних и ослаблению других деталей рамы или штампованных деталей переднего оперения и кузова в нижней части автомобиля в целях локализации поглощения энергии как можно дальше от пассажирского помещения. Для этой цели были добавлены отверстия и углубления на передних лонжеронах подрамника, ребра жесткости на брызговиках колес, распорные кронштейны «торпедо», косынки на лонжеронах в средней части подрамника, амортизирующие удлинители к

202

передним лонжеронам и пр. Одновременно была повышена жесткость салона автомобиля.

Вавтомобилях рамной конструкции увеличению жесткости средней части кузова способствует рама, однако она в известной мере затрудняет обеспечение прогрессивной деформации передней части кузова; для устранения этого недостатка на американских автомобилях Ford и Mercuri и применяется рама с измененной конфигурацией передней части, которая складывается в «гармошку» при ударе. Таким образом, энергия удара локализуется в передней части автомобиля, на достаточно безопасном расстоянии от пассажирского салона. Для обеспечения безопасности крыша легкового автомобиля должна быть достаточно жесткой, чтобы воспринять вертикальные нагрузки, возникающие при опрокидывании автомобиля. Жесткость крыши можно увеличить путем применения целого ряда дополнительных вертикальных усиливающих элементов арочного типа, имеющих жесткую продольную связь друг с другом. Вертикальные элементы воспринимают нагрузку, действующую в их плоскости. При наличии жесткой продольной связи между вертикальными элементами обеспечивается распределение приложенной в одном месте нагрузки на несколько смежных вертикальных элементов. Рациональное распределение скручивающих и сдвигающих напряжений обеспечивается за счет панелей пола и дверей.

Большие нагрузки в продольном, поперечном и вертикальном направлениях действуют при ударах на двери, дверные замки и петли дверей. Двери должны защищать салон сбоку от проникновения внутрь него посторонних предметов при аварии. Сейчас двери являются наиболее уязвимыми деталями

внаружной оболочке кузова. Они не должны открываться при аварии, для того чтобы увеличить общую жесткость салона, а также, чтобы пассажиры не могли вывалиться из кузова. Для защиты пассажиров применяются комбинированные вертикальные элементы, способствующие усилению дверей. Кроме того, защитные свойства дверей возрастают при применении усиливающих кронштейнов, амортизирующих материалов и высоких лонжеронов, верхняя поверхность которых располагается на одном уровне с бамперами. Наилучшие результаты дает одновременное сочетание всех способов усиления дверей.

Обычно для поглощения энергии удара автомобилем при столкновении требуется значительное расстояние смятия (до 1 м и более). Таким расстоянием располагают деформируемые передняя и задняя части автомобилей (рис.2.3.3). При ударе сбоку для поглощения этой энергии имеется расстояние всего около 25 мм. Однако было обнаружено, что при ударе одного автомобиля в бок другого последний начинает скользить в сторону движения ударившей машины, а это позволяет ему поглотить энергию почти на таком же расстоянии, какое имеется при деформации передней и задней частей автомобиля.

Внастоящее время рассматриваются различные типы кузовов с точки зрения использования их для изготовления безопасного легкового автомобиля.

203

Анализируются грузопассажирские кузова, такси, спортивные модели. Исследуются разнообразные системы привода и компоновочные схемы. Определяются защитные свойства узлов и агрегатов современных автомобилей. Цель этой работы - рациональное использование стандартных узлов при проектировании безопасного автомобиля, с тем чтобы стоимость его незначительно превышала стоимость стандартных легковых автомобилей.

Повышение требований к обеспечению безопасности водителей и пассажиров привело к тому, что в США каждая новая модель автомобиля, предназначенная для продажи после 1 января 1968 г., должна быть подвергнута испытаниям на столкновение с неподвижным барьером при скорости 48 км/ч, и конструкции этих моделей должны быть модифицированы в соответствии с требованиями стандартов. Основные европейские автомобилестроительные фирмы также создали установки для барьерных испытаний. В этих установках автомобиль перемещается к барьеру с помощью простых буксирных устройств или силой собственной тяжести. Подобные испытания проходят как существующие, так и новые конструкции - прототипы автомобилей.

Рис. 2.3.3. Смятие передней части кузова при ударе

При конструировании безопасных кузовов необходимо:

-установить предохранительный боковой брус, отклоняющий наезжающий сбоку автомобиль от мест пассажиров;

-усилить кронштейны кузова, дверных петель и защелки замков; применить деформируемые переднюю и заднюю части кузова автомобиля, поглощающие энергию удара при столкновении;

-применять двери новых конструкций (выдвижных и подъемных);

-увеличить площадь остекления, чтобы улучшить обзорность с места водителя;

204

-пассажирский салон должен быть жестким снаружи, а двери - иметь надежные замки;

-все внутренние элементы салона должны быть деформируемыми, а ремни безопасности пластически растяжными.

Основная задача, которую надо решить при проектировании кузова, заключается в том, чтобы при минимальном расходе металла построить жесткую пространственную конструкцию, одновременно уменьшив жесткость передней и задней части кузова, повысив их демпфирующие качества. Применением рамной конструкции трудно добиться требуемых защитных свойств кузова. Это существенный недостаток по сравнению с несущими кузовами, жесткость которых в любом месте легко варьируется путем изменения толщины листового металла, идущего на изготовление того или иного элемента кузова. Другой метод, обеспечивающий местное ослабление или усиление несущего кузова, - изменение формы отдельных его панелей и балок. Этим же способом можно при той же жесткости существенно уменьшить толщину листовой стали, идущей на изготовление несущих деталей кузова, и, следовательно, их вес. Однако при уменьшении толщины металла необходимо пропорционально уменьшать допуски на этот размер. В результате несколько усложняется технологический процесс прокатки стального листа и возрастает его стоимость, т. е. экономия в весе не приводит к пропорциональному уменьшению себестоимости модифицированной детали кузова. Обычно из компромиссных соображений не все элементы несущих кузовов штампуются из стального листа одной толщины.

Все чаще конструкторы при расчете кузова автомобиля применяют «решетку безопасности». Она должна обеспечивать приемлемые нагрузки на тело человека от резкого замедления при ДТП и сохранять пространство пассажирского салона после деформации кузова.

При тяжелой аварии существует вероятность проникновения двигателя в салон автомобиля. Поэтому передняя часть салона имеет специальные ребра жесткости и обрусья. При создании Mercedes А-класса конструкторы рассчитали жесткость подрамника автомобиля таким образом, что в случае удара он должен переломиться и направить двигатель вниз, под пол автомобиля (рис.2.3.4). На фирме Audi, при создании автомобилей последнего поколения, также была разработана и применена своя «решетка безопасности», получившая название ASF (Audi Space Frame). При проектировании кузова для автомобиля Skoda Octavia II для увеличения жесткости кузова были разработаны пороги новой конструкции. Многие элементы кузова, такие как крыша, боковины, задние двери свариваются с помощью лазера. Все эти конструктивные и технологические нововведения позволили значительно повысить пассивную безопасность автомобиля, что обеспечило автомобилю четыре звезды на испытаниях по методике

EuroNCAP.

Обеспечивая все большую пассивную безопасность для водителя и пассажиров автомобиля, конструкторы не забывают и о пешеходах (рис.

205

2.3.5). Так, Правило № 26 ЕЭК ООН регламентирует требования к наружным выступам легковых автомобилей с целью уменьшения вероятности травмирования пешеходов. В соответствии с этим Правилом ни одна выступающая часть наружной поверхности не должна иметь радиус кривизны менее 2,5 мм, кроме деталей, которые выступают менее чем на 5 мм при условии, что наружные углы таких деталей сглажены.

Наружная поверхность автомобиля не должна иметь выступающих наружу остроконечных или режущих частей или выступов (выступающие части наружной поверхности, изготовленные из материала, твердость которого не превышает 60 единиц по Шору (А), могут иметь радиус кривизны менее 2,5 мм).

Рис. 2.3.4. Процесс деформации передней части легкового автомобиля и перемещение его силового агрегата после столкновения:

а		–		положение		легкового			автомобиля
в момент его столкновения с препятствием;
б		–	деформация		передней		части		автомобиля
(поглощение кинетической энергии), перемещение силового агрегата;
в	–	окончание		деформирования		передней		части	автомобиля
и перемещение силового агрегата под пол

Декоративные дополнительные детали, выступающие по отношению к своей опоре более чем на 10 мм, должны утапливаться, отрываться или изгибаться под действием силы 100 Н.

Предохранительные планки или пластинки на наружной поверхности должны прочно крепиться на автомобиле.

Выступающие ободки и козырьки фар разрешается применять при условии, что максимальная их высота по отношению к наиболее выступающей точке поверхности стекла фары не превышает 30 мм и что радиус их кривизны в любом месте составляет не менее 2,5 мм.

У наружных решеток, у которых имеется щель размером 25... 40 мм, радиус кривизны должен составить не менее 1 мм. Если же расстояние между двумя расположенными последовательно элементами решеток не превышает 25 мм,

206

то радиус кривизны наружной поверхности элементов должен составлять не менее 0,5 мм.

Крепление щеток стеклоочистителей должно быть таким, чтобы рычаг щеткодержателя был прикрыт защитным элементом, имеющим радиус кривизны более 2,5 мм и минимальный размер поверхности не менее 150 мм2. Щетки или любые опорные детали стеклоочистителей не должны иметь острых углов и остроконечных или режущих частей.

Концы бамперов должны быть загнуты в направлении наружной поверхности таким образом, чтобы свести к минимуму опасность зацепления окружающих предметов. Это предписание считается выполненным, если для бампера предусмотрено специальное углубление в кузове.

Составные элементы бамперов должны иметь такую конструкцию, чтобы минимальный радиус кривизны всех обращенных наружу жестких поверхностей составлял 5 мм. (Требования не распространяются на элементы, установленные на бампере, составные части бампера или детали, вставленные в бампер, в частности, на стыковые накладки и жиклеры стеклоомывателей фар. которые выступают на расстояние менее 5 мм.)

Для ручек двери или багажника выступы не должны превышать 40 мм. Если на боковых дверях установлены ручки поворотного типа, то они должны отвечать любому из следующих двух требований:

•при наличии ручек, поворачивающихся параллельно плоскости двери, концы ручек должны быть направлены назад и загибаться по направлению к плоскости двери, а также ограждаться дополнительной рамкой или находиться в углублении;

•ручки, поворачивающиеся наружу в любом направлении, но не параллельно плоскости двери, в закрытом положении ограждаются предохранительной рамкой или находятся вуглублении и конец такой ручки должен быть направлен либо назад, либо вниз.

Колеса, гайки крепления колес, колпаки ступиц и декоративные колпаки колес не должны иметь никаких остроконечных или режущих выступов, выходящих за пределы внешней полосы обода колеса (использование корончатых гаек недопускается).

При следовании в прямом направлении ни одна часть колес, за исключением шин, не должна выступать за контуры вертикальной проекции наружнойповерхностикузованагоризонтальную плоскость более чем на 30 мм.

Устройство желобов, служащих, например, в качестве волан стоков или направляющих для раздвижных дверей, разрешается только при условии, что они будут загнуты внутрь или их края будут иметь защитное устройство (незащищенный желоб считается загнутым, если он загнут назад приблизительно на 180° или если он загнут по направлению к кузову таким образом, что но сможет соприкоснуться с шаромдиаметром 100 мм).

Радиус кривизны изгибов на обшивке кузова должен был! не менее 2,5 мм. Радиус кривизны краев боковых обтекателей я щитков, которые могут выступать наружу, должен быть не менее 1 мм.

207

Кронштейны для домкрата и выхлопная труба не должны вы ступать более чем на 10 мм за вертикальную проекцию л пола.

Заслонки впускных/выпускных вентиляционных отверстий должны соответствовать техническим требованиям во всех положениях, возможных при эксплуатации.

Стекла окон, открывающиеся наружу по отношению к внешней поверхностиавтомобиля, должнысоответствоватьследующимтребованиям:

•ни один из краев стекла не должен выступать вперед; ни одна из частей стекла не должна выступать за край габаритной ширины

автомобиля Держатели номерных знаков должны иметь радиус кривизны более 2,5 мм (если они соприкасаются с шаром диаметром 100 мм), при условии, что номерной знак установлен по рекомендации завода — изготовителя автомобиля.

На поверхностях багажников и приспособлений для перевозки лыж, которые после установки такого приспособления могут соприкасаться с шаром диаметром 165 мм, не должно быть деталей с радиусом кривизны менее 2,5 мм, а такие крепежные элементы, как болты, не должны выступать более чем на 40 мм запределы поверхностей.

Радиоантенны следует устанавливать на автомобили таким образом, чтобы в случае, когда их незакрепленный конец находится на высоте менее 2 м от поверхности дороги в любом положении, возможном при эксплуатации, он не должен выходить за пределы зоны, ограниченной вертикальными плоскостями, располагающимися нарасстоянии10 смвнутрьоткраягабаритнойширины.

В последнее время применяются передние крылья, изготовленные из специального пластика (рис.2.3.5).

208

Рис. 2.3.5. Пассивная безопасность для пешеходов

В случае наезда на пешехода они разрушаются, нанося пострадавшему наименьшие повреждения, некоторые производители ведут испытания своеобразных «подушек безопасности» для пешехода (рис. 2.3.6). В момент наезда они раздуваются и, амортизируя удар, опускают пешехода на капот.

Рис. 2.3.6. Внешние подушки безопасности

209

2.3.3. Безопасный бампер

Основной функцией бампера является защита дорогостоящих элементов кузова от повреждений при столкновении или наездах, происходящих на относительно невысоких скоростях. При этом бамперы практически не предохраняют пассажиров и водителей от травмирования при более серьезных дорожно-транспортных происшествиях. Сейчас они служат в основном лишь защитой от повреждения фар и задних фонарей при заезде на стоянку и выполняют эти функции на скорости до 3 км/ч. Бампер современного легкового автомобиля представляет собой скорее область работы художника-стилиста, чем инженера-конструктора, так как многие считают, что бампер не в состоянии как-либо защитить автомобиль, вес которого обычно колеблется в пределах 1,5-2 т. Между тем ясно, что энергия удара не может исчезнуть, а должна быть поглощена элементами кузова на возможно большем удалении от пассажирского помещения. В этой связи нельзя игнорировать защитные свойства бампера, каковы бы они ни были. В будущем, очевидно, конструкторы решат технические проблемы упругого соединения бампера с кузовом автомобиля. Такое соединение должно поглощать большую часть кинетической энергии удара, возникающую при столкновении автомобилей. Введение бамперов, расположенных на одинаковой, стандартной для всех автомобилей высоте над уровнем дороги, несомненно, приведет к снижению количества и тяжести повреждений кузовов автомобилей.

Следует отметить, что материалы, используемые в настоящее время для автомобильных бамперов, разрушаются при столкновении с относительной скоростью, равной 9 км/ч, а при больших относительных скоростях происходят значительные повреждения кузова. Фирма Ford предлагает в будущем применять покрытые резиной подковообразные бамперы, предохраняющие кузов от повреждений при столкновении с относительной скоростью 16 км/ч. Комбинированные бамперы, покрытые резиной и опирающиеся на спиральные пружины могут предохранить кузов от значительных повреждений при столкновениях с относительной скоростью до 36 км/ч, однако при этом выдвигать бампер приходится на значительное расстояние, да и наезды автомобилей один на другой чаще всего происходят на стояночных площадках, где скорости движения невелики и поэтому нет смысла рассчитывать бамперы на значительную скорость.

Кроме того, при дальнейших испытаниях выяснилось, что прочные бамперы, покрытые резиной и опирающиеся на стальные пружины, предохраняя элементы кузова от повреждений, в то же время препятствуют поглощению энергии удара деформирующейся передней частью автомобиля, в результате чего пассажиры с большей силой ударяются о внутренние детали салона и получают серьезные травмы. Необходимо найти такие конструкции бампера и передней части автомобиля, такие соотношения их жесткости и прочности, чтобы при слабом ударе бампер защищал от повреждения элементы кузова автомобиля, имеющие большую стоимость, а при тяжелых столкновениях

210