BADANIA EKSPERYMENTALNE I MODELOWE SKUTECZNOŚCI OCHRONY PASAŻERÓW NA TYLNYCH FOTELACH SAMOCHODÓW OSOBOWYCH PODCZAS WYPADKU DROGOWEGO

(1)

BADANIA EKSPERYMENTALNE

I MODELOWE SKUTECZNOŚCI OCHRONY PASAŻERÓW NA TYLNYCH FOTELACH SAMOCHODÓW OSOBOWYCH

PODCZAS WYPADKU DROGOWEGO

Kamil Joszko

^1a

, Wojciech Wolański

^1b

Marek Gzik

^1c

, Andrzej Żuchowski

^2d

1Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska

2 Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, Wojskowa Akademia Techniczna

ak.joszko@polsl.pl, ^bw.wolanski@polsl.pl,^cm.gzik@polsl.pl, ^dazuchowski@wat.edu.pl

Streszczenie

Celem przeprowadzonych badań było wyznaczenie obciążeń dynamicznych działających na ciała pasażerów sie- dzących na tylnych fotelach samochodu podczas czołowego zderzenia oraz wskazanie możliwości ich minimalizacji poprzez właściwe stosowanie urządzeń ochronnych. W ramach pracy przeprowadzono badania modelowe w programie MADYMO oraz eksperymentalne z wykorzystaniem karoserii typowego samochodu osobowego z umiesz- czonymi wewnątrz manekinami: osoby dorosłej (HYBRID III 50th) oraz dziecka (P10). Weryfikację modelu numerycznego przeprowadzono na podstawie porównania parametrów kinematycznych manekinów wyznaczonych podczas eksperymentu: przyspieszenia głowy, obciążenia szyi, obciążenia klatki piersiowej, obciążenia nóg oraz siły w pasach bezpieczeństwa. Zweryfikowany model numeryczny posłużył do dalszych badań, które pozwoliły na wskazanie związków pomiędzy czynnikami zależnymi od użytkowników pojazdów (osoby dorosłej lub dziecka), wpływa- jącymi na skuteczność działania urządzeń ochronnych w samochodzie. Wyniki pracy wykazały, które z badanych czynników stwarzają największe zagrożenia i obrażenia pasażerów na tylnych fotelach podczas wypadku drogowego.

Słowa kluczowe: badania eksperymentalne, badania modelowe, systemy bezpieczeństwa, wypadek drogowy

EXPERIMENTAL AND MODELLING INVESTIGATION OF EFFECTIVE PROTECTION THE PASSENGERS IN THE REAR SEATS DURING CAR ACCIDENT

Summary

The aim of this study was to determine the dynamic loads acting on the body of the passengers in the back seat of the car during a crash and an indication of the possibility of their minimization through the appropriate use of protective devices. In the modelling and experimental studies we used a typical passanger car body with internal dummies (Hybrid III adult 50th and child P10). The verification of the numerical model was performed based on the comparison of kinematics parameters of the mannequins determined during the experiment, such as:

acceleration of the head, neck load, load thorax, legs load and force in safety belts. The verified numerical model was used in further research that led to indication of the relationship between factors dependent on vehicle users (an adult or a child), affecting the effectiveness of protective devices in the car. The results of this study showed which among mentioned factors pose the greatest threat and damage to the rear seat passengers in a traffic accident.

Keywords: experimental investigation, modeling studies, security systems, traffic accident

(2)

1. WSTĘP

1.1 PRZESŁANKI PODJĘCIA BADAŃ

Wypadki drogowe i duża liczba ich ofiar to jeden z najtrudniejszych problemów społecznych. Rosnąca liczba wypadków drogowych skłania do ciągłej analizy ich przyczyn i poszukiwania sposobów ograniczenia ich niekorzystnych skutków. Rocznie w Polce ma miejsce ponad 400 tysięcy kolizji i około 50 tysięcy wypadków, w których ginie około 5 tys. osób [10]. W Europie Polska ma najgorsze wskaźniki bezpieczeństwa w ruchu drogo- wym i od kilku lat nie osiąga, wymaganych przez Unię Europejską oraz zapisanych w Krajowym Programie Gambit 2007-2013 wskaźników obniżenia liczby ofiar śmiertelnych wypadków drogowych. Najgroźniejsze w skutkach są zderzenia czołowe, w których ginie najwięcej ludzi. Dlatego w pracy uwagę skupiono na tym rodzaju zderzenia. Istotą działania urządzeń ochronnych podczas wypadku jest przekazanie na ciało człowieka obciążeń nieprzekraczających ściśle określonych kryteriów oraz działających na odpowiednie miejsca. Siły te są przekazywane poprzez oddziaływanie foteli, pasów bezpieczeń- stwa i poduszek gazowych. Mimo ciągłego doskonalenia tych urządzeń, na skuteczność ich działania nadal istotny wpływ mają osoby jadące w samochodzie. Ważną rolę odgrywa sylwetka człowieka (masa, wzrost), jego pozycja na fotelu, miejsce przylegania taśmy pasa bez- pieczeństwa oraz jego napięcie wstępne. Wpływ użyt- kownika na skuteczność działania urządzeń ochronnych przejawia się także w możliwości regulacji siedziska, oparcia oraz górnego punktu mocowania pasa bezpie- czeństwa (niestety, nie zawsze jest to możliwe na tylnych fotelach). Szczególnie duży wpływ na bezpieczeń- stwo dzieci w samochodzie ma właściwe ułożenie pasów do mocowania dziecka na podstawce.

1.2 DOTYCHCZASOWY STAN BADAŃ

Poruszane w pracy zagadnienia dotyczące bezpie- czeństwa pasażerów w samochodach osobowych były analizowane od dziesięcioleci [1,2,3,4]. Pierwsze pasy bezpieczeństwa do seryjnej produkcji wprowadziła firma Ford w roku 1955, niestety był to nieudany debiut na rynku motoryzacyjnym. Następnie w roku 1958 firma Volvo z powodzeniem wprowadziła pierwsze pasy bio- drowo – ramienne. Od tamtych lat systemy bezpieczeń- stwa z roku na rok były ciągle udoskonalane, pojawiły się pirotechniczne napinacze pasów bezpieczeństwa, ograniczniki siły w pasach itp. Następnie systemy pasów bezpieczeństwa zostały sprzężone z różnego rodzaju poduszkami powietrznymi [6]. Badania nad udoskonala- niem systemów bezpieczeństwa biernego i czynnego trwają cały czas [5,7,8,9]. Wynikiem tych badań są przyjęte obecnie standardy bezpieczeństwa NHTSA, EuroNCAP, USNCAP, C-NCAP [10,11,12,13,14]. Sto- sowane kryteria przy ich określaniu głównie skupiają się

na bezpieczeństwie kierowcy oraz pasażera przedniej części pojazdu. Ta sytuacja powoduje, że producenci samochodów osobowych przede wszystkim projektują i udoskonalają systemy bezpieczeństwa dla przedniej części pojazdu. Na podstawie przeprowadzonego prze- glądu literatury przyjęto cel pracy, który dotyczy rozpo- znania wpływu czynników zależnych od osób jadących (dorośli i dzieci) na skuteczność działania urządzeń ochrony na tylnych fotelach samochodów osobowych, podczas wypadku drogowego.

2. METODYKA BADAWCZA

W ramach pracy prowadzono równolegle badania eksperymentalne i modelowe jako wzajemnie połączone drogi do osiągnięcia lepszego niż dotychczas stanu wiedzy o procesach i możliwościach minimalizacji obcią- żeń dynamicznych osób jadących samochodem podczas wypadku drogowego. Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych zidentyfikowano parametry mechaniczne obiektu rzeczywistego, na podstawie któ- rych określono warunki brzegowe do budowy modelu numerycznego. Ponadto przeprowadzone badania eksperymentalne pozwoliły na zarejestrowanie przebiegów opóźnień w charakterystycznych punktach pojazdu (podłoga) i manekina (głowa, klatka piersiowa, miedni- ca) oraz zidentyfikowano wartości sił, które oddziałują na kończyny dolne w trakcie zderzenia. Zebrane dane posłużyły do wyznaczenia kryteriów urazowości oraz do weryfikacji opracowanych modeli numerycznych.

W przeprowadzonych badaniach podjęto próbę roz- poznania wpływu czynników, zależnych od użytkowni- ków pojazdu, na skuteczność działania urządzeń ochronnych. W tym celu analizie poddano przebiegi i wartości ekstremalne obciążeń dynamicznych działających na pasażerów na tylnych siedzeniach samochodu, podczas wypadku drogowego. Analizę prowadzono równolegle w ramach badań eksperymentalnych i modelowych, zarówno względem osoby dorosłej, jak i dziecka przewo- żonego na standardowej podstawce. Podczas zderzenia czołowego wyznaczano obciążenia działające na człowie- ka w samochodzie, zależnie od stosowania urządzeń ochronnych (UO). Uzyskane wyniki pozwoliły na wskazanie związków pomiędzy czynnikami wpływającymi na działanie urządzeń ochronnych (także niewłaściwe stosowanie UO) a powstawaniem obrażeń podczas wypadku drogowego. Na podstawie przeprowadzonych badań można wnioskować, które z podanych wyżej czynników stwarzają największe zagrożenie dla dorosłego lub dziecka. Badania eksperymentalne i modelowe zostały przeprowadzone wspólnie przez doświadczony zespół naukowców w zakresie badań eksperymentalnych z Przemysłowego Instytutu Motoryzacji (PIMOT) w Warszawie oraz zespół osób o wysokich kompetencjach

(3)

w zakresie modelowania i obliczeń symulacyjnych Politechniki Śląskiej i Wojskowej Akademii

3. BADANIA STANOWISKOWE

Badania eksperymentalne przeprowadzono mysłowym Instytucie Motoryzacji PIMOT z wykorz staniem unikalnej aparatury: stanowiska

do prób zderzeniowych, urządzenia do badań manekinów Hybrid II (M95), Hybrid

manekina dziecka P10. Badania eksperymentalne

ły na wykonaniu testów zderzenia czołowego modelu fizycznego samochodu z manekinami na tylnych fot lach. W ramach badań analizowano wpływ czyn zależnych od użytkowników pojazdu na skuteczność działania urządzeń ochronnych. Podczas

nia czołowego dokonywano pomiarów wartości

gów ekstremalnych obciążeń dynamicznych działających na pasażerów na tylnych siedzeniach samochodu.

3.1 OBIEKT BADAŃ

Przygotowane do badań nadwozie samochodu os bowego (rys.1) posiadało przednie fotele oraz tylną kanapę, na której umieszczony był manekin Hybrid III reprezentujący 50-centylowego mężczyznę (M50) oraz manekin dziecka w wieku około 10 lat (P10). Przepr wadzono kilkanaście testów zderzeniowych, w których zmieniano m.in. ułożenie manekinów na kanapie, sposób zamocowania pasa bezpieczeństwa, rodzaj urządzenia ochronnego dla manekina P10, położenie foteli prze nich. Analizowano również różne warianty usadowienia manekina dziecka: na podstawce podwyższającej bez oparcia, na podstawce z oparciem lub bezpośrednio na siedzisku kanapy. Podczas testów oba manekiny przypi te były za pomocą standardowych pasów bezpiecze stwa. Nie zmieniano górnego punktu mocowania pasów zachowując oryginalne położenie. Po każdej próbie zderzeniowej wymieniano wszystkie elementy pasów bezpieczeństwa, nawet jeśli nie uległy uszkodzeniu.

Rys. 1. Manekiny w modelu fizycznym wnętrza samochodu Położenie manekinów względem foteli oraz pasów be pieczeństwa względem manekinów opisano przez podanie charakterystycznych wymiarów (rys. 2), które definiują przestrzeń wokół manekinów.

w zakresie modelowania i obliczeń symulacyjnych z ej Akademii Technicznej.

BADANIA STANOWISKOWE

rymentalne przeprowadzono w Prze- PIMOT z wykorzy- a typu saniowego do badań: fotelików i nekinów Hybrid II (M95), Hybrid III (M50) oraz Badania eksperymentalne polega- ły na wykonaniu testów zderzenia czołowego modelu fizycznego samochodu z manekinami na tylnych fote-

wpływ czynników zależnych od użytkowników pojazdu na skuteczność odczas testów zderze-

wartości i przebie- obciążeń dynamicznych działających na pasażerów na tylnych siedzeniach samochodu.

Przygotowane do badań nadwozie samochodu oso- ) posiadało przednie fotele oraz tylną kanapę, na której umieszczony był manekin Hybrid III centylowego mężczyznę (M50) oraz manekin dziecka w wieku około 10 lat (P10). Przepro- wadzono kilkanaście testów zderzeniowych, w których

manekinów na kanapie, sposób pasa bezpieczeństwa, rodzaj urządzenia nnego dla manekina P10, położenie foteli przed-

Analizowano również różne warianty usadowienia na podstawce podwyższającej bez oparcia, na podstawce z oparciem lub bezpośrednio na ba manekiny przypię- te były za pomocą standardowych pasów bezpieczeń- stwa. Nie zmieniano górnego punktu mocowania pasów,

. Po każdej próbie zderzeniowej wymieniano wszystkie elementy pasów

śli nie uległy uszkodzeniu.

Manekiny w modelu fizycznym wnętrza samochodu Położenie manekinów względem foteli oraz pasów bez- pieczeństwa względem manekinów opisano przez podanie

), które definiują

Rys. 2. Wymiary opisujące położenie manekina względem fotela i pasa bezpieczeństwa

Wariantowaniu w symulacja numerycznych podlegały wymiary oznaczone na rysunku 2 symbolem Y2, Y1 oraz długość pasa bezpieczeństwa między punktami B i C oraz E i C.

3.2 STANOWISKO BADAWC

Model samochodu umieszczono na typu saniowego (urządzenie AB-554

rys. 3. Wózek rozpędzano przy pomocy gumowych lin do prędkości 48 km/h. Żądany przebieg opóźnienia uzysk wano za pomocą specjalnego hamul

on z zamocowanych do wózka trzpieni zakończonych stalowymi gałkami, tzw. „oliwkami” oraz z tulei poliur tanowych, które umieszczone są w rurach utwierdzonych do podłoża. Efekt hamowania wózka występuje w wyn ku przetłaczania „oliwek” przez poliu

Rys. 3. Urządzenie AB-554 do prób dynamicznych strony toru samochodu (tor wykonany w PIMOT)

3.3 CHARAKTERYSTYKA OPÓŹNIENIA SAMOCHODU

Przebieg opóźnienia nadwozia był zgodny z wym ganiami określonymi w Regulaminie ECE R44, który dotyczy badań urządzeń przytrzymu

Na rys. 4 przedstawiono przebieg

występującego w kierunku ruchu samochodu. Na potrz by badań symulacyjnych charakterystyka

nadwozia została przefiltrowana z użyciem filtra C czyli filtra dolnoprzepustowego o częstotliwości obcięcia 100 Hz. Podczas obliczeń modelowych przyjęto ten sam krok czasowy, z którym były rejestrowane wyniki po czas badań eksperymentalnych (dt

Rys. 4. Charakterystyka opóźnienia nadwozia podczas badań eksperymentalnych w PIMOT

-30 -20 -10 0 10

0.00 0.03 0.06 0.09

Czas [s]

Przyspieszenie [g]

Wymiary opisujące położenie manekina względem fotela i pasa bezpieczeństwa

w symulacja numerycznych podlegały wymiary oznaczone na rysunku 2 symbolem Y2, Y1 oraz długość pasa bezpieczeństwa między punktami B i C

STANOWISKO BADAWCZE

Model samochodu umieszczono na wózku stanowiska 554), które pokazano na . Wózek rozpędzano przy pomocy gumowych lin do prędkości 48 km/h. Żądany przebieg opóźnienia uzyski- wano za pomocą specjalnego hamulca (rys.3). Składa się on z zamocowanych do wózka trzpieni zakończonych tzw. „oliwkami” oraz z tulei poliure- tanowych, które umieszczone są w rurach utwierdzonych do podłoża. Efekt hamowania wózka występuje w wyni- ku przetłaczania „oliwek” przez poliuretanowe tuleje.

554 do prób dynamicznych – widok od (tor wykonany w PIMOT)

CHARAKTERYSTYKA OPÓŹNIENIA

Przebieg opóźnienia nadwozia był zgodny z wyma- ganiami określonymi w Regulaminie ECE R44, który dotyczy badań urządzeń przytrzymujących dla dzieci.

przebieg opóźnienia nadwozia w kierunku ruchu samochodu. Na potrze-

charakterystyka opóźnienia z użyciem filtra CFC60, o częstotliwości obcięcia Podczas obliczeń modelowych przyjęto ten sam krok czasowy, z którym były rejestrowane wyniki podczas badań eksperymentalnych (dt = 0,0001s).

Charakterystyka opóźnienia nadwozia podczas badań w PIMOT

0.09 0.12 0.15

(4)

4. BUDOWA MODELU NUMERYCZNEGO

Modelowane nadwozie samochodu osobowego wzo- rowano na karoserii samochodu osobowego przedstawio- nego na rys. 1. Natomiast przykładowe ułożenie mane- kinów pokazano na rys. 6, które opisane jest poprzez charakterystyczne wymiary definiujące przestrzeń wokół manekinów. Wymiary te zostały pomierzone na obiekcie rzeczywistym i uwzględnione w modelu. Sposób posado- wienia manekina jest jednym z czynników decydującym o jego zachowaniu się podczas testu. Ułożenie nóg manekina ma znaczenie dla ruchu bioder, a więc wpływa także na sposób oddziaływania pasa biodrowego. Kąt pochylenia uda i podudzia wynika m.in. z wysokości siedziska, jego długości, miejsca przed manekinem (rys.

5). W procesie modelowania przyjęto parametry masowe i geometryczne modeli pasażerów odpowiadające własno- ściom i wymiarom manekina osoby dorosłej Hybryd III i manekina dziecka P10.

4.1 MODEL, ALGORYTM I PROGRAM KOMPUTEROWY

Model numeryczny został sformułowany w oprogramowaniu MADYMO, które wykorzystuje metodykę dynamiki układów wieloczłonowych ("multibody").

Metoda ta polega na odwzorowaniu modelowanego obiektu za pomocą łańcucha ciał sztywnych połączonych parami kinematycznymi. Zarówno same ciała, jak i połączenia kinematyczne opisane są poprzez szereg parametrów fizycznych umożliwiających rozwiązanie równań ruchu całego układu. Poszczególne bryły sztyw- ne opisane są za pomocą następujących parametrów:

masa, momenty bezwładności oraz położenie środka ciężkości. Natomiast w parach kinematycznych definiuje się, które bryły dana para kinematyczna łączy oraz określa się jej położenie względem referencyjnego układu współrzędnych. Położenie lokalnego układu współrzęd- nych poszczególnych brył sztywnych względem global- nego układu współrzędnych opisane jest ogólnym rów- naniem (1) gdzie Xi macierz współrzędnych wektora wodzącego, ri macierz współrzędnych wektora łączącego początki obu układów współrzędnych, Ai macierz cosinu- sów kierunkowych, xi macierz współrzędnych wektora przemieszczenia lokalnego układu współrzędnych.

_௜= _௜+ _௜

௜ (1) W modelu numerycznym do rozwiązania ogólnego równania ruchu (2) wykorzystano zmodyfikowaną, jednoetapową metodę Eulera o stałym kroku czasowym ts.

_௧ + _௧ + _௧=

௧ (2) gdzie:

M - macierz masowa,

K - macierzą sztywności,

Pt - macierz określająca przyłożone do układu obciążenia zewnętrzne,

C - macierz określająca tłumienie układu. Macierz tę przyjmuje się najczęściej w postaci tzw. tłumienia pro- porcjonalnego (zależnego od macierzy K i M).

xt- przemieszczenie.

MADYMO jest oprogramowaniem dedykowanym do tworzenia dynamicznych modeli numerycznych dla przemysłu motoryzacyjnego. Dlatego program posiada bibliotekę manekinów stosowanych w testach zderzeniowych, co znacznie upraszcza proces modelowania. Dodatkowo każdy z manekinów dostępnych w bibliotece oprogramowania ma możliwość ingerencji oraz modyfikacji poszczególnych elementów w zależności od celów badawczych.

4.2 DOBÓR PARAMETRÓW MODELU NUMERYCZNEGO

Sformułowany w oprogramowaniu model numeryczny przedstawiono na rys. 6, w którym tylne fotele zamo- delowano za pomocą dwóch płaszczyzn odwzorowują- cych siedzisko oraz oparcie. Płaszczyzny te zostały połączone względem siebie, odbierając wszystkie stopnie swobody, natomiast cały fotel względem podłogi został połączony za pomocą pary kinematycznej obrotowej o ograniczonym kącie obrotu. Powierzchnie cylindryczne znajdujące się pod siedziskiem odwzorowują wewnętrzną strukturę fotela. W modelu uwzględniono podłogę oraz pierwszy rząd foteli. Przyjęto jednakową sztywność oparcia i siedziska we wszystkich kierunkach, która została opisana za pomocą siły w funkcji przemieszczenia (rys.7). Wartość współczynnika tłumienia foteli dobrano na podstawie danych literaturowych i zadano go dla całej konstrukcji fotela. W modelu przyjęto układ współrzędnych zgodny z układem współrzędnych w obiekcie rzeczywistym.

Rys. 6.Modele manekinów wraz z modelami siedzeń Na rys. 7 przedstawiono charakterystykę sztywności tylnego siedziska, którą przyjęto dla „obniżonej części”

siedziska (niecki).

(5)

Rys. 7.Charakterystyka sztywności siedziska (

W badaniach modelowych, podobnie jak podczas t stów, manekin dziecka został posadowiony

bez oparcia. Kontakt pomiędzy podstawką a fotel samochodu został określony za pomocą współczynnika tarcia. Podstawka posiada trzy translacyjne stopnie swobody w trzech osiach x, y, z przestrzennego układu współrzędnych. Sztywność podstawki została

pomocą siły w funkcji przemieszczenia badaniach eksperymentalnych (rys.8).

Rys. 8.Charakterystyka sztywności podstawki (wg

5. WERYFIKACJA MODELU

Weryfikację modelu przeprowadzono na podstawie porównania danych uzyskanych podczas eksperymentu z wynikami symulacji numerycznej. Ocenie poddano przebiegi przyspieszeń zarejestrowanych dla g i klatki piersiowej (rys. 9, 10) oraz wartości nych dla nóg oraz pasów bezpieczeństwa (rys.

Ponadto dokonano porównania kinematyki manekinów w kolejnych chwilach czasowych (rys. 14

Rys. 9.Przyspieszenie głowy

0 250 500 750 1000 1250 1500

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Ugię cie [mm]

Siła [N]

siedziska (wg PIMOT) podobnie jak podczas te- posadowiony na podstawce . Kontakt pomiędzy podstawką a fotelem określony za pomocą współczynnika trzy translacyjne stopnie swobody w trzech osiach x, y, z przestrzennego układu nych. Sztywność podstawki została opisana za pomocą siły w funkcji przemieszczenia wyznaczonej w

arakterystyka sztywności podstawki (wg PIMOT)

WERYFIKACJA MODELU

Weryfikację modelu przeprowadzono na podstawie danych uzyskanych podczas eksperymentu z wynikami symulacji numerycznej. Ocenie poddano przyspieszeń zarejestrowanych dla głowy wartości sił uzyska- pasów bezpieczeństwa (rys. 11,12,13).

o porównania kinematyki manekinów 14,15).

Przyspieszenie głowy

Rys. 10.Przyspieszenie klatki piersiowej

Rys. 11.Siła działająca na nogi manekina

Rys. 12.Siła działająca w ramieniowym pasie bezpieczeństwa

Rys. 13.Siła działająca w biodrowym pasie bezpieczeństwa

80 90 100

klatki piersiowej

Siła działająca na nogi manekina-noga lewa

Siła działająca w ramieniowym pasie bezpieczeństwa

biodrowym pasie bezpieczeństwa

(6)

Rys. 14.Porównanie filmu z animacją manekin M50

Rys. 15.Porównanie filmu z animacją manekin P10 Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej stwierdzono, że zarówno kinematyka modelu jak i zare- jestrowane sygnały wyjściowe wykazały dobrą korelację między modelem a rzeczywistym testem przeprowadzo- nym w PIMOT. Na powyższych wykresach można zauważyć niewielkie odchylenie czasowe przebiegów modelu matematycznego w odniesieniu do wyników testu. Wynikają one z faktu, że opóźnienie w rzeczywistym układzie mierzone jest na podłodze. Jest ono przekazywane na manekina przez szereg elementów konstrukcyjnych, które można traktować jak elementy tłumiące sygnał przechodzący z podłogi na manekina.

Pomimo tego należy wynik weryfikacji modelu uznać za pozytywny, gdyż maksymalne wartości przemieszczeń i sił są odwzorowane z dużą dokładnością.

6. SYMULACJE NUMERYCZNE 6.1 WYBÓR PRZYPADKÓW

OBLICZENIOWYCH

Symulacje komputerowe przeprowadzono przy wy- muszeniu kinematycznym. Danymi wejściowymi były charakterystyki przyspieszeniowe uzyskane podczas badań doświadczalnych w trakcie zderzenia czołowego.

Na potrzeby symulacji charakterystyka opóźnienia z testów została przefiltrowana z użyciem filtra CFC60.

Do realizacji symulacji został przyjęty ten sam krok czasowy wynoszący dt = 0,0001s, z którym były wygła- dzane charakterystyki. W chwili początkowej (w czasie t

= 0 s) przyjęto, że wszystkie obiekty modelu poruszają się z tą samą prędkością początkową V0, odpowiadającą warunkom początkowym przeprowadzonych testów.

Symulacje numeryczne prowadzono dla następujących wariantów obliczeń:

• W1, W2 - zmiana pozycji manekina na fotelu, powodująca inne ułożenie pasów,

• W3 - luźny pas biodrowy 30 mm luzu

• W4 - luźny pas ramieniowy 30 mm luzu

• W5 - wstępne napięcie pasa siłą 200 N

Przeprowadzone symulacje pozwoliły na określenie kinematyki manekinów w poszczególnych wariantach obliczeń. Ponadto w każdym z przypadków obliczono wskaźniki biomechaniczne w postaci: kryterium urazo- wości głowy HIC15 i HIC36 (Head Injury Criterion), kryterium urazowości szyi Nij (Neck Injury Criterion, NCF, NCE, NTF, NTE), indeks stopnia obrażeń dla tkanek miękkich VC (Viscous Injury Response) oraz wskaźnik obrażenia klatki piersiowej CLIP3ms, określa- ny wartością maksymalnego przyspieszenia z przedziału czasu trwającego nie krócej niż 3 ms.

W pierwszym wariancie obliczeniowym manekiny tak posadowiono, by wymusić inne ułożenie pasów bezpie- czeństwa niż w wariancie podstawowym (WP). W tym celu manekiny były przesuwane 5 cm w lewo, a następ- nie 5 cm w prawo (rys.16).

a) b)

Rys. 16. Posadowienie manekinów: a) z przesunięciem 5 cm w lewo, b) z przesunięciem 5 cm w prawo

W kolejnych dwóch wariantach symulacji W3 i W4 (rys.17) zastosowano luz (offset) 30 mm pomiędzy pasem bezpieczeństwa a powierzchnią klatki piersiowej manekina oraz pomiędzy pasem bezpieczeństwa a powierzchnią bioder manekina. Takie ułożenie pasa odpowiada warunkom, gdy pasażer byłby ubrany w zimową kurtkę

(7)

puchową, która bardzo często uniemożliwia prawidłowe ułożenie pasa bezpieczeństwa. W celu wyeliminowania tego zjawiska w wariancie W5 zastosowano wstępne napięcie pasa siłą 200N.

a) b)

Rys. 17.a) Offset zadany na pasie ramiennym b) offset zadany na pasie biodrowym

6.2 WYNIKI SYMULACJI

Przemieszczenie manekina osoby dorosłej w lewo powoduje ułożenie pasa ramiennego dalej od szyi, a w konsekwencji w tym przypadku symulacji, rejestrujemy mniejsze wartości przyspieszenia dla głowy.

W przypadku manekina przesuniętego w prawo pas ramienny znajduje sie bliżej szyi, a to z kolei powoduje wzrost wartości przyspieszenia dla głowy. Wynikiem wyżej opisanej zależności są wartości kryterium urazo- wości głowy HIC15 i HIC36 obliczane na podstawie zarejestrowanych przyspieszeń (rys. 18).

Rys. 18.Wartości współczynnika urazowości głowy HIC15 i HIC36 uzyskane dla manekina Hybryd III

Ustawienie pasa ramiennego blisko szyi prowadzi do wzrostu siły i momentu w tym segmencie kręgosłupa.

Duże obciążenia działające na kręgosłup szyjny prowa- dzą do pogorszenia wartości parametrów kryterium urazowości szyi Nij (rys. 19).

Rys. 19.Kryteria urazowości szyi Nij NTE - tension-extension NTF - tension-flexion NCE - compression-extension NCF -

compression-flexion

Manekin odpowiadający dziesięcioletniemu dziecku pochodzi z serii P10, która nie była wyposażona w

czujniki pozwalające na wyznaczenie kryteriów urazowo- ści odcinka szyjnego kręgosłupa. W związku z tym porównania dokonano na podstawie kryterium urazowo- ści głowy HIC15 i HIC36 (rys. 20). W tym wariancie symulacji odnotowano niższe wartości przyspieszeń dla głowy w przypadku, gdy pas przebiegał bliżej szyi manekina. Miało to bezpośrednie przełożenie na wartość kryterium urazowości głowy, które dla HIC15 wyniosło 287,6 a dla HIC36 339,59.

Rys. 20.Wartości współczynnika urazowości głowy HIC15 i HIC36 uzyskane dla manekina P10 dziecka

Zarówno luźny pas ramienny, jak i biodrowy powoduje znaczny wzrost przyspieszenia środka ciężkości głowy zarejestrowanego w kierunku x (kierunek jazdy).

Zmiana wynosiła odpowiednio: od około 40g do wartości 100g dla manekina Hybryd III oraz z poziomu 20g do 40g dla manekina P10. Zależność ta przekłada się na wartości współczynników HIC15 i HIC36, które dla manekina Hybryd III wahają się w granicach HIC15 = 529 i HIC36 = 1003 dla wariantu W3 oraz HIC15 = 492 i HIC36 = 996 dla wariantu W4 (rys. 21a). Wartości parametru HIC36 w obu wariantach symulacji (W3, W4) dla manekina Hybryd III są bliskie lub przekraczają wartość graniczną, co może świadczyć o bardzo poważ- nych urazach, jakie mogą wystąpić przy tak zapiętych pasach bezpieczeństwa. Dla manekina P10 współczynnik HIC15 = 307 HIC36 = 464 dla wariantu W3 oraz HIC15

= 303 HIC36 = 374 dla wariantu W4 (rys. 21b). Warto- ści graniczne parametru HIC dla dziesięcioletniego dziecka, przy którym mogą wystąpić obrażenia, są dużo niższe niż dla osoby dorosłej i wynoszą: 600 dla HIC36 i 400 dla HIC15 (rys.21b). Obliczone wartości HIC15 i HIC36 dla manekina P10 dla wariantów W3 i W4 są bliskie granicy, przy której mogą wystąpić poważne obrażenia.

(8)

a)

b)

Rys. 21. Wartość parametru HIC15 oraz HIC36 dla manekina:

a) Hybryd III, b) dziecka (P10)

Rozwiązaniem, pozwalającym uniknąć sytuacji, w której pas bezpieczeństwa jest zbyt luźny, jest zastosowanie wstępnego napięcia pasa. Rozwiązanie tego typu zastosowano w wariancie W5, gdzie dokonano wstępnego napięcia pasa bezpieczeństwa siłą około 200N (rys. 21).

Taka wartość siły nie powoduje dyskomfortu dla pasaże- rów, a wręcz przeciwnie, daje poczucie skutecznego działania pasów bezpieczeństwa oraz zapewnia prawi- dłowe przyleganie pasa do ciała pasażerów. W obecnie produkowanych samochodach osobowych wykorzystuje się tego rodzaju napinacze pasów bezpieczeństwa w systemach wczesnego ostrzegania kierowcy przed kolizją.

Schemat działania jest bardzo prosty: jeśli samochód ze zbyt dużą prędkością zbliża się do przeszkody, system zamyka szyby oraz wstępnie napina pas bezpieczeństwa, przygotowując w ten sposób pasażerów do ewentualnego gwałtowanego hamowania lub kolizji. Powyższy wariant W5 potwierdza skuteczność działania tego rozwiązania, co można zaobserwować na rys. 21a i 21b, gdzie wartość współczynnika HIC15 i HIC36 dla manekina Hybryd III wynoszą odpowiednio 363 i 564, a dla manekina P10 HIC15 = 191 i HIC36 = 257. Wstępne napięcie pasa powoduje również obniżenie wartość sił generowanych w odcinku szyjnym kręgosłupa. Mniejsze siły w szyi prze- kładają się na niższe wartości kryterium urazowości odcinka szyjnego kręgosłupa (rys. 22). Wartości te zostały wyznaczone tylko dla manekina Hybryd III, ponieważ manekina dziecka serii P10 nie był wyposażo- ny w czujniki siły w odcinku szyjnym.

Rys. 22.Kryteria urazowości szyi Nij NTE - tension-extension NTF - tension-flexion NCE - compression-extension NCF -

compression-flexion

6.3 DYSKUSJA WYNIKÓW

Analizowane scenariusze dotyczyły różnych sytuacji, w których zachowanie pasażerów miało wpływ na spo- sób działania systemów bezpieczeństwa stosowanych samochodach osobowych. Symulacje wypadku przeprowadzono w warunkach zderzenia czołowego, analizując przy tym obciążenia dynamiczne oddziaływujące na pasażerów w tylnej części pojazdu. Na podstawie uzyskanych wyników z przeprowadzonych symulacji numerycznych zaobserwowano, że sposób, w jaki pasażerowie użytkują systemy bezpieczeństwa biernego w pojeździe, ma znaczący wpływ na skuteczność ich działania. Poka- zują to wartości kryteriów urazowości głowy HIC15 oraz HIC36, które osiągają wartości graniczne dla manekinów Hybryd III i P10 w wariancie W2. W tym przypadku taśma pasa ramiennego przebiega zbyt blisko szyi, co w konsekwencji może prowadzić do ciężkich obrażeń głowy.

Tę samą zależność obserwuje się dla wariantów W3 i W4, w których zasymulowano offset na pasie biodrowym (W3) i ramiennym (W4). W tych przypadkach obliczeniowych również zaobserwowano znaczący wzrost kryte- riów urazowości głowy HIC15 i HIC36 obydwu maneki- nów oraz kryteriów urazowości szyi (Nij) manekina Hybryd III. Wybrane przypadki obliczeniowe nie są przypadkowe, gdyż odpowiadają one najczęściej popeł- nianym błędom przez użytkowników biernych systemów bezpieczeństwa w pojazdach. Problem niewłaściwego użytkowania pasów bezpieczeństwa wynika z niskiej świadomości społeczeństwa o konsekwencjach ich nie- prawidłowego stosowania. W dalszych publikacjach autorzy planują rozszerzyć prowadzone badania symula- cyjne o nowe warianty obliczeń, pokazujące nieprawi- dłowe wykorzystanie biernych systemów bezpieczeństwa.

(9)

7. WNIOSKI KOŃCOWE

W ramach pracy ocenie poddano czynniki zależne od użytkownika, wpływające na skuteczność działania urządzeń ochronnych w samochodzie podczas zderzenia czołowego. Badania eksperymentalne i modelowe ukie- runkowano na poznanie specyfiki procesu przenoszenia obciążeń dynamicznych od urządzeń ochronnych na ciało człowieka. Wyniki przeprowadzonych badań umożliwiły określenie kryteriów urazowości, a tym samym prawdo- podobieństwo wystąpienia obrażeń u przeciętnego 50 centylowego pasażera oraz dla 10 letniego dziecka.

Przeprowadzone symulacje numeryczne pozwoliły na wytypowanie czynników, które w istotny sposób wpły- wają na skuteczność działania systemów bezpieczeństwa.

Jednym z tych czynników jest pozycja pasażera na fotelu w trakcie jazdy, która wymusza ułożenie pasa bezpieczeństwa, niestety często nieprawidłowe (W1;

W2). W wariantach obliczeniowych W1 i W2 zaobserwowano, że przesunięcie pasażera w skrajnie prawe położenie (W2) powoduje przesunięcie ramiennego pasa bezpieczeństwa blisko szyi, co powoduje, że kryteria urazowości dla głowy przyjmują wyższe wartości, niż w przypadku, kiedy pas opiera się na ramieniu (W1).

Zaleceniem konstrukcyjnym w tym przypadku byłoby rozbudowanie systemu informującego o zapięciu pasów o dodatkową funkcję, która sprawdzałaby prawidłowość ich zapięcia.

Na podstawie przeprowadzonych badań modelowych zaobserwowano również, że zbyt duży luz na pasie biodrowym i ramiennym (W3; W4) wynikający np.

z zapięcia pasów bezpieczeństwa na grubej kurtce pu- chowej może zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpie- nia ciężkich obrażeń u dorosłych jaki i u dzieci. Sposo- bem na przeciwdziałanie tego typu zdarzeniom jest zastosowanie wstępnego napięcia pasów bezpieczeństwa, które powinno być realizowane automatycznie po zapię- ciu pasów bezpieczeństwa. Jak wynika z symulacji (W5), wystarczy, aby wstępne napięcie pasów było realizowane na poziomie 200 N, co nie powinno powodować dyskomfortu dla pasażerów a znacząco poprawi ich bezpieczeń- stwo.

Otrzymane wyniki umożliwiły określenie sposobu minimalizacji skutków złego użytkowania pasów bezpie- czeństwa oraz opracować wskazania właściwego ich stosowania. Na podstawie symulacji możliwe jest opracowanie udoskonaleń urządzeń ochronnych osób doro- słych i dzieci na tylnych fotelach, np. poprzez zastosowanie wstępnego napinacza pasów, który pozwala na zmniejszenie oddziaływań dynamicznych na ciało czło- wieka oraz zamieszczanie informacji, czy sygnalizacja prawidłowego użytkowania pasów bezpieczeństwa może dodatkowo przełożyć się na poprawę bezpieczeństwa osób jadących samochodem na tylnych siedzeniach.

Badania stanowiły cześć prac, które zostały zrealizowane w ramach projektu N N509 559640 sfinansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

Literatura

1. Gzik M., Świtoński E., Tejszerska D., Wolański W., Potkowa P., Alshammari N.K.: Wpływ parametrów kinematycznych na zachowanie kierowcy podczas wypadku zderzenia przodem i tyłem samochodu. "Modelowanie In- żynierskie" 2006, nr 27, s. 187-192.

2. Burkacki M., Joszko K., Gzik M.: Biomechaniczna analiza wypadku samochodowego z zastosowaniem urządzenia typu HANS podpierającego głowę oraz odcinek szyjny kręgosłupa kierowcy. "Aktualne Problemy Biomechaniki"

2013, nr 7, s. 15-16.

3. Jamrozik K.: Znaczenie pasów bezpieczeństwa dla stanu bezpieczeństwa ruchu drogowego w Polsce. "Bezpieczeń- stwo Ruchu Drogowego" 2005, nr 2, s. 18-20.

4. Parkin S., Mackay G. M., Cooper A.: How drivers sit in cars. "Accident Analysis & Prevention" 1995, Vol. 27, No. 6, p. 777-783.

5. Prochowski L., Żuchowski A.: Analiza oddziaływania między ciałem człowieka a elementami systemów ochrony w samochodzie w krytycznych sytuacjach drogowych - opracowanie podstaw modelowania. "Sprawozdanie koń- cowe z PBW 553" 2005.

6. Prochowski L., Fitas M., Zielonka K.: Analiza obrotu torsu dziecka na fotelu podczas czołowego uderzenia autobusu w przeszkodę. "Logistyka" 2014, nr 3, s. 5293-5299.

7. Sohr S., Hofmann H., Kutschenreuter S., Ruck H.: Influence of HIII 5% Dummy Tolerances on Positioning and Test Results in Out-Of-Position Load Cases According to the FMVSS 208. In: The 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) June 18-21, 2007; Lyon, France 2007, p. 1-8.

(10)

8. Tanaka Y., Yonezawa H.: Responses of Hybrid III 3YO and Q3 Dummies in Various CRSs Tested Using ECE R44 Impact Conditions. In: The 21th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), June 15-18, Stuttgart, Germany 2009, p. 23-29.

9. Wicher J.: Biomechanika obrażeń w kolizjach drogowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej 2000,

„Mechanika” nr 71, s. 27-47.

10. Żuchowski A., Prochowski L.: Sztywność nadwozia - analiza sił działających na przeszkodę podczas zderzenia.

Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej 2008, nr 8, s. 309-319.

11. http://stat.gov.pl/, 2012.