ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012 Leon Prochowski, Dagmara Karbowniczek 1 ANALIZA WPŁYWU WPROWADZANYCH ZMIAN KONSTRUKCYJNYCH NA BEZPIECZEŃSTWO PASAŻERÓW NA PRZYKŁADZIE SAMOCHODÓW EUROPEJSKIEJ KLASY COMPACT 1. Wstęp Rozwój konstrukcji samochodów ma wiele różnorodnych celów, w tym poprawę komfortu i bezpieczeństwa jazdy, obniżenie kosztów użytkowania, zwiększenie trwałości i niezawodności. Poprawa bezpieczeństwa osób jadących ma poważne znaczenie społeczne, ekonomiczne oraz wymiar indywidualny w odniesieniu do użytkowników samochodu. Działania na rzecz zwiększenia bezpieczeństwa w samochodach obejmują m. in.: wdrażanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych; zastosowanie nowych materiałów i technologii produkcji; wprowadzanie wyposażenia wspomagającego działania kierowcy i ochronę osób jadących. Celem pracy jest analiza wpływu wprowadzanych zmian konstrukcyjnych i wyposażenia w samochodach osobowych na poprawę bezpieczeństwa osób jadących podczas wypadku drogowego. Obszarem analizy jest populacja samochodów europejskich, zaliczanych umownie do tzw. segmentu handlowego C, a w tym segmencie samochodów o nadwoziu sedan i hatchback. Segment C w analizowanym przedziale lat najczęściej był charakteryzowany rosnącą długością nadwozia od 3,7 do 4,5m. Analizą objęto, stosownie do dostępności informacji, lata Z całego segmentu wyodrębniono wartości charakteryzujące samochody VW Golf (VWG), pokazując skuteczność wprowadzanych zmian na przykładzie kolejnych generacji tego modelu. Poprawa bezpieczeństwa osób jadących jest ważnym czynnikiem na etapie projektowania, w którym do samochodu wprowadza się nowe rozwiązania konstrukcyjne, materiały i urządzenia. Proces ten jest widoczny także w innych aspektach, m. in. nowe generacje kolejnych modeli zmieniają swoją masę oraz wymiary zewnętrzne. 2. Ofiarochłonność wypadków na drogach UE Punktem wyjścia w prowadzonej analizie są wnioski wynikające ze statystyk wypadków drogowych i ich ofiar. Na rysunku 2.1 pokazano przebieg zmian liczby ofiar śmiertelnych w wypadkach drogowych na terenie UE oraz oddzielnie w Polsce i w Niemczech. Zmiany pokazano w ujęciu procentowym, przyjmując za punkt odniesienia liczbę ofiar wypadków w 1980 roku. 1 prof. dr hab. inż. Leon Prochowski, mgr inż. Dagmara Karbowniczek Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, Wojskowa Akademia Techniczna 35

2 Rys Zmiana liczby ofiar śmiertelnych wypadków w Niemczech, Polsce i całej UE (aproksymacja wielomianem) [1-4] Zmniejszanie się wartości wskaźnika ciężkości wypadków (rys. 2.2) jest dobrze widoczne w całym analizowanym okresie. Jednak tempo tego spadku jest zdecydowanie wyższe w Niemczech niż w Polsce. Rys Spadek wartości wskaźnika ciężkości wypadków (aproksymacja wielomianem) [4-5] Równania linii trendu: y=nx+b (1) 36

3 podane w tabeli 2.1 pokazują na najwyższe tempo spadku (liczba N) liczby ofiar śmiertelnych i ciężkości wypadków w Niemczech. Tempo to jest ponad dwa razy większe niż w Polsce. Wyraźnie widoczne jest podobieństwo miedzy wartościami nachylenia N linii trendu spadku liczby ofiar śmiertelnych oraz ciężkości wypadków. Przebieg linii trendu (tabela 2.1) pokazuje na ogólnie malejącą liczbę ofiar śmiertelnych, ale średnie tempo spadku liczby ofiar śmiertelnych za lata w Polsce, Niemczech i UE jest różne. Tabela 2.1. Równania linii trendu zmian procentowych liczby ofiar śmiertelnych (Z) i ciężkości wypadków (W C ); rok 1990 przyjęto za 100%, a x+1990 to rok obliczeniowy. Obszar Liczba ofiar śmiertelnych Wskaźnik ciężkości wypadków Polska Z= -1,55x +100 W C = -1,19x +91 Niemcy Z= -3,34x +100 W C = -2,70x +90 UE Z= -2,35x +94 W C = -1,95x +91 Obniżanie się wartości obu tych wskaźników (W C, Z) jest rezultatem wielu złożonych działań, wśród których można wyróżnić: doskonalenie organizacji ruchu drogowego; rozbudowę i udoskonalenie infrastruktury drogowej; wzmocnienie i wprowadzanie nowych form nadzoru ruchu drogowego; doskonalenie konstrukcji pojazdów. W tym ostatnim obszarze interesuje nas zagadnienie doskonalenia urządzeń ochrony osób jadących poprzez wprowadzanie nowych materiałów i rozwiązań oraz odpowiedź na pytanie, czy wprowadzane zmiany do samochodów powodują widoczną poprawę bezpieczeństwa? Prowadzona analiza dotyczy zatem problemu, w jakim stopniu doskonalenie pojazdów wpływa na wskaźniki charakteryzujące bezpieczeństwo pasażerów. Rysunek 2.3 w zestawieniu z tabelą 2.1 pokazują, że jednym z ważnych czynników wpływających na analizowany problem jest średni wiek samochodów w Polsce i w innych krajach. Wiek samochodów wiąże się bezpośrednio z rokiem ich produkcji, a zatem charakteryzuje pośrednio stan ich wyposażenia w urządzenia bezpieczeństwa czynnego i biernego. W Niemczech średni wiek samochodów jest o 3 lata niższy niż w Polsce. 37

4 lata 14 Średni wiek samochodów osobowych ROK POLSKA NIEMCY UNIA EUROPEJSKA Rys 2.3. Średni wiek samochodów osobowych w Polsce, Niemczech i w całej UE w latach [6] 3. Zmiany w budowie samochodów w aspekcie bezpieczeństwa pasażerów Poniżej opisano ogólny charakter przebiegu procesu zmian zasadniczych cech konstrukcyjnych analizowanych samochodów. Pod uwagę wzięto charakterystyczne wymiary oraz masę samochodów. Na rysunku 3.1 zaznaczono trzy wymiary D, L i ZP, które w zasadniczy sposób charakteryzują analizowany problem. Rys Oznaczenie charakterystycznych wymiarów Szczególne znaczenie ma wymiar ZP, który charakteryzuje przestrzeń przed kabiną pasażerską, a tym samym wskazuje na możliwości rozbudowy struktur energochłonnych. Uśrednione przebiegi zmian długości całkowitej D, rozstawu osi kół L i zwisu przedniego ZP pokazują linie trendu na rysunku 3.2, które obejmują lata Wybrane do analizy charakterystyczne wymiary wykazują tendencję wzrostową, ale tempo tego wzrostu jest różne. Przy bardzo wolno rosnacym rozstawie kół w samochodach tego segmentu, średnia długość samochodu wzrosła o około 5%, czyli 208 mm natomiast długość ZP, czyli przedniej części pojazdu przed osią kół przednich wzrosła o ok. 18%, czyli o 144mm. 38

5 Rys Zmiana charakterystycznych wymiarów samochodów z segmentu handlowego C [7-8] Porównanie przebiegu linii trendu na rysunkach 3.2 i 3.3 pokazuje następujące właściwości populacji samochodów w analizowanym segmencie: widoczny jest silny trend wzrostu masy samochodów; zmiana całkowitej długości i rozstawu osi kół ma niewielki trend wzrostowy; wyraźnie rośnie długość zwisu przedniego. Rys Zmiana masy samochodów w segmencie handlowym C [7-8] Relacja pomiędzy tempem wzrostu masy samochodów a ich długością całkowitą wskazuje na rosnącą gęstość upakowania zespołów i urządzeń w nadwoziu. Ostatni wniosek w istotnym stopniu potwierdza odsuwanie kabiny pasażerskiej od przedniego zderzaka, mimo kompaktowej formy nadwozia. Doskonalenie konstrukcji samochodów w zakresie ochrony osób jadących dobrze pokazuje rysunek 3.4, na którym wartości wskaźnika HIC (Head Injury Criterion) systematycznie maleją wraz z wprowadzaniem nowych modeli pojazdów. Zmniejszanie 39

6 HIC się wartości HIC przy jednoczesnym wzroście masy samochodów pokazuje wysokie tempo zwiększania energochłonnych właściwości nadwozia Wskaźnik obrażeń głowy HIC Rok Produkcji Rys Zmiana wartości wskaźnika obrażeń głowy w segmencie handlowym C [9] 4. Ogólna charakterystyka rozwoju VWG Na przestrzeni lat, w kolejnych generacjach VWG (lata ) zmieniał się kształt nadwozia ale także jego główne parametry techniczne: masa własna, długość, szerokość, wysokość, rozstaw osi. Ogólny przebieg tych zmian pokazują wartości w tabeli 4.1 oraz linie trendu na rysunku 4.1. Tabela 4.1. Parametry techniczne poszczególnych generacji VWG z nadwoziem hatchback Model GOLF lata produkcji Masa własna [kg] Długość [mm] Szerokość [mm] Wysokość [mm] Rozstaw osi [mm] I II III IV V VI VI PLUS

7 Rys Przebieg zmian charakterystycznych parametrów w kolejnych generacjach VWG Analiza kolejnych generacji VWG pozwala wprowadzane zmiany i ich skutki scharakteryzować następująco: zwiększenie sztywności kabiny pasażerskiej i jej odporności na uderzenia; powiększanie zdolności energochłonnych nadwozia w otoczeniu kabiny; powiększanie wymiarów stref energochłonnych; wprowadzanie coraz bardziej skutecznych układów wspomagania pracy kierowcy, szczególnie w sytuacjach krytycznych; rozbudowa i doskonalenie środków ochrony indywidualnej osób jadących. Zmiany opisane powyżej skutkują zwiększeniem wymiarów gabarytowych nadwozia i masy całego samochodu, które w tabeli 4.2 porównano z ogólnym tempem zmian w samochodach analizowanej kategorii. Wartości w tabeli 4.2 obliczono na podstawie przebiegu linii trendu w segmencie C (względem roku 1970), które zestawiono ze zmianami w kolejnych generacjach VWG, odniesionymi do roku Porównanie wartości procentowych w tabeli 4.2 pokazuje, że zmiany w samochodach VWG mają zdecydowanie szybsze tempo niż średnio w segmencie C. Tabela 4.2. Charakterystyka zmian, uśrednionych za lata Wielkość, wskaźnik Przyrost w segmencie C Przyrost w kolejnych generacjach VWG Długość całkowita [%] Rozstaw L [%] Odległość ZP [%] Masa własna [%] Energia uderzenia przy v=56km/h % 10 7, % 5. Charakterystyka postępu w zakresie bezpieczeństwa pasażerów VWG Opisane wcześniej działania mają na celu: zmniejszenie oddziaływań dynamicznych na ludzi w pojazdach; minimalizację obrażeń w rezultacie mechanicznych oddziaływań na osoby jadące; 41

8 Przyspieszenie głowy [g] zwiększenie funkcji ochronnej nadwozia względem przestrzeni pasażerskiej. Są one realizowane w kolejnych etapach doskonalenia samochodów, czyli wraz z wprowadzaniem na rynek nowych modeli. Pozytywne skutki wprowadzanych zmian można ocenić na podstawie wyników badań samochodów VWG. Podczas oceny skuteczności wpływu wprowadzanych zmian na bezpieczeństwo pasażerów podczas wypadku drogowego, uwzględniono następujące miary i wskaźniki: wartości ekstremalne przyspieszenia głowy a max ; wskaźnik obrażeń głowy HIC, deformacja nadwozia jako źródło zagrożeń dla osób jadących. Na podstawie testów zderzeniowych, prowadzonych przez NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), które obejmują centralne czołowe (prędkość v = 56km/h) uderzenie w barierę oraz boczne uderzenie w samochód (v =50km/h), zestawiono wyniki uzyskane przez kolejne generacje VWG [9]. Uderzenie boczne następuje w drzwi kierowcy na wysokości jego bioder i pasażera siedzącego w tylnym rzędzie siedzeń [Regulamin EKG ONZ nr 95].. Zderzenia odbywały się w warunkach porównywalnych, a samochody posiadały poduszki gazowe kierowcy oraz trzypunktowe pasy bezpieczeństwa Wartość wypadkowego przyspieszenia głowy a( t) t ax( t) ay ( t) az ( ) (2) gdzie: a x, a y, a z - składowe wektora przyspieszenia, informuje o sile bezwładności działającej na głowę. Na rysunku 5.1 pokazano wartości ekstremalne przyspieszenia głowy kierowcy podczas uderzenia czołowego samochodu w sztywną barierę. Wysoka skuteczność procesu doskonalenia przedniej strefy zgniotu samochodu oraz systemu ochrony indywidualnej widoczna jest w tempie obniżania tego niekorzystnego oddziaływania na osoby jadące, mimo jednoczesnego wzrostu energii uderzenia w w/w badaniach testowych % Volkswagen Golf 132% 143% Energia uderzenia II generacja IV generacja VI generacja lata 51 Rys Wartość wypadkowego przyspieszenia głowy w trzech generacjach VWG (uderzenie czołowe) Podobne rezultaty, potwierdzające postęp w doskonaleniu ochronnych właściwości boków nadwozia, pokazano na rysunku 5.2. Zestawiono tam wartości wypadkowego 42

9 HIC/ Głebokość deformacji [mm] Przyspieszenie głowy [g] przyspieszenia głowy manekina podczas uderzenia bocznego dla kolejnych generacji VWG. Jednak tempo spadku wartości ekstremalnych przyspieszenia głowy przy uderzeniu bocznym jest zdecydowanie mniejsze niż uzyskane w testach uderzenia czołowego. 200 Volkswagen Golf I generacja IV generacja V generacja lata Rys Wartość wypadkowego przyspieszenia głowy kierowcy w trzech generacjach VWG (uderzenie boczne) Na rysunku 5.3 zestawiono wartości głębokości deformacji strefy czołowej nadwozia oraz wartości wskaźnika obrażeń głowy HIC podczas czołowego uderzenia kolejnych generacji Volkswagena Golfa [9] przy prędkości 56km/h w sztywną barierę Volkswagen Golf HIC II generacja IV generacja VI generacja DEFORMACJA lata Rys Głębokość deformacji strefy czołowej oraz wartości HIC w trzech generacjach VWG Oddzielne badania pokazują postęp osiągnięty w zakresie odporności nadwozia na boczne uderzenia. Pokazuje to zestawienie wartości głębokości deformacji bocznej nadwozia (rys. 5.4). Uzyskane wyniki dla trzech kolejnych generacji VWG zestawiono z wartościami wskaźnika HIC, co pokazuje postęp osiągnięty w konstrukcji badanych modeli samochodów. Widoczne zmniejszenie głębokości zgniecenia w strefie bocznej prowadzi do mniejszego prawdopodobieństwa wtargnięcia pojazdu uderzającego do 43

10 Rozkład głebokość deformacji [mm] HIC/ Głębokość deformacji [mm] wnętrza samochodu uderzanego, a bezpośrednio widoczne jest w obniżeniu wartości wskaźnika HIC obrażeń głowy przy bocznym uderzeniu Volkswagen Golf HIC I generacja IV generacja V generacja DEFORMACJA lata Rys Głębokość deformacji bocznej nadwozia i wskaźnik obrażeń głowy HIC w trzech generacjach VWG 6. Głębokość deformacji i obrażenia pasażerów samochodów osobowych w Niemczech w latach Praktyczna skuteczność wprowadzanych zmian w konstrukcji i wyposażeniu samochodów może być oceniona na podstawie analizy skutków wypadków drogowych. Rezultaty wieloletnich badań skutków wypadków drogowych pokazano na rysunkach 6.1 i 6.2. Linie na tych rysunkach, opracowanych na podstawie [11], pokazują jak zmienia się udział procentowy samochodów o określonej głębokości deformacji powypadkowej wraz z latami produkcji samochodów. Przebieg linii na tych rysunkach potwierdza rosnącą skuteczność systemów ochrony osób jadących. Przy rosnącej liczbie samochodów, w których głębokość deformacji powypadkowej maleje (linie VDI 1-3) w obszarze czołowej strefy nadwozia, jednocześnie jest niewielka liczba samochodów, w których deformacja powypadkowa sięga w pobliże przedziału pasażerskiego (linie 4-5). Tu warto podkreślić, że ten postęp jest osiągany przy jednoczesnym znacznym zwiększeniu masy samochodów w latach , a tym samym energii uderzenia. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Deformacja samochodów lata VDI 1+2 VDI VDI VDI 4+5 Rys Udział samochodów z określonym zasięgiem deformacji powypadkowej w Niemczech w latach ; zastosowano następujące oznaczenia przedziałów lat: 1 ( ), 2 ( ), 3 ( ), 4 ( ), 5 ( ). 44

11 Głębokość powypadkowej deformacji przodu samochodu oceniono z wykorzystaniem tzw. indeksu VDI Jest to indeks umownego zasięgu deformacji pojazdu. Widoczny na bocznym rysunku indeks VDI =6 oznacza głębokość deformacji czołowej strefy nadwozia naruszającą przedział pasażerski. Oznaczone na rysunku wartości indeksów: VDI =+5, VDI =4, VDI=3, VDI=2, VDI=1, pokazują wartości głębokości deformacji w czołowych zderzeniach samochodów osobowych w Niemczech w latach Deformacja VDI >5 oznacza naruszenie przedziału pasażerskiego. Zmniejszenie liczby wypadków, w których głębokość deformacji narusza kabinę pasażerską, potwierdza skuteczność wprowadzonych zmian do konstrukcji pochłaniających energię uderzenia. Na rysunku 6.2 pokazano stopień obrażeń pasażerów w wypadkach drogowych, których charakterystyczną deformację pokazano na rys Stopień obrażeń oceniono z wykorzystaniem skali MAIS. Widoczny jest spadek obrażeń poważnych (MAIS > 2 śmierć, pobyt w szpitalu) oraz wzrost liczby obrażeń lekkich ( MAIS < 2 ). Spadek liczby ciężkich obrażeń może być spowodowany tym, że w nowych konstrukcjach samochodów wprowadzono rozwiązania i urządzenia, których zadaniem jest pochłonięcie jak największej części energii uderzenia. Wówczas na osoby znajdujące się w kabinie pasażerskiej działają mniejsze siły bezwładności (mniejsze przyspieszenia, por. rys. 5.2). Rys 6.2. Obrażenia pasażerów w samochodach osobowych w Niemczech w latach podczas zderzeń czołowych [11] 7. Podsumowanie Analiza zgromadzonych danych liczbowych potwierdziła istotny wpływ wprowadzonych zmian konstrukcyjnych w samochodach badanego segmentu rynkowego na wzrost bezpieczeństwa pasażerów. Widoczny jest spadek głębokości deformacji strefy czołowej w kolejnych modelach samochodów osobowych, mimo rosnącej energii uderzenia podczas testów zderzeniowych. Przeprowadzona ocena zmian charakterystycznych wymiarów wskazuje, że wyraźnie rośnie długość ZP, która pozwala tym samym na rozbudowę przedniej strefy energochłonnej oraz zwiększa odległość kabiny pasażerskiej od zderzaka przedniego. 45

12 Dobrze jest widoczny związek pomiędzy wprowadzanymi zmianami, a osiągniętym poziomem bezpieczeństwa podróżnych, co pokazano na przykładzie segmentu C oraz VWG. Problem wyjawienia związku pomiędzy doskonaleniem konstrukcji samochodów osobowych, zwiększeniem energochłonności stref zgniotu a zmniejszeniem liczby ofiar śmiertelnych wypadków jest bardzo trudny i przekracza ramy prowadzonych tu rozważań. Jednak widoczne są symptomy, które pozwalają na ukierunkowanie dalszych poszukiwań takich zależności. Literatura: [1] (data r.), [2] (data r.), [3] (data r.), [4] DatasetCode=ROAD_INJURY_ACCIDENTS (data r.), [5] gures.p(data r.), [6] [7] A. Zieliński :Konstrukcja nadwozi samochodów osobowych i pochodnych. Warszawa, 1998 r. WKiŁ, [8] K. Wiśniewski: Płyta CD-ROM Samochody osobowe- opisy techniczne i dane regulacyjne, [9] [10] Selbsstudienprogramm A.G.Volkswagen : Insasenschutz passive system nr 410/ 2012, [11] Ablaßmeier W., Slaba T., Walner S., Hartlieb M., Böning S., Wrobel B., Kamm M., O'Brien S., Schwarz T., Zobel R., Ebner H.: Opportunities for a worldwide compatibility evaluation. The 20 th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles Conference (ESV). Lyon-France, Streszczenie Nadmierna liczba wypadków i ich wysoka ofiarochłonność wywołują konieczność wielokierunkowych działań na rzecz poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego. Jednym z ważnych aspektów tych działań są zmiany w konstrukcji i wyposażeniu samochodów, mające na celu zwiększenie skuteczności ochrony pasażerów. Przedstawiono ocenę skuteczności zmian konstrukcyjnych, wprowadzanych w samochodach osobowych europejskiej klasy compact. Uwagę zwrócono na relację pomiędzy wprowadzanymi zmianami a osiąganą poprawą bezpieczeństwa osób jadących. Wskazano na wpływ wprowadzanych zmian w konstrukcji samochodów na wartości m.in: głębokości deformacji nadwozia podczas czołowego i bocznego uderzenia w przeszkodę, ekstremalnego przyspieszenia głowy oraz wskaźnika obrażeń głowy HIC. Analiza wyników testów zderzeniowych i skutków wypadków drogowych potwierdza związek wprowadzanych zmian konstrukcyjnych ze wzrostem bezpieczeństwa osób jadących. 46

13 ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE APPLIED CONSTRUCTIONAL CHANGES ON THE PASSENGER SAFETY ON THE EXAMPLE OF THE EUROPEAN COMPACT CLASS CARS Abstract The excessive number of car accidents and the traffic fatalities cause the necessity of taking multidirectional activities in order to improve the road safety. Constructional and car equipment changes in order to improve the effectiveness of the passenger protection are important aspects of these actions. The assessment of the effectiveness of constructional changes applied to the European compact class cars was presented in the paper. The attention was paid to the relation between applied changes and attained improvement of the car drivers and passengers safety. The influence of the applied car constructional changes on, among other things, the depth of the car body deformation during frontal and side obstacle hitting, extreme head acceleration and Head Injury Criterion (HIC), was shown. The analysis of the crash tests and the results of the road accidents confirmed the relation between the applied constructional changes and the car drivers and passengers safety improvement. 47