Analiza wpływu elastyczności taśmy pasa na bezpieczeństwo pasażerów autobusów (analiza przemieszczeń pasażerów)

Transkrypt

1 ŻUCHOWSKI Andrzej 1 PROCHOWSKI Leon 2 ZIELONKA Karol 3 Analiza wpływu elastyczności taśmy pasa na bezpieczeństwo pasażerów autobusów (analiza przemieszczeń pasażerów) WSTĘP Na podstawie wieloletnich obserwacji można stwierdzić, że pasy bezpieczeństwa ochroniły od śmierci około 5 % użytkowników samochodów, biorących udział w wypadkach drogowych [12]. Pasy są najważniejszym składnikiem w systemie bezpieczeństwa biernego w autobusach. Rośnie liczba pasażerów, którzy pasy te zapinają podczas jazdy. Jednak wartość wskaźnika używania pasów w autobusach jest w dalszym ciągu zdecydowanie niższy niż w samochodach osobowych. Z raportu [13] opublikowanego w 212 roku wynika, że wskaźnik używania pasów bezpieczeństwa na przednich siedzeniach samochodów osobowych w 9 krajach UE28 był ponad 95 % a w 5 krajach poniżej 8 %. Dyrektywa 25/4/WE wprowadziła od 26 roku obowiązek wyposażania foteli autobusowych w pasy trójpunktowe w miejscach eksponowanych na oddziaływania udarowe, a na pozostałych pasy biodrowe. W autobusach turystycznych i dalekobieżnych pasy trójpunktowe powinny być zamontowane przy wszystkich fotelach. Konstrukcja fotela może wpływać na utrzymanie właściwej pozycji pasażera w czasie jazdy oraz na położenie taśmy pasa bezpieczeństwa względem pasażera, co bezpośrednio wpływa na skuteczność działania pasa [7, 1]. Układy regulacji foteli w autobusach są zwykle podporządkowane zapewnieniu komfortu podróżowania, natomiast nie mają regulacji systemu ochrony indywidualnej. Z tych powodów rośnie rola odpowiedniego skojarzenia właściwości fotela z właściwościami taśmy pasa w systemie ochrony pasażera podczas wypadku [3, 15]. Zadaniem pasów bezpieczeństwa jest utrzymanie pasażera na fotelu, poprzez ograniczenie jego przemieszczenia. W efekcie znacznego przemieszczenia bioder względem siedziska i pochylenia torsu może nastąpić uderzenie głowy i kolan o poprzedzające oparcie (rys.1a). Ryzyko takiego uderzenia zależy od odległości między fotelami autobusowymi i wzrostu pasażera. Jednak wymiary foteli i odległość między nimi są mocno ograniczane, bo wpływają na liczbę przewożonych osób. a) b) c) Rys. 1. Przemieszczenia pasażera, przypiętego dwupunktowym pasem bezpieczeństwa, podczas zderzenia czołowego autobusu [1, 8, 14] 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie, Wydział Mechaniczny; -98 Warszawa 49, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, Tel , azuchowski@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie, Wydział Mechaniczny; -98 Warszawa 49, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, Tel ; Przemysłowy Instytut Motoryzacji, ul. Jagiellońska 55, 3-31 Warszawa, lprochowski@wat.edu.pl 3 Przemysłowy Instytut Motoryzacji, ul. Jagiellońska 55, 3-31 Warszawa, Tel.: , k.zielonka@pimot.org.pl 716

2 Ważnym elementem foteli są ich oparcia, zbudowane najczęściej ze sztywnych, metalowych stelaży i zewnętrznego twardego poszycia z tworzywa sztucznego [3]. To powoduje znaczne obciążenie głowy oraz szyi podczas uderzenia (rys.1b). Korzystnie dobrana sztywność i właściwości energochłonne oparcia fotela mogą łagodzić skutki uderzenia głowy o oparcie (rys.1c). Inne wymagania są do foteli zintegrowanych z pasami trzypunktowymi, w których górny punkt kotwiczenia pasa jest mocowany do oparcia fotela. Wówczas oparcie powinno być odpowiednio sztywne, aby łącznie z taśmą pasa wpływać na przemieszczenia torsu i bioder pasażera względem fotela. Odpowiednio dobrana sztywność oparcia może częściowo wypełniać rolę ogranicznika napięcia taśmy pasa. Wpływ sztywności oparcia na działanie pasów bezpieczeństwa, a tym samym na obciążenia pasażerów autobusu, rozważono w pracy [15]. W tabeli 1 podano przykład wyników badań, które ukazują niewielką skuteczność pasów dwupunktowych. Zestawiono tu wartości maksymalne wypadkowego przyspieszenia oraz przemieszczenia głowy manekinów o różnych rozmiarach. Pas biodrowy chroni przed uderzeniem głową o fotel poprzedzający tylko przy prędkości 2 km/h. Przy prędkości 4 km/h uderzenie głowy manekinów Hybryd II i III (5-centylowy mężczyzna) w poprzedzające oparcie jest tak silne, że odkształca się ono o około 25 cm. Maksymalne wartości siły w pasie biodrowym są przy tym tylko około 25 dan, bo proces uderzenia w oparcie powoduje obniżanie ich wartości. Tab. 1. Wartości maksymalne przyspieszenia i przemieszczenia głowy oraz oparcia fotela (wyniki badań eksperymentalnych w PIMOT) Wypadkowe przyspieszenie Przemieszczenie Odkształcenie oparcia Prędkość głowy manekina [g] głowy manekina [cm] fotela poprzedzającego [cm] [km/h] P1 Hybrid II Hybrid III P1 Hybrid II Hybrid III P1 Hybrid II Hybrid III 2 43,3 84,6 65,7 52,4 46,2 44,6 1,6 2, 4,6 3 16,8 21,2 194,1 54,8 64,3 53,9 3,2 11,4 19, ,9 389,1 228,9 56,3 76,2 68,7 6,6 24,3 25,9 Obserwacja zachowania się manekinów podczas testów zderzeniowych wskazuje na możliwość powstawania obrażeń głowy, kolan i szyjnego odcinka kręgosłupa w rezultacie nadmiernego przemieszczenia pasażera względem fotela autobusowego [9]. Zakres przemieszczenia względem fotela, pasażera przytrzymywanego trzypunktowym pasem bezpieczeństwa, wynika głównie z wstępnego napięcia taśmy, sposobu jej ułożenia względem bioder i barków, elastyczności siedziska oraz ugięcia ubrania i klatki piersiowej. Poważne znaczenie ma także elastyczność taśmy pasa. Celem pracy jest ocena wpływu elastyczności taśmy pasa bezpieczeństwa na przemieszczenia pasażera względem fotela podczas czołowego uderzenia autobusu w przeszkodę. Ocenę przeprowadzono na podstawie wyników pomiarów wykonanych podczas czterech testów zderzeniowych, zrealizowanych w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji w Warszawie. 1. QUASISTATYCZNE BADANIA TAŚMY Wymagania dotyczące taśmy pasa bezpieczeństwa określone są w Regulaminie 16 EKG ONZ. Przykładowo, wytrzymałość taśmy pasa na rozciąganie powinna być nie mniejsza niż 147 dan a szerokość taśmy, przy jej napięciu siłą 98 dan, nie mniejsza niż 46 mm. W przepisach amerykańskich [2] określono, że siła powodująca zerwanie taśmy pasa dwupunktowego nie powinna być mniejsza niż 2669 dan. W przypadku pasa trzypunktowego wartości siły zrywającej powinny być nie mniejsze niż 2224 dan (5 lbf) i 1779 dan (4 lbf), odpowiednio dla taśmy na odcinku biodrowym i ramieniowym. Dodatkowo określono, że pod działaniem siły 1112 dan (połowa wartości siły zrywającej) dopuszczalne wydłużenie taśmy pasa biodrowego jest 2 %, a pasa trzypunktowego odpowiednio 3 i 4 % [2]. Regulamin 16 też wymaga, aby taśma miała zdolność pochłaniania i rozpraszania energii, przy czym właściwości te nie są określone wartościami liczbowymi. Podczas badań, które przygotowano zgodnie z celem pracy, wykorzystano dwa rodzaje taśm: standardową TS oraz zmodyfikowaną TM (tabela 2). Taśmy TS i TM wykonane zostały z włókien 717

3 Siła [dan] poliestrowych, ale różniły się rodzajem splotu i wymiarami. Wytrzymałość taśm na rozciąganie (wartość siły zrywającej) oraz ich elastyczność oceniono podczas badań laboratoryjnych. Rys. 2. Struktura taśm TS i TM oraz sposób ich rozciągania podczas badań Tab. 2. Charakterystyka taśm pasów bezpieczeństwa Rodzaj taśmy TS TM Materiał poliester Splot diagonalny 4/4 5 3/1, 1/3 z wiązanką Szerokość [mm] Grubość [mm] Siła zrywająca [dan] Elastyczność [mm/dan] w zakresie w zakresie 5 2 mm 4 55 mm 47, 1,25 263,39,35 5, 1,1 129,4, TS TM Przemieszczenie [mm] Rys. 3. Charakterystyki elastyczności taśm pasów bezpieczeństwa Badania elastyczności taśmy pasa polegały na rozciąganiu jej krótkiego odcinka (2 cm) z prędkością,1 m/min, w układzie pokazanym na rysunku 2. Końce taśmy zostały owinięte na walcowych uchwytach i napięte wstępnie siłą 1 dan. Charakterystyka elastyczności taśm nie jest liniowa, dlatego wartości liczbowe wyznaczono w dwóch przedziałach wydłużenia: 5 2 mm oraz 4 55 mm. Wyniki obliczeń podano w tabeli 2. Taśma TM jest bardziej elastyczna niż taśma TS. Przykładowe wartości wydłużenia taśm TS i TM, pod działaniem siły 1112 dan (wartość siły z [2]), są odpowiednio 21 % i 28 %. Należy dodać, że taśma TM na obecnym etapie konfekcjonowania jeszcze nie spełnia wymagań Regulaminu 16, ze względu na zbyt niską wartość siły zrywającej. Jednak nie miało to wpływu na prowadzone badania dynamiczne, bo w żadnym z testów zderzeniowych takie wartości sił nie wystąpiły, ani taśma nie uległa zerwaniu. Wyniki badań potwierdziły, że przygotowano taśmy o różnych właściwościach. Zatem mogą one w różny sposób wpływać na ruch ciała człowieka podczas wypadku drogowego. 2. BADANIA DYNAMICZNE Z WYKORZYSTANIEM MANEKINÓW POMIAROWYCH Przygotowano badania eksperymentalne, które były fizyczną symulacją czołowego uderzenia autobusu w przeszkodę. Ogólny widok stanowiska badawczego z fotelami i manekinami podano na rysunku 4. Podczas badań wycinek autobusu z fotelami i z manekinami był rozpędzany do prędkości około 3 km/h, po czym był gwałtownie zatrzymywany za pomocą hamulca zderzeniowego. Przebieg tego oddziaływania dynamicznego jest zgodny z Regulaminem 8 (rys.5), który dotyczy homologacji foteli autobusów. 718

4 Rys. 4. Manekiny na fotelach stanowiska badawczego (PIMOT) oraz usytuowanie osi przetworników w manekinie [4] W badaniach wykorzystano zestaw trzech foteli i dwóch manekinów H3 i P1 (Hybrid III, 5- centylowy mężczyzna oraz dziecko w wieku około 1 lat). Odległość pomiędzy fotelami była 75 mm. Manekiny są przytrzymywane przez 3-punktowe pasy bezpieczeństwa, przy czym podczas badań w wariancie W11 zastosowano taśmę TS a w wariancie W32 taśmę TM. Uwagę w tej pracy skupiono na wynikach badań manekina H3, ponieważ siły oddziaływania manekina P1 na pas są małe. W obu wariantach badań (W11 i W32) przeprowadzano po dwa testy zderzeniowe (pomiary były powtarzane). Po każdym teście wymieniano fotele na stanowisku badawczym razem z pasami bezpieczeństwa. Ważnym zadaniem było zapewnienie w każdym teście jednakowego wstępnego napięcia taśmy pasa oraz ustawienia manekinów na fotelu (pozycja manekina), bowiem czynniki te mogą istotnie wpływać na działanie pasa bezpieczeństwa, a tym samym na ruch manekina i jego obciążenia podczas testu zderzeniowego [1, 16]. Przyjęto następujący układ współrzędnych prostokątnych (rys.4): oś X kierunek jazdy, zwrot osi do przodu; oś Y kierunek poprzeczny do kierunku jazdy, zwrot osi w prawo; oś Z kierunek pionowy, zwrot osi do dołu. Rejestrację mierzonych wielkości przeprowadzano z częstotliwością 1 khz (dt=,1 s). Wyniki pomiarów poddano filtracji przy wykorzystaniu filtrów dolnoprzepustowych CFC6, CFC18 oraz CFC6. Szczegółowy dobór pasma filtracji jest określony w [5]. Charakterystyczne punkty na fotelach, manekinach i ramie stanowiska oznaczono znacznikami (por. rys.8), które wykorzystano podczas analizy ruchu manekinów, prowadzonej na podstawie filmu z kamer 1 fps. Na rysunkach 5 i 6 pokazano przykład wyników pomiarów w kolejnych testach zderzeniowych (pomiary 111 i 112 w wariancie W11 oraz pomiary 321 i 322 w wariancie W32). Potwierdzają one bardzo dobrą powtarzalność przebiegu wymuszenia, które oddziałuje na wycinek podłogi autobusu, do której są mocowane fotele we wszystkich czterech testach (rys.4), co jest istotne dla dalej prowadzonej analizy. Porównywalne są także przebiegi siły rozciągającej taśmę pasa bezpieczeństwa w obu pomiarach wariantu W11 oraz w obu pomiarach wariantu W32. Czujniki do pomiaru tych sił umieszczono na taśmie po prawej stronie pasa na odcinku biodrowym oraz pomiędzy prawym barkiem manekina a górnym punktem mocowania pasa. Uwzględniając powyższe, wyniki uzyskane z dwóch testów zderzeniowych w każdym wariancie uśredniano i poddano dalszej analizie. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Zgromadzone wyniki pomiarów oraz filmy poddano analizie, w której uwagę skupiono na ocenie wpływu elastyczności taśmy pasa na ruch manekina H3 względem fotela. Rozważono, w jakim stopniu zastosowanie taśm o różnej elastyczności (TS i TM), wpłynie na ruch manekina H3 podczas testu zderzeniowego. W tym celu wykorzystano proces poklatkowej analizy filmów. Przykładowo, na rysunku 7 jest wycinek z filmu, który pokazuje chwilę maksymalnego zbliżenia głowy manekina do oparcia fotela poprzedzającego. W wariancie W32 odległość głowy manekina od oparcia fotela 719

5 Siła_pas biodrowy [dan] Siła_pas ramien. [dan] Siła_pas biodrowy [dan] Siła_pas ramien. [dan] Opóźnienie podłogi [g] Opóźnienie podłogi [g] poprzedzającego jest wyraźnie mniejsza niż w wariancie W11. Odległość ta wynika także z przemieszczenia oparcia przedniego fotela, na którym siedział manekin P1. Górna część oparcia tego fotela odchyliła się o 4,7 cm w W32 i 4, cm w wariancie W11. Zakładając na tym etapie, że oddziaływanie dynamiczne od manekina P1 w wariantach W11 i W32 jest porównywalne, to przemieszczenie wzdłużne manekina H3 w wariancie W32 (taśma TM o większej elastyczności) uległo znacznemu zwiększeniu, tak w zakresie przesunięcia wzdłużnego bioder, jak i pochylenia torsu Reg 8 Reg W11 W32 Reg 8 Reg Czas [s] Czas [s] Rys. 5. Realizacje opóźnienia podłogi autobusu podczas badań (z prawej strony są realizacje uśrednione z dwóch pomiarów) a) b) Biodr 112 Biodr Śr_Biodr Ram 112 Ram Śr_Ram Czas.14 [s] Czas.14 [s] Biodr 322 Biodr Śr_Biodr Ram 322 Ram Śr_Ram Czas.14 [s] Czas.14 [s] Rys. 6. Realizacje sił rozciągających taśmę pasa biodrowego (a) i ramieniowego (b) (linie niebieskie są uśrednionym przebiegiem z dwóch pomiarów) Rys.7. Położenie manekinów odpowiadające najmniejszej odległości głowy manekina H3 od oparcia fotela poprzedzającego w wariantach W11 i W32 (czas 13 ms) 711

6 Y [cm] Z [cm] Na podstawie analizy filmów z prób zderzeniowych obliczono przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów manekina względem fotela i podłogi. Wyniki obliczeń pokazano w płaszczyznach XZ oraz XY i zestawiono na rysunkach 8 i 9. Obliczenia przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania TEMA. Ruch manekina w płaszczyźnie XZ jest podany względem punktu ZR na podstawie fotela, a w płaszczyźnie XY względem punktu ZK na ramie podłogi stanowiska. Przemieszczenia punktów ZR i ZK względem podłogi stanowiska są pomijalnie małe. ZOpr GPG Ramię Przedramię Biodro 1-1 ZR X [cm] Rys. 8. Przemieszczenia manekina H3 w płaszczyźnie XZ; wariant W11 - linie czarne, W32 - linie czerwone ZK X [cm] Rys. 9. Przemieszczenia manekina H3 w płaszczyźnie XY; wariant W11 - linie czarne, W32 - linie czerwone W tabeli 3 podano wartości maksymalne przemieszczenia znaczników na manekinie w kierunku jazdy (kierunek osi X). Potwierdzają one większe przemieszczenia wzdłużne manekina w wariancie W32 niż w W11. Dodatkowo obserwuje się ruch obrotowy torsu. W wariancie W32 bark lewy manekina przemieścił się w kierunku osi X więcej niż bark prawy o około 4,4 cm, który jest przytrzymywany przez ramieniową część pasa bezpieczeństwa. W efekcie tors ulega rotacji wokół osi Z. Zagadnienie obrotu torsu na fotelu autobusu szerzej analizowano w [6]. Znacznik Kolano, widoczny w płaszczyźnie XZ na rysunku 8, umieszczony był na podudziu, dlatego jego przemieszczenia są nieznacznie większe niż znacznika Kolano L na udzie, widocznego w płaszczyźnie XY. Tab. 3. Maksymalne wartości wzdłużnego przemieszczenia manekina H3 (w kierunku X) Wariant Widoczne na płaszczyźnie XZ [cm] Widoczne na płaszczyźnie XY [cm] GPG Szyja Ramię* Biodro Kolano Bark L Bark P Kolano L Kolano P W11 34, 21,8 2,7 9,4 1,5 26,3 26, 9,9 1,6 W32 41,9 28,3 31,2 11,7 13,5 34,6 3,2 12,3 12,4 Przyrost przemieszczenia, p X [%] 23,2 29,8 5,7 24,5 28,6 31,6 16,2 24,2 17, *) znacznik był na ramieniu, które przemieszczało się względem barku (por. rys.8) 7111

7 Przemieszczenie torsu [cm] Przemieszczenie torsu [cm] Prędkość [km/h] Przemieszczenie [cm] Do oceny tych różnic wykorzystano wartości względnego przyrostu wzdłużnego przemieszczenia manekina po zastosowaniu taśmy TM, a mianowicie XW 32 XW11 p X 1% (1) XW11 Wyniki obliczeń (tabela 3) wskazują, że przemieszczenia wzdłużne manekina w wariancie W32 są o około % większe niż w wariancie W11. Wartość względnego przyrostu wzdłużnego przemieszczenia ramienia jest około 5 %, ale uwzględnia także obrót ramienia względem barku. Opisane wyżej różnice w przemieszczeniach manekina w wariantach W11 i W32 nie uwzględniają funkcji czasu, który został uwzględniony na kolejnym rysunku. Na rysunku 1a zestawiono przebieg prędkości podłogi i fotela z prędkością torsu manekina. Obliczono je całkując przebiegi przyspieszenia. Prędkość torsu manekina (środek torsu) zaczyna gwałtownie zmniejszać się po upływie,4 s, gdy reakcja od pasa zaczyna wyhamowywać ruch manekina. W początkowej fazie uderzenia autobusu w przeszkodę manekin realizuje ruch z nadwoziem, następnie przesuwa się względem fotela, z prędkością nieznacznie mniejszą od początkowej (wpływ tarcia manekina o siedzisko). Widoczna w początkowej fazie zwłoka w oddziaływaniu pasa na wyhamowanie ruchu manekina wynika z czasu zadziałania mechanizmu blokującego zwijacza oraz początkowej elastyczności taśmy pasa. Po upływie ok.,5 s reakcja od pasa w wariancie W32 nieco wolniej wyhamowuje ruch manekina, niż mniej elastyczna taśma pasa W11. Różnice w przebiegu procesu wyhamowywania ruchu manekina są widoczne w przebiegu jego przemieszczania się. Rysunek 1b pokazuje przebieg przemieszczenia podłogi autobusu i środka torsu manekina. Na ich podstawie obliczono przemieszczenie środka torsu względem podłogi (rys.1c). Pas o większej elastyczności w wariancie W32 dopuszcza przemieszczenia środka torsu większe o około 5 cm niż pas w wariancie W11. Na rysunkach 1c i 1d pokazano także przemieszczenia barku i ramienia (znaczniki na rys. 8), wyznaczone na podstawie poklatkowej analizy filmów. Przemieszczenie barku jest wynikiem uśrednienia przemieszczenia znaczników na lewym i prawym barku, w płaszczyźnie XY. Ponieważ tors manekina nie tylko przesuwa się względem fotela, ale także pochyla się, a sygnalizowane wyżej punkty znajdują się na różnej wysokości względem siedziska, to ich przemieszczenia także z tego powodu są różne. Ponadto przemieszczenie znacznika na ramieniu uwzględnia tu jego ruch względem tułowia. a) b) W11Podłoga W32 Podłoga W11 Tors W32 Tors Czas.18.2 [s] c) d) W11_Barki W11_Ramię W11_Tors W11_ZOpr W11Podłoga W32 Podłoga W11 Tors W32 Tors Czas.18.2 [s] W32_Barki W32_Ramię W32_Tors W32_ZOpr Czas.18.2 [s] Czas.18.2 [s] Rys. 1. Wpływ elastyczności taśmy pasa na przebieg zmian prędkości i przemieszczenia manekina w funkcji czasu 7112

8 Prędkość kątowa [rad/s] Prędkość kątowa [rad/s] Kąt załamania szyjnego odcinka kręgosłupa [deg] Zestawione tu przebiegi przemieszczeń kilku punktów manekina potwierdzają ich większe wartości w wariancie W32 niż w W11. Maksymalne przemieszczenia manekina w obu wariantach W11 i W32 występują później niż maksymalna wartości siły w pasie ramieniowym (rys.6b). Na przemieszczenie manekina względem podłogi wpływa także odkształcenie oparcia fotela pod wpływem siły, która działa w punkcie górnego mocowania taśmy pasa bezpieczeństwa. Działająca na oparcie fotela siła bezwładności (wynikająca z masy oparcia fotela) praktycznie nie powoduje jego pochylenia. Potwierdzają to niewielkie (około ±1 cm) przemieszczenia oparcia pierwszego fotela (bez manekina, por. rys.4), widoczne na filmach z testów zderzeniowych. Wykorzystując ruch znacznika ZOpr1 na fotelu (rys.8), określono jego przemieszczenie (rys.1c, d) na podstawie analizy filmu. W wariancie W32 mamy mniejsze przemieszczenie punktu ZOpr1 na oparciu fotela (w kierunku osi X) niż w wariancie W11, odpowiednio 6,2 cm i 8,5 cm. W obu wariantach występują one w chwili maksymalnego napięcia pasa ramieniowego (rys.6), bo odkształcenie fotela wynika także z działania sił w pasach. W wariancie W32 wartości maksymalne tej siły są mniejsze o 1 % niż w wariancie W11, co potwierdza wyżej wskazane różnice w przemieszczeniach punktu ZOpr1. Znaczne pochylenie głowy względem torsu powoduje, że odcinek szyjny kręgosłupa jest wyginany do niebezpiecznego (nienaturalnego) położenia dla człowieka. Dlatego uszkodzenia górnego odcinka kręgosłupa należą do bardzo niebezpiecznych urazów [11, 14]. Względne przemieszczenie kątowe torsu i głowy określa kąt załamania szyjnego odcinka kręgosłupa. Wartości tych kątów obliczono na podstawie analizy przemieszczeń głowy i torsu manekina H3 w płaszczyźnie XZ (TEMA, rys.8) oraz na podstawie rezultatu całkowania przebiegu prędkości kątowej głowy i torsu (rys.11). Ekstremalne wartości kątów zestawiono w tabeli 4. Wartości kąta nachylenia są tu podane względem położenia początkowego, dla którego przyjęto nachylenie stopni. a) b) c) Głowa_W11 Głowa_W Czas.3 [s] Tors_W11 Tors_W Czas.3 [s] W11_całka W32_całka -4 W11_TEMA W32_TEMA Czas.3 [s] Rys. 11. Realizacje kąta pochylenia głowy i torsu oraz kąt załamania szyjnego odcinka kręgosłupa w wariantach W11 i W32 Tab. 4. Ekstremalne wartości kątów pochylenia głowy i torsu oraz kąta załamania szyjnego odcinka kręgosłupa manekina w wariantach W11 i W32 ( z analizy przemieszczeń w programie komputerowym TEMA) Wariant / wskaźnik Głowa [deg] Tors [deg] Szyja [deg] MAX MIN MAX MIN MAX MIN W W Zakres ruchu kątowego, α W Zakres ruchu kątowego, α W Przyrost kąta, p α [%] Na podstawie analizy filmów wyznaczono zakres zmian wartości kąta pochylenia głowy, torsu i szyi podczas testu zderzeniowego MAX MIN (2) i oraz wartości względnego przyrostu rozpiętości zmian w ruchu kątowym manekina po zastosowaniu taśmy TM, a mianowicie W 32 W11 p 1% (3) Wi W11 Wi 7113

9 Wyniki obliczeń tych wskaźników ukazują, że zmiana elastyczności taśmy pasa najbardziej wpływa na pochylenie torsu. Rozpiętość zmian kąta pochylenia torsu w wariancie W32 jest o 45 % większa, niż w wariancie W11, gdzie zastosowano taśmę o mniejszej elastyczności (TS). Wartość kąta odchylenia głowy do tyłu ograniczona jest przez zagłówek, dlatego w obu wariantach mamy takie same wartości tego kąta (-35 o ). Zakres ruchu kątowego szyi w obu wariantach jest jednakowy, co nie przesądza o jednakowym obciążeniu szyi w obu wariantach. WNIOSKI Ruch manekina względem fotela autobusu ograniczony jest działaniem pasa bezpieczeństwa. Mniejsze znaczenie ma tarcie manekina o siedzisko oraz siły działające na nogi (tarcie stóp o podłogę, reakcje działające na nogi, po uderzeniu w fotel poprzedzający). Obecny proces wprowadzania foteli zintegrowanych z pasami trzypunktowymi, w których górny punkt kotwiczenia pasa jest mocowany do oparcia fotela wnosi nowe problemy. Wówczas oparcie fotela powinno być odpowiednio sztywne, aby stanowiło odpowiednie utwierdzenie dla mocowania pasa. Zatem podczas wypadku drogowego, przy wystąpieniu dużych wartości sił bezwładności, oparcie łącznie z taśmą pasa wpływają na przemieszczenia torsu i bioder pasażera względem fotela. Odpowiednio dobrane wartości ich sztywności mają wpływ na bezpieczeństwo pasażerów autobusu. Podczas badań wykorzystano dwa rodzaje taśm, które różniły się elastycznością. Przeprowadzona analiza wyników pomiarów i filmów, wykonanych podczas czterech testów zderzeniowych, pozwala na następującą ocenę wpływu zastosowania taśmy o większej elastyczności na ruch manekina H3 względem fotela: przemieszczenie wzdłużne głowy i bioder wzrosło o %; przemieszczenie wzdłużne torsu (lewe ramię i bark) wzrosło o %; reakcja od pasa na tors nieco wolniej wyhamowuje ruch manekina, co może sprzyjać zmniejszeniu obciążenia dynamicznego torsu; względne przemieszczenie kątowe głowy i torsu jest większe, odpowiednio o 11% i 45 %; zakres ruchu kątowego szyi praktycznie nie zamienia się (wartość kąta załamania szyi zwiększyła się o 3 o ). Przeprowadzona analiza ruchu manekina na fotelu pokazuje proces narastania zagrożenia uderzenia głową w oparcie poprzedzające. Praca została wykonana w ramach projektu badawczego własnego N N (umowa nr 5544/B/T2/211/4), finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki w Ministerstwie Nauk i Szkolnictwa Wyższego Streszczenie Obciążenia dynamiczne podczas wypadku drogowego, działające na pasażerów jadących autobusem, zależą od właściwości systemu ochrony indywidualnej, który stanowią fotel z pasem bezpieczeństwa. Układy regulacji foteli w autobusach są zwykle podporządkowane zapewnieniu komfortu podróżowania, natomiast nie mają regulacji systemu ochrony indywidualnej. Z tych powodów rośnie rola odpowiedniego skojarzenia właściwości fotela z właściwościami taśmy pasa w systemie ochrony pasażera podczas wypadku. W pracy przedstawiono wyniki badań zderzeniowych, których rezultaty pokazują wpływ elastyczności taśmy pasa bezpieczeństwa na kinematykę pasażera. W tym celu przygotowano serię testów zderzeniowych, które są fizycznym modelem czołowego uderzenia autobusu w przeszkodę. Przeprowadzona analiza wyników badań wskazuje, że niewielka zmiana elastyczności taśmy pasa bezpieczeństwa zwiększa przemieszczenia manekina względem fotela. Rośnie zatem zagrożenie uderzenia głową w oparcie poprzedzające. Słowa kluczowe: autobusy, fotele i pasy, bezpieczeństwo pasażerów, elastyczność pasów bezpieczeństwa Analysis of the influence of elasticity of seat belt webbing on the safety of bus passengers (analysis of passengers displacements) Abstract The dynamic loads acting on bus passengers during a road accident depend on the properties of the personal protection system used, which is understood as the bus seat taken together with the accompanying seat belt. 7114

10 Usually, the bus seat adjustment systems are built to optimize the ride comfort, while no means are provided to adjust the personal protection systems. In consequence, the appropriate matching of the characteristics of a bus seat with the properties of the seat belt webbing becomes a matter of increasing importance during an accident. The influence of the elasticity of seat belt webbing on the kinematics of a bus passenger can be seen from the crash test results presented in this paper. For this issue to be best illustrated, a series of crash tests were prepared as a physical model of a frontal impact of a bus against an obstacle. An analysis of the test results has shown that even a small change in the elasticity of the seat belt webbing causes a considerable growth in dummy s displacements in relation to the seat and, in consequence, in a higher risk of an impact of passenger s head against the backrest of the seat ahead. Keywords: buses, seats and seat belts, passengers safety, elasticity of seat belts BIBLIOGRAFIA 1. Berg A., Rücker P., Niewöhner W., Status Of The Secondary Safety Of Coaches Updated Statistics, Current Standards And Additional Technical Measures. The 23 th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Seoul Federal Motor Vehicle Safety Standard, No. 29: Seat Belt Assemblies. 3. Fitas M., Prochowski L., Powstawanie obrażeń u dzieci podczas uderzenia autobusu w przeszkodę, XXXI Seminarium Kół Naukowych Wydziału Mechanicznego WAT, Warszawa NHTSA, Data Reference Guide Version 4, Volume IV: Signal Waveform Generator Tests. U.S. Department of Transportation, PN-ISO6487 Pojazdy drogowe. Techniki pomiarowe w testach zderzeniowych. Oprzyrządowanie. 6. Prochowski L., Fitas M., Zielonka K., Analiza obrotu torsu dziecka na fotelu podczas czołowego uderzenia autobusu w przeszkodę. Logistyka 214, nr Prochowski L., Fitas M., Zielonka K., Analiza wyników badań wpływu położenia pasa bezpieczeństwa na ruch oraz obciążenia dynamiczne głowy i torsu dziecka podczas uderzenia autobusu w przeszkodę. Archiwum Motoryzacji 214, nr Prochowski L., Zielonka K., Dynamic Loads Exerted on Legs of Seated Passengers During Frontal Collision of a Bus whit an Obstacle, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 17, No 3, Pub. Permanent Committee of KONES, Warsaw Prochowski L., Zielonka K., Metody badań i wyniki pomiarów obciążeń dynamicznych pasażerów podczas uderzenia autobusu w przeszkodę, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów PW 21, nr Prochowski L., Żuchowski A., Analysis of the influence of passenger position in a car on a risk of injuries during a car accident. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 214, Vol.16, No Schmitt K.U., Niederer P.F., Muser M.H., Walz F.: Trauma Biomechanics. Accidental Injury in Traffic and Sports. Springer-Verlag Berlin Heidelberg Seat-belts and child restraints: a road safety manual for decision-makers and practitioners, FIA Foundation for the Automobile and Society, London, Stosowanie pasów bezpieczeństwa w Polsce w 214 roku, MIiR, Krajowa Rada Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego, Warszawa Viano D., King A., Melvin J., Weber K., Injury biomechanics research: an essential element in the prevention of trauma. Journal of Biomechanics 22(5), Żuchowski A., Prochowski L., Zielonka K., Ocena ryzyka obrażeń pasażerów podczas wypadku drogowego mikrobusu, jako kryterium doskonalenia konstrukcji foteli i ich rozmieszczenia, Logistyka 214, nr Żuchowski A., Wicher J., Wpływ wstępnego napięcia pasów bezpieczeństwa na obciążenia pasażerów na tylnych siedzeniach podczas zderzenia czołowego. Archiwum Motoryzacji 213, nr