Wpływ rodzaju pasa bezpieczeństwa na zachowanie kierowcy w trakcie zderzenia czołowego

Transkrypt

1 SYBILSKI Kamil 1 MAŁACHOWSKI Jerzy 2 Wpływ rodzaju pasa bezpieczeństwa na zachowanie kierowcy w trakcie zderzenia czołowego WSTĘP Bardzo dużo uwagi w publikacjach motoryzacyjnych [4] jest poświęcone prawidłowej pozycji kierowcy w trakcie jazdy. Jest to niezwykle ważne, gdyż wpływa na bezpieczeństwo samych kierowców, jak i innych uczestników dróg. Umożliwia skuteczniejszą obserwację drogi i otoczenia, szybszą reakcję na zmianę sytuacji na drodze oraz efektywniejsze manewrowania samochodem. Do zajęcia prawidłowej pozycji za kierownicą konieczne jest odpowiednie ustawienie fotela i samego koła kierownicy. Natomiast do jej utrzymania w trakcie jazdy przyczyniają się m. in.: wyprofilowanie fotela, ukształtowanie podłokietników oraz ustawienie i oparcie kończyn. Szczególnie ostatni czynnik jest ważny, gdyż ma znaczny wpływ na przeciwdziałanie siłom poprzecznym i wzdłużnym oddziaływującym na ciało kierowcy w trakcie jazdy. Podparcia tego typu jest ograniczone w przypadku osób niepełnosprawnych (ON). Szczególnie jeśli ON ma pełny niedowład którejkolwiek kończyny. Przykładem może być niedowład lub brak ręki, który powoduje, że kierowca musi korzystać ze specjalistycznego oprzyrządowania do prowadzenia auta (uchwytu na kierownicy) i nie ma możliwości wsparcia drugą ręką [1, 9]. Z punktu widzenia stabilizacji kierowcy jeszcze gorszym przykładem jest niedowład lub brak kończyn dolnych. Kierowca wtedy rękami musi realizować wszystkie funkcje sterowania autem. Jest to możliwe dzięki połączeniu specjalistycznego uchwytu na kierownicy oraz układu przenoszącego sygnał sterowniczy z pedałów przyspieszenia i hamulca na uchwyt obsługiwany ręką. W praktyce oznacza to, że kierowca może podeprzeć się tylko jedną ręką, o uchwyt na kierownicy (która może się obracać). Niedostateczne podparcie ciała kierowcy niepełnosprawnego kompensowane może być przez zastosowanie urządzenia podtrzymującego, np. pasa podtrzymującego miednicę, wkładki podpierającej klatkę piersiową oraz pasa naramiennego. Pierwsze dwa służą do podparcia bocznego (które może być dodatkowo zwiększone poprzez odpowiednie ukształtowanie fotela), natomiast trzeci ma zapewniać wsparcie wzdłużne (które może być zwiększane jedynie poprzez zapieranie się kierowcy kończynami dolnymi i/lub górnymi). Zwiększone wsparcie wzdłużne jest szczególnie potrzebne podczas hamowania lub zderzenia. Jednym z systemów wsparcia wzdłużnego wykorzystywanego m.in. przez ON są pasy czteropunktowe. W niniejszej pracy podjęto próbę zbadania jaki wpływ na zachowanie kierowcy niepełnosprawnego w trakcie zderzenia czołowego ma zamiana pasów trójpunktowych z napinaczem na pasy czteropunktowe bez napinacza. 1. MODEL NUMERYCZNY Do analizy zachowania kierowcy niepełnosprawnego w trakcie zderzenia czołowego auta z pasami bezpieczeństwa trójpunktowymi z napinaczem oraz czteropunktowymi bez napinacza wykorzystano model numeryczny samochodu klasy średniej oraz model manekina Hybrid III o masie 80,5 kg [3, 5, 6]. Model auta został pobrany z biblioteki laboratorium National Crash Analysis Center [8], które prowadzi szereg działań mających na celu poprawę bezpieczeństwa na drogach. Do działań tych należy opracowywanie i udostępnianie szczegółowych modeli pojazdów i sprzętu do badań 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, tel , fax , ksybilski@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, tel , fax , jerzy.malachowski@wat.edu.pl 5889

2 związanych z wypadkami. W celu wyeliminowania wpływu odkształcenia pojazdu, wszystkim częściom pojazdu przypisano właściwości bryły sztywnej. Odkształcalne pozostawiono wszystkie elementy siedzenia i pasy bezpieczeństwa. Ich charakterystyki masowo-sztywnościowe odpowiadają rzeczywistym materiałom, z których są wykonane. Model numeryczny pasa trójpunktowego dodatkowo uwzględnia pracę zwijacza, napinacza, przewijanie taśmy pasów przez mocowanie górne i klamrę. W modelu pasów czteropunktowych przyjęto, że są one mocowane bezpośrednio do nieodkształcalnych uchwytów znajdujących się bezpośrednio za fotelem. Właściwości materiału pasów zostały wyznaczone w trakcie testu rozciągania przeprowadzonego na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8802 [2]. Wykorzystany w analizach model numeryczny manekina Hybrid III 50-centylowy męski zbudowany został przez firmę Humanetics [5, 6]. Jego przeznaczeniem są badania zderzeń czołowych na rynku motoryzacyjnym. Charakteryzuje się bardzo wysoką zgodnością wyników symulacji numerycznych i badań eksperymentalnych (92%), która została potwierdzona ponad 750 różnymi testami. Manekina obu analizowanych przypadkach prawą rękę ma opartą na kierownicy poprzez specjalistyczny uchwyt składający się z trzech trzpieni połączonych przy podstawie płytą. Uchwyty tego typu są stosowane w szczególności przy ograniczonych zdolnościach manualnych kierowcy, np. przy tetraplegii lub paraplegii. W modelu numerycznym uchwyt traktowany jest jako nieodkształcalny i niezmieniający położenia względem koła kierownicy. Prawą rękę ułożono wzdłuż tułowia. 2. PRZEBIEG I WYNIKI ANALIZ NUMERYCZNYCH W trakcie badań numerycznych analizowane były dwa przypadki różniące się tylko rodzajem zastosowanych pasów bezpieczeństwa. W pierwszym przypadku był to pas trójpunktowy z napinaczem, w drugim czteropunktowy bez napinacza. Symulacja obu wariantów przebiegała dwuetapowo. Pierwszy etap obejmował osadzanie manekina na fotelu pod wpływem grawitacji. Proces ten był realizowany poprzez ustawienie manekina kilkanaście milimetrów nad fotelem i oprzyrządowaniem, zdefiniowaniem wartości przyspieszenia grawitacyjnego do elementów modelu, a następnie uruchomienie symulacji, której czas całkowity wynosił 0,3 s. W tym czasie manekin układał się na fotelu i stabilizowało się położenie elementów modelu. Wszystkie bryły sztywne do końca analizy nie miały możliwości przemieszczania się. Wynikiem końcowym tego etapu było uzyskanie naturalne położenia manekina pod wpływem sily ciężkości z jednoczesnym uzyskanie wstępnej deformacji struktury fotela i elementów manekina. Usadowiony manekin został przedstawiony na rysunku 1. Rys. 1. Widok modelu numerycznego z kierowcą i specjalistycznym uchwytem. Wyniki pierwszego etapu były bazą wejściową dla drugiego etapu. Przed jego uruchomieniem do modeli numerycznych dodano pasy bezpieczeństwa. Pas trójpunktowy wychodzi z punktu znajdującego się przy dolnej krawędzi słupka bocznego auta, oplata manekina na wysokości miednicy, przechodzi przez klamrę po prawej stronie fotela i następnie biegnie przez środek klatki 5890

3 piersiowej do punktu znajdującego się przy górnej krawędzi słupka bocznego. W punkcie tym pas jest przewijany i kierowany do zwijacza. W przypadku pasa czteropunktowego dwa punkty dolne zamocowania pasów znajdują się za fotelem na wysokości miednicy manekina. Natomiast dwa górne na wysokości ramion manekina. Pomiędzy dolnymi punktami zamocowania rozciągnięto pas przylegający do manekina. Z tym pasem w połowie jego długości łączą się dwa pasy pionowe, które na drugim końcu są łączą się z górnymi mocowaniami. Na wysokości mostka manekina pionowe pasy są ze sobą połączone poziomym pasem, którego zadaniem jest zapobieganie rozsuwaniu się pasów pionowych w trakcie zderzenia oraz zmniejszeniem nacisków jednostkowych na tułów manekina. W obu wariantach w miejscach potencjalnego styku pasa z manekinem zostały one zamodelowane z wykorzystaniem elementów powłokowych, natomiast w pozostałych za pomocą elementów belkowych. Przebieg pasów przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Ułożenie pasów bezpieczeństwa: a) trójpunktowego z napinaczem, b) czteropunktowego bez napinacza. Na potrzeby symulacji zderzenia w modelu z pierwszego etapu zmieniono również warunki początkowo-brzegowe. Wszystkim węzłom poza istniejącymi wymuszeniami dodatkowo nadano prędkość początkową na kierunku wzdłużnym równą v 0 = 15,4 m/s (ok. 55 km/h). Po uruchomieniu analizy prędkość karoserii, deski rozdzielczej, kierownicy oraz pedałów zmniejszały się zgodnie z charakterystyką przedstawioną na rysunku 3. Prędkość pozostałych węzłów była wynikiem działania sił występujących m.in. w kontaktach i pasach. W tym etapie bryły sztywne mogą się przemieszczać tylko na kierunku przemieszczania się pojazdu.. Rys. 3. Krzywa zmiany prędkości pojazdu w trakcie symulacji numerycznych. 5891

4 Przebieg obu symulacji jest dość zbliżony. Manekin pod wpływem opóźnienia przesuwa się do przodu względem fotela, czego skutkiem jest uderzenie kolanami w elementy karoserii pojazdu. W tym samym czasie zwiększa się napięcie pasów bezpieczeństwa oraz ich nacisk na tułów manekina. Oba te czynniki powodują zmniejszenie szybkości przesuwania się środka ciężkości manekina względem fotela (rysunek 4). Powoduje to również zmianę charakteru dalszego przemieszczania się kierowcy. Od tego mementu jego ciało nie przemieszcza się równolegle, kolana pozostają w tej samej pozycji względem pojazdu, a tułów zaczyna się obracać względem miednicy. Dodatkowo miednica (a tym samym środek ciężkości SC) jest niżej niż kolana, co powoduje przemieszczanie się jej w kierunku fotela (kolana są środkiem obrotu tego ruchu). Dalszy przyrost przemieszczenia wzdłużnego środka ciężkości jest zatem konsekwencją ruchu obrotowego oraz deformacji fotela. Rys. 4. Przemieszczenie środka ciężkości manekina na kierunku wzdłużnym względem podstawy fotela. Ma to oczywiście swoje odzwierciedlenie w przemieszczeniu pionowym środka ciężkości manekina przedstawionym na rysunku 5. W początkowej fazie zderzenia SC przemieszcza się do góry, natomiast po uderzeniu kolan w elementy samochodu ruch ten jest zdecydowanie skierowany ku dołowi i pogłębia się do momentu zmiany kierunku ruchu pojazdu. SC ponownie wtedy przemieszcza się do góry, do momenty zatrzymania tego ruchu poprzez pasy, co skutkuje ponowną zmianą kierunku w obu przypadkach. 5892

5 Rys. 5. Przemieszczenie środka ciężkości manekina na kierunku pionowym. Przemieszczenie wzdłużne osiąga maksymalną wartość po zmianie kierunku ruchu pojazdu. Jego charakter oraz wartości dla obu analizowanych przypadków są niemal identyczne. W przemieszczeniach pionowych natomiast zauważalne są już duże różnice w obu przebiegach. Dla pasów trójpunktowych następuje lekkie przesunięcie SC do góry, po czym znaczne przemieszczenie ku dołowi i następnie znaczne przemieszczenie ku górze. Kierowca wyposażony w pasy czteropunktowe praktycznie przez cały okres przesuwania się do przodu względem fotela również przemieszcza się do góry, do dołu i znów do góry, ale ruchowi temu nie towarzyszy wciskanie go w siedzisko. Zastosowanie różnych pasów bezpieczeństwa ma bardzo duży wpływ na przemieszczenia poprzeczne (przedstawione na rysunku 6). Gdy stosowane są pasy trójpunktowe z napinaczem, SC przesuwa się w lewo, natomiast w przypadku pasów czteropunktowych w prawo. Jest to o tyle istotne, że ruch SC w lewo powoduje również przemieszczania się głowy w tym kierunku, co znacznie podnosi prawdopodobieństwo uderzenia nią w uchwyt, a tym samym możliwość doznania znacznych obrażeń przez kierowcę. Rys. 6. Przemieszczenie środka ciężkości manekina na kierunku poprzecznym. 5893

6 Zastosowanie różnej geometrii pasów wpływa na charakter ruchu manekina. Zastosowanie różnej konstrukcji, czyli obecność napinacza lub jego brak, wpływa na przebieg sił nacisku pasów na ciało kierowcy. Na rysunku 7 przedstawiono przebieg siły kontaktu pomiędzy pasami i manekinem dla badanych przypadków. Analizując pasy trójpunktowe można zauważyć, że w początkowej fazie zwiększa się ich nacisk na ciało. Wynika to ze wzrostu przemieszczenia wzdłużnego SC względem fotela. Po uderzeniu kolan w elementy samochodu, siła reakcji delikatnie spada, co jest związane pośrednio z konstrukcją pasa. Napinacz znajduje się w okolicach górnej części lewego słupka, a więc ciągnie pas ku górze. Tymczasem po uderzeniu kolan miednica jest wciskana w siedzisko, co powoduje obniżenie kierowcy i tym samym zwolnienie pewnej objętości pod pasem. Dolny pas może przewinąć się przez klamrę i zwiększa długość pasa górnego. Przekłada się to bezpośrednio na zmniejszenie wartości siły. Po spadku siła ponownie zaczyna rosnąć przeciwdziałając obrotowi tułowia względem miednicy. Analizując pasy czteropunktowe można zauważyć, że charakter ich pracy jest inny niż trójpunktowych. Pasy czteropunktowe nie posiadają napinacza, przez co ich długość (pomijając odkształcenia) pozostaje w przybliżeniu stała. Dlatego też po początkowym ich napięciu i uderzeniu kolan w elementy samochodu nie ma spadku wartości siły. Manekin przemieszcza się ku dołowi, ale pasy pozbawione napinacza i możliwości przewijania przez klamrę, nie podążają za nim. Dlatego też utrzymywany jest ciągły i stały nacisk na ciało. Ponadto miednica mniej w tym przypadku przemieszcza się na kierunku pionowym, co również ma wpływ na inny charakter przebiegu siły reakcji pomiędzy manekinem i pasem. Różnicy w budowie i charakterze pracy obu pasów przekładają się również na maksymalne siły występujące pomiędzy nimi i kierowcą. W pasach trójpunktowych siła zwiększa się bardziej łagodnie, w większej rozpiętości czasu. Gdy kierowca przytrzymywany jest przez czteropunktowe siła narasta mniej łagodnie i osiąga maksymalnie o 56% większą wartość. Rys. 7. Siła reakcji pomiędzy pasami a manekinem w trakcie zderzenia. Końcową fazą ruchu manekina do przodu w obu przypadkach jest uderzenie głową w kierownicę. Moment ten dla obu przypadków został przedstawiony na rysunku 9. Rodzaj pasów bezpieczeństwa ma znaczenie również w tym aspekcie. Pasy trójpunktowe mniej ograniczają przemieszczenie wzdłużne głowy, a co za tym idzie manekin uderza w obręcz kierownicy twarzą na wysokości oczodołów. Pasy czteropunktowe bardziej ograniczają ten ruch i dlatego też kierowca uderza w obręcz kierownicy czołem. 5894

7 Rys. 8. Uderzenie głowy manekina w kierownicę (pas trójpunktowy po lewej, pas czteropunktowy po prawej). Sposób uderzenia głowy manekina w kierownicę ma wpływ na przyspieszenia jakich doznaje środek głowy (rysunek 9). W przypadku pasów czteropunktowych jest to mniejsza wartość. Niemniej jednak w obu przypadkach przyspieszenie to jest bardzo duże. Rys. 9. Przyspieszenie głowy manekina w trakcie zderzenia. Na podstawie otrzymanych przebiegów przyspieszeń obliczono tzw. kryterium urazu głowy HIC (ang. Head Injury Criterion) przyjęte przez Nationa Highway Traffic Safety Administration. Kryterium to jest wyrażone w postaci wzoru [7, 10]: 2,5 t2 1 HIC gwdt t2 t1 t2 t1 (1) t1 max gdzie: g w - wynikowe opóźnienie środka ciężkości głowy (jako wielokrotność przyspieszenia ziemskiego), t 1, t 2 - czasy określające przedział czasu, dla którego wartość HIC jest największa. Zestawienie otrzymanych wartości parametru HIC przedstawiono w tabeli 1. Największą wartość otrzymano dla przypadku pasów trójpunktowych. Niemniej jednak w obu przypadkach kierowca z prawdopodobieństwem ponad 90% odniesie średnie obrażenia oraz w ok. 8 % obrażenia krytyczne [10]. 5895

8 Tab. 1. Porównanie wartości parametru HIC. Numer przypadku Pasy trójpunktowe z napinaczem Czteropunktowe bez napinacza HIC PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono porównanie zachowania kierowcy w trakcie zderzenia czołowego wykorzystującego pasy trójpunktowe z napinaczem oraz czteropunktowe bez napinacza. Pasy czteropunktowe zmniejszają przemieszczenia manekina względem fotela oraz maksymalne przyspieszenia jakich on doznaje. Niestety zwiększają siłę nacisku pasów na tułów, co może mieć niekorzystny wpływ na narządy wewnętrzne kierowcy. Dlatego też w dalszym etapie pracy zostanie podjęta próba opracowania konstrukcji pasów czteropunktowych z napinaczem, które eliminowałyby opisane w artykule negatywne czynniki. Streszczenie Niepełnosprawność kierowcy powoduje zmniejszenie jego stabilności podczas jazdy i sytuacji niebezpiecznych na drogach. Przykładem może być kierowanie samochodem przez osobę ze sparaliżowaną prawą ręką, co wymusza stosowanie specjalistycznego uchwytu na kierownicy. W takiej przypadku w awaryjnej sytuacji górna część ciała osoby niepełnosprawnej opiera się tylko na uchwycie, który obraca się razem z kierownica oraz wokół własnej osi. Ogranicza to i utrudnia znacznie manewrowanie pojazdem, co bezpośrednio przekłada się na bezpieczeństwo wszystkich uczestników dróg. Niedostateczne podparcie wzdłużnego ciała kierowcy niepełnosprawnego kompensowane jest m.in. przez pasy czteropunktowe. W niniejszej pracy podjęto próbę zbadania jaki wpływ na zachowanie kierowcy niepełnosprawnego w trakcie zderzenia czołowego ma zamiana pasów trójpunktowych z napinaczem na pasy czteropunktowe bez napinacza. Na podstawie otrzymanych wyników wskazano jak zmienia się ruch kierowcy oraz jakich przemieszczeń i przyspieszeń doznaje. Otrzymane przebiegi przyspieszeń stanowiły podstawę do obliczenia kryterium urazu głowy HIC. Słowa kluczowe: Kierowca niepełnosprawny, pasy bezpieczeństwa, model numeryczny, zderzenie czołowe Influence of the seat belts type on the driver s behavior during frontal collision Abstract The driver disability decrease his stability during driving and dangerous situations on the road. An example of such situation is a person driving a car with paralyzed right hand, which requires the use of specialized handle on the steering wheel. In this case in the emergency situation the upper body of a disabled person based only on the handle, which rotates with the steering wheel and around its own axis. This limits and hinders significant maneuvering, which translates directly into the safety of all participants of the road. Lower driver s body longitudinal support can be increasing by using of four-point seat belts. The impact of replacing three-point seat belt by four-point seat belt on the driver behavior during frontal collision is presented in the paper. On the basis of the results the movement of the driver were discussed. Driver displacements and accelerations of his head are presented. Basis on the obtained accelerations the head injury criterion (HIC) was calculated. Keywords: Disabled driver, seat belts, numerical model, frontal crash BIBLIOGRAFIA 1. Baranowski P., Małachowski J., Sybilski K., Analiza wpływu usprawnień dla kierowców niepełnosprawnych na ich bezpieczeństwo w trakcie zderzenia czołowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, nr 351/2014, Bogusz P., Badania wąskich i szerokich pasów bezpieczeństwa fotelika dziecięcego. Raport wewnętrzny WAT, Warszawa, Pradeep M., Chung-Kyu P., Dhafer M., Cing-Dao K., Guha S., Maurath C., Bhalsod D., LSTC/NCAC Dymmy Model Development, 11th International LS-Dyna Users Conference,

9 4. Bartuzi P., Ergonomia pracy kierowcy pojazdu ciężkiego, Warszawa, Hybrid-III Male Dummy, Humanetics Innovative Solutions, Inc., Golman A., Danelson K., Miller L., Stitzel J., Injury prediction in a side impact crash using human body model simulation, Accident Analysis and Prevention, 64, (2014) Małachowski J., Sybilski K., Muszyński A., Baranowski P., Problematyka bezpieczeństwa kierowcy wykorzystującego dodatkowe oprzyrządowanie na kierownicy w warunkach zderzenia czołowego, Logistyka, nr 3/2014, Jamroziak K., Próba oceny urazu głowy w ochronie balistycznej miękkiej, Modelowanie Inżynierskie, 42, Autorzy wyrażają podziękowanie NCBiR za finansowanie projektu INNOTECH-K2/IN2/35/182265/NCBR/