Problematyka bezpieczeństwa kierowcy wykorzystującego dodatkowe oprzyrządowanie na kierownicy w warunkach zderzenia czołowego

Transkrypt

1 MAŁACHOWSKI Jerzy 1 SYBILSKI Kamil 1 MUSZYŃSKI Artur 1 BARANOWSKI Paweł 1 Problematyka bezpieczeństwa kierowcy wykorzystującego dodatkowe oprzyrządowanie na kierownicy w warunkach zderzenia czołowego WSTĘP Rozwój techniki pozwala na opracowanie coraz to nowszych akcesoriów i systemów wspomagających pracę kierowców. O ile część z nich może być rozpatrywana tylko w kategoriach gadżetów motoryzacyjnych, o tyle niektóre produkty w sposób znaczny ułatwiają realizację procesu kierowania pojazdem lub w niektórych przypadkach w ogóle go umożliwiają. Przykładem tego typu produktu są uchwyty montowane na kierownicy. W przypadku kierowców, którzy w trakcie jazdy są zmuszeni do częstej zmiany kierunku, uchwyty te pozwalają realizować ten proces bardziej efektywnie oraz bardziej komfortowo. Prawa ręka nie jest wykorzystywana do obrotu kierownicy, a więc możliwe jest jednoczesne obsługiwanie go oraz np. zmiana przełożeń skrzyni biegów. Te same uchwyty są również używane przez kierowców z niepełnosprawnością jednej z kończyn górnych. Wymogiem prowadzenia pojazdu przez tego typu osoby jest zagwarantowanie ciągłego kontaktu kierowcy z kierownicą. Osoba niepełnosprawna korzystająca z gałki lub specjalistycznego uchwytu może wykonywać pełne obroty koła kierownicy, a zatem może samodzielnie prowadzić samochód. Mocowanie dodatkowych akcesoriów na kole kierownicy powoduje zmniejszenie przestrzeni, w której może bezpiecznie poruszać się głowa kierowcy w trakcie niebezpiecznych sytuacji na drodze. Powoduje również zmianę sposobu podparcia i ułożenia ciała kierowcy w tego typu sytuacjach, a więc zmienia jego kinematykę ruchu. W artykule zamieszczono wyniki symulacji numerycznych, których celem była analiza zachowania kierowcy wykorzystującego gałkę oraz uchwyt wskazany dla osób z tetraplegią lub paraplegią w trakcie zderzenia czołowego. Dla porównania wyniki odniesiono do kierowcy niewykorzystującego dodatkowego oprzyrządowania. 1. OPIS MODELU NUMERYCZNEGO Do analizy zachowania kierowcy wykorzystującego dodatkowe oprzyrządowanie na kierownicy w warunkach zderzenia czołowego wykorzystano model numeryczny samochodu klasy średniej oraz model manekina Hybryd III o masie 80,5 kg [5, 6]. Model auta pobrano z biblioteki National Crash Analysis Center [4]. Aby wyeliminować wpływ odkształcenia elementów pojazdu, całej karoserii, desce rozdzielczej, kierownicy i pedałom przypisano właściwości materiału nieodkształcalnego. Jako odkształcalne pozostawiono natomiast wszystkie elementy siedzenia i pasy bezpieczeństwa. Ich charakterystyki masowo-sztywnościowe odpowiadają rzeczywistym materiałom, z których są wykonane. Model numeryczny pasów dodatkowo uwzględnia pracę zwijacza, napinacza oraz przewijanie taśmy pasów przez mocowanie górne i klamrę. Właściwości materiału pasów zostały wyznaczone w trakcie testu rozciągania przeprowadzonego na standardowej maszynie wytrzymałościowej. Model manekina męskiego Hybryd III 50-centylowy został opracowany przez firmę Humanetics [2] na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego, a w szczególności do badań zderzeń czołowych. Jest to ósma wersja, która zbudowana jest z ponad elementów, węzłów oraz 576 części. Zgodność wyników rejestrowanych z wykorzystaniem tego modelu została potwierdzona ponad 750 różnymi testami, które łącznie dają pokrycie z wynikami eksperymentów na poziomie 92 % [1]. 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, tel , fax , jerzy.malachowski@wat.edu.pl 4119

2 W celu skrócenia czasu obliczeń ograniczono liczbę stopni swobody modelu, poprzez usunięcie części samochodu, która jest poza zasięgiem ruchu kierowcy. Pozostawiono zatem wszystkie elementy lewych przednich drzwi, lewej strony deski rozdzielczej oraz szyby i słupków, a także podłogę razem z tunelem środkowym (rys. 1). Rys. 1. Widok modelu numerycznego z kierowcą bez dodatkowego oprzyrządowania. W trakcie badań numerycznych analizowano trzy przypadki. Pierwszy dotyczył kierowcy bez dodatkowego oprzyrządowania, który trzyma obie ręce na kierownicy, prawą nogę na pedale przyspieszenia a lewą na podpórce (rys. 1). W drugim rozpatrywanym przypadku kierowca trzymał lewą rękę na gałce umieszczonej na lewej górnej części kierownicy, prawą zaś na podłokietniku nad tunelem środkowym. Nogi ustawiono tak samo jak w przypadku pierwszym (rys. 2 z lewej strony). W trzecim wariancie kierowca wykorzystywał specjalistyczny uchwyt składający się z trzech prętów połączonych u podstawy trójkątną płytą. Płyta jest przymocowana do lewej górnej części kierownicy. Lewa dłoń kierowcy obejmuje górny pręt, a nadgarstek jest umieszczony pomiędzy dwoma dolnymi. Prawa ręka oraz obie nogi ułożone są tak samo jak w przypadku drugim (rys. 2 po prawej stronie). Elementom wyposażenia dodatkowego przypisano właściwości bryły sztywnej. Rys. 2. Widok modelu numerycznego wariantu z gałką (z lewej strony) oraz specjalistycznym uchwytem (z prawej strony). We wszystkich analizowanych przypadkach zdefiniowano kontakt typu węzeł do powierzchni pomiędzy wszystkimi częściami manekina, pojazdu oraz wyposażenia dodatkowego. 2. PRZEBIEG ANALIZ NUMERYCZNYCH Symulacja każdego z rozpatrywanych przypadków przebiegała dwuetapowo. W pierwszym manekin był umieszczany kilka milimetrów nad fotelem, a jego kończyny wstępnie układano w przybliżonej do docelowej pozycji. Następnie uruchamiano analizę numeryczną, w której na 4120

3 manekina działało przyspieszenie grawitacyjne na kierunku pionowym. Pod wpływem tego obciążenia manekin swobodnie opadał i układał się na fotelu, pedale przyspieszenia, podpórce, kierownicy i (w dwóch przypadkach) na oprzyrządowaniu dodatkowym. Analizę prowadzono do czasu pełnego ustabilizowania położenia manekina i ustania wszystkich oscylacji w układzie (ok. 1,5 s.). Położenie manekina po zakończeniu tego etapu dla każdego z analizowanych przypadków przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Drugi etap symulacji stanowi kontynuację pierwszego i obejmuje realizację procesu zderzenia czołowego. Przed uruchomieniem tego etapu do modelu numerycznego zostały dodane trzypunktowe pasy bezpieczeństwa. Jest to bardzo istotne, aby zrealizować to po osiadaniu manekina, gdyż tylko w tym wypadku pasy bezpieczeństwa nie będą posiadały luzów wynikających z ich swobodnego opadania na ciało manekina. Na początku drugiego etapu symulacji prędkość wszystkich węzłów modelu na kierunku wzdłuż pojazdu została zmieniona na v 0 = 15,4 m/s (ok. 55 km/h) (rys 3). W dalszym etapie prędkość węzłów karoserii, deski rozdzielczej, kierownicy oraz pedałów zmniejszała się zgodnie z charakterystyką przedstawioną na rysunku 3. Prędkość pozostałych węzłów zależna była od sił występujących w kontakcie pomiędzy manekinem a elementami pojazdu oraz wygenerowanych w pasach bezpieczeństwa. Rys. 3. Krzywa zmiany prędkości pojazdu w trakcie symulacji numerycznych. W przypadku kierowcy niewykorzystującego dodatkowego oprzyrządowania przebieg zderzenia wygląda następująco: w początkowej fazie kierowca przesuwa się na fotelu w kierunku kierownicy. Jednocześnie wzrasta napięcie w pasach oraz obrót dłoni wokół koła kierownicy (kciuki są odginane w kierunku wewnętrznej części kierownicy). Proces ten trwa do uderzenia kolanami w deskę rozdzielczą. Następnie postępuje odginanie kciuków do momentu rozchylenia rąk i utraty ich kontaktu z kierownicą. W tym momencie dolna część pasa blokuje dalsze przemieszczanie miednicy manekina, szybko maleje kąt pomiędzy udami i klatką piersiową, a głowa pochyla się w kierunku kierownicy. W dalszym etapie ręce uderzają w deskę rozdzielczą na wysokości wyświetlacza, górna część tułowia zatrzymuje się, przez co szyja osiąga maksymalne ugięcie tworząc kąt pomiędzy twarzą a klatką piersiową ok Od tego momentu ciało kierowcy zmienia kierunek ruchu i przemieszcza się w stronę fotela. Pozycja kierowcy w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy została przedstawiona na rysunkach 4 i

4 Rys. 4. Pozycja kierowcy w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy (widok z boku - z lewej strony, widok z góry - z prawej strony). Rys. 5. Pozycja kierowcy w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy (widok z przodu). W przypadku kierowcy wykorzystującego gałkę przymocowaną do kierownicy początek drugiego etapu analizy jest zbliżony do wariantu bez dodatkowego oprzyrządowania. Kierowca przesuwa się na fotelu w stronę kierownicy aż do momentu uderzenia prawą ręką i kolanami w deskę rozdzielczą. W tym momencie dochodzi również do silnego zgięcia dłoni, która wewnętrzną częścią zapiera się o podstawę gałki. Dłoń ta pozostaje w tej pozycji do końca analizy, co powoduje odchylanie na zewnątrz lewego łokcia. Dłuższa droga prawej ręki oraz brak wyhamowania obu górnych kończyn manekina powoduje mniejsze wytracenie energii kinetycznej głowy, przez co uderza ona w górną część kierownicy. Pozycję kierowcy w tym momencie przedstawiono na rysunkach 6 i 7. W dalszej części analizy ciało kierowcy zmienia kierunek ruchu i przemieszcza się w stronę oparcia fotela. Rys. 6. Pozycja kierowcy wykorzystującego gałkę w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy (widok z boku - z lewej strony, widok z góry - z prawej strony). 4122

5 Rys. 7. Pozycja kierowcy wykorzystującego gałkę w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy (widok z przodu - z lewej strony, deformacja czaszki w wyniku uderzenia w koło kierownicy - z prawej strony). Bardzo zbliżony do drugiego przypadku jest wariant ze specjalistycznym uchwytem. Różnica jest zauważalna od chwili uderzenia prawą dłonią w deskę rozdzielczą. W tym przypadku głowa przemieszczając się w stronę kierowcy obciera o wewnętrzny pręt, przesuwając się po nim, a na końcu uderza w górną część koła kierownicy. Moment ten przedstawiono na rysunkach 8 i 9. W końcowym etapie analiz ciało kierowcy przemieszcza się w stronę fotela. Rys. 8. Pozycja kierowcy wykorzystującego uchwyt w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy (widok z boku - z lewej strony, widok z góry - z prawej strony). Rys. 9. Pozycja kierowcy wykorzystującego uchwyt w chwili maksymalnego wychylenia w kierunku kierownicy (widok z przodu - z lewej strony, deformacja czaszki w wyniku uderzenia w koło kierownicy - z prawej strony). 4123

6 3. ANALIZA WYNIKÓW W trakcie symulacji numerycznych analizowano zachowanie manekina w trakcie zderzenia czołowego, bez i z wykorzystaniem dwóch rodzajów uchwytów na kierownicę. Jest to proces bardzo dynamiczny, gdyż dochodzi w nim do całkowitego zatrzymania pojazdu przemieszczającego się z prędkością ok 55 km/h na odcinku ok. 700 mm. Powoduje to bardzo dynamiczne zmiany położenia kierowcy. Analizując przemieszczenie środka ciężkości manekina względem podstawy fotela (rys. 10) można zauważyć, że w przypadku braku oprzyrządowania na kierownicy jest ono większe o ok. 38 %. Jest to spowodowane innym sposobem trzymania kierownicy. Bez oprzyrządowania ręce bardzo szybko tracą kontakt z kierownicą, co sprawia, że energia kinetyczna tułowia jest wytracana głównie poprzez działanie pasów bezpieczeństwa. Rys. 10. Przemieszczenie wzdłużne środka ciężkości manekina względem podstawy fotela. Analizując natomiast przemieszczenie poprzeczne środka ciężkości (rys. 11) widoczna jest tendencja do przesuwania miednicy w kierunku drzwi, co jest spowodowane głównie niesymetrycznym sposobem działania pasów. W przypadku bez oprzyrządowania przesunięcie to następuje wcześniej, co należy wiązać z brakiem zablokowania w uchwycie lewej ręki, co z kolei przeciwdziała przesuwaniu całego ciała. Wspomniane wcześniej przesunięcie następuje dopiero później, gdy odchylany jest na zewnątrz lewy łokieć. 4124

7 Rys. 11. Przemieszczenie poprzeczne środka ciężkości manekina. Bardzo dynamiczny przebieg zderzenia ma znaczący wpływ na obrażenia kierowcy doznawane w trakcie tego procesu. Jednym z parametrów mówiącym o szansach przeżycia uczestnika wypadku jest przyspieszenie środka ciężkości głowy. Przebieg tego przyspieszenia w trakcie analizowanych przypadków przedstawiono na rysunku 12. W wariancie bez dodatkowego oprzyrządowania maksymalne przyspieszenie wynosi ok. 66 g, a jego narastanie jest dość łagodne. W pozostałych przypadkach występują piki związane z uderzaniem głowy w kierownicę i uchwyt. Gdy manekin miał rękę położoną na gałce, maksymalne przyspieszenie wynosiło 354 g. W jego przebiegu widoczny jest pojedynczy pik odpowiadający uderzeniu głowy w górną część koła kierownicy. Na przebiegu odpowiadającemu uchwytowi widoczne są dwa piki. Pierwszy z nich występuje w momencie zetknięcia głowy z uchwytem, drugi w chwili uderzenia w górną część koła kierownicy. Maksymalna wartość przyspieszenia środka ciężkości głowy wynosi ok. 198 g. 4125

8 Rys. 12. Przyspieszenie wypadkowe środka ciężkości głowy manekina. Na podstawie otrzymanych przebiegów możliwe było obliczenie tzw. kryterium urazu głowy HIC (ang. Head Injury Criterion) przyjęte przez National Highway Traffic Safety Administration. Kryterium to jest wyrażone w postaci wzoru [3]: 2 1 t2 t1 2,5 1 HIC gwdt t t t t 2 1 max (1) 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 z gałką Tak duża wartość oznacza, że kierowca na 100% odniesie obrażenia śmiertelne podczas wypadku. W wariancie z uchwytem (HIC 1327) jest ok 10% szans na odniesienie obrażeń krytycznych, ale kierowca przeżyje. Bez dodatkowego oprzyrządowania (HIC 791) jest 80% szans na odniesienie obrażeń średnich. Tab. 1. Porównanie wartości parametru HIC. Numer przypadku Bez uchwytu Gałka Uchwyt HIC PODSUMOWANIE Podsumowując przedstawione wyniki można stwierdzić, że zastosowanie dodatkowego oprzyrządowania na kierownicy w postaci gałki lub uchwytu: zmniejsza przemieszczenia wzdłużne środka ciężkości manekina, znacznie zwiększa szanse na doznanie przez kierowcę obrażeń w trakcie zderzenia czołowego. W dalszej części pracy zostanie podjęta próba analizy zachowania manekina w trakcie zderzenia z uwzględnieniem działania poduszki powietrznej. Ponadto otrzymane wyniki zostaną odniesione do 4126

9 modelu biomechanicznego człowieka oraz dopuszczalnych obciążeń występujących w poszczególnych częściach ciała. PODZIĘKOWANIE Autorzy wyrażają podziękowanie NCBiR za finansowanie projektu INNOTECH- K2/IN2/35/182265/NCBR/13 Streszczenie Rynek motoryzacyjny oferuje wiele rozwiązań wspomagających pracę kierowcy. Wśród dostępnych rozwiązań można odnaleźć dodatkowe oprzyrządowanie mocowane na kierownicę. Występuje ono w różnej formie, od prostych gałek po skomplikowane uchwyty profilowane pod indywidualne cechy geometryczne dłoni kierowcy. Mają one dwojakie zastosowanie. Po pierwsze bardzo często korzystają z nich osoby, które w trakcie poruszania się pojazdami są zmuszone do bardzo częstej zmiany kierunku jazdy, której również często towarzyszy częsta zmiana przełożeń skrzyni biegów. W takim przypadku uchwyt zapewnia kierowcy możliwość stałego kontaktu rąk z kierownicą i drążkiem zmiany biegów, a zatem realizacja procesu kierowania jest bardziej komfortowa i wydajna. Drugi przypadek jest związany z niepełnosprawnością jednej z kończyn górnych kierowcy. W świetle przepisów ruchu drogowego oraz zasad bezpieczeństwa kierowca musi stale kontrolować kierunek ruchu pojazdu. Oznacza to, że nie może tracić kontaktu z kierownicą. Dodatkowe oprzyrządowanie pozwala na spełnienie tego warunku, a tym samym umożliwia takiej osobie samodzielne przemieszczanie się. W artykule przedstawiono wyniki analiz numerycznych, którym celem było sprawdzenie w jaki sposób montaż dodatkowego oprzyrządowania na kierownicy wpływa na zachowanie kierowcy i jego bezpieczeństwo w trakcie zderzenia czołowego. The issue of the safety of drivers using the additional set on the steering wheel in a frontal crash conditions Abstract The automotive market offers a variety of driver assistance solutions. Among the available solutions additional sets mounted on the steering wheel can be found. Those sets can be in various forms, from simple knobs to complex handles shaped for individual geometrics features of driver s hand. They are used in two ways. Firstly, they are very often used by people, who, during driving, are forced to change the driving direction including changing gear shifting. In such case, the handle gives driver an opportunity to keep constant contact with steering wheel and gear lever and therefore the driving process is much more comfortable and efficient. The second case is related to the disability of one of the upper limbs of the driver. The traffic regulations and safety rules point out that driver must control constantly a direction of movement of the vehicle. This means, that driver cannot lose contact with the steering wheel. Additional sets allow for the fulfillment of this condition and thus allows disabled people to simply drive a car. The article presents the results of numerical analyses, which aim were to verify how the additional equipment on the steering wheel affects the behavior of the driver and his safety during a frontal crash. BIBLIOGRAFIA 1. Hybrid-III Male Dummy, Humanetics Innovative Solutions, Inc., Jamroziak K., Próba oceny urazu głowy w ochronie balistycznej miękkiej, Modelowanie Inżynierskie, 42, Niezgoda T., Barnat W., Dziewulski P., Kiczko A.: Numerical modelling and simulation of road crash tests with the use of advanced CAD/CAE systems, Journal of KONBiN, 3, 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,