JACKOWSKI Jerzy 1 MICHNIKOWSKA Olga 2 Crash test źródłem informacji o obciążenich działających na dzieci podczas zderzenia WPROWADZENIE Według statystyk prowadzonych przez Komendę Główną Policji w 2013 roku zgłoszono 35847 wypadków drogowych, które zdarzyły się na drogach publicznych, w strefach zamieszkania lub strefach ruchu (rysunek 1) [4]: w porównaniu z rokiem 2011, kiedy to miało miejsce 40065 wypadków, liczba ta spadła o 4218 wypadków (-10,5%), w porównaniu z 2012 rokiem, w którym zanotowaliśmy 37046 wypadków, liczba ta spadła o 1199 wypadków (-3,2%). Rys. 1. Dane statystyczne na temat wypadków w Polsce w latach 2011-2013 [4] Z raportu Komendy Głównej Policji wynika, że tylko w 2013 roku 3 747 dzieci w wieku 0-14 lat zostało rannych, a 90 dzieci poniosło śmierć. Oznacza to, że co dwunasta ranna osoba w wypadku i co 40 ofiara śmiertelna to dziecko. Problematyka bezpieczeństwa dzieci w samochodach i na drogach jest zadaniem społecznie priorytetowym a wprowadzenie odpowiednich uregulowań prawnych oraz zwiększenie świadomości społeczeństwa w tym względzie daje wymierne korzyści w postaci zauważalnej tendencji spadkowej w liczbie ofiar dzieci w wypadkach (tabela 1). Obciążenia działające na dziecko znajdujące się w samochodzie wynikają z ruchu opóźnionego samochodu, ruchu fotelika w którym znajduje się dziecko oraz ruchu jego ciała względem fotelika. Przy czym, ruch ten jest ograniczony oddziaływaniem pasów bezpieczeństwa, konstrukcją fotelika dziecięcego i sposobem jego zamocowania w samochodzie. Skuteczność ochrony dziecka w samochodzie sprawdzana jest podczas testów zderzeniowych. W pracy zestawiono wyniki badań zderzeniowych NHTSA z udziałem dzieci (manekinów dzieci), które prowadzono na różnych pojazdach i z wykorzystaniem tego samego typu fotelików, ale pochodzących od różnych producentów. Celem opracowania było rozpoznanie i wskazanie wpływu fotelika (producenta) i jego umieszczenia w samochodzie na stan obciążeń poszczególnych części ciała dziecka. 1 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, tel. +48 22 683-92-76, jjackowski@wat.edu.pl 2 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, omichnikowska@wat.edu.pl 4646
Tab.1. Zestawienie danych statystycznych dotyczących ofiar wypadków, rannych i zabitych wśród dzieci i młodzieży wg grup wiekowych [4] Grupa Charakter Wypadki Zabici Ranni wiekowa uczestniczenia 2012 2013 2012 2013 2012 2013 0-6 Kierujący 36 30 1 1 35 29 Pasażer 816 789 22 18 821 806 Pieszy 298 283 8 12 336 327 7-14 Kierujący 641 620 9 15 632 608 Pasażer 762 775 23 26 980 1025 Pieszy 1126 957 26 18 1141 952 Ogółem 3679 3454 89 90 3945 3747 1 TEST ZDERZENIOWY Z UDZIAŁEM DZIECI Test zderzeniowy (ang. crash test) przeprowadzany jest w warunkach laboratoryjnych i ma na celu sprawdzenie, czy dany pojazd lub jego element jest bezpieczny. Podczas testu rejestruje się obraz wideo oraz sygnały z czujników umieszczonych w manekinach. Po wykonaniu testu dane te są szczegółowo analizowane [8]. Testy zderzeniowe z udziałem manekinów dzieci służą ocenie skuteczności zabezpieczenia dzieci, czyli ocenie działania fotelików dla dzieci oraz elementów utrzymujących (pasów bezpieczeństwa) dzieci [1,2]. W Regulaminie EKG ONZ nr 44 Urządzenie przytrzymujące dla dzieci oznacza układ części, który może obejmować zespół taśm lub części elastycznych z klamrą zabezpieczającą, elementami regulującymi, elementami mocującymi, a w niektórych przypadkach dodatkowe urządzenie, takie jak przenośne łóżeczko, nosidełko dla niemowląt, dodatkowy fotel i/lub osłonę przed uderzeniem, które mogą być umieszczone w pojeździe o napędzie silnikowym. Urządzenie jest tak zaprojektowane, aby zmniejszyć ryzyko zranienia użytkownika w przypadku zderzenia lub nagłego spowolnienia pojazdu poprzez ograniczenie ruchów jego ciała [3]. W czasie testów zderzeniowych wykorzystuje się manekiny odwzorowujące cechy ludzkiego ciała w zależności od wieku i masy. Wśród manekinów przedstawiających dzieci wykorzystuje się manekiny serii P lub też nowsze serii Q (tabela 1, tabela 2). Dzięki ulepszeniom w budowie odwzorowującym anatomię żeber, miednicy, barków i obojczyków dziecka, manekiny serii Q lepiej odwzorowują rozkład masy, bazujący na współczesnych pomiarach centylowych dzieci. Oprzyrządowanie głowy pozwala na pomiar przyspieszeń kątowych i liniowych, a szyi - na pomiar sił i momentów. Klatkę piersiową i miednicę dzieci wyposażono w akcelerometry liniowe. Możliwy jest także elektroniczny pomiar nacisków i ugięcia, zaś dla kręgosłupa szyjnego pomiar sił i momentów [6]. Rys. 2. Manekiny odwzorowujące sylwetki dzieci, od lewej: 12 miesięcznego, 6 latka i 3 latka [5] 4647
Tab. 2: Zestawienie manekinów używanych obecnie w niezależnych testach fotelików i ich wagi [6]: Model manekina Q0 Q1 Q1.5 Q3 Q6 P10 Masa [kg] 3,4 9,6 11,1 14,5 23,0 32,0 Tab. 3: Zestawienie manekinów używanych testach fotelików [6]: Rodzaj fotelika manekin Masa dziecka (grupa ECE) mniejszy manekin większy 0 do 10 kg Q0 Q1 0+ do 13 kg Q0 Q1.5 I 9-18 kg Q1 Q3 II 15-25 kg Q3 Q6 III 22-36 kg Q6 P10 W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki testów zderzeniowych z udziałem dzieci wyselekcjonowanych z bazy danych National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) [7]. Testy zderzeniowe wykonywane były doprowadzając do zderzenia samochodu z barierą sztywną przy prędkości 56 ± 0,5 km/h. Na rysunku 3 zestawiono przebiegi przyspieszeń zmierzonych na podłodze czternastu różnych modeli samochodów, ale o zbliżonej wartości masy. Następnie z pośród wskazanych testów wyselekcjonowano te o zbliżonych przebiegach (rysunek 4). Ponieważ przebiegi przyspieszeń mierzono w sąsiedztwie miejsca zamocowania fotelika z manekinem dziecka, sygnał ten można traktować, jako wymuszenie działające na dziecko (z fotelikiem). Rys. 3. Przebiegi przyspieszeń zarejestrowane na podłodze w testach zderzeniowych różnych samochodów Wyselekcjonowane testy dotyczyły następujących modeli samochodów: Honda Accord, model z roku 2001 w 4- drzwiowej wersji z silnikiem 2,3l; dalej oznaczana HONDA I (rysunek 5a) Chevrolet Cavalier, model z roku 2003 w 2- drzwiowej wersji z silnikiem 2,2l (rysunek 5b) Chevrolet Avalanche, model z roku 2003 w wersji SUV z silnikiem 5,3l (rysunek 5c) Honda Accord, model z roku 2003 w 4- drzwiowej wersji z silnikiem 2,4l; dalej nazywana HONDA II (rysunek 5d) 4648
Rys. 4. Przebiegi przyspieszenia uzyskiwane przez podłogę samochodów wybranych do analizy a b c d Rys. 5. Fotografie sylwetek samochodów dla wyselekcjonowanych testów zderzeniowych W samochodach tych pasażerami tylnych siedzeń były dzieci (manekiny) posadowione w fotelikach dla dzieci, w wieku 12 miesięcy tyłem do kierunku jazdy w samochodzie HONDA II i 3 lata przodem do kierunku jazdy w pozostałych autach - rysunku 6. Wszystkie foteliki wyposażone były w system LATCH i posiadały 5-punktowe pasy zabezpieczające, pochodziły jednak od różnych producentów (rysunki 7 i 8) 4649
Rys. 6. Manekiny posadowione w fotelikach przed testem zderzeniowym [7] Lewa strona samochodu Prawa strona samochodu Honda I Evenflo Horizon (a) Fisher Price Safe Embrance II (b) Chevrolet Cavalier Brak GRACO Century 1500 (c) Chevrolet Avalanche Evenflo Titan (d) Evenflo Vanguard 5 (e) Honda II Evenflo Vanguard 5 (f) tyłem do kierunku jazdy Evenflo Vanguard 5 (g) przodem do kierunku jazdy Rys. 7. Rozmieszczenie fotelików w samochodach wybranych do analizy [7] 4650
Rys. 8. System LATCH mocowania fotelika w samochodzie: 1 - paski LATCH, 2 - górny pasek mocujący, 3 - zaczep mocujący, 4,5 - alternatywne punkty mocowania (kotwiczenia) górnego paska w samochodzie [7] 2 WYNIKI BADAŃ Na rysunku 9 zestawiono przebiegi obciążeń części ciała manekinów i fotelików umieszczonych we wskazanych samochodach odpowiednio po lewej i prawej jego stronie: przyspieszenie głowy manekina, w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu samochodu (oś x) i wypadkowe (dla kierunków x,y,z), przyspieszenie torsu manekin, w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu samochodu i wypadkowe, przyspieszenie miednicy manekina, w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu samochodu i wypadkowe, przyspieszenie podłogi samochodu (oś x) obciążenie (napięcie) górnego paska mocującego 2 (rysunek 8) łączącego fotelik umieszczony przodem do kierunku jazdy z siedziskiem samochodu. Już wstępna analiza przebiegów zestawionych na rysunku 9 wskazuje, że mimo zbliżonego poziomu i przebiegu wymuszenia obciążeń (przebieg zaznaczony na rysunku linią przerywaną koloru pomarańczowego) przebiegi obciążeń części ciała dziecka umieszczonego w innym samochodzie i w innym foteliku mają przebieg odmienny. Potwierdzają to również wartości wskaźnika HIC, które zestawiono w tabeli 4. Wartości wskaźnika biomechanicznego HIC (Head Injury Criterion) obliczyć można przy pomocy wzoru opracowanego przez J. Versace [9]: gdzie: (t 2 t 1 ) - przedział czasu, w którym przebieg wypadkowego przyspieszenia głowy uzyskuje swoje maksimum, np. HIC 36 oznacza analizowany przedział o długości 36ms, a(t) - przyspieszenie (opóźnienie) środka masy głowy wyrażone w krotności g (g przyspieszenie ziemskie). Tab. 4. Wartości wskaźnika obrażeń głowy dzieci HIC 36 lewa prawa Honda I 764 614 Chevrolet C - 508 Chevrolet A 542 502 Honda II - 366 4651
Rys. 9. Zestawienie przebiegów obciążeń części ciała manekinów i fotelików umieszczonych w samochodach pokazanych na rysunku 5 Wartości wskaźnika HIC 36 dla wszystkich badanych pojazdów i fotelików nie przekraczają wartości dopuszczalnej 900, która jest graniczną dla dziecka w wieku do 3 lat. Może to wskazywać, 4652
że obciążenia głowy nie będą śmiertelne. Największe wartości wskaźnika odnotowano dla dziecka umieszczonego w samochodzie Honda I, mniejsze w obu modelach samochodu Chevrolet a najmniejsze dla samochodu Honda II. We wszystkich przypadkach po prawej stronie samochodu znajdował się manekin dziecka 3 letniego, umieszczony przodem do kierunku jazdy w fotelikach o zbliżonej konstrukcji (w samochodach Chevrolet Avalanche i Honda II nawet ten sam producent). Wskazana znaczna różnica wartości HIC, przy zbliżonych przebiegach wymuszenia i zbliżonym sposobie zabezpieczenia dziecka (konstrukcja fotelika, zapięcie dziecka pasami), może wskazywać na różnice w sposobie umieszczenia fotelika na siedzisku fotela samochodu. Na rysunku 10 zestawiono przebiegi przyspieszenia głowy i torsu. W przypadku samochodu Chevrolet Avalanche ekstremalne obciążenia głowy (49g) i torsu są wprawdzie najmniejsze spośród rozpatrywanych pojazdów, ale z kolei najdłuższy czas występowania przeciążeń głowy >30g (0,035s) sprawia, że HIC 36 =502 dla tego dziecka w tym samochodzie jest znacznie większy niż dla samochodu Honda II (HIC 36 =366, przy tym samym typie i producencie fotelika), dla którego odnotowano ekstremalną wartość opóźnienia 55g. Rys. 10. Zestawienie przebiegów przyspieszenia głowy i torsu dziecka (z prawej strony samochodu) Analiza wyników badań wskazuje także na znaczący wpływ fotelika. Podczas próby zderzeniowej prowadzonej dla samochodów Chevrolet Avalanche oraz Honda I, na tylnych siedzeniach umieszczono manekiny dzieci w fotelikach o zbliżonym typie, lecz różnych producentów. Różnica w wartościach wskaźnika HIC 36 określonego dla manekinów umieszczonych w różnych fotelikach wynosi ok. 8% dla samochodu Chevrolet i ok. 25% dla samochodu Honda I. Zestawione na rysunku 9 wyniki badań wskazują na rozbieżności zarówno w poziomie jak i w charakterze przebiegów siły w pasku przytrzymującym fotelik oraz przyspieszeń poszczególnych części ciała (głowy, torsu i miednicy) dziecka pomimo praktycznie takiego samego przebiegu sygnału przyspieszenia zmierzonego na podłodze samochodu. W samochodzie Honda I przebiegi przyspieszenia głowy dzieci siędzących po lewej i prawej stronie mają np. zbliżony charakter mimo silniejszego przytrzymania fotelika Fisher Price Embarance. Siła zmierzona w górnym pasku podtrzymującym fotelika Fisher Price Embarance jest o ponad 1000N większa niż zmierzona dla fotelika Evenflo Horizon. Podobne relacje odnotowano w samochodzie Chevrolet Avalanche przy stosowaniu fotelików Evenflo Titan i Evenflo Vanguard 5. Wskazane różnice w obciążeniach nie dają się jednak wprost powiązać z przebiegami przyspieszeń poszczególnych części ciała manekinów. Ponieważ foteliki należą do jednej grupy różnice w przebiegach przyspieszeń wynikać mogą z niuansów konstrukcyjnych (sposobie jego wyprofilowania, zamocowania pasów przytrzymujacych manekin oraz zastosowania odmiennych materiałów), które mogą wpływać na zachowanie się fotelika i manekina w czasie zderzenia np. wykorzystanie elementu sztywnego jakim jest osłona z przodu w strefie brzucha w foteliku Evenflo Titan (rysunek 7d), możliwości regulacji pochylenia fotelika jaką ma model Evenflo Vanguard 5 (rysunek 7e) lub monobryłowość jaką reprezentują foteliki Evenflo Horizon (rysunek 7a) i Fisher Price Safe Embrance II (rysunek 7b). Niestety w raportach NHTSA nie podaje się tak szczegółowych 4653
informacji o budowie zastosowanych fotelików i dlatego w tym względzie trudno jest przeprowadzić szczegółową analizę. Ciekawe wydaje się być także zestawienie wyników pomiarów dla różnych typów samochodów Chevrolet. Niski poziom wartości siły w pasku przytrzymującym w samochodzie Chevrolet Cavalier może wskazywać na sztywniejszą konstrukcję nośną fotelika oraz sztywniejsze połączenie podstwy fotelika z tym samochodem. Jednocześnie, dla tego auta obserwuje się, że przypieszenia torsu i miednicy mają przebiegi bardziej gwałtowne, a wartości maksymalne są o ponad 50% większe w porównaniu do innych samochodów. Wydaje się, że te różnice są mogą być przede wszystkim efektem odmiennej konstrukcji samochodu (SUV) oraz innym, wyższym usytuowaniem fotelika w stosunku do podłogi samochodu. Na dolnych wykresach rysunku 9 zestawiono wyniki badań dla próby zderzeniowej samochodu Honda II prowadzonej z udziałem dwóch różnych manekinów umieszczonych obok siebie. Na tylnym lewym siedzisku w foteliku usytuowanym tyłem do kierunku jazdy umieszczono manekin 12 miesięcznego dziecka, a po prawej stronie w takim samym foteliku, ale usytuowanym przodem do kierunku jazdy umieszczono manekin dziecka 3 letniego. Niestety w tym teście czujnik umieszczony w głowie manekina 12 miesięcznego dziecka uległ uszkodzeniu, co skutkuje brakiem informacji na temat przyspieszenia tej części ciała. Ale ponieważ przy ustawieniu fotelika tyłem do kierunku jazdy podczas hamowania pojazdu ruch głowy i torsu ograniczony jest przez oparcie fotelika, można więc oczekiwać, że charakter obciążeń obu tych części ciała będzie podobny. Porównując jednak przebiegi dla obu manekinów, zaskakujące są zdecydowanie większe wartości przyspieszenia torsu dziecka posadowionego w foteliku tyłem do kierunku jazdy. Może to być spowodowane tym, iż fotelik tak ustawiony nie ma górnego paska przytrzymującego, przez co oparcie fotelika podlegało innym obciążeniom i przemieszczeniom. Na rysunku 11 zestawiono przebiegi siły rozciągającej szyję dziecka przy różnym zwrocie kierunku umieszczenia fotelika. Przy usytuowaniu fotelika tyłem do kierunku ruchu samochodu obciążenie szyi jest prawie dwukrotnie mniejsze. Rys. 11. Przebiegi siły rozciągającej szyję dziecka w czasie testu PODSUMOWANIE Przebiegi obciążeń rejestrowanych podczas testów zderzeniowych z udziałem dzieci pozwalają na uzyskanie szeregu informacje o poziomie ich zabezpieczenia przy pomocy fotelików. W pracy zestawiono i przeanalizowano wyniki testów NHTSA prowadzonych z udziałem manekinów dzieci umieszczonych w różnych samochodach i z wykorzystaniem fotelików pochodzących od różnych producentów. Mimo, że w badaniach nie stwierdzono występowania niebezpiecznych dla życia przeciążeń, to wskazano jednak na istotne różnice w ich poziomie i przebiegu. Zaobserwowano, że charakter przeciążeń w oczywisty sposób zależy od konstrukcji samochodu (np. rodzaju samochodu), ale także od producenta tego samego typu fotelika i od jego połączenia i usytuowania na siedzisku samochodu. Przedstawione wyniki analiz autorzy traktują także jako rozpoznawcze do ustalenia zakresu i przeprowadzenia własnych badań laboratoryjnych prowadzonych z udziałem dzieci. Streszczenie W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki testów zderzeniowych wyselekcjonowanych z bazy danych 4654
National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) w ujęciu bezpieczeństwa dzieci podróżujących w samochodach.. Testy zderzeniowe wykonywane były w warunkach laboratoryjnych, gdzie prędkość zderzenia wynosiła 56 ± 0,5 km/h. Istotnymi informacjami pozyskiwanymi z testu zderzeniowego są obciążenia pochodzące od nadwozia jakie przenoszą się na użytkowników generując przyspieszenie poszczególnych części ciała dziecka. Obciążenia działające na dziecko znajdujące się w samochodzie wynikają z ruchu opóźnionego samochodu, ruchu fotelika w którym znajduje się dziecko oraz ruchu jego ciała względem fotelika. Przy czym, ruch ten jest ograniczony oddziaływaniem pasów bezpieczeństwa, konstrukcją fotelika dziecięcego i sposobem jego zamocowania w samochodzie. W artykule zestawiono przebiegi przyspieszenia (wynikowe i składowe) jak również wartości wskaźnika HIC głowy manekina dziecka w czasie zderzenia posadowionego w fotelikach tego samego typu, ale różnych producentów. Analiza zestawionych wyników wskazała, że pomimo zbliżonego przebiegu sygnału wymuszenia określonego na podłodze samochodu, zdecydowanie odmienne są przebiegi obciążeń poszczególnych części ciała dziecka. Crash test source of information about the loads acting on the child during a crash Abstract In this paper presents the results of crash tests selected from the database the National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) in terms of the safety of children traveling in cars. Crash tests were performed in the laboratory, where the impact velocity was 56 ± 0.5 km / h. Important information obtained from the crash test are loads derived from the vehicle body which are transferred to the passengers generating the acceleration of each part of the child body. The loads acting on the child in the car due to deceleration of the car, moving the car seat where the child and his body movement relative to the seat. At the same time, this movement is limited by impact of seat belts, child seat design and the way of its installed in the car. The article summarizes the acceleration waveforms (consequential and components) as well as the child dummy head HIC ratio during the impact when the dummy is seated in the seats of the same type, but different manufacturers. Summary of results analysis indicated that, despite the similarity of force waveforms, signal measured on the floor of the car, definitely different are loads waveforms of individual body parts of the child. BIBLIOGRAFIA 1. Abdelilah Y., Sherwood C., Marshall R., Crandall J.: Response of the Hybrid III 3 years old and CRABI 12 month old Dummies in FFCRS and RFCRS in Simulated Frontal Impacts, Injury Biomechanics Symposium, Ohio, 2005. 2. Dziewoński T., Muszyński A., Rzymkowski C., Świetlik M., Zielonka K.: Wybrane problemy bezpieczeństwa dzieci uczestniczących w zderzeniach bocznych samochodów osobowych, Logistyka 3-2014, s. 1562-1571. 3. Regulamin nr 44 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ) Jednolite przepisy dotyczące homologacji urządzeń przytrzymujących dla dzieci przebywających w pojazdach o napędzie silnikowym ( urządzenia przytrzymujące dla dzieci ), Uzupełnienie 43: Regulamin nr 44, Uwzględniająca wszystkie obowiązujące teksty, w tym: Serię poprawek 04 Data wejścia w życie: dnia 23.06.2005 r. 4. Wypadki drogowe w Polsce w 2013 roku, Komenda Główna Policji, Warszawa 2014. 5. www.calspan.com 6. www.fotelik.info 7. www.nhtsa.gov 8. www.wikipedia.pl 9. Versace J.: A Review of the Severity Index. Proceedings of the 15th Stapp Car Crash Conference, SAE Paper No. 710881, 1970, s. 771-796. 4655