DAMAZIAK Krzysztof 12 MAŁACHOWSKI Jerzy 1 MAZURKIEWICZ Łukasz 1 MUSZYŃSKI Artur 1 Test zderzenia bocznego urządzenia przytrzymującego dziecko w pojeździe - ujęcie numeryczne WSTĘP Zmniejszenie obciążeń dynamicznych działających na dziecko podczas zderzenia bocznego samochodu jest szczególnie ważne w odniesieniu do małych dzieci, które są znacznie mniej odporne na działanie obciążeń dynamicznych w porównaniu z osobami dorosłymi. Wynika to z niekorzystnych proporcji ciała dziecka. Szczególnie dotyczy to stosunku rozmiarów i masy głowy do rozmiarów masy reszty ciała; np. u dziecka mającego 2 lata stosunek długości głowy do długości ciała wynosi 1/5 podczas gdy w wieku 15 lat stosunek ten wynosi 1/7. Główka noworodka stanowi aż 25% całkowitej masy ciała dziecka (dla człowieka dorosłego 6%). W połączeniu ze słabo ukształtowanym w tej fazie rozwoju kręgosłupem, szczególnie w obszarze kręgów szyjnych dziecka, sprawia to, że możliwe jest wystąpienie poważnych obrażeń przy oddziaływaniu nawet niewielkiego opóźnienia podczas wypadku drogowego. Co więcej, nawet niewielkie urazy głowy małego dziecka mogą być przyczyną uszkodzenia mózgu, ponieważ nie są jeszcze zrośnięte spojenia kości czaszki (ciemiączka). Również wytrzymałość układu kostnego małego dziecka, gdzie dominuje tkanka chrzęstna, jest znacznie mniejsza w porównaniu z układem kostnym ludzi dorosłych. [7] Konstrukcje obecnie proponowanych urządzeń przytrzymujących dzieci przewożonych w pojazdach w stosunkowo niewielkim stopniu uwzględniają zagrożenia występujące w czasie zderzenia bocznego. Wynika to z faktu, że obowiązujące do niedawna wymagania homologacyjne dla urządzeń przytrzymujących dzieci przewożonych w pojazdach (tj. wymagania, które musi spełniać urządzenie aby mogło być stosowane w pojazdach i sprzedawane na rynku) zdefiniowane były tylko na podstawie wyników badań zderzenia czołowego. Nowo wprowadzony Regulamin UN/ECE 129 uwzględnia test zderzenia bocznego. W artykule autorzy przedstawili koncepcję zmian konstrukcyjnych urządzenia przytrzymującego, których celem jest zwiększenie bezpieczeństwa dzieci przewożonych w pojazdach w czasie wypadku drogowego. 1. NOWE WYTYCZNE W ZAKRESIE HOMOLOGACYJI URZĄDZEŃ PRZYTRZYMUJĄCYCH DZIECI PRZEWOŻONYCH W POJAZDACH O NAPĘDZIE SILNIKOWYM Wymagania homologacyjne w zakresie bezpieczeństwa przewozu dzieci w pojazdach do połowy roku 2013 jednoznacznie definiował Regulamin nr 44 (EKG/ONZ) oraz Prawo o ruchu drogowym. W dniu 9 lipca 2013 roku Europejska Komisja Gospodarcza (EKG) zatwierdziła a następnie wprowadziła w życie nową regulację. W międzyczasie 60 krajów, w tym również Polska podpisały i zaakceptowały porozumienie dotyczące nowego regulaminu. Obecnie producenci fotelików bezpieczeństwa dla dzieci mogą uzyskać świadectwo homologacji na podstawie Regulaminu 44 lub Regulacji UN/ECE R129 (i-size). Jednostką upoważnioną do wykonywania tego typu badań w Polsce jest Przemysłowy Instytut Motoryzacji. Docelowo nowo wprowadzone wytyczne mają zastąpić całkowicie dotychczasowe wymagania homologacyjne zdefiniowane tylko na podstawie wyników badań zderzenia czołowego. Do tego czasu foteliki dopuszczone przez normę ECE R44/04 będą mogły nadal być sprzedawane i używane. 12 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, 00-908 Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Tel. +48 22 683 96 83, email: amuszynski@wat.edu.pl 1251
Teoretycznie Regulacja UN ECE R129 została opracowana, aby zwiększyć bezpieczeństwo dzieci przewożonych w pojazdach. Zmiany zapisane w nowych wytycznych dotyczą głównie: wprowadzenia obowiązkowej jazdy dziecka w pozycji tyłem do kierunku ruchu do ukończenia 15 miesiąca życia, rezygnacja z kryterium masy na rzecz wzrostu dziecka w centymetrach przy klasyfikacji urządzenia przytrzymującego, wprowadzenia dynamicznej próby zderzeniowej z symulacją penetracji, czyli wgniecenia bocznej struktury drzwi pojazdu. 1.1. Kategorie urządzeń przytrzymujących - umiejscowienie dziecka w pojeździe Według obowiązujących do tej pory w Europie standardów zdefiniowanych według Regulaminu UN/ECE 44 foteliki bezpieczeństwa dzieli się na pięć grup wagowych: Grupa 0 dla dzieci o wadze do 10 kg, Grupa 0+ dla dzieci o wadze do 13 kg, Grupa I dla dzieci o wadze od 9 do 18 kg, Grupa II dla dzieci o wadze od 15 do 25 kg, Grupa III dla dzieci o wadze od 22 do 36 kg. Obowiązujące normy według Regulaminu UN/ECE 44 dopuszczają możliwość przewożenia dzieci w fotelikach bezpieczeństwa w pozycji przodem do kierunku jazdy od 9 kg jego masy. Dolne kryterium wagowe dziecka dla pierwszej grupy homologacyjnej często błędnie interpretowane jest przez rodziców jako dziewiąty miesiąc życia co może wiązać się z przewożeniem dziecka za wcześnie w pozycji przodem do kierunku jazdy. Nowe przepisy i-size wprowadzają główną klasyfikację urządzeń przytrzymujących na podstawie wzrostu dziecka (ewentualnie wieku dziecka). Rys. 1 Wymiary geometryczne według i-size [1] Regulacja UN ECE R129 jasno określa konieczność bezwzględnego stosowania fotelików skierowanych tyłem do kierunku jazdy dla dzieci do 15-go miesiąca życia i przynajmniej 83 cm jego wzrostu. Urządzenie przytrzymujące w pozycji przodem do kierunku jazdy nie może zapewnić możliwość przewożenia dziecka w pojeździe poniżej 71 cm jego wzrostu. 1252
1.2. Test zderzenia bocznego według Regulaminu 129 Nowy Regulamin UN/ECE 129 obejmuje, poza testem zderzenia czołowego, dynamiczne próby zderzeniowe z symulacją penetracji, czyli wgniecenia bocznych elementów drzwi pojazdu z wykorzystaniem antropomorficznych manekinów serii Q. W porównaniu z dotychczas stosowaną serią P mają one znacznie zwiększone możliwości pomiarowe. Oprzyrządowanie głowy manekina pozwala na pomiar przyspieszeń kątowych i liniowych, a szyi na pomiar sił i momentów. Dodatkowo klatkę piersiową i miednicę wyposażono w akcelerometry liniowe. Dla brzucha możliwy jest elektroniczny pomiar nacisków i ugięcia, zaś dla kręgosłupa lędźwiowego pomiar sił i momentów. Rys. 2 Antropomorficzne manekiny serii Q [4] Na rysunku nr 2 przedstawione jest stanowisko badawcze wykonane zgodnie z wytycznymi zawartymi w nowym Regulaminie UN/ECE 129. Rys. 3 Stanowisko do symulacji zderzenia bocznego wykonane według UN ECE R129 [3] Dla zderzenia bocznego charakterystyka względnej prędkości pomiędzy wózkiem badawczym a panelem odwzorowującym boczną strukturę drzwi pojazdu zdefiniowana jest w funkcji czasu. 1253
Rys. 4 Charakterystyka względnej prędkości wózka badawczego w funkcji czasu [1] W porównaniu z dotychczas obowiązującym Regulaminem UN/ECE 44 podczas testu homologacyjnego urządzenia przytrzymującego według nowej regulacji rejestrowane będą dodatkowo opóźnienia w głowie oraz obciążenia w szyi manekina. W początkowym okresie obowiązywania Regulaminu UN/ECE 129 obciążenia w szyi zarejestrowane podczas próby nie będą stanowiły kryterium homologacyjnego. Rys. 5 Kryteria dla symulacji zderzenia bocznego według UN ECE R129 [1] 1.3. Uwagi dotyczące procedury homologacji fotelików bezpieczeństwa Nowo wprowadzone wytyczne, ze względu na wprowadzenie antropomorficznych manekinów serii Q, znacząco zwiększają możliwości pomiarowe podczas testów homologacyjnych. Nowo 1254
wprowadzone wytyczne teoretycznie zostały opracowane, aby zwiększyć bezpieczeństwo dzieci przewożonych w pojazdach. Test zderzenia bocznego według nowych wytycznych znacząco odbiega od rzeczywistego przebiegu wypadku drogowego, ze względu na możliwość przemieszczania się punktów mocowania systemu ISOFIX (znajdujących się na wózku badawczym) w kierunku prostopadłym do osi wzdłużnej siedziska. Według autorów procedury homologacyjne urządzeń przytrzymujących nadal nie uwzględniają: testu bocznego zderzenia od strony przeciwnej do strony po której na siedzeniu tylnym zamocowane jest urządzenie przytrzymujące, oceny stopnia urazów kończyn dolnych podczas zderzenia czołowego ze względu na brak konieczności wykonywania tego typu badań z fotelem przednim pojazdu, analizy drgań pionowych ze względu na ocenę komfortu podróżowania dziecka w pojeździe. Badania przeprowadzone w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji w warunkach testu zderzenia od strony przeciwnej do strony po której na siedzeniu tylnym zamocowane jest urządzenie przytrzymujące jednoznacznie wskazują że stopień ochrony jaki może zapewnić dziecku przewożonemu w samochodzie osobowym fotelik bezpieczeństwa zależy od bardzo wielu czynników i generalnie jest nie wystarczający. W ramach badań wykonano 9 testów, w warunkach obciążeń odpowiadających zderzeniom bocznym, dla bardzo zbliżonych profili opóźnienia z wartością maksymalną na poziomie 20g. We wszystkich przypadkach foteliki mocowane były za pomocą systemu ISOFIX. Zagadnienie jest bardzo skomplikowane i wymaga wielu dalszych prac badawczych. Rys. 6 Wyniki testu fotelika bezpieczeństwa T03 [5] 2. KONCEPCJA ZMIAN KONSTRUKCYJNYCH FOTELIKA BEZPIECZEŃSTWA Poszukiwanie skutecznych rozwiązań urządzeń ochronnych dla uderzenia bocznego jest znacznie trudniejsze w porównaniu z zagadnieniami występującymi w zderzeniu czołowym i tylnym. Strefa dopuszczalna deformacji uderzonego w bok samochodu jest nieporównywalnie mniejsza w porównaniu do strefy przy uderzeniu czołowym lub tylnym. Nowa konstrukcja fotelika bezpieczeństwa ma na celu zwiększyć bezpieczeństwo dziecka przewożonego w pojazdach samochodowych w czasie wypadku drogowego, w czasie którego ma miejsce uderzenie w bok pojazdu. Jej zastosowanie nie może zmniejszać skuteczności zabezpieczenia dziecka w czasie zderzenia czołowego pojazdu. Dla osiągnięcia celu postawiono zadanie skonstruowania takiego urządzenia przytrzymującego dziecko w pojeździe, które będzie pozwalało na obniżenie wartości obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka w wyniku wymuszenia bocznego, a także na uniknięcie obrażeń ciała dziecka spowodowanych deformacją nadwozia pojazdu. Urządzenie wykorzystuje powszechnie stosowany uniwersalny system mocowania fotelików bezpieczeństwa na siedzeniach samochodowych ISOFIX, oraz wyposażone jest w integralne pasy bezpieczeństwa. Dodatkowo, co najważniejsze, urządzenie przytrzymujące wyposażone jest w mechanizm, który 1255
pozwala na przemieszczanie się siedziska fotelika w stosunku do punktów mocowania ISOFIX w kierunku poprzecznym do osi wzdłużnej pojazdu. Mocowanie urządzenia w pojeździe jest jednoznaczne i zapewnia możliwość przesuwu siedziska tylko w kierunku środka pojazdu, niezależnie z której strony pojazdu zamocowano urządzenie. Mechanizm przesuwu siedziska zablokowany jest elementem blokującym o odpowiednio dobranej wytrzymałości na zrywanie (odblokowanie). Po przekroczeniu wartości progowej siły działającej na element blokujący (wynikającej z sił bezwładności działających na elementy urządzenia w czasie zderzenia bocznego) następuje zerwanie elementu blokującego (lub jego odblokowanie) umożliwiające przesuw siedziska fotelika w kierunku poprzecznym do osi wzdłużnej pojazdu. Mechanizm przesuwu siedziska fotelika wyposażony jest dodatkowo w element pochłaniający energię o odpowiednio dobranej charakterystyce, który ulega kontrolowanej deformacji w czasie przesuwu siedziska. Zastosowanie elementu pochłaniającego energię w mechanizmie przesuwu pozwala na rozproszenie niewielkiej części energii kinetycznej obiektów uczestniczących w zderzeniu, a także wydłuża czas przesuwu. Urządzenie przytrzymujące wykonane według przedstawionej wyżej koncepcji zmniejsza obciążenia dynamiczne działające na ciało dziecka przewożonego w pojeździe podczas wypadku drogowego, w czasie którego ma miejsce uderzenie w bok pojazdu. Działanie mechanizmu jest różne dla dwóch przypadków wzajemnego usytuowania pojazdu uderzającego i uderzanego: od strony zamocowania urządzenia przytrzymującego, od strony przeciwnej do strony zamocowania urządzenia przytrzymującego. W przypadku uderzenia bocznego w stronę pojazdu bardziej odległą od miejsca zamocowania fotelika bezpieczeństwa skuteczność działania urządzenia jest większa. Po odblokowaniu, w wyniku działania sił bezwładności, możliwości bocznego przesuwu siedziska, dziecko razem z siedziskiem przemieszcza się w kierunku środka pojazdu. Wartość obciążeń dynamicznych działających w tym czasie na ciało dziecka kontrolowana jest poprzez odpowiedni dobór zgniatającego się (lub rozciąganego) elementu rozpraszającego energię. Po zakończeniu fazy przesuwu siedzisko wykonane z materiału rozpraszającego energię i odpowiednio wyprofilowanych bokach, współpracując z integralnymi pasami bezpieczeństwa, oddziałuje na ciało dziecka w sposób, który pozwala rozproszyć pozostałą w układzie dziecko-siedzisko energię kinetyczną i ograniczyć wartość obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka a także ograniczyć możliwość niekontrolowanego przemieszczania się głowy dziecka. Dzięki takiemu rozwiązaniu w czasie zderzenia bocznego (w porównaniu ze standardowymi konstrukcjami urządzeń przytrzymujących) dziecko doświadcza mniejszych obciążeń dynamicznych i mniejsze jest prawdopodobieństwo zetknięcia ciała dziecka z elementami deformowanego nadwozia pojazdu. W przypadku drugim, kiedy uderzenie następuje od strony, po której siedzi dziecko mechanizm umożliwia uniknięcie poważnych obrażeń ciała wynikających z kontaktu z elementami deformowanego nadwozia pojazdu. W tym przypadku również w wyniku działania sił bezwładności następuje odblokowanie, możliwości bocznego przesuwu siedziska w kierunku środka pojazdu. Elementy deformującego się nadwozia pojazdu stanowiące największe zagrożenie dla bardzo blisko siedzącego dziecka mogą przesunąć siedzisko urządzenia a razem z nim dziecko ze strefy największego zagrożenia do środka pojazdu. Proponowane urządzenie jest łatwe do montażu (wykorzystuje system ISOFIX powszechnie stosowany do mocowania tego typu urządzeń w pojazdach) i niezawodne w działaniu (prosta niezawodna konstrukcja mechaniczna). 2.1 Numeryczne badania modelowe Podstawą do sformułowania przedstawionych wyżej wniosków były wstępne numeryczne badania modelowe dla układu z jednym translacyjnym stopniem swobody. Celem tych analiz było określenie wpływu wprowadzenia elementu zmieniającego charakterystykę przyspieszenia w układ dwóch ciał o znacznie różnych masach połączonych nieliniowym elementem sprężystym (Rys. 7). 1256
Rys. 7 Schemat badań modelowych Ciało o masie m 1 odpowiadające pojazdowi, w którym przewożone jest dziecko połączone zostało elementem dyskretnym o określonej charakterystyce siła-przemieszczenie z ciałem o masie m 2 reprezentującym dziecko wraz z przesuwną częścią urządzenia przytrzymującego. Jako wymuszenie przyjęto krzywe prędkości ciała m 1 otrzymane z całkowania po czasie przebiegów przyspieszenia z rzeczywistej próby zderzeniowej. Wyniki badań modelowych wskazują, że koncepcja wprowadzenia kontrolowanego przesuwu części urządzenia przytrzymującego wraz z dzieckiem pozwala na znaczne zmniejszenie szczytowych wartości przyspieszeń działających na układ (Rys. 8). Rys. 8 Wyniki badań modelowych przebiegi przyspieszeń w czasie Przyspieszenia działające na urządzenie przytrzymujące zostały ograniczone do wartości odpowiadającej sile ściskania (lub rozciągania) elementu rozpraszającego energię. Powoduje to wydłużenie czasu działania przyspieszeń na układ, tak aby prędkości pojazdu i fotelika zrównały się. Wprowadzając element energochłonny o określonej charakterystyce można wydłużyć czas trwania zjawiska zmniejszając jednocześnie średnią wartość poziomu przyspieszeń oddziaływujących na ciało dziecka podczas wypadku drogowego. 1257
3. MODEL NUMERYCZNY FOTELIKA BEZPIECZEŃSTWA Z SYSTEMEM ROZPRASZANIA ENERGII Na podstawie zaprezentowanych badań modelowych zaprojektowano mechanizm realizujący wypracowane założenia. Mechanizm składa się z układu prowadnic wraz z elementami energochłonnymi o określonej charakterystyce umożliwiającymi przesuw fotelika bezpieczeństwa w kierunku prostopadłym do osi wzdłużnej pojazdu (Rys. 9). Rys. 9 Urządzenie przytrzymujące z mechanizmem rozpraszania energii W celu zbadania efektywności zaproponowanego rozwiązania konstrukcyjnego przeprowadzono symulację numeryczną odwzorowującą test zderzenia bocznego. Zbudowano model numeryczny MES uwzględniający główne elementy składowe fotelika bezpieczeństwa wraz z elementami dyskretnymi odwzorowującymi elementy rozpraszające energię. Zdefiniowane zostały również odpowiednie pary kontaktowe, a w algorytmach kontaktu uwzględniono siły tarcia. Jako wymuszenie przyjęto przebiegi przyspieszeń zdefiniowane dla punktów mocowania ISOFIX, Top tether oraz podłoża. Masa siedziska fotelika została odpowiednio zwiększona, tak aby uwzględnić masę dziecka umieszczonego w foteliku. Wyniki badań przeprowadzone dla modeli z oraz bez możliwości kontrolowanego przesuwu wskazują jednoznacznie na dużą efektywność opracowanej koncepcji. Na rys. 10 zaprezentowano przebiegi przyspieszeń działających na środek masy siedziska fotelika. Wprowadzenie systemu rozpraszającego energię spowodowało znaczną redukcję wartości przyspieszeń działających na siedzisko (szczytowa wartość jest niemal dwukrotnie mniejsza). 1258
Rys. 10 Wykres przyspieszeń środka masy siedziska fotelika bezpieczeństwa dla dzieci PODSUMOWANIE Zarówno badania modelowe jak i wstępne analizy zachowania nowej koncepcji urządzenia przytrzymującego wyposażonego w mechanizm rozpraszający energię pokazują, że poprawa bezpieczeństwa dziecka przewożonego w pojeździe podczas wypadku drogowego jest możliwa poprzez wprowadzenie zmian konstrukcyjnych fotelika. Wyniki jednoznacznie wskazują że stopień ochrony, w czasie zderzenia bocznego, jaki może zapewnić dziecku przewożonemu w samochodzie osobowym fotelik bezpieczeństwa zależą od bardzo wielu czynników, zagadnienie jest bardzo skomplikowane i wymaga wielu dalszych prac badawczych. PODZIĘKOWANIE Autorzy wyrażają podziękowanie NCBiR za finansowanie projektu INNOTECH- K1/IN2/59/182901/NCBR/12. Streszczenie W pracy przedstawiono najistotniejsze zmiany procedury homologacji urządzeń przytrzymujących zdefiniowane według nowo wprowadzonego Regulaminu UN/ECE 129. Na podstawie przeglądu specjalistycznego piśmiennictwa oraz wymogów homologacyjnych dokonano wielowątkowej analizy problemów bezpieczeństwa dzieci przewożonych samochodami osobowymi w przypadku zderzenia bocznego oraz przedstawiono propozycję zmian konstrukcyjnych fotelika bezpieczeństwa w aspekcie zmniejszenia obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka podczas wypadku drogowego. Przedstawiono wyniki symulacji numerycznych dla zderzenia bocznego nowej koncepcji urządzenia przytrzymującego. Wyniki jednoznacznie wskazują że stopień ochrony, w czasie zderzenia bocznego, jaki może zapewnić fotelik bezpieczeństwa dziecku przewożonemu w samochodzie osobowym zależy od bardzo wielu czynników. Omawiane zagadnienie jest skomplikowane i wymaga wielu dalszych prac badawczych. Side impact test for child restraint systems - numerical approach Abstract The paper presents the most significant changes in the procedures approval of restraining devices defined by the UN ECE R129. On the basis of a literature review the multithreaded analysis of security problems of children transported in cars in the event of car-to-car side impact was performed. Moreover, structural modifications of safety seat for reducing dynamic loads acting on the body of a child in an accident were proposed. Finally, the results of numerical simulations of the new concept of a side impact restraint were presented. The results clearly indicate that the degree of protection of a child during side impact, which the safety seat can provide depends on many factors. It should be stressed out also that such problem is very 1259
complicated and requires additional number of tests. BIBLIOGRAFIA 1. UN/ECE Regulation 129 Uniform provisions concerning the approval of enhanced Child Restraint Systems used on board of motor vehicles (ECRS), Economic Commission for Europe of the United Nations, 2013. 2. UN/ECE Regulation 44 Uniform provisions concerning the approval of restraining devices for child occupants of power driven vehicles ( child restraint systems ), Economic Commission for Europe of the United Nations, 2005. 3. Side Impact Activity BritaxRömer - Test Rig 4. HUMANETICS Innovative Solutions http://www.humaneticsatd.com 5. Fotelik samochodowy zwiększający bezpieczeństwo dziecka przewożonego w pojeździe, w czasie zderzenia bocznego (FOBOC). Sprawozdanie z zadania 6, projekt nr INNOTECH- K1/IN2/59/182901/NCBR/12, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Warszawa 2012. 6. Świetlik M., Kędzior K., Rzymkowski C, An Attempt to Assess Efficiency of Movable Type Child Restraint System in the Event of Car Road Collision. International Crashworthiness Conference ICRASH 2012, Milano, Italy, July 18-20 2012. Proceedings CD, ISBN: 978-1-907153-02-0. 7. Dąbrowska- Wójciak, A. Piotrowski.: Urazy głowy u dzieci - postępowanie przedszpitalne i szpitalne, Oddział Intensywnej Terapii i Anestezjologii Instytutu Pediatrii Akademii Medycznej w Łodzi 1260