Instrukcja do ćwiczenia

Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu Wydział Mechaniczny Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Zakład Pojazdów i Silników Spalinowych Studia II stopnia Kierunek Mechanika i Budowa Maszyn Specjalność: Technika i rzeczoznawstwo samochodowe Semestr Przedmiot: Mechanika zderzeń samochodów Instrukcja do ćwiczenia

Spis treści 1. Cel ćwiczenia... 3. Wprowadzenie... 3 3. Metody wyznaczania charakterystyk sztywności przodu samochodu... 4 4. Wyznaczanie rzeczywistej charakterystyki sztywności przodu samochodu. 4 5. Wyznaczanie zastępczych charakterystyk sztywności przodu samochodu... 7 5.1. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń metody uproszczonej... 8 5.. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń metody Crash 3... 9 5.3. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń McHenre go... 10 5.4. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń własnych... 11 6. Literatura... 13 7. Wytyczne do sprawozdania (projektu)... 14

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zakresem przeprowadzania testów zderzeniowych samochodów osobowych podczas zderzenia pojazdu ze sztywną barierą. Zasadniczym celem jest analiza testu zderzeniowego (wskazanego przez prowadzącego) polegającego na uderzeniu przodem samochodu w betonowy blok. Analiza zarejestrowanych danych pomiarowych ze zderzenia. Przeprowadzenie obliczeń analitycznych w celu opracowania liniowych zastępczych charakterystyk sztywności przodu samochodu.. Wprowadzenie W największych ośrodkach badawczych na świecie prowadzone są następujące testy zderzeniowe pojazdów samochodowych: uderzenie czołowe pojazdu w sztywną przeszkodę, uderzenie offsetowe pojazdu w podatną przeszkodę, najechanie wózkiem (taranem) na bok samochodu, uderzenie boczne pojazdu w stalowych słup, najechanie wózkiem (taranem) na tył samochodu, zderzenia pojazd pojazd w róŝnej konfiguracji. Czołowy test zderzeniowy samochodu ze sztywną przeszkodą (blok betonowy), przy pełnym pokryciu przodu pojazdu polega na uderzeniu samochodu w przeszkodę z prędkości 56km/h (35 mph) (mogą być teŝ zastosowane mniejsze prędkości np. 48 km/h, 40 km/h lub 3 km/h). Rys. 1. Schemat ilustrujący zderzenie czołowe samochodu z przeszkodą sztywną W tym teście zderzeniowym moŝemy uzyskać bardzo duŝe wartości opóźnień i sił działających na pojazd oraz manekiny wewnątrz pojazdu. Test ten pozwala ocenić moŝliwości rozproszenia energii zderzeniowej w przedniej części pojazdu oraz ocenić systemy bezpieczeństwa czynnego ochrony osób znajdujących się wewnątrz samochodu. 3

3. Metody wyznaczania charakterystyk sztywności przodu samochodu Wyniki uzyskane w czasie testów zderzeniowych samochodu ze sztywną barierą moŝna wykorzystać do wyznaczania rzeczywistych i zastępczych charakterystyk sztywności nadwozia samochodu. Charakterystyki sztywności przodu, boku czy teŝ tyłu samochodu przedstawiają zaleŝność pomiędzy siłą działającą na wybraną część samochodu a jej odkształceniem. Dane niezbędne do wyznaczenia charakterystyk sztywnościowych samochodu uzyskuje się rejestrując przebiegi potrzebnych wielkości w czasie próby zderzeniowej oraz dokonując pomiarów skutków tej próby. 4. Wyznaczanie rzeczywistej charakterystyki sztywności przodu samochodu Rzeczywista charakterystyka sztywności przodu samochodu to zaleŝność pomiędzy siłą działającą na przód samochodu a dynamicznym, wzdłuŝnym odkształceniem (skróceniem) przodu samochodu. Do jej wyznaczenia wykorzystuje się przebiegi przyspieszenia wzdłuŝnego a x (t) zarejestrowane przez dwa czujniki przymocowane sztywno do nadwozia pojazdu w tylnej jego części (rys. ), oraz przebiegi siły wzdłuŝnej F ba (t) zarejestrowane przez czujniki siły umieszczone na barierze w obszarze kontaktu samochodu z barierą. Dodatkowo potrzebna jest znajomość masy samochodu uczestniczącego w próbie zderzeniowej m t oraz prędkości samochodu w chwili uderzenia w barierę V At. Przebiegi przyspieszenia wzdłuŝnego a x (t) po uśrednieniu i przefiltrowaniu (rys. 3), poddane dwukrotnemu całkowaniu numerycznemu (np. metodą trapezów) pozwalają uzyskać przebieg odkształcenia (skrócenia) przodu samochodu w funkcji czasu C M (t) (rys. 4). Przebiegi przyspieszenia wzdłuŝnego a x (t) wykorzystywany jest równieŝ do wyznaczania siły bezwładności F b (t) działającej na samochód w czasie zderzenia ze wzoru: F ( t) = m a ( t) Siłę z jaką oddziaływuje przód samochodu na barierę w czasie zderzenia F ba (t) moŝna wyznaczyć sumując wyniki pomiarów czujników siły zamontowanych na barierze. Teoretycznie przebiegi sił F b (t) i F ba (t) powinny być identyczne. W rzeczywistości wyniku załoŝeń uproszczających przy formułowaniu wyraŝenia (1) przebiegi te róŝnią się między sobą (rys. 5). b t x Rys.. Rozmieszczenie czujników przyspieszeń na pojeździe wykorzystywanym w teście zderzeniowym (kolorem czerwonym oznaczono połoŝenie czujników, których wskazania wykorzystano do wyznaczania charakterystyk sztywnościowych przodu samochodu) Źródło: raport ze zderzenia zamieszczony na stronie www.nhtsa.gov [8] 4

Rys. 3. Przykładowy przebieg przyspieszenia wzdłuŝnego ax(t) samochodu po przefiltrowaniu i uśrednieniu zarejestrowany w czasie uderzenia pojazdu w sztywną barierę Źródło: Dane ze strony NHTSA dla testu nr 506 [8] Rys. 4A. Przykładowy przebieg prędkości wzdłuŝnej V(t) samochodu wynikający z jednokrotnego całkowania przebiegu przyspieszenia przedstawionego na rys. 3 Źródło: Dane ze strony NHTSA dla testu nr 506 [8] 5

Rys. 4B. Przykładowy przebieg odkształcenia (skrócenia) dynamicznego przodu samochodu wynikający z dwukrotnego całkowania przebiegu przyspieszenia przedstawionego na rys. 3 Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506 [8] Rys. 5. Przykładowe przebieg siły bezwładności działającej na samochód Fb(t) oraz siły zarejestrowanej na barierze Fba w czasie zderzenia Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506[8] Znajomość przebiegów odkształcenia dynamicznego przodu samochodu C M (t) oraz znajomość przebiegów sił działających na samochód F b (t) i F ba (t) w funkcji czasu pozwala wyznaczyć przebiegi rzeczywistych charakterystyk sztywności przodu samochodu F b (C M ) i F ba (C M ) (rys. 6). 6

Rys. 6. Przykładowe przebiegi rzeczywistej charakterystyki sztywności przodu samochodu wyznaczone na podstawie wyników pomiarów uzyskanych w czasie zderzenia pojazdu ze sztywną barierą Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506 [8] Rysunek 6 wykorzystano dodatkowo do zdefiniowania charakterystycznych punktów na osi odkształcenia przodu samochodu, uwzględnianych w następnych rozdziałach do wyznaczania charakterystyk zastępczych sztywności przodu samochodu. Do punktów tych naleŝą: Co dynamiczne odkształcenie przodu samochodu, przy którym nie powstają odkształcenia trwałe, Cs dynamiczne odkształcenie przodu samochodu, przy którym przebieg siły F ba (C M ) ma w przybliŝeniu charakter liniowy (pierwsze maksimum siły na rzeczywistej charakterystyce sztywnościowej), C Rsr średnie odkształcenie trwałe przodu samochodu, C Rmax maksymalne odkształcenie trwałe przodu samochodu, C Ms dynamiczne odkształcenie przodu samochodu, przy którym samochód traci kontakt z barierą, C Mmax maksymalne dynamiczne odkształcenie przodu samochodu, 5. Wyznaczanie zastępczych charakterystyk sztywności przodu samochodu Zastępcze charakterystyki sztywności przodu samochodu tworzone są zwykle na potrzeby rzeczoznawców samochodowych zajmujących się rekonstrukcją wypadków drogowych. Wyznacza się je zastępując rzeczywiste charakterystyki sztywnościowe charakterystykami liniowymi lub charakterystykami odcinkami liniowymi. Do wyznaczenia zastępczych charakterystyk sztywności przodu samochodu wykorzystuje się następujące dane: m t - masa samochodu uczestniczącego w próbie zderzeniowej, V At - prędkość samochodu w chwili uderzenia w barierę, V A1t - prędkość samochodu w chwili odbicia od bariery, C Rmaxt maksymalne odkształcenie trwałe przodu samochodu, 7

C Ri (i=1 n) odkształcenia trwałe przodu samochodu mierzone w n punktach, w t szerokość, na jakiej zmierzono trwałe odkształcenia, C Mmaxt maksymalne dynamiczne odkształcenie przodu pojazdu, C St dynamiczne odkształcenie przodu pojazdu, przy którym przebieg siły F ba (C M ) ma w przybliŝeniu charakter liniowy. Wykorzystywane jest kilka metod wyznaczania zastępczych charakterystyk sztywności przodu samochodu: Metoda 1 charakterystykę wyznacza się przyjmując załoŝenia metody uproszczonej. Metoda charakterystykę wyznacza się przyjmując załoŝenia metody Crash3. Metoda 3 charakterystykę wyznacza się przyjmując załoŝenia metody McHenry go. Metoda 4 charakterystykę wyznacza się przyjmując załoŝenia autorów opracowania. 5.1. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń metody uproszczonej W metodzie uproszczonej [1] zakłada się, Ŝe zderzenie samochodu z barierą jest idealnie plastyczne, a przebieg siły w funkcji odkształcenia ma charakter liniowy, czyli: - maksymalne odkształcenie dynamiczne jest równe maksymalnemu odkształceniu trwałemu przodu samochodu: C M max = CR max () - zaleŝność pomiędzy siłą działającą na samochód a jego odkształceniem (rys. 7) wyraŝa się wzorem: F = K z 1 CR max (3) Wartość sztywności zastępczej K z1 wyznacza się ze wzoru: mt VAt K z1 = CR max t (4) Rzeczoznawcy uŝywają często zastępczej sztywności jednostkowej przodu nadwozia k wyraŝonego wzorem: K z1 k = wsr hsr (5) gdzie: wsr - średnia szerokość deformacji hsr - średnia wysokość deformacji 8

Rys. 7. Przykładowy przebieg zastępczej charakterystyki sztywności wg metody uproszczonej na tle rzeczywistych charakterystyk sztywności Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506 [8] 5.. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń metody Crash 3 W metodzie Crash 3 [1] zakłada się, Ŝe przebieg siły w funkcji odkształcenia ma charakter liniowy, zderzenie samochodu z barierą jest plastyczno-spręŝyste, oraz Ŝe istnieje odkształcenie spręŝyste przodu samochodu C 0, które nie powoduje odkształcenia trwałego. ZaleŜność pomiędzy odkształceniem dynamicznym i trwałym przodu samochodu opisuje wzór: CM = CRsr + C 0 (6) gdzie: C Rsr - średnia odkształcenie trwałe przodu samochodu, C 0 odkształcenie spręŝyste przodu samochodu odpowiadające prędkości uderzenia w sztywną barierę b 0 = 8km/h. lub ZaleŜność siły od odkształcenia (rys. 8) wyraŝa się wzorem: F = K C (7) ( ) z Rsr + C 0 Wartość sztywności zastępczej K z wyznacza się ze wzorów: mt VAt K z = C + C K z ( ) Rsrt mt ( V = C (9) W praktyce rzeczoznawczej uŝywana jest sztywność zastępcza jednostkowa B wyraŝająca się wzorem: At Rsrt 0 b 0 ) (8) 9

K z B = gdzie wt (10) w t szerokość, na jakiej zmierzono odkształcenia trwałe przodu samochodu wykorzystane do obliczenia średniego odkształcenia trwałego C Rsrt. ZaleŜność siły odbicia od przeszkody (rys. 8) wyraŝa się wzorem: F = K C C dla C C < C (11) ( Rsr ) Rsr Rsr 0 z + C Rys. 8. Przykładowy przebieg zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wyznaczony wg metody Crash 3 na tle rzeczywistych charakterystyk sztywności Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506 [8] 5.3. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń McHenre go McHenry zaproponował [, 3] zastąpienie rzeczywistej charakterystyki sztywnościowej przodu samochodu charakterystyką liniową bez Ŝadnych załoŝeń wstępnych. Siła działająca na samochód zaleŝy liniowo od rzeczywistego odkształcenia dynamicznego C M (rys. 9) i jest opisana wzorem: F = K z 3 C M (1) Wartość sztywności zastępczej K z3 wyznacza się ze wzoru: mt VAt K z3 = C M max t (13) Rzeczoznawcy mogą korzystać z charakterystyki sztywnościowej po uwzględnieniu wzoru opisującego zaleŝność pomiędzy maksymalnym odkształceniem dynamicznym, a średnim odkształceniem trwałym przodu samochodu: 10

C M max CRsr + C0 = (14) ξ Wartość ξ wyznacza się na podstawie wyników próby zderzeniowej ze wzoru: CRsrt + C0 ξ = C M maxt (15) ZaleŜność siły odbicia od przeszkody (rys. 8) wyraŝa się wzorem: F = K C C dla C C < C (16) ( M Rsr ) Rsr M max z33 M Wartość sztywności zastępczej K z33 przy odbiciu wyznacza się ze wzoru: mt V A1t K z33 = (17) C C ( ) M max t Rsrt Rys. 9. Przykładowy przebieg zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wyznaczony wg McHenry go na tle rzeczywistych charakterystyk sztywności Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506 [8] 5.4. Wyznaczanie zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wg załoŝeń własnych Metoda proponowana przez autorów sprawozdania [4] polega na zastąpieniu rzeczywistej charakterystyki sztywności przodu samochodami charakterystyką odcinkami liniową. Siła działająca na samochód zaleŝy od rzeczywistego odkształcenia dynamicznego C M (rys. 10) i jest opisana wzorami: F = K1 S CM dla 0 < CM CSt (18) ( CM CSt ) dla CSt < CM CM maxt F = K (19) 1s K s CSt + K s 11

Wartości sztywności zastępczych K 1s i K s opisują wzory: EASt K1s = C K s = ( m V K C ) t At St ( C C ) M maxt gdzie E Ast praca potrzebna do odkształcenia przodu samochodu na głębokość C St wyznaczana na podstawie rzeczywistej charakterystyka sztywnościowej. ZaleŜność pomiędzy maksymalnym odkształceniem dynamicznym a maksymalnym odkształceniem trwałym opisuje wzór: C = ξ C C () 1s St M max 1 Rmax + 0 St (0) (1) Wartość ξ 1 wyznacza się na podstawie wyników próby zderzeniowej ze wzoru: CM max t C0 ξ1 = C R max t (3) ZaleŜność siły odbicia od przeszkody (rys. 10) wyraŝa się wzorem: F = K C C dla C C < C (4) ( M R max ) R max M max 3s M Wartość sztywności zastępczej K 3s przy odbiciu wyznacza się ze wzoru: mt VA 1t K3s = (5) C C ( ) M max t R max t Rys. 10. Przykładowy przebieg zastępczej charakterystyki sztywności przodu samochodu wyznaczony wg metody własnej na tle rzeczywistych charakterystyk sztywności Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych z testu 506 [8] 1

6. Literatura [1] Prochowski L, Unarski J, Wach W, Wicher J: Podstawy rekonstrukcji wypadków drogowych. WKŁ, Warszawa 008r.. [] McHenry R.,R., McHenry B., G: Effects of Restitution in the Application of Crush Coefficientes. SAE Paper 970960, Warrendale, PA, 1997. [3] Jankowski K.P, Gidlewski M., Jemioł L.: Comparative study of vehicle absorbed energy determination for road accident reconstruction. XVI EVU Annual Meeting Kraków 007. [4] Jankowski K.P, Gidlewski M., Jemioł L.: Struktury energetyczne samochodów osobowych opracowane na podstawie dostępnych wyników prób zderzeniowych. Referat zamawiany. IV Konferencja naukowo-szkoleniowa Rozwój techniki samochodowej a ubezpieczenia komunikacyjne. Radom 008. [5] Gidlewski M.: Badania zderzeń bocznych samochodów osobowych w ruchu- ślady powstające na skutek zderzenia, istotne dla jego rekonstrukcji. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 4/01. [6] Gidlewski M., Korol K.: Wyznaczanie zastępczych sztywności boku samochodu osobowego na podstawie wyników testów zderzeniowych. TTS Technika Transportu Szynowego 9/01. [7] Gidlewski M., Jemioł J., Prochowski L., Zielonka K.: Badanie procesów zachodzących podczas zderzenia samochodów. Paragraf na drodze. Numer Spcjalny. IES Kraków 013 [8] http://www.nhtsa.gov/research/databases+and+software 13

7. Wytyczne do sprawozdania (projektu) Sprawozdanie z przedmiotu Mechanika zderzeń samochodów: powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (załącznik nr 1).. Charakterystykę pojazdu biorącego udział w teście. 3. Charakterystykę testu zderzeniowego. 4. Opis wyników uzyskanych w teście: a) raporty, fotografie, pomiary punktów charakterystycznych nadwozia oraz pomiary odkształcanej części nadwozia, b) obliczenia (charakterystyka działania na wykresach a(t), v(t), C(t), Fp(t), Fb(t), Fp;Fb(C), c) porównanie odkształceń trwałych i dynamicznych, d) porównanie energii wyznaczonej z pojazdu z energią wyznaczoną z bariery. 5. Wyznaczenie zastępczych charakterystyk sztywności i przedstawienie ich na wykresie F(C). 6. Wnioski. Do sprawozdania naleŝy załączyć: 1. Wydruk kompletnego raportu ze zdjęciami.. Płytę CD opisaną (zawartość płyty: sprawozdanie, wszystkie raporty, fotografie i filmy związane z testem zderzeniowym). 14

Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu Wydział Mechaniczny Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Temat: Charakterystyka testu uderzenia w sztywną przeszkodę (barierę) samochodu Marak, Model, Wersja, Rok... Test nr:... Wykonał: Imię Nazwisko nr legitymacji studenckiej pod kierunkiem dr inŝ. Mirosława Gidlewskiego Radom - 017 15