Analiza zmian formy nadwozi samochodowych w aspekcie bezpieczeństwa osób jadących

W latach siedemdziesiątych powstała koncepcja bezpiecznego samochodu, który miał za zadanie chronić jadące w nim osoby w trakcie zderzenia ze stałą przeszkodą, dla prędkości do 80km/h. Firmy produkujące samochody zaczęły testować niektóre modele samochodów i okazało się, że muszą one mieć zwiększone wymiary i minimalną wagę na poziomie 2000kg. W wyniku testów skorygowano bezpieczną prędkość samochodu do 50km/h. Dzisiaj wszystkie produkowane samochody objęte są normami międzynarodowymi, które podają dokładne wytyczne co do bezpieczeństwa.

Elementy nadwozia stanowią jeden z czynników bezpieczeństwa biernego, który w dużym stopniu chroni jadące w nim osoby. Około 60% wypadków to zderzenia czołowe, dlatego też niezwykle ważne jest stworzenie bezpiecznego nadwozia samochodowego. 

Eksperymentalny bezpieczny samochód Pininfarina Sigma [1]

Poprawę bezpieczeństwa w samochodach osobowych zawdzięczamy ciągle ulepszanym konstrukcjom nadwozi, składa się na to nie tylko forma, ale również najnowsze materiały konstrukcyjne i dodatkowe wyposażenie pojazdów. Zmiany konstrukcyjne odpowiedzialne za bezpieczeństwo można zauważyć badając samochody produkowane na przełomie ostatnich 30 lat. Wynikiem tych zmian jest chociażby spadek liczby wypadków i ofiar śmiertelnych. Na wykresie (rys. 21) pokazane jest jak procentowo malała liczba ofiar śmiertelnych w Polsce i w Niemczech po roku 1980. 

Liczba ofiar śmiertelnych w wypadkach drogowych w Niemczech, Polsce i Unii Europejskiej [7]

Wartość wskaźnika ciężkości wypadków [7].

Na przełomie 30 lat znacznie spadła liczba ofiar śmiertelnych, jest to zasługą coraz lepszych systemów bezpieczeństwa biernego w pojazdach. Na wykresach rozpatrywane są trzy modele: dla Niemiec, Polski i Unii Europejskiej. Można zauważyć, że zdecydowanie najszybciej liczba ofiar spada w Niemczech. Ma na to wpływ korzystanie z nowszych modeli samochodów niż w Polsce. Średnio wiek samochodu w Niemczech jest o 3 lata mniejszy niż w Polsce. Jeżeli brać pod uwagę ten czynnik, to różnica trzech lat w wyposażeniu samochodu jest zdecydowana.

Szczególnie widać to w przypadku samochodów miejskich takich jak Skoda Fabia. Porównując model I i II, w nowszym modelu jest znacznie więcej elementów wspomagających bezpieczeństwo osób w nim jadących.

 Tabela. Porównanie samochodu Skoda Fabia produkowanego na przełomie 15 lat
[ http://www.autocentrum.pl/dane-techniczne/skoda/fabia/]

	SKODA FABIA I Hatchback	SKODA FABIA II Hatchback
rok produkcji	1999 - 2008	2007 – teraz
długość [mm]	3970	3992
szerokość [mm]	1646	1642
szerokość z lusterkami bocznymi [mm]	1890	1886
wysokość [mm]	1451	1498
rozstaw osi [mm]	2462	2462
rozstaw kół–przód[mm]	1435	1436
rozstaw kół – tył [mm]	1424	1426
zwis przedni [mm]	837	851
zwis tylny [mm]	671	679
max pojemność bagażnika [l]	1016	1163
min pojemność bagażnika [l]	260	300
masa własna [kg] zależnie od modelu	1055 – 1145	1115 – 1245
masa całkowita [kg] zależnie od modelu	1570 – 1660	1555 – 1685
ABS	brak	ABS + MSR + Dual Rate
ESP	brak	jest
poduszki dla kierowcy	brak	jest
poduszki dla pasażera	brak	jest
poduszki boczne	brak	jest + kurtyny pow.
aktywne zagłówki	brak	jest
hamulce tarczowe tył	brak	jest
reflektory ksenonowe	brak	jest
system ochrony pieszego	brak	jest
wspomaganie układu kierowniczego	brak	jest

Skoda Fabia I (góra) i II (dół) – porównanie sylwetki.

[http://www.autocentrum.pl/dane-techniczne/skoda/fabia/]

Wnioski z tabeli 2 są znaczące, ten sam model samochodu na przełomie kilku lat stał się znacznie bezpieczniejszy. Jego wymiary i masa są większe niż jego poprzednika, ponad to wyposażony jest w wiele elementów poprawiających bezpieczeństwo ludzi. Nie tylko tych jadących samochodem, ale wprowadzone zostały również systemy ochrony pieszych. Biorąc pod uwagę fakt, że większość kierowców jeździ kilkuletnimi samochodami w Niemczech, a w Polsce kilkunastoletnimi, mamy do czynienia z dużą przepaścią technologiczną i dlatego są tak znaczące różnice w ilości ofiar śmiertelnych w wypadkach drogowych (rysunek 24).

Średni wiek samochodów osobowych z podziałem na Niemcy, Polskę i Unię Europejską w latach 1994 – 2009 [7].

Zmiany w budowie samochodów dotyczące bezpieczeństwa osób jadących można analizować na podstawie zmian poszczególnych wymiarów (rys. 25) takich jak odległość zderzaka przedniego od osi przedniej (ZP), długości całkowitej pojazdu (D) i rozstawu osi (L).

Charakterystyczne wymiary w samochodzie osobowym.

Bardzo ważna podczas wypadków czołowych jest odległość ZP. Jest to strefa zgniotu, która odpowiada za odebranie energii powstałej w trakcie zderzenia z przeszkodą. Energia kinetyczna, która powstaje w trakcie zderzenia jest wynikiem kilku czynników.

Wartości energii wiążą się również z rodzajem wypadku i kierunkiem uderzenia w przeszkodę, można zatem przyjąć:

-        zderzenie czołowe, sztywna przeszkoda – 100%,

-        zderzenie czołowe, pojazd równorzędny – 90%,

-        zderzenie centralne boczne, pojazd równorzędny – 80%,

-        zderzenie skośne, pojazd równorzędny – 60%,

-        zderzenie niecentralne boczne, pojazd równoległy – 40%,

-        uderzenie w tył równorzędnego pojazdu – 20%.

Ponad to, energia rozpraszana jest przez poślizg, obrót samochodu i inne czynniki mogące wystąpić w trakcie kolizji.

Wytracanie tak dużej energii, w krótkim czasie, powoduje, że w samochodzie powstają bardzo duże opóźnienia i proporcjonalne do nich siły bezwładności. Rozkład przyspieszeń (rys. 26) zależy od konstrukcji nadwozia i strefy zgniotu, w której znajdują się: zderzak przedni, ściana przednia, podłużnice i nadkola. Dodatkowo strefa ta tworzona jest z innych materiałów niż tzw. klatka bezpieczeństwa. Materiały te powinny wykazywać się względnie małą sztywnością, dużą elastycznością, a tym samym powinny wytłumić jak największą ilość energii kinetycznej. Elementy, które mają pochłaniać energię muszą mieć duży przekrój i charakteryzować się wysoką zdolnością do odkształceń. Z tego powodu stosowane są takie materiały jak stal o zwiększonej wytrzymałości, stopy np. aluminium, tworzywa sztuczne.

Dalsza część nadwozia jest znacznie bardziej sztywna, pozwala to na zapewnienie bezpieczeństwa w przedziale pasażerskim. Dlatego też stosowane są materiały o małej sprężystości, ale dużym naprężeniu dopuszczalnym. Pomimo coraz lepszych konstrukcji prowadzi się badania nad stworzeniem idealnie sztywnej konstrukcji wyposażonej w elementy mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa kierowcy i pasażerom.

Rozkład przyspieszeń w nadwoziu podczas zderzenia z prędkością ok. 50km/h, 1 – sztywny przód nadwozia, 2 – elastyczny przód nadwozia [1].

Po zderzeniu czołowym, najczęściej zdarzają się uderzenia boczne zarówno z innym pojazdem jak i uderzenia w stałą przeszkodę. Przeważnie wraz ze zderzeniem następuje poślizg pojazdu. Aby zabezpieczyć osoby jadące w pojeździe przed skutkami wypadku stosuje się zabezpieczenia w postaci podłużnych wzmocnień drzwi (rury bądź wytłoczki ze stali o podwyższonej wytrzymałości) lub wkładek z pianki poliuretanowej, ponad to stosuje się materiały o większej odporności na uderzenia na progi boczne, poprzecznice i słupki. Pozwala to na wytracenie dużej części energii, zanim dotrze one do osób znajdujących się wewnątrz samochodu. Tam stosowane są poduszki boczne i kurtyny powietrzne, pasy bezpieczeństwa i aktywne zagłówki.

Przy przewróceniu i koziołkowaniu pojazdu (ok. 10% wszystkich wypadków) duże znaczenie ma sztywność górnej części nadwozia: dach i słupki okienne. Niestety do tej pory są to jedne ze słabszych punktów konstrukcji samochodu. W przypadku nadwozi otwartych nie występuje praktycznie żadne zabezpieczenie, w niektórych samochodach montowany jest pałąk bezpieczeństwa, a w najdroższych modelach samochodów stosowane są konstrukcje działające dopiero podczas kolizji.

Wymagania międzynarodowych organizacji nakładane są na producentów od jakiegoś czasu, zatem struktura samochodu zmienia się przy zmianach modeli na nowsze. Średnio co trzy lata modele samochodów są unowocześniane lub też zmieniane, a poza zmianami w nadwoziu często dochodzi do zmian ilości dodatkowych zabezpieczeń w postaci systemów wspomagających kierowcę.

Nadwozie samochodu w przeciągu ostatnich trzydziestu lat rośnie, średnia długość L miejskiego samochodu wzrosła o ok.5% (208mm), a przednia część pojazdu ZP o ok.18% (144mm).

Zmiana masy i wymiarów samochodów w segmencie handlowym C [7].

Na podstawie wykresów na rysunku 27 widać zdecydowaną tendencję wzrostową takich parametrów jak masa pojazdu i zwis przedni. Całkowita długość i rozstaw osi kół wzrosły nieznacznie. Potwierdza to zwiększanie się strefy bezpieczeństwa pochłaniającej energię zderzenia. Większa masa świadczy z kolei o większej ilości elementów zastosowanych w samochodach, z których znaczna ilość stanowi o bezpieczeństwie kierowcy i pasażerów.

O zwiększonym zakresie bezpieczeństwa mówi spadek wskaźnika HIC (Head Injury Criterion, czyli wskaźnik obrażeń głowy) na przełomie 15 lat. Spadek jest równoznaczny ze zwiększaniem się bezpieczeństwa w coraz nowszych modelach samochodów. Wyraźnie widać to na rysunku 28.

Wartość wskaźnika HIC w segmencie handlowym C na przełomie 15 lat [7].

Rozwój nadwozia samochodu przedstawiony zostanie na podstawie samochodu Volkswagen Golf produkowanego w latach 1974 – 2010. Jest to charakterystyczny samochód miejski w swojej klasie, ponad to stała sprzedaż na przełomie tylu lat, świadczy o jego popularności na rynku motoryzacyjnym.

Tabela. Dane techniczne samochodu Volkswagen Golf na przełomie lat 1974-2010. odel GOLF

model	lata produkcji	masa własna [kg]	długość [mm]	szerokość [mm]	wysokość [mm]	rozstaw osi [mm]
I	1974-1983	775	3815	1610	1410	2400
II	1983-1992	875	3985	1665	1415	2475
III	1991-1997	1030	4020	1695	1425	2475
IV	1997-2003	1174	4149	1735	1439	2511
V	2003-2008	1154	4204	1759	1485	2578
VI	2008-teraz	1278	4200	1781	1479	2578
VI PLUS	2010-teraz	1318	4206	1759	1580	2578

Przebieg zmian parametrów charakterystycznych dla samochodu Volkswagen Golf dla sześciu generacji [7].

Z rysunku 29 i tabeli 3 wynika, że na przełomie 30 lat zdecydowanie zwiększyła się masa, długość, szerokość i wysokość pojazdu. Zwiększenie tych parametrów powoduje, że rośnie strefa energochłonna nadwozia, a tym samym rośnie bezpieczeństwo osób znajdujących się w samochodzie w czasie wypadku. Ponad to, w najnowszym modelu instalowane są systemy wspomagające kierowcę w trudnych sytuacjach na drodze, co również przyczynia się do znaczącego zwiększenia bezpieczeństwa. Projektowanie bezpiecznych samochodów ma na celu minimalizację obrażeń u osób jadących w pojeździe, przez stworzenie energochłonnego nadwozia i zwiększenie przestrzeni pasażerskiej.

National Highway Traffic Safety Administration przeprowadza testy zderzeniowe dotyczące uderzeń w stałą przeszkodę z prędkością 56km/h oraz uderzeń bocznych dla prędkości 50km/h. Wartości przyspieszeń jakie działają na kierowcę podczas zderzenia zamieszczone są w Regulaminie EKG ONZ nr 95 i na ich podstawie sporządzony został wykres wartości przyspieszenia głowy dla różnych generacji Golfa. Na podstawie badań (rysunek 30) widać, że zmiana nadwozia znacząco wpływa na wskaźnik przyspieszenia głowy w sytuacjach nagłego zatrzymania i na głębokość deformacji nadwozia. Im krótsza jest strefa zgniotu, tym bezpieczniejsze są osoby jadące w samochodzie. Widać również, że wraz z mniejszą deformacją maleje współczynnik HIC.

Głębokość deformacji strefy czołowej (u góry) i bocznej (u dołu) i wskaźnika obrażeń głowy dla Volkswagena Golfa od roku 1974 [7].

Na przełomie trzydziestu lat wszystkie samochody osobowe zmieniły parametry nadwozia, widać wyraźną tendencję wzrostową. Pozwoliło to na stworzenie bezpieczniejszego pojazdu, dzięki wydłużeniu zwisu przedniego, oraz zastosowaniu lepszych materiałów konstrukcyjnych pochłaniających energię zderzenia. Zwiększyła się zatem odległość pasażerów od zderzaka przedniego. Dodatkowo montowane systemy wspomagające kierowcę zaowocowały znacznie mniejszą liczbę ofiar śmiertelnych w wypadkach.  

Bibliografia

1. „Konstrukcja nadwozi samochodów osobowych i pochodnych” Andrzej Zieliński, WKŁ Warszawa 2008

2. „Budowa podwozi i nadwozi samochodowych” Seweryn Orzełowski, WSiP Warszawa 2009

3. „Samochody osobowe i pochodne” Jerzy Jackowski, Jacek Łęgiewicz, Marcin Wieczorek, WKŁ Warszawa 2011

4.  „Podwozia i nadwozia pojazdów samochodowych” praca zbiorowa, REA Warszawa 2008

5.  „Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego” Jerzy Wicher, WKŁ Warszawa 2004

6. „Podstawy rekonstrukcji wypadków drogowych” Leom Prochowski, Jan Unarski, Wojciech Wach, Jerzy Wicher, WKŁ Warszawa 2008

7.  „Analiza wpływu wprowadzonych zmian konstrukcyjnych na bezpieczeństwo pasażerów na przykładzie samochodów europejskiej klasy compact” Leon Prochowski, Dagmara Karbowniczek, Zeszyty naukowe Instytutu Pojazdów 2(88)/2012