Бампер легкового автомобиля как эффективный носитель функции защиты от травмирования участников движения

УДК 629.067

И.В. Балабин, д.т.н. В.В. Богданов, к.т.н. С. Джиованнис, асп. МГТУ «МАМИ»

Дорожный травматизм в России продолжает оставаться на стабильно высоком уровне (по сравнению с европейскими странами) и без заметного снижения числа погибших и раненых, как это можно видеть из рис. 1. Наиболее распространенным видом ДТП становится наезд на пешеходов (40,9 %). В этом случае первый элемент, соприкасающийся с человеком при ударе, — бампер, поэтому проведение теоретико-экспериментальных работ в области повышения его конструктивной безопасности представляет собой крайне актуальную задачу.


Рисунок 1. Динамика аварийности в России

Чтобы пояснить направление работ по обеспечению травмобезопасности пешеходов при соударении с легковым автомобилем в настоящем исследовании, целесообразно проследить эволюцию развития бампера как элемента конструкции автомобиля и выявить перспективные направления совершенствования этого узла.

Исторически, за время существования автомобиля бампер претерпел несколько этапов своего развития, на каждом из которых имел качественные изменения.

Первый этап продолжался незначительное количество времени с момента создания первого автомобиля, а также с момента создания первых известных марок автомобилей (Daimler-Benz, Opel, Peugeot, Ford и др.) и начала серийного выпуска транспортных средств на упомянутых фабриках, и по существу явился прелюдией создания бампера как элемента конструкции. Первые автомобили фактически не имели собственного лица и были похожи на свой прототип — кареты, только функцию лошадей выполнял мотор (см. рис. 2). Поскольку число автомобилей в этот период времени (условно 1886–1922 гг.) было небольшим, скорости не превышали 60 км/ч, серьезных ДТП не возникало, то проблема безопасности транспортных средств даже и не рассматривалась.


Рисунок 2. Первые автомобили

На втором этапе, который по существу явился первым, бампер уже играл ударозащитную роль при столкновении с препятствием (деревом или другим неподвижным объектом, реже автомобилем), выполняя функции активной и пассивной безопасности, и представлял собой массивный швеллер, прикрепленный при помощи жестких кронштейнов к раме автомобиля, и был способен выдержать значительный удар (см. рис. 3). Можно условно считать, что этот этап продолжался с 1897 по 1949 год.


Рисунок 3. Автомобили второго этапа развития бампера

На третьем этапе своего развития (продолжительность которого условно определяется с 1947 по 1966 год) бампер стали хромировать и никелировать, игнорируя его защитные функции и превращая этот узел в элемент дизайна (см. рис. 4). Наибольшее распространение это получило в США: бампер стал своего рода «иконостасом», отражающим престиж фирмы-производителя. Естественно, функции защиты бампером передней части при ударе отошли на второй план.


Рисунок 4. Автомобили третьего этапа развития бампера

На четвертом этапе, условно относящемся к 1965–1981 гг., видимо оценив необходимость повышения безопасности, конструкцию бампера стали изменять в сторону первоначального предназначения. Конструкторами предлагались различные варианты ударозащитных устройств: с телескопическими амортизаторами, энергопоглощающими вставками, сотовые, подпружиненные, заполняемые полиуретаном или водой и т.п. (см. рис. 5). Для защиты пешеходов предлагалась специальная рамка, которая при соударении подбрасывала пешехода на капот.


Рисунок 5. Автомобили четвертого этапа развития бампера

На пятом этапе развития конструкции, начавшемся с 1980 года, и который, несмотря на уже появившиеся новые тенденции (о которых будет сказано далее) продолжается по настоящее время, бампер легкового автомобиля трансформировался в пластиковую маску (см. рис. 6) и стал многофункциональным, выполняя как антикоррозионные функции (защита от встречного потока влаги при движении), декоративные (элемент дизайна), аэродинамические (снижение сопротивления воздушной среды), так и ударозащитные (преимущественно, на скоростях до 5 км/ч), причем, последние функции постепенно оттесняются на задний план и приносятся в жертву первым.


Рисунок 6. Автомобили пятого этапа развития бампера

Наконец, в настоящее время просматривается тенденция зарождения очередного, шестого этапа развития бампера (ориентировочно начиная с 2001 года). В первую очередь этому способствуют новые нормы по защите пешеходов при фронтальном столкновении, в частности, Pedestrian protection — Unece Vehicle Regulations. Бамперы автомобилей, уже в серийном исполнении оснащают подушками безопасности (см. рис. 7), а также системой поднятия капота, чтобы минимизировать последствия удара человека о лобовое стекло.


Рисунок 7. Автомобиль шестого этапа развития бампера

Целесообразно подробно остановиться на основных тенденциях конструктивных исполнений травмобезопасного бампера шестого этапа развития. Таковых можно выделить три:

• система подушек безопасности;
• система поднятия капота;
• комбинированная система из двух вышеприведенных.


Рисунок 8. Примеры систем подушек безопасности

Различные системы подушек безопасности (в том числе концепты) приведены на рис. 8. Здесь следует обозначить следующие тенденции развития и сопряженные с этим проблемы:

На рис. 8а представлена концепция компании «Форд»: система внешних подушек безопасности, установленных на внедорожнике (для защиты пешеходов). В решетке радиатора установлен датчик, распознающий присутствие пешехода на дороге (перед транспортным средством), и в зависимости от расстояния до пешехода подается сигнал в блок управления системы безопасности, от которого, при необходимости, срабатывают надувные подушки безопасности. Для минимизации повреждений колен и бедра пешехода применена нижняя подушка безопасности, установленная между передней решеткой и бампером транспортного средства (размер подушки составляет 1370 х 560 х 130 мм). Кроме того, в этой системе установлены еще и две верхние подушки безопасности, которые раскрываются от основания лобового стекла транспортного средства (ТС), охватывая при срабатывании нижнюю половину вышеупомянутой области лобового стекла. Верхние подушки предназначены для защиты туловища и головы пешехода (их размер составляет 685 х 305 х 130 мм). Очевидно, недостатком данной системы подушек безопасности следует считать уменьшение лобового обзора водителя после столкновения с пешеходом.

На рис. 8б изображена система безопасности пешеходов на автомобиле марки WV. Подушки безопасности установлены под капотом и с внешней стороны лобового стекла (в виде «надувного круга»). В результате исследований столкновений пешехода с ТС специалистами концерна WV создатели этой системы полагают, что наиболее опасные области на автомобиле, вызывающие травмирование пешехода, — часть капота (ближе к лобовому стеклу) и область передних стоек лобового стекла ТС. Преимуществом данной конструкции следует считать дополнительное демпфирование капота как результат срабатывания установленных под ним подушек безопасности, в результате которого сокращается риск повреждений пешехода, а недостатком – риск травмирования головы и шейных позвонков при соударении со средней (не прикрытой подушками безопасности) частью лобового стекла.

На рис. 8в представлена система внешних подушек безопасности, установленных внутри переднего бампера ТС. При обнаружении пешехода датчиком, установленным в решетке радиатора, срабатывает подушка безопасности, причём её раскрытие происходит только в пределах пластиковой оболочки бампера, фактически меняя его жесткость. Следует отметить, что данная подушка безопасности предназначена для защиты пешехода на скорости ТС меньше 20 км/ч. Эта конструкция, безусловно, минимизирует повреждения ног пешехода (при подборе соответствующей жёсткости пластиковой оболочки бампера), но не гарантирует безопасность как туловища, так и головы пешехода.

На рис. 8г представлена система, отличающаяся от предыдущих систем безопасности пешеходов тем, что она срабатывает в совокупности от сигнала датчика обнаружения препятствия, установленного в решетке радиатора ТС, и антиблокировочной тормозной системы ТС. Блок управления обрабатывает поступающие сигналы от двух вышеуказанных устройств и определяет время активации большой воздушной подушки безопасности (своего рода «надувного матраса»), срабатывающей перед бампером ТС. Следует отметить, что при простой конструкции и форме подушки безопасности, система может сказаться не эффективной, поскольку есть вероятность как повреждения головы, так и отброса пешехода назад при ударе с торможением, подобно эффекту прыжка спортсмена на батуте.

На рис. 8д представлена система защиты пешеходов с верхней (большой) и нижней (в виде небольшого валика) подушками безопасности, установленными в переднем бампере ТС. Система срабатывает от сигнала, передающегося от датчика обнаружения препятствия. Данная конструкция снижает уровень силы удара на пешехода, предотвращает для пешехода случай оказаться под колесами ТС, но не гарантирует отброса человека назад после соударения.

На рис. 8е изображен внедорожник с ударозащитной решеткой («кенгурятником»), со встроенной в неё внешней подушкой безопасности. Подушка безопасности в данной конструкции раскрывается вдоль капота ТС. Система срабатывания подушки безопасности работает также как предыдущие системы безопасности с помощью датчика обнаружения объектов. Концепция этой системы, очевидно, позволяет сократить риск серьезного травмирования пешеходов при ударе о капот, но не гарантирует попадания (подминания) пешехода под внедорожник с высокой посадкой, а также его травмирования от контакта непосредственно с «кенгурятником».

Система поднятия капота и ее конструктивные элементы приведены на рис. 9.


Рисунок 9. Система поднятия капота

Система защиты, называемая в европейских источниках как «активный капот», минимизирует травмирование головы пешехода при скорости выше 20 км/ч. Система активизируется с помощью датчика, установленного в бампере ТС, который способен различать объекты различной геометрической формы. Система защиты пешехода включает в себя как минимум два элемента, поднимающих тыловую часть капота приблизительно на 100 мм. Наиболее распространены элементы подъема с пневматическим «мускулом» и со сжатыми металлическими сильфонами (подъем осуществляется газом, поступающим от газогенераторов). Поднимающие элементы способны приподнять капот за 60-70 миллисекунд после того, как нога пешехода упрётся в бампер ТС. После столкновения поднимающие элементы способны удерживать капот в верхнем положении, что обеспечивает минимизацию травм головы пешехода. Следует отметить, что при ударе головы пешехода о капот ТС деформация капота практически не возникает, поскольку современные автомобили имеют на капоте силовые балки с высокими жесткостными характеристиками, хотя это, в свою очередь, увеличивает риск повреждений головы пешехода.

Преимущества этой системы создатели видят в следующем: во-первых, конструкция не нуждается в громоздких дополнительных устройствах для удержания высокого давления газа в металлических сильфонах; во-вторых, элементы, поднимающие капот, не зависят от силы удара о капот и от угла (места) соударения с пешеходом; в-третьих, эти элементы имеют малые габариты, обеспечивающие достаточно высокий подъём капота.

Комбинированная система защиты от травмирования пешеходов приведена на рис. 10.


Рисунок 10. Комбинированная система травмобезопасного бампера 6-го этапа развития

К преимуществам данной системы, в сравнении с двумя предыдущими, следует отнести комплексный подход к обеспечению безопасности пешехода, выражающийся в защите от травм головы при одновременной минимизации повреждений туловища путем поднятия капота, однако практически во всех комбинированных системах отсутствуют нижние подушки безопасности, из-за чего пешеход может оказаться под колесами автомобиля при соударении.

Функционирование вышеупомянутых и достаточно сложных систем невозможно без использования интеллектуальных, так называемых смарт-систем, которые распознают пешехода в потоке движения, выделяя его и активируя соответствующие защитные приспособления. В основе такого распознавания, как правило, лежит датчик-сканер участка трассы перед движущимся автомобилем. Примеры таких систем приведены на рис. 11.


Рисунок 11. Датчики-сканеры и зоны их охвата в функциональной пригодности

Приведем в качестве примера систему датчиков, распознающих пешехода и служащих для последующей активации вышеупомянутых систем безопасности, разработанную концерном Daimler-Chrysler. Она состоит из радарной сети (пяти радарных датчиков диапазона 24 ГГц) и двух видеокамер (инфракрасных камер), установленных на ТС. Радарная сеть устанавливается в переднем бампере, а камеры — либо на крыше ТС (защищены непромокаемым корпусом), либо в салоне рядом с зеркалом заднего обзора. Два радарных датчика используются для короткого диапазона (до 12 м) и три — для среднего диапазона (до 30 м) обнаружения пешехода. Процесс обработки поступающих сигналов осуществляется тремя отдельными процессорами в бортовом компьютере автомобиля: первый служит для обработки видеопотока низкого уровня изображения, второй – для сигналов радарной сети и видеопотоков высокого уровня изображения, а третий — для оценки риска и контроля (управления) ТС.

Радарная подсистема поставляет точные данные перемещения объектов в радиальном направлении (в направлении вектора скорости ТС), однако испытывает затруднения с тангенциальными параметрами относительных движений объектов (то есть если пешеход приближается сбоку). Данные от видеокамер позволяют классифицировать объекты (выделить из потока людей). Последующая коммуникация между камерами и радарами позволяет бортовому компьютеру принимать оптимальное решение по своевременной активизации вышеупомянутых систем безопасности пешеходов.

На основании вышеприведенного анализа современных тенденций в эволюции конструкции травмобезопасного бампера представляется возможным сделать следующие выводы:

1) бампер, как элемент конструкции, уже в законодательном порядке должен обеспечивать защиту пешеходов при соударении;

2) защита пешеходов должна обеспечиваться изменением жесткостных параметров бампера, что может быть достигнуто, в частности, применением надувных подушек безопасности;

3) кроме бампера, необходимо уделить внимание жесткостным параметрам капота, чтобы оптимизировать энергопоглощение при соударении с пешеходом. На капоте не должно быть острых выступов (таких, например, как для турбонаддува);

4) отдельное внимание следует обратить на конфигурацию и жесткостные параметры подушек безопасности, в частности, нижней (для предотвращения попадания пешехода под колеса ТС) и верхних (чтобы исключить последствия плохого обзора для водителя после соударения, и возможность отброса пешехода назад при резком торможении);

5) следует выявить оптимальный угол наклона лобового стекла по отношению к капоту ТС, который не только удовлетворял бы аэродинамическим требованиям, но и минимизировал травмируемость пешехода при столкновении;

6) следует в дополнение к системам подушек безопасности и поднятия капота продумать удерживающую систему для пешехода, оказавшегося на автомобиле, чтобы он не оказался после соударения под колесами едущих сзади следом ТС.

На основании анализа литературных источников по проблеме обеспечения безопасности пешеходов можно наметить основные направления в обеспечении травмобезопасности при столкновении «ТС–пешеход»:

1) признать, что в настоящее время наиболее эффективным средством при столкновении «ТС–пешеход» является оборудование автомобиля внешними надувными подушками безопасности;

2) места установки подушек, их количество, форма/конфигурация, чередование импульсов заполнения подушек газом с его стравливанием подлежит специальному изучению с целью выбора и последующей оптимизации вышеупомянутых параметров;

3) оценить степень влияния поднятия тыльной части капота на характер и степень травмирования пешехода, в частности: выбрать наиболее эффективный механизм поднятия тыльной части; время срабатывания механизма и высоту подъема;

4) оценить актуальность оборудования ТС с вышеупомянутыми системами безопасности специальными удерживающими средствами, препятствующими соскоку пешехода после соударения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. SAVE-U. Deliverable D6 Annex: Strategies in Terms of Vulnerable Road User Protection.

2. Dr. Marc-Michael Meinecke., Dr. Marian Andrzej Obojski, Dr. Dariu Gavrila,Mr. Erwan Marc, Mr. Richard Morris, Mr. Matthias Tons, Dr. Laurent Letellier. Strategies in Terms of Vulnerable Road User Protection. Project IST – 2001 – 34040. Project funded by the European Community under the “Information Society Technology”

3. Правила Европейской Экономической Комиссии Организация Объединённых Наций №42, №32.

4. Balabin I.V., Bogdanov V.V. Bumper as the inpact-safety-device for the car and pedestrains (07 APAC-232). 14th Asia Pacific Automotive Engineering Conference (APAC-14), SAE International, August 5-8, 2007, USA.