close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Биомеханика ДТП (лекции)

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
Д.В. Лихачев В.П. Белокуров В.А. Зеликов
Г.А. Денисов Р.А. Кораблев
БИОМЕХАНИКА ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНЫХ
ПРОИСШЕСТВИЙ
Тексты лекций
Воронеж 2015
2
УДК 656.13.08
Б63
Печатается по решению учебно-методического совета
ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № ... от ................... г.)
Рецензенты: Рецензенты: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ д-р техн. наук,
проф. Д.Н. Афоничев.
Лихачев, Д.В.
Б63
Биомеханика дорожно-транспортных происшествий [Текст] : тексты
лекций / Д.В. Лихачев, В. П. Белокуров, В. А. Зеликов, Г.А. Денисов, Р. А.
Кораблёв ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» – Воронеж,
2015. – 52 с.
ISBN 978-5-7994-0298-3 (в обл.)
В текстах лекций приведены основные термины и понятия дисциплины «Биомеханика
ДТП». Также дана оценка эффективности существующих систем-элементов комплекса
«человек-автомобиль-дорога-среда»
(ЧАДС).
Рассмотрены
виды
столкновений,
классификация травм и их локализация.
Тексты лекций предназначены для студентов обучающихся по направлению
1900700.62 Технология транспортных процессов профиль – Расследование и экспертиза
ДТП.
© Лихачев Д.В., Белокуров В.П., Зеликов
В.А., Денисов Г.А., Кораблев Р.А. 2015
ISBN 978-5-7994-0298-3 © ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная
лесотехническая академия», 2015
3
ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие возможностей человека и техники в транспортных системах – важная проблема современной науки.
Непрерывный рост интенсивности движения и потерь общества от дорожно-транспортных происшествий (ДТП) вызывает необходимость обеспечивать функционирование современных транспортных систем в условиях ДТП с
минимальной тяжестью последствий для участников дорожного движения.
В связи с этим возникает задача оптимизации систем-элементов комплекса «человек-автомобиль-дорога-среда» (ЧАДС) с тем, чтобы создать наиболее
безопасный комплекс, в котором взаимно компенсировались бы слабые места
человека и техники. Все это привело к возникновению новых научных направлений, в частности – биомеханика дорожно-транспортных происшествий.
В основу дисциплины «Биомеханика ДТП» был положен системный подход к рассмотрению явлений и процессов, связанных с взаимодействием в условиях ДТП человека и технических устройств как элементов комплекса
ЧАДС.
Комплекс ЧАДС представляет собой частный случай общей для современной науки проблемы «человек-машина-среда». Учитывая специфические
особенности комплекса ЧАДС, безопасность дорожного движения целесообразно рассматривать как результат взаимодействия систем обеспечения активной, пассивной и послеаварийной безопасности [1].
Таким образом, инженер-механик должен усвоить основы дисциплины
«Биомеханика ДТП», которая охватывает практически весь комплекс мер,
обеспечивающих в условиях ДТП минимальный вред и тяжесть последствий
для участников дорожного движения.
4
ЛЕКЦИЯ 1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ «БИОМЕХАНИКА
ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНЫХ ПРОИСШЕСТВИЙ»
Биомеханика – одна из самых старых ветвей биологии. Большая часть работ по биомеханике посвящена опорно-двигательному аппарату и до недавнего
времени принималось, что биомеханика – это наука о движениях человека и
животных. Начиная с 60-х годов, в значительной степени благодаря успехам
экспериментальной техники, границы биомеханических исследований расширились. Это позволило определить биомеханику как раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей и органов, а также механические
явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности. В настоящее время биомеханика находится в стадии накопления фактов и первых попыток
обобщения. Закономерности, устанавливаемые биомеханикой, имеют вероятностный характер [2]. Ряд исследователей предложили механические модели человека, необходимые для теоретических исследований биомеханики [3]. Однако накопленная в настоящее время информация в области биомеханики свидетельствует о том, что такая модель является нелинейно-стохастической, нестационарной с переменными по времени параметрами, определение которых при
сложной динамической структуре возможно только путем эксперимента [4].
В результате была сформулирована цель биомеханических исследований
ДТП как раздела общей биомеханики, это – качественный и количественный
системный биомеханический анализ и синтез движений (перемещений) человека и переносимости его телом импульсных перегрузок, проводимых для взаимного согласования физических возможностей человека и современной техники
в условиях их взаимодействия при ДТП.
В результате изысканий была формулировка биомеханики дорожнотранспортных происшествий – это наука, изучающая закономерности процессов взаимодействия в условиях ДТП возможностей человека и технических
устройств. Область изучения – биомеханические причины и механизмы травмирования человека с учетом особенностей в различных условиях ДТП, а также
конструктивные особенности и свойства транспортных средств.
На (рис. 1.1) схематически представлен предмет и основные задачи дисциплины.
5
Рис. 1.1. Предмет и основные задачи дисциплины
Приведём задачи, решаемые при исследовании биомеханики ДТП:
– разработка основных принципов биомеханических исследований;
– выбор основных критериев, характеризующих биокинематику и биодинамику ДТП;
– определение пределов изменения показателей, характеризующих биокинематику и биодинамику основных типов ДТП;
– определение зон возможного перемещения и соударения отдельных
частей тела человека при ДТП;
– определение основных измерителей и показателей тяжести травмирования отдельных частей тела человека при основных типах ДТП;
– определение основных функциональных требований к элементам СПБ
(средств пассивной безопасности).
Для проведения системного качественного и количественного анализа
было признано целесообразным подразделить и в дальнейшем изучать комплексно следующие основные разделы биомеханики ДТП:
а) биокинематику (биодинамику) ДТП – часть биомеханики ДТП, изучающую движения (перемещения) человека при ДТП без учета (с учетом) действующих нагрузок;
б) биотолерантность – часть биомеханики ДТП, изучающую способность
организма переносить возникающие в условиях ДТП перегрузки.
6
С учетом системного подхода к исследованиям пассивной безопасности
[1] и разработанной классификации ДТП, биомеханика ДТП изучалась дифференцированно по типам (видам) ДТП, типам автотранспортных средств и месторасположению человека в автомобиле.
Выполненные работы по изучению биомеханики ДТП включают комплекс исследований биокинематики и биодинамики экспериментальными методами с имитацией ДТП и анализом проведенных исследований по толерантности водителей и пассажиров автотранспортных средств к импульсным нагрузкам.
Полученные результаты работ были использованы при разработке методов испытаний и оценки ударно-прочностных свойств кузовов (кабин) автомобилей и их отдельных элементов, а также при оценке уровня безопасности и в
разработке рекомендаций по повышению пассивной безопасности отечественных автомобилей.
7
ЛЕКЦИЯ 2. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ТРАВМ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ДТП
Изучение травм, получаемых человеком при ДТП, в клиническом и судебно-медицинском аспектах было начато в 20-х годах работниками медицинских учреждений. Известны отдельные работы, проведенные в этом направлении Бретоном и Блондо (1927), Гроссом (1933), Бригтом и Беком (1935) [2].
Однако с ростом потерь общества от ДТП стали появляться работы,
обобщающие накопленные данные по дорожному травматизму. В исследованиях Циффера [5], Геглера [6], Солохина [7] и др. изучалась локализация и тяжесть травм человека в автомобиле, из чего делается вывод, что детальное изучение механизмов травмирования водителей и пассажиров не может быть практически осуществлено без учета условий и характера ДТП. Тем самым была доказана необходимость проведения комплексных исследований ДТП с участием
сотрудников медицинских и автотранспортных учреждений. Такие комплексные исследования впервые были изложены в работе [4]. Исследования ДТП в
нашей стране проводились МАДИ, ВНИИБД МВД и автополигоном НАМИ.
Для проведения исследований было изучено 315 ДТП с легковыми автомобилями, в которых пострадали 1014 человек, 149 ДТП с грузовыми автомобилями, в которых пострадали 281 человек и 103 ДТП с автобусами, в которых
пострадали 357 человек. Исследования проводились с использованием специальной карты ДТП, а также путем изучения актов судебно-медицинской экспертизы пострадавших. В соответствии с принятой классификацией ДТП подразделялись на четыре основных типа: фронтальные и боковые столкновения,
наезд (удар) сзади и опрокидывание. Анализу подвергались случаи травм водителей и пассажиров автомобилей с достаточно типичным характером ДТП, местом расположения пострадавшего и пр.
Локализации травм водителей и пассажиров легковых и грузовых автомобилей и автобусов в зависимости от типа ДТП представлены в табл. 2.1 и 2.2.
Распределение водителей и пассажиров по повреждениям, определяющим
тяжесть травмирования и вызванные соударением с элементами внутреннего
оборудования автомобилей показано в табл. 2.3 и 2.4.
Зарубежные данные по локализации травм водителей и пассажиров легковых автомобилей приведены в табл. 2.5.
8
Таблица 2.1
Локализация травм водителей и пассажиров автомобилей в процентах от
общего числа пострадавших при определенном типе ДТП
Локализация
травм
Голова
Шея
Грудь
Живот
Руки
Ноги
Водитель
1
37,4
2,9
34,1
6,8
21,6
26,8
Гр.
48,3
33,1
26,8
24,5
37,6
2
25,8
4,1
43,3
9,2
28,8
31,9
3
23,
21,5
38,4
3,8
15,4
19,2
Пассажир на переднем
сидении
1
2
3
Гр.
42,3
28,2 23,4
51,6
2,9
6,0 20,0
35,2 28,8 44,4 33,2
7,1 16,9 10,5 6,7
12,9 22,7 30,8 16,7
24,3 31,5 35,0 20,0
Пассажир на
заднем сидении
1
2
3
26,7 34,9 21,0
6,7 4,2 20,5
30,3 38,6 26,3
7,3 11,1 5,3
16,4 23,4 21,0
20,6 28,9 15,8
Примечание: 1 – при фронтальных столкновениях легковых автомобилей;
Гр. – при фронтальных столкновениях грузовых автомобилей;
2 – при боковых столкновениях легковых автомобилей;
3 – при наездах (ударах сзади) на легковой автомобиль.
Таблица 2.2
Локализация травм водителей и пассажиров автобусов в процентах от общего
числа участников определенного типа ДТП
Локализация
травм
Голова
Грудь
Спина
Таз и живот
Руки
Ноги
Л
30,2
6,8
2,0
2,5
8,4
12,9
Столкновение
Т
С
Всего
8,8
5,4
44,4
3,7
2,5
13,0
2,0
–
4,0
0,6
–
3,1
6,4
–
15,2
7,4
–
20,3
Опрокидывание
Л
Т
С
45,5
7,0
1,8
10,5
1,8
–
7,0
–
–
1,8
3,5
–
8,8
1,8
–
7,0
3,5
–
Всего
54,3
12,3
7,0
5,3
10,6
10,5
Примечание: Л – легкие травмы, Т – тяжелые травмы, С – смертельные травмы.
Исследования характера и локализации повреждений водителей и пассажиров в ДТП позволили выявить характерные травмы с учетом типа ДТП, типа
автомобиля и месторасположения человека в нем, а также выделить части тела,
характеризующие толерантность организма человека при ДТП.
9
Таблица 2.3
Травмоопасные элементы внутреннего оборудования автомобилей в процентах
от общего числа пострадавших при определенном типе ДТП
Элемент конструкции
Водитель
1
2
36,8 31,2
18,7 14,1
3
7,7
3,8
Пассажир на
Пассажир на
переднем
заднем сидении
сидении
1
2
3
1
2
3
4,5 3,4
–
–
–
–
23,0 14,5 13,3 0,6
–
–
Рулевое управление
Ветровое стекло
Панель приборов и
33,2 48,5 34,2 32,4 30,8 26,6 0,6
–
–
передняя стенка
Элемент крыши
4,9
–
–
3,4
–
–
3,6
–
5,3
Передняя стойка кузова
9,4 19,6 3,8 12,8 49,6 13,3 1,2
–
–
Боковые стойки и панели
26,8 28,8 30,4 6,7 41,9 36,7 29,1 31,9 15,8
передних дверей
Сиденья
9,0 8,2 46,1 10,6 5,1 43,3 60,0 51,4 31,6
Панели задних дверей
–
–
–
–
–
– 21,8 40,3 52,6
Прочие элементы
4,1 1,7 2,9 9,7 6,6 7,2 1,8 11,0 10,5
Примечание: 1 – при фронтальных столкновениях; 2 – при боковых
столкновениях; 3 – при наездах (ударах) сзади.
Таблица 2.4
Травмоопасные элементы внутреннего оборудования автобусов
Наименование элементов
1
Рулевое управление
Стойка ветрового стекла
Панели дверей
Спинки сидений
Деформированная обшивка
салона
Перегородка кабины для
водителя
Боковые стойки
Остекление салона
(за исключением ветрового
стекла)
Относительное число травм по причине
соударения с элементами интерьера в % от
общего количества
При столкновениях
При опрокидывании
водители пассажиры водители и пассажиры
2
3
4
52
–
–
6
4
4
–
5,5
–
40
23
–
19,5
8
–
9
–
–
7
–
2,5
20
10
1
Стойки и поручни салона
Деформированная панель
приборов (передняя стенка)
Ветровое стекло
Кассовый аппарат
Крыша салона
Другие элементы интерьера
Окончание табл. 2.4
4
13,5
2
–
3
9
18
4
–
10
–
–
10
4
6
–
–
–
–
21
9,5
Основными частями тела, определяющими толерантность организма человека, являются:
– при фронтальных столкновениях − голова, грудь, коленно-бедренный
комплекс − для всех типов автомобилей, независимо от месторасположения человека;
– при боковых столкновениях − голова, а частично также боковые поверхности груди и конечностей;
– при ударах сзади − голова с шейно-позвоночным соединением;
– при опрокидываниях − голова.
Таблица 2.5
Локализация травм водителей и пассажиров автомобилей при ДТП
по зарубежным данным (в процентах)
Локализация
травм
Голова
Шея
Сочленение
голова –
грудная клетка
Грудь
Таз
Верхние
конечности
Нижние
конечности
СЩА, 1968 г.
(водители и
пассажиры)
4595
20
Австралия, 1970 г.
Великобритания,
1972 г. (водители) водители пассажиры
33
21,5
23
3
28
3
–
–
15
8,5
18,6
5,3
30
3
27
6
27,7
4,5
32,1
10
–
–
42,8
24
–
–
Примечание. По Австралии приведены только смертельные травмы.
11
ЛЕКЦИЯ 3. ВИДЫ СТОЛКНОВЕНИЙ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
БИОКИНЕМАТИКИ И БИОМЕХАНИКИ ПРИ ДТП
Результаты проведенных исследований ДТП, выполненный анализ биомеханики, а также дополнительные медико-анатомические исследования водителей и пассажиров с типичными травмами позволили определить основные
факторы, определяющие тяжесть травмирования человека при ДТП, и представить механизм наиболее характерных и частых травм водителей и пассажиров в
следующем виде.
Фронтальные столкновения. Первоначально происходит удар областью
коленных суставов в нижнюю часть панели приборов, впереди расположенные
сиденья или другие элементы салона, находящиеся в зоне возможного удара
коленным суставом, с возможным образованием переломов надколенника и
разрывов связок коленных суставов. Далее ударный импульс воспринимается
бедренными костями и тазобедренным суставом. При этом, в зависимости от
силы удара и величины изгиба коленного сустава, возникают переломы бедренной кости, вывихи ее головки сзади с нарушением целостности вертлужной
впадины и переломами бедренных костей в области шейки. Туловище при этом
перемещается вперед. Причем в зависимости от положения точки контакта коленями относительно центра тяжести тела, а также мускульных сил, прикладываемых человеком при упоре нижними и верхними конечностями, туловище
может совершать плоскопараллельное поступательное и сложное вращательное
движение. В результате контакта с рулевым управлением, панелью приборов,
ветровым стеклом и другими элементами, расположенными в зоне возможного
удара грудью и головой, возможно образование многочисленных переломов
ребер (у водителей), переломов лицевой и мозговой части черепа с повреждением мозгового вещества. При этом переломы костей черепа имеют в основном
направление «грудь-спина» и захватывают переднюю, среднюю, реже заднюю
черепные ямы. Возможны повреждения тканей лица.
В процессе фазы упругого отскока тело человека может перемещаться назад на сиденье с образованием резкого перегиба в области шеи с дополнительным перемещением головы относительно спинки сиденья. Возможны при этом
отрывы тел позвонков, разрывы связок шейного отдела позвоночника.
При использовании ремней безопасности механизмы травмирования при
фронтальном столкновении имеют следующие особенности:
12
– значительно снижается вероятность и сила соударения тела с элементами автомобиля;
– исключается существенное перемещение головы и туловища вверх;
– могут возникать локальные повреждения тела в местах его контакта с
ремнями безопасности.
Из вышесказанного элементами интерьера, при соударении с которыми
травмируется более 1/3 пострадавших в ДТП водителей и пассажиров при
фронтальных столкновениях, являются:
– рулевое управление (для водителей), ветровое стекло и стойки его,
панель приборов, в т.ч. выступающие детали передней части салона, расположенные ниже уровня панели, спинки сидений (для пассажиров, сидящих сзади).
Боковые столкновения. При боковых столкновениях наиболее характерны повреждения головы, плечевых суставов с ключицами, груди, реже костей
таза со стороны места удара (при значительных деформациях боковой стенки
кузова).
При этом характерно образование переломов теменно-височных областей
черепа с переходом трещин на его основание. Травмы сопровождаются ушибами головного мозга, внутримозговыми подоболочечными кровоизлияниями.
При ударах плечевыми суставами могут образоваться переломы ключиц, отростков лопаток, разрывы связок грудинно-ключичных сочленений, иногда – вывихи головок ключиц. При значительной деформации панелей дверей образуются переломы плечевой кости, переломы костей таза с внедрением головки
бедренной кости в полость таза, сопровождающиеся повреждением тазовых органов. Резкое отклонение головы вбок вызывает разрывы связок между поперечными отростками шейных позвонков с последующим развитием шейнотравматического синдрома.
Из вышесказанного элементами интерьера, при соударении с которыми
травмируется более 1/3 пострадавших в ДТП водителей и пассажиров при боковых столкновениях, являются:
– внутренняя боковая часть несущих элементов кузова (панели и выступающие части дверей, боковых стоек и др.);
Удар (наезд) сзади. При наездах на автомобиль сзади характерны повреждения в шейном и верхнегрудном отделах позвоночника. В первый момент
столкновения возникает резкий перегиб назад в области шеи, после чего голова
13
перемещается обратно вперед. При таком механизме происходит не только повреждение шеи, ее мягких тканей и позвоночника в силу действия сил растяжения, но и определенный сдвиг головы относительно первых шейных позвонков.
Возможны травмы сосудов, нервов шеи, связочного аппарата, а также разрывы
сочленения между черепом и первым шейным позвонком, передом зубовидного
отростка второго шейного позвонка с травмой спинного мозга, компрессионные переломы тел позвонков. При этом следует отметить, что в случае отсутствия явных повреждений костных частей шеи диагностика затруднена (особенно, если пострадавший находится в тяжелом или бессознательном состоянии и
не может сообщить врачу о своих ощущениях), так как зачастую каких-либо
внешних повреждений на шее не наблюдается (в ряде случаев повреждения
связочного аппарата и тел позвонков определялись только по результатам
вскрытия трупов).
Опрокидывание. Характерных механизмов травмирования установлено
не было. Основными причинами травмирования при опрокидываниях является
выпадение человека из автомобиля, деформация автомобиля с нарушением
жизненного пространства, а реже также соударение головы с выступающими
элементами салона. Применение ремней безопасности и оптимизация ударнопрочностных свойств верхней части кузова (кабины) позволяет практически
исключить тяжелые повреждения человека в автомобиле при его опрокидывании.
Из вышесказанного элементами интерьера, при соударении с которыми
травмируется более 1/3 пострадавших в ДТП водителей и пассажиров при опрокидывании, являются:
– внутренние части несущих элементов кузова (кабины).
Выявленные виды столкновений, а также локализация и тяжесть травм
человека в отдельных типах ДТП позволили определить первоочередные направления углубленных имитационных исследований биокинематики и биомеханики ДТП (механизмов травмирования) с целью разработки эффективных
мероприятий по повышению пассивной безопасности комплекса ЧАДС и методов оценки пассивной безопасности конструкции автомобиля.
В настоящее время для полноценных исследований биокинематики и
биодинамики ДТП применяют современные технические средства, такие как
имитатор столкновений, скоростные видеокамеры, ЭВМ и совершенные антро-
14
пометрические манекены. При исследованиях биокинематики и биодинамики в
основном используются экспериментальные методы исследования, которые
описаны в работах Патрика [3], Мура [8]. Результаты экспериментальных исследований перемещений человека, не закрепленного ремнями безопасности,
приведены в трудах Янга [9], Листера [10]. В этих работах исследованы механизмы возможных травм водителя без ремней безопасности при соударении с
рулевым управлением.
Медицинские обследования повреждений грудной клетки при столкновениях автомобилей проведены Ласки, Сигед, Нахуи [11].
Математическое моделирование кинематики человека при ДТП с применением ЭВМ требует достаточно строгого математического описания сидений,
ремней безопасности и условий соударения человека с интерьером автомобиля
[12, 13]. Отсутствие или недостаточный объем таких данных приводят к тому,
что математические модели используются только для предварительных расчетов, т.к. точность получаемых с их помощью результатов недостаточна достоверна.
Применение метода конечных элементов для модели с параллельными
нелинейными упругими элементами и демпферами (модель Кельвина) разработано в вычислительном центре фирмы «Боинг» для приближенного решения
задач, связанных с наездом автомобиля на пешехода, с процессами соударения
человека без ремней безопасности с ветровым стеклом и панелью приборов
[12].
Глубокие исследования, с применением современных систем защиты, в
нашей стране проводились А. И. Рябчинским в условиях массовых полигонных
испытаний с применением следующих разработанных методов:
– имитации фронтальных столкновении различных автомобилей с наездом на неподвижное препятствие и встречным столкновением (46 экспериментов при скорости столкновения 25…65 км/час). Методика испытаний изложена
в работе [14];
– имитации фронтальных столкновений с использованием имитатора
столкновения, в том числе имитации соударения водителя с рулевым управлением автомобиля (65 экспериментов при скорости столкновения
25…55 км/час), условия и методика испытаний изложены в работе [15];
15
– имитации фронтальных столкновений с использованием импульсного
торможения движущегося автомобиля (14 экспериментов при скорости движения автомобиля в начальный момент торможения 15…27 км/час); методика иусловия испытаний изложены в работе [16];
– имитации боковых столкновений легковых автомобилей с использованием подвижного препятствия (13 экспериментов при скорости столкновения
26…35 км/час); методика испытаний изложена в работе [14];
– имитации наездов (ударов) сзади на легковой автомобиль с использованием подвижного препятствия (10 экспериментов при скорости столкновения
27…54 км/час); методика испытаний изложена в работе [14];
– имитации опрокидываний различных типов автомобилей на уклоне с
помощью наклонной тележки и специальной эстакады (28 экспериментов); методика и условия испытаний приведены в работах [2, 17, 18].
16
ЛЕКЦИЯ 4. БИОДИНАМИКА И БИОКИНЕМАТИКАФРОНТАЛЬНОГО
СТОЛКНОВЕНИЯ
Рассмотрим процесс столкновения и влияния некоторых характеристик
автомобиля на биокинематику и биодинамику фронтальных столкновений.
Проанализируем случай фронтального столкновения при следующих допущениях: первая фаза столкновения состоит только из активного периода удара; автомобиль и человек имеют сосредоточенные массы, законы движения которых линейны; не учитываются возможные локальные деформации автомобиля, а также силы трения при перемещении человека и автомобиля; удерживающее средство обладает бесконечной начальной жесткостью и имеет ограничитель максимального усилия. На (рис. 4.1) показаны идеализированные законы
изменения по времени пути, скорости, ускорения, сил при перемещении и соударении человека ( sЧ , vЧ , aЧ , FЧ ) и автомобиля ( sa , va , aЧ ) в процессе фронтального столкновения при различных значениях зазора между человеком и УС
(рис. 4.1 а); скорости движения автомобилей в момент столкновения
(рис. 4.1 г), жесткости УС (рис. 4.1 б) и передней части автомобиля (рис. 4.1 в).
Представленные иллюстрации (рис. 4.1) наглядно показывают изменение указанных параметров фронтального столкновения. За основные параметры, характеризующие кинематику и динамику человека в автомобиле, примем скорость движения человека относительно автомобиля в момент контакта с УС,
замедление человека, максимальное перемещение человека относительно автомобиля и долю энергии человека, поглощаемой за счет деформации кузова автомобиля в зоне его контакта с объектом соударения.
Точка A (на рис. 4.1) характеризует скорость движения автомобиля ( v0 ) в
начальный момент столкновения. Наклон прямых Ata ( Ata′ ) и BtЧ ( BtЧ′ ) ( BF )
определяет замедление соответственно автомобиля и человека в процессе
столкновения. Отрезок AB ( AB′ ) характеризует время движения человека с
постоянной скоростью v0 до момента контакта t1 ( t1′ ) с удерживающим средством при относительной скорости соударения, характеризуемой прямой BC
( B′C ′ ).
17
Рис. 4.1. Изменение в процессе удара основных параметров, характеризующих
кинематику и динамику человека в автомобиле при идеализированном
фронтальном столкновении
После контакта (период времени t > t1 или t > t1′ ) скорость движения человека снижается по закону, определяемому силовой характеристикой объекта
соударения, за счет деформации и перемещения УС до момента времени t 2 , когда скорости движения человека и автомобиля сравняются или станут равными
нулю.
Площадь Ata tЧ B ( Ata′ tЧ′ B′ ) характеризует максимальное перемещение
человека относительно автомобиля в процессе столкновения. Площадь BCtЧ
( BCF ) ( BCta tЧ ) характеризует перемещение человека за счет деформации УС;
площадь At a O – деформацию (путь остановки) автомобиля; площадь ABC –
зазор между человеком и УС. Для определения доли энергии, поглощаемой УС,
используем C – энергетический коэффициент связи человека с автомобилем в
процессе ДТП, определяемый из выражения
C =1−
где
( EЧ )УС
( EЧ )УС
ЕЧ
,
– энергия человека, поглощаемая УС;
ЕЧ – энергия человека в начальный момент ДТП.
(4.1)
18
Отсутствие связи ( С = 0 ) показывает, что УС поглощает всю кинетическую энергию человека, т.е. ( EЧ )УС = EЧ . При 0 < C < 1 часть энергии человека
рассеивается за счет деформации автомобиля. Период, в течение которого происходит перемещение и соударение (контакт) человека с элементами удерживающих средств (условно назовем его периодом столкновения человека), можно подразделить на три фазы [15].
I – фаза свободного перемещения тела человека с момента начала столкновения (точка А) до момента контакта человека с УС (точка В). За момент
контакта принимается начало нарастания нагрузки в УС в результате импульсного воздействия человека. Перемещение в I фазе вызывается разницей скоростей между замедляющимся в процессе столкновения автомобилем и продолжающим первоначальное движение человеком, которая в момент контакта определяется величиной отрезка BC ( B′C ′ ). Длительность I фазы t I = t1 .
II – фаза удержания (активный период удара человека) от момента контакта человека с УС до момента времени, соответствующего максимальному
перемещению, когда скорость человека относительно автомобиля становится
равной нулю (время t 2 ). Длительность II фазы t II = t 2 ( tЧ ) − t1 .
III – фаза упругого отскока человека, отсчитываемая от момента максимального перемещения относительно первоначального положения до момента,
когда гасится скорость человека, полученная им вследствие упругости УС. I и
III фазы при соответствующих характеристиках УС могут практически отсутствовать.
Из (рис. 4.1) видно, что применение специальных ЗУС приводит к снижению замедления человека с УС (характеризуется отрезком BC ) и величины перемещения человека относительно автомобиля. Однако при этом происходит
увеличение доли энергии человека, поглощаемой за счет деформации передней
части автомобиля (характеризуется площадью Ata tЧ B ). На (рис. 4.1 а) показано
влияние зазора между человеком и УС при фронтальном столкновении автомобилей с идентичными ударопрочностными свойствами кузова и УС.
Анализ (рис. 4.1 а) показывает, что увеличение зазора приводит к росту
скорости движения и величины перемещения человека относительно автомобиля в момент контакта с УС ( В′С ′ > BC и пл. В′С ′ta tЧ > пл. BCF ) и снижению
коэффициента связи C . Законы изменения скоростей перемещения автомобиля
19
и человека, закрепленного УС с различной жесткостью, показаны на (рис. 4.1 б)
(пл. ABFta характеризует перемещение человека, закрашенного более жестким
УС). Анализ (рис. 4.1 б) показывает, что увеличение жесткости УС приводит к
снижению пути перемещения человека в салоне и увеличению замедления человека и коэффициента связи человека с автомобилем С. При этом, на скорость
человека в момент контакта с УС не оказывает влияние жёсткостные характеристики УС.
Законы изменения скоростей перемещения человека в автомобилях с различными ударопрочностными свойствами показаны на рис. 4.1 в. Площади
ABC и A′ B′C ′ характеризуют величину зазора между человеком и УС. На
(рис. 4.1 в) показано, что при фронтальном столкновении автомобиля с большей ударной жесткостью путь перемещения человека увеличивается, и меньшая часть энергии человека гасится за счет деформации автомобиля, т.е. коэффициент связи C уменьшается.
На (рис. 4.1 г) показаны изменения параметров кинематики и динамики
человека при столкновении автомобилей с различной скоростью в начальный
момент удара – v0 , v0′ и v0′′ . При этом жесткость автомобиля и УС, а также зазор между человеком и УС – постоянные. Анализ показывает, что при повышении скорости столкновения автомобиля увеличивается путь перемещения человека относительно автомобиля за счет роста деформации УС (пл. BtЧ′ t a′ C ′ < пл.
BtЧ ta C ); скорость столкновения человека с УС не зависит от скорости движения автомобиля ( BC = B′C ′ ); при снижении скорости столкновения автомобиля
увеличивается доля энергии человека, поглощаемая УС, т.е. коэффициент связи
C уменьшается; при скорости столкновения меньше v0 C становится равным
нулю. Проведенный анализ показывает:
– что зависимости ( sЧ , vЧ , аЧ , FЧ , va , aa , sa ) = f ( t ) характеризуют биокинематику и биодинамику столкновений автомобилей и могут быть использованы при их анализе;
– кинематика и динамика человека в автомобиле в условиях столкновения определяются следующими параметрами: типом и характеристикой УС, зазором между человеком и УС, ударопрочностными свойствами автомобиля в
зоне его контакта с объектом соударения, а также скоростью (изменением скорости) движения автомобиля в момент столкновения.
20
При исследованиях кинематики человека (манекена) при небольших значениях действующих перегрузок для имитации фронтального столкновения использовался метод импульсного торможения автомобиля, при котором ускорения значением (1,2…7,8) g создавались путем резкой остановки движущегося
автомобиля с помощью троса, прикрепленного одним концом к задней части
рамы, а другим – к стационарному анкеру.
Испытания проводились с использованием антропометрического манекена «Sierra stan» 50 % репрезентативности (рост 174 см, масса 74 кг) и с участием добровольца (35 лет, рост 172 см, масса 70 кг); при размещении добровольца
на месте водителя и манекена на правом переднем сидении, с применением
различных типов ремней безопасности (поясных, диагональных, диагональнопоясных) и без них.
В результате проведенных исследований были определены параметры
движения частей тела человека и манекена при применении ремней безопасности и без них (рис. 4.2).
Рис. 4.2 Перемещение манекена при небольших значениях,
действующих при ударе перегрузок:
а – манекен не закреплен ремнями безопасности;
б – манекен закреплен диагонально-поясным РБ
21
На (рис. 4.2 а) показана последовательность движения манекена, незакрепленного ремнями безопасности. Анализ показывает, что перемещение манекена до момента контакта с деталями интерьера происходит плоскопараллельно
вдоль продольной оси автомобиля с сохранением первоначальной позы; перемещений туловища вверх при замедлении автомобиля до 7,8 g не отмечено.
Характерны соударения коленями о панель приборов и головой о ветровое
стекло и панель приборов, плоскопараллельное вращение головы относительно
туловища и туловища относительно бедра.
На (рис. 4.2 б) показана последовательность движения манекена, закрепленного диагонально-поясными ремнями безопасности. В первой фазе при наличии
зазора
между
ремнем
безопасности
и
туловищем
перемещение манекена происходит практически плоскопараллельно без изменения первоначальной позы. Поза манекена при перегрузке до 4 g с наклоном
головы на 50±10 % показана на средней позиции (рис. 4.2 б) и является характерной для начала его перемещения вследствие растяжения ремней безопасности. Эта поза принята за основу при определении размеров жизненного пространства при фронтальном столкновении для начального адаптированного положения человека в автомобиле. Скорость нарастания ускорений в груди манекена (человека) до 400 g в секунду, запаздывание относительно начала роста
ускорения автомобиля – 0,005 с.
Испытания показали, что антропометрический манекен позволяет имитировать биокинематику человека, не прилагающего мускульных усилий и не использующего в автомобиле упоров для ног и рук.
22
ЛЕКЦИЯ 5. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ БИОДИНАМИКИ И
БИОКИНЕМАТИКИ БОКОВЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ
Рассмотрим процесс столкновения и влияния некоторых характеристик
автомобиля на биокинематику и биодинамику боковых столкновений.
Анализ экспериментальных исследований биодинамики и биокинематики
человека в автомобиле при боковых столкновениях показывает, что на величину относительной скорости и ускорения движения человека в автомобиле оказывают влияние следующие параметры: величина зазора между человеком и
УС, силовая характеристика боковины в зоне возможного контакта с объектом
соударения и жесткость УС (внутренней части боковины салона) в зоне возможного контакта с человеком.
Учитывая, что наибольшую опасность боковые столкновения представляют для водителей и пассажиров легковых автомобилей, исследования проводились в условиях имитации бокового столкновения способом наезда подвижного недеформируемого препятствия на неподвижный легковой автомобиль.
В ходе исследований регистрировались замедление препятствия, ускорения недеформируемой части кузова автомобиля, а также груди и головы манекенов с помощью виброизмерительной аппаратуры; перемещения манекенов и
автомобиля, деформации автомобиля регистрировались с помощью скоростной
видеосъёмки. Испытания проводились в условиях закрепления манекенов поясными и диагонально-поясными РБ и без РБ. Манекены размещались в автомобиле со стороны удара и с противоположной стороны. Скорость движения подвижного препятствия в момент удара была в пределах 26…35 км/ч.
Анализ данных (табл. 5.1) показывает, что в условиях испытаний в соответствии с нормированными требованиями безопасности к легковым автомобилям деформации боковины составляют 100…250 мм и не исключается при этом
вероятность нарушения жизненного пространства, особенно при косых боковых столкновениях. Среднее значение перегрузки человека n = 10...15 мм при
скорости нарастания нагрузки (1000…1500) g в секунду, продолжительности
воздействия 0,04…0,06 с. На кинематику и динамику человека при боковых
столкновениях оказывает существенное влияние его месторасположение в автомобиле.
Таблица 5.1
Основные параметры процесса имитации бокового столкновения легкового автомобиля
Наименование параметра
1
Масса автомобиля, кг
5
6
1500
№ эксперимент
6
7
7
8
1590
1050
8
9
940
9
10
960
10
11
1190
11
12
1190
12
13
1200
в дверях установлены
брусья безопасности
стандарт
стандарт
стандарт
стандарт
стандарт
в передних дверях
установлены брусья
безопасности
в дверях установлены
брусья безопасности
в дверях установлены
брусья безопасности
Энергия тележки в момент
удара, кгс·ч
Деформация автомобиля, мм
а) остаточная
б) максимальная
в) упругая
Максимальная величина отскока автомобиль в процессе удара, мм
4
5
1500
стандарт
Место удара – боковина
3
4
1590
стандарт
Масса подвижного
препятствия, кг
Скорость подвижного
препятствия в момент удара,
км/ч (м/с)
Угол удара, град
2
3
820
стандарт
Особенности конструкции
боковины автомобиля
1
2
820
1525
1525
1525
1310
1545
1580
1555
1840
1355
1525
1525
1800
32,0
(8,61)
30,0
(8,23)
31,7
(9,8)
28,5
(7,91)
28,5
(7,91)
28,9
(8,02)
31,2
(8,66)
26,0
(7,20)
26,9
(7,47)
27,3
(7,58)
37,9
(9,75)
35,0
(8,88)
90
90
90
90
90
90
45
90
90
правая
левая
правая
левая
90
90
90
левая
правая
левая
3330
4650
5910
4000
4230
4910
5840
4900
4400
4290
6310
8510
159
256
97
137
209
22
106
н.ф.
–
119
168
40
146
179
23
89
135
46
185
196
11
176
196
12
178
203
25
130
н.ф.
–
193
н.ф.
–
88
н.ф.
–
3800
6420
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
3300
6280
6220
3200
3800
4020
правая правая правая
правая правая
24
Окончание табл. 5.1
1
Длительность процесса удара, с
а) первая фаза столкновения
автомобиля
б) вторая фаза столкновения
автомобиля
в) первая фаза столкновения
человека
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0,07
0,06
0,09
0,06
0,06
0,08
0,05
0,06
0,06
0,045
н.ф.
0,04
0,09
0,16
н.ф.
0,06
0,10
н.ф.
0,11
0,12
н.ф.
0,06
н.ф.
0,05
0,03
0,01
н.ф.
0,03
0,025
0,02
0,01
0,01
0,01
н.ф.
н.ф.
н.ф.
сидение водителя
сидение водителя
сидение водителя
передние сидение
пассажира
сидение водителя
передние сидение
пассажира
–
заднее сидение
слева
заднее сидение
справа
заднее сидение
справа, передние
сидение пассажира
40
13
14,5
22
6
16,6
44
17,5
–
17
9
17,0
13
6,5
15,1
17
4
9,1
20
7,6
19,0
30
10
13,4
30
12,5
10,2
14
5,0
–
н.ф.
н.ф.
–
52
9,5
–
18
13
12,5
26
8
24
11
10
–
19
н.ф.
переднее
сидение
передние сидение
пассажира
Перегрузка автомобиля
а) максимальная
б) средняя экспериментальная
в) средняя расчетная
3
сидение водителя
Размещение манекена
2
72
заднее
сидение
Максимальная перегрузка
манекена
а) голова (попер.)
120
25
При расположении человека (манекена) со стороны удара в течение
0,01…0,02 с от момента контакта препятствия с автомобилем происходит перемещение автомобиля относительно неподвижного манекена в пределах имеющегося зазора и последующий контакт тела с боковиной кузова. При этом перегрузки человека достигают значительных величин: в груди – до n = 70 мм при
времени воздействия 0,01 с и скорости нарастания до 1000 g в секунду, в голове – до n = 40 мм при времени воздействия 0,02 с и скорости нарастания до
4000 g в секунду. Затем манекен в результате упругого отскока при наличии
ремней безопасности занимает, как правило, первоначальную позу.
При расположении манекена со стороны, противоположной удару, происходит его перемещение относительно автомобиля с возможным соударением
с элементами интерьера автомобиля. При применении РБ перемещается (наклоняется) верхняя часть туловища при практически неподвижной нижней части. При отсутствии РБ возможно перемещение манекена вдоль поперечной оси
автомобиля и контакт его с боковиной кузова с противоположной стороны.
Перегрузки человека при его расположении со стороны, противоположной удару, не превышают n = 5...10 мм при времени воздействия 0,05…0,08 с и
скорости нарастания не более 300…400 g в секунду, т.е. значительно ниже,
чем в первом случае. Возможны случаи открывания дверей, что увеличивает
вероятность эжектирования (выброс из автомобиля) человека. Применение поясных и диагонально-поясных РБ не предохраняет человека от соударения с
элементами при наиболее опасном случае бокового столкновения, когда человек находится со стороны удара, однако предотвращает эжектирование человека из автомобиля.
Как показал проведенный анализ, возможными причинами травмирования человека при боковых столкновениях можно считать:
– травмоопасные перегрузки в направлении плечо-плечо, возникающие
в результате соударения головы (туловища) человека с элементами внутренней
части боковины кузова;
– деформация внутренней части боковины кузова, вызывающая нарушение жизненного пространства;
– эжектирование человека из автомобиля.
26
ЛЕКЦИЯ 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
БИОДИНАМИКИ, А ТАКЖЕ БИОКИНЕМАТИКИ НАЕЗДА СЗАДИ
И ПРИ ОПРОКИДЫВАНИИ
Анализ экспериментальных исследований биодинамики и биокинематики
человека в автомобиле при наезде сзади показывает, что наибольшую опасность удары сзади представляют для водителей и пассажиров легковых автомобилей. Исследования проводились в условиях имитации удара сзади способом
наезда подвижного недеформируемого препятствия на неподвижный легковой
автомобиль.
В ходе экспериментов величины регистрировались следующим образом:
ускорения препятствия и недеформируемой части кузова автомобиля, а также
груди и головы манекенов – с помощью виброизмерительной аппаратуры; относительные перемещения манекенов и автомобиля, а также деформации автомобиля – с помощью скоростной видеосъёмки; момент, создаваемый манекеном относительно оси спинки сиденья – с помощью современной измерительной аппаратуры. Испытания проводились как с закреплением манекенов РБ, так
и без РБ, с сиденьями, как имеющими подголовники, так и не имеющими их.
Скорость движения подвижного препятствия в момент удара была
27,3…34 км/ч. Анализ данных (табл. 6.1) показывает, что деформации с нарушением пространства не характерны для данного типа ДТП (смещение точки R
относительно недеформируемой части автомобиля в проведенных испытаниях
не превышало 10…25 мм). Максимальная амплитуда перегрузок недеформируемой части автомобиля, как правило, лежит в диапазоне n = 15...25 мм при
скорости нарастания до 2000 g в секунду и продолжительности воздействия
0,04…0,08 с. Среднее значение перегрузок автомобиля n = 5...13 мм.
Биокинематика и биодинамика человека при ударе сзади имеют следующие особенности. В начальной фазе удара манекен вдавливается в подушки и
спинки сиденья. Голова при отсутствии подголовников начинает совершать
вращательное движение относительно туловища вдоль продольной оси автомобиля. При применении подголовников, отвечающих требованиям ЕЭК ООН
№ 25, смещение головы не превышает 5…18 мм относительно начального положения. В случае деформации каркаса спинки сиденья туловище затем смещается назад с вращением относительно тазобедренного сустава.
Таблица 6.1
Основные параметры имитации удара сзади для легкового автомобиля
Наименование параметра
1
Масса автомобиля, кг
Масса подвижного препятствия, кг
Скорость подвижного препятствия в момент удара, км/ч
Энергия подвижного препятствия в момент удара, кгс·м
Деформация автомобиля, мм
а) остаточная
б) максимальная
Величина отскока автомобиля в процессе удара, мм
Размещение манекена
Длительность процесса удара, с:
а) первая фаза столкновения автомобиля
б) вторая фаза столкновения автомобиля
в) первая фаза столкновения человека
Перегрузка автомобиля:
а) максимальная
б) средняя экспертная
в) средняя расчетная
Максимальная перегрузка манекена:
а) голова (горизонтальная)
б) голова (вертикальная)
в) грудь (горизонтальная)
г) грудь (вертикальная)
1
2
1245
1800
35,5
8700
2
3
1065
1540
34,6
7260
245
330
н.ф.
245
304
н.ф.
0,06
№ эксперимент
3
4
5
4
5
6
1300
810
1590
1540
1525
1525
30,5
33,3
33,8
5550
6650
6710
6
7
1550
1525
29,4
5070
7
8
960
1650
27,3
4740
225
224
90
313
327
–
н.ф.
4230
5140
на переднем сидении
122
158
н.ф.
128
–
2930
0,075
0,07
н.ф.
0,04
0,06
0,07
0,05
–
0,010
–
0,017
–
н.ф.
0,01
0,012
–
0,07
0,053
н.ф.
–
6
3,4
14,7
22
6,9
15,2
18
10,7
11,5
н.ф.
н.ф.
13,1
34
12,3
–
17,5
7,0
21,3
н.ф.
н.ф.
–
25
20
н.ф.
н.ф.
26
17
13
12
9,5
7,8
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
5
н.ф.
н.ф.
н.ф.
26
8
7,5
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
28
1
Максимальный угол наклона назад спинки переднего
сиденья после удара, град
Максимальный угол наклона назад головы манекена
после удара относительно тазовой линии туловища,
град
3
стандартное
4
с подголовником
Особенности конструкции переднего сиденья
2
5
Окончание табл. 6.1
6
7
8
стандартное
с
подголовником
32
72
42
50
47
12,5
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
н.ф.
11,7
н.ф.
н.ф.
Примечание. Буквы «н.ф.» означают, что параметр при испытании не фиксировался.
Ускорения грудной клетки и головы при этом отмечены с запаздыванием
на 0,05…0,06 с от момента контакта препятствия с автомобилем. Максимальная амплитуда ускорения груди не превышает (10…25) g , а головы – 20 g при
скорости нарастания ускорения (250…1500) g в секунду и времени воздействия 0,05…0,10 с. При отсутствии подголовников и значительной деформации
спинки сиденья отмечались дополнительные соударения головы с элементами
задних сидений при значениях перегрузок до 27 g . Упругого отскока манекена
в обратном направлении (вперед) за пределы начального положения в испытаниях не отмечалось. Применение РБ не оказывает заметного влияния на биокинематику и кинематику человека.
Тип ДТП – опрокидывание, характеризуется большим разнообразием условий. В практике экспериментальных исследований пассивной безопасности
автотранспортных средств в нашей стране и за рубежом нашел применение в
основном метод имитации поперечного опрокидывания, обеспечивающий стабильное воспроизведение одного из частых видов ДТП с кинематикой и динамикой, характерной для большинства случаев опрокидываний [2, 17].
При испытаниях грузовых автомобилей и автобусов использовался способ опрокидывания на уклоне с приложением внешнего начального момента. В
процессе исследований использовались антропометрические манекены и упрощенные манекены-макеты, которые размещались свободно или закреплялись
РБ. Для определения параметров кинематики и динамики использовалась скоростная видеосъемка и аппаратура для регистрации перегрузок в отдельных
частях манекенов и автомобилей.
При испытаниях легковых автомобилей использовался способ опрокидывания с применением наклонной платформы, наезжающей на тормозное устройство. При анализе использовались также результаты, полученные с применением других способов опрокидывания (с применением эстакады, путем резкого поворота управляемых колес и т.д.), примененных на автополигоне [18].
Анализ результатов (табл. 6.2) показывает, что незакрепленный ремнями
безопасности человек (манекен) в условиях возможных видов опрокидывания в
результате воздействия сил инерции перемещается внутри автомобиля и может
контактировать с элементами интерьера преимущественно в верхней части кузова (кабины). Перемещения человека при опрокидывании носят сложный и
довольно случайный характер, зависящий от многочисленных факторов, влияние которых практически трудно учесть.
Таблица 6.2
Основные параметры имитации процессе опрокидывания автотранспортных средств
1
2
Тип автомобиля
3
4
Автобус средней
вместимости
5
6
6
7
7
8
Легковой
Серийный
Горизонтальная
бетонированная
площадка
Уклон 33°с длиной
наклонной части
30 м и травяным
покрытием
Уклон 28°с длиной наклонной части 28 м и
травяным покрытием
С дверьми повышенной
прочности и опытными
дверными замками
С кабиной повышенной
прочности
Место испытаний
Грузовой
Серийный
Особенности конструкции автомобиля
2
3
Автобус
большой
вместимости
1
№ эксперимент
4
5
Микроавтобус
Наименование показателя
31
Продолжение табл. 6.2
Антропометрический
манекен на месте
водителя
Манекен-макет на заднем
сидении
22 манекена-макета на
месте водителя и в салоне
2 антропометрический
манекена на передних и
задних сидениях
–
Диагональнопоясной РБ
–
–
–
15 манекенов
закреплены
поясными РБ
Диагональнопоясные РБ
Число оборотов автобуса при опрокидывании
2¾
3
2¼
2½
3¼
3¼
2
Антропометрический
манекен на первом
пассажирском месте
3 манекена на месте
водителя и на третьем и
четвертом пассажирских
местах
Манекен-макет на месте
водителя
Используемое специальное ЗУС
Размещение и число манекенов
С помощью наклонной
платформы (скорость 7,5 км/ч),
наезжающей на тормозное
устройство (путь торможения
0,9 м)
Опрокидывание
8
7
3
4
5
6
На уклоне с применением внешнего начального момента
2
1
32
Окончание табл. 6.2
1
Максимальные перегрузки кузова по осям:
а) продольной
б) поперечной
в) вертикальной
2
3
4
5
6
7
8
8,4
11,2
9,2
–
18,2
15,3
–
14
–
4
6
4,5
5,5
6
7
–
–
–
Максимальная угловая скорость, град/с
260
225
144
186
158
5
6
7,5
106
(средняя)
«Водитель» – через оконный проем
двери; «пассажиры» переместились
за пределы салона через
разрушенные боковые стенки
Через проем открывшейся задней
двери; травмирован автобусом
7 манекенов через оконные проемы,
3 из них травмированы автобусом
Не происходило; отмечено
перемещение рук за пределы салона
вследствие открытия дверей
Через
заднюю
дверь
Через
вентиляц
ионные
люки и
оконные
проемы
Через
дверные
проемы
Эжектирование манекенов
Возможность эвакуации пассажиров после
ДТП
Не эжектирован
Через
оконные
проемы
Через
двери и
оконные
проемы
Через оконные проемы
–
Относительная скорость перемещения человека в момент контакта с элементами интерьера не превышает 3…5 м/с. В случае открывания дверей и выпадения стекол в процессе опрокидывания люди могут эжектироваться через
дверные и оконные проемы.
Так при эксперименте с опрокидыванием автобуса большой вместимости
на уклоне большой длины были эжектированы через оконные проемы 7 манекенов из 22, размещенных в салоне (в т.ч. манекен-водитель). Три манекена из
числа эжектированных были повреждены в результате опрокидывания на них
автобуса.
Применение диагонально-поясных РБ предохраняет человека от существенных (с точки зрения его травмоопасного контакта с элементами интерьера)
перемещений и резко снижает вероятность эжектирования из автомобиля. Максимальные перегрузки туловища манекена, закрепленного диагональнопоясным РБ, не превышают n = 12 мм, а критерий травмирования головы не
более 15…250 ед., т.е. перегрузки меньше допустимых и они не определяют толерантность человека при опрокидывании. Основным параметром, оказывающим влияние на вероятность эжектирования человека из автомобиля, является
угловая скорость автомобиля в процессе опрокидывания.
При опрокидываниях грузовых автомобилей на уклонах большой длины
отмечались деформации кабин с нарушением жизненного пространства и образованием травмоопасных острых выступающих частей в зонах возможного
контакта головой.
Проведение исследования биокинематики и биодинамики человека показывают, что при опрокидывании современных автомобилей наиболее вероятной
причиной травмирования является эжектирование человека из них и сдавливание тела человека из-за деформаций верхней части кабин грузовых автомобилей, нарушающих жизненное пространство. В результате биомеханических исследований автомобилей были сформулированы основные функциональные
требования к элементам СПБ в следующем виде.
А. Требования к автотранспортным средствам:
а) ударно-прочностные свойства верхней части кузова (кабины) автомобиля должны обеспечивать сохранение жизненного пространства в процессе
опрокидывания;
б) для предотвращения вероятности эжектирования человека в автомобилях должны использоваться специальные защитные удерживающие средства,
34
ЗУС могут устанавливаться в автотранспортных средствах в случае соответствия последних требований предыдущего пункта;
в) ударно-прочностные свойства элементов интерьера кузова (кабины)
должны быть такими, чтобы возникающие в зоне контакта перегрузки не превышали нормативов по толерантности отдельных частей тела человека при
скоростях соударения до 5 м/с;
г) конструкция элементов интерьера кузова (кабины) и органов управления автомобиля, расположенных в зоне возможного удара головой при опрокидывании, должна исключать возможность образования в процессе ДТП острых
выступающих частей, при контакте с которыми могут возникнуть травмоопасные локальные перегрузки головы человека;
д) конструкция элементов фиксации дверей (дверные замки, петли и др.),
аварийных выходов, ветровых стекол и мест их установки должны, по возможности, исключать их самоотрывание (выпадение) в процессе опрокидывания,
чтобы предотвратить эжектирование человека из автомобиля.
Б. Требования к ЗУС:
а) конструкция ЗУС должна исключать вероятность эжектирования человека из автотранспортного средства при опрокидывании.
В. Требования к дороге:
а) в зонах возможного опрокидывания на дорожном полотне и в придорожной полосе желательно отсутствие неровностей и объектов инженерного
обустройства дорог, способствующих возникновению локальных перегрузок
кабины при опрокидывании автомобилей;
б) в придорожной полосе в зонах возможного опрокидывания автомобилей желательно отсутствие откосов большой крутизны и протяженности, способствующих увеличению импульсных перегрузок человека и кузова (кабины)
автомобиля. При наличии таких откосов необходимо применять специальные
ограждения дорог, предотвращающие опрокидывания автомобилей.
35
ЛЕКЦИЯ 7. ТОЛЕРАНТНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА К ИМПУЛЬСНЫМ
НАГРУЗКАМ В УСЛОВИЯХ ДТП
Основным прямым измерителем уровня пассивной безопасности конструкции автомобиля и выходной характеристикой системы обеспечения пассивной безопасности дорожного движения является тяжесть травмирования водителей и пассажиров в условиях ДТП [1]. Тяжесть травмирования человека при
воздействии импульсных нагрузок в первую очередь определяется максимальным или средним значением действующих на человека перегрузок, длительностью воздействия, скоростью нарастания, направлением действия и местом
приложения усилий (перегрузок).
Тело человека представляет собой сложную биологическую (биомеханическую и биохимическую) систему, каждый элемент которой имеет явно выраженную гетерогенность в условиях воздействия импульсных нагрузок и одновременно обладает весьма ограниченными возможностями для ударопрочностных исследований [19].
Исследования, которые могут проводиться на человеке, связаны с огромным риском для него и проходят в строго ограниченных пределах. Поэтому
данные по терпимости (толерантности) организма человека в основном определяются по анатомическим, физиологическим и биомеханическим анализам
несчастных случаев и ДТП, а также по результатам исследований с использованием трупов животных, антропометрических манекенов, математических и физических моделей [16].
В настоящее время отсутствует общепринятое понятие толерантности
(терпимости) организма человека или отдельных его частей к импульсным нагрузкам. Под толерантностью человека мы будем понимать способность переносить определенную перегрузку в течение заданного промежутка, времени без
получения тяжелых и необратимых травм [19].
Толерантность может быть общей и локальной. При рассмотрении общей толерантности имеют в виду результат воздействия на человека перегрузок, действующих практически на весь организм, например, при взлете или посадке космического корабля.
При определении пределов локальной толерантности рассматривается соударение отдельных частей тела с объектом соударения. При ДТП на человека
внутри автомобиля воздействует в результате контакта отдельных участков те-
36
ла с удерживающими средствами практически только локальные перегрузки
[15], поэтому в дальнейшем локальную толерантность будем называть просто
толерантностью.
Рассмотрим и проанализируем данные, характеризующие пределы толерантности человека в условиях воздействия перегрузок при основных типах
ДТП.
Например тяжесть травмирования человека в автомобиле при фронтальных столкновениях (4 лекция) в основном определяется повреждением головы,
грудной клетки и тазобедренного сустава.
Толерантность грудной клетки нормируется двумя показателями: результирующей перегрузкой, измеренной по трем плоскостям в центре тяжести туловища, и усилием при ударе водителя грудью о рулевое колесо. Предельно
допустимая перегрузка 60 g в течение 3 мс (стандарт США № 208), а максимально допустимое усилие при ударе – 1134 кгс (ОСТ 37.001.002-70, Правила
ЕЭК ООН № 12, стандарт США № 203 и др.). Толерантность тазобедренного
сустава (точнее системы коленная чашечка-бедро-таз) нормируется величиной
максимально допустимого динамического усилия в бедре, равного 635 кгс
(стандарт США № 208) [20].
Наиболее подверженной травмированию при ДТП частью тела человека
является голова. Травмирование головы может происходить как с переломом
черепа (при малой площади контакта с объектом соударения), так и без перелома [21]. Травмирование в последнем случае может происходить в результате
следующих явлений:
– церебральной травмы вследствие удара мозгового вещества о черепную коробку, вызывающего кровоизлияние в мозговую оболочку и ткань с переполнением центральных желудочков;
– церебральной травмы вследствие образования каверн со стороны,
противоположной месту удара;
– растяжения ретикулярной формации и защемления мозгового вещества в верхней конической части позвоночного столба (теория нарушения ретикулярной формации);
– кровоизлияния в мозг вследствие разрыва вен, соединяющих отдельные участки мозга (при вращении головы с большими ускорениями);
37
– повышения давления мозговой жидкости в головном мозгу, вызывающего деформации поверхности мозга (теория гидростатического напряжения);
– нарушения биохимических реакций в организме из-за макро- и микроразрушений тканей (клеток) организма (теория биохимического эффекта).
При исследованиях биокинематики водителя при фронтальном столкновении грузового автомобиля травмоопасные нагрузки воздействуют и на область живота[22].
Р.Л. Сталлнакером по результатам испытаний на животных предлагается
следующая зависимость между тяжестью травмирования живота и условием
нагружения:
Ft 2
ESI = log
,
(7.1)
ma
где ESI – степень травмирования, которая может изменяться от 1 (легкая) до
5 (тяжелая);
F – сила удара;
t – время удара;
m – масса животного;
a – площадь тела в зоне контакта.
По данным Снайдера, Янга и Стаппа предельно допустимая нагрузка при
соударении брюшной полостью с рулевым колесом лежит в пределах
400…500 кгс [23].
Тяжесть травмирования человека в автомобиле при ДТП типа удара сзади
определяется в основном повреждениями шейного отдела позвоночника. Из
многочисленных исследований в этой области следует отметить два нормированных измерителя, которые принципиально возможно использовать при оценке тяжести травмирования шейного сегмента.
На основе экспериментов с обезьянами была предложена граница повреждаемости шейного участка позвоночника человека при хлыстовом нагружении, определяемую величинами углового ускорения головы и длительностью
действия перегрузок [24]. Однако использовать указанные зависимости практически трудно из-за несовершенства шейного сочленения современных антропометрических манекенов.
38
Косвенным измерителем толерантности шейного сегмента при ударе сзади является угол поворота головы назад (предельно допустимая величина 40 º),
который реализован Правилами ЕЭК ООН № 25 в требованиях к подголовникам сидений в виде предельно допустимого перемещения головы (102 мм). Поскольку вопрос обеспечения пассивной безопасности автомобилей в этой части
практически решается все более широкой установкой подголовников, объем
медико-биологических работ в этом направлении за последнее время несколько
снизился.
39
ЛЕКЦИЯ 8. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ЧАДС
В УСЛОВИЯХ ДТП
Проведенные ранее исследования позволили представить комплекс
ЧАДС при функционировании в условиях ДТП в виде разомкнутой системы автоматического регулирования, блок-схема которой показана на (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Блок схема комплекса «человек-автомобиль-дорога-среда» при
функционировании в условиях дорожно-транспортного происшествия:
( vа ) ДТП – скорость и направление возмущенного движения автомобиля в
аварийной ситуации; Ч – человек; А – автомобиль; SЧ – перемещение
a
человека; УС – удерживающее средство; n – перегрузка ( n = )
g
В качестве первичной (основной) входной характеристики системы принята скорость автомобиля, а вторичной – возмущающее воздействие P1 , вызывающее аварийную ситуацию, и динамическое воздействие P2 объекта соударения при ДТП (суммарное возмущающее воздействие – m Δv + P ). Выходными характеристиками являются прямые и косвенные измерители уровня пассивной безопасности автомобиля, а именно: тяжесть травмирования человека –
1 (прямой измеритель); перегрузки человека (автомобиля) – 2, деформации автомобиля – 3, вероятность эжектирования человека – 4, воспламенение автомобиля – 5 (косвенные измерители).
40
Иерархическая структура системы обеспечения пассивной безопасности
дорожного движения показана на (рис. 8.2). Принятое значение пассивной
безопасности подразделения человек, дорога, среда, объект соударения и т.д.
позволяет рассматривать как систему, в которой совокупность состояний (характеристик) элементов системы однозначно определяет состояние (характеристику) системы ЧАДС в целом.
Рис. 8.2. Иерархическая структура систем обеспечения безопасности дорожного
движения:
I – системы активной САБ, пассивной СПБ и послеаварийной СПАБ
безопасности;
II – подсистемы первого уровня: А-ОУ – автомобиль-объект соударения;
А-Г-УСг-Ч – автомобиль-груз-удерживающее средство для груза-человек;
А-Ч-УСч – автомобиль-человек-удерживающее средство для человека;
А-П – автомобиль-пешеход; III – подсистемы второго уровня:
А-А – автомобиль-автомобиль; НП-А – неподвижное препятствие-автомобиль;
А-Г-ЗС-Ч – автомобиль-груз-задняя стенка кабины-человек; А-С-КС-Ч –
автомобиль-сиденье-элементы крепления сиденья к кузову (кабине)-человек;
А-Ч-РУ – автомобиль-человек-рулевое управление; А-Ч-ПП – автомобильчеловек-панель приборов; А-Ч-К – автомобиль-внутренняя часть несущих
элементов интерьера кузова (кабины);
А-Ч-Д-ФД – автомобиль-человек-двери-элементы фиксации дверей;
А-Ч-С – автомобиль-человек-сиденье; А-Ч-РБ – автомобиль-человек-ремни
безопасности
Человек в автомобиле (водитель, пассажир) и вне автомобиля (пешеход)
рассматривается как элемент, снижение вероятности травмирования которого в
дорожном движении является основной целью функционирования системы и
41
подсистем обеспечения пассивной безопасности. При этом основными показателями человека являются его антропометрические и биомеханические данные,
характеризующие положение внутри автомобиля или относительно его наружных частей и толерантность отдельных частей его тела. Кроме того, человек
принимается в качестве аддитивного элемента понятия «среда». В этом случае
дополнительной характеристикой человека как пешехода является вероятность
его соударения с транспортным средством, что в основном определяется уровнями организации дорожного движения и умственного развития человека в условиях автомобилизации.
Показатели следующего элемента – автомобиля – должны способствовать
снижению травмирования человека при ДТП внутри автомобиля (внутренняя
пассивная безопасность) и вне его (внешняя пассивная безопасность).
Основными показателями автомобиля являются его ударно-прочностные
свойства в зонах возможного контакта с человеком и объектом соударения, характеристики используемых в автомобиле удерживающих средств, вероятность
эжектирования человека и воспламенения автомобиля при ДТП. При этом автомобиль изучается с двух позиций – как транспортное средств и как аддитивный элемент понятия «объект соударения».
Под удерживающим средством (УС) понимается устройство или система
устройств, обеспечивающие удерживающую связь между автомобилем и человеком (грузом) при уровне нагружения человека, не превышающем пределов
толерантности его тела, и снижающие вероятность (тяжесть) травмирования
человека в условиях ДТП. Связь считается удерживающей, если соотношения
между координатами и скоростями точек системы, обусловленные этой связью,
выражаются аналитически уравнением вида:
Ф ( ..., xi , yi , zi ; ..., x& i , y& i , z&i ; ...t ) = 0 ,
где
(8.1)
t – время;
xi , yi , zi – координаты i -й системы;
dxi
dy
dz
, y& i = i , z&i = i .
dt
dt
dt
Удерживающие средства делятся на защитные (безопасные) и травмоопасные. Защитным считают устройство, обеспечивающее удерживающую
связь при таком уровне нагружения человека, которое не превышает предела
толерантности его тела, и исключающее или снижающее вероятность (тяжесть)
x& i =
42
травмирования при ДТП. В противном случае это устройство является травмоопасным.
Понятие «дорога» рассматривается как элемент системы (подсистемы),
показатели которого способствуют исключению (снижению) травмирования
человека внутри автомобиля при ДТП, и изучается как аддитивный элемент понятия «объект соударения». Основными показателями здесь являются геометрические и ударопрочностные характеристики объектов инженерного обустройства дороги и придорожной полосы (светильников, дорожных знаков, ограждений и т.д.).
К понятию «среда» отнесены состав, наличие и характеристики элементов транспортного потока (транспортных средств, пешеходов и т.д.), с которыми возможен контакт транспортного средства при ДТП.
Разработанная система ЧАДС для обеспечения пассивной безопасности
дорожного движения позволила:
– выделить и определить взаимосвязь и роль отдельных подсистем (их
элементов) системы обеспечения пассивной безопасности дорожного движения;
– определить цели функционирования отдельных подсистем СПБ;
– построить иерархическую структуру СПБ;
– определить основные критерии для оценки эффективности функционирования отдельных подсистем (элементов) СПБ (в т.ч. автомобилей), использование которых позволяет определить предпочтительные, техникоэкономически обоснованные мероприятия по повышению безопасности дорожного движения (в т.ч. направление НИР и ОКР) и тем самым с большим народнохозяйственным эффектом использовать выделяемые для этого средства.
Таким образом, проведенные исследования механизмов травмирования
человека при ДТП позволили сделать следующее:
1) разработать основные положения методологии системного подхода
как основы теории пассивной безопасности;
2) разработать основные принципы биомеханических исследований
ДТП;
3) выбрать и определить пределы изменения показателей, характеризующих биокинематику и биодинамику основных типов ДТП;
43
4) определить возможные причины травмирования человека в автомобиле и основные травмоопасные элементы в автомобиле при различных типах и
видах ДТП;
5) определить основные измерители и показатели тяжести травмирования отдельных частей тела человека в условиях различных типов ДТП;
6) определить механизмы травмирования для основных типов ДТП и типов автомобилей с учетом месторасположения человека в автомобиле;
7) определить основные функциональные требования к элементам СПБ с
учетом антропометрических и биомеханических свойств человека, а также механики ДТП;
8) определить зоны возможного перемещения и соударения отдельных
частей тела человека при ДТП с учетом антропометрических и биомеханических свойств человека;
9) показать целесообразность комплексного исследования механизмов
травмирования водителей и пассажиров автотранспортных средств при ДТП
путем определения характерных особенностей травмирования человека в автомобиле при ДТП с использованием статистического метода исследования, путем изучения биокинематики и биодинамики основных типов (видов) ДТП с
использованием экспериментальных исследований с имитацией ДТП, а также
путем клинических и судебно-медицинских исследований характерных травм
водителей и пассажиров.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
а) выходными характеристиками системы обеспечения пассивной безопасности дорожного движения, определяющими тяжесть травмирования человека при ДТП, являются:
– перегрузки тела (частей тела) человека в результате соударения с элементами автомобиля (дороги);
– деформация (перемещение) элементов автомобиля, груза и объектов
соударения автомобиля в пределы жизненного пространства;
– эжектирование человека из автомобиля;
– воспламенение автомобиля;
б) на тяжесть травмирования человека в автомобиле наряду с входной
характеристикой системы обеспечения пассивной безопасности дорожного
движения – скоростью автомобиля в момент ДТП (ее вменением в процессе
44
ДТП) – оказывают влияние тип и вид ДТП, тип автомобиля и месторасположение человека в нем;
в) оценка пассивной безопасности конструкции автомобилей должна
производиться с учетом механизмов травмирования и толерантности следующих частей тела человека:
– при фронтальных столкновениях – головы, груди, коленнобедренного комплекса (включая таз и тазовые органы) для всех типов автомобилей независимо от месторасположения человека и дополнительно нижней
части туловища для водителей грузовых автомобилей и автобусов;
– при боковых столкновениях – головы, а также частично боковых поверхностей груди, рук и ног;
– при ударах, сзади – головы с шейно-позвоночными соединениями.
г) внедрение мероприятий по повышению безопасности конструкций автотранспортных средств должно производиться с целью снижения, в первую
очередь, вероятности получения водителями и пассажирами наиболее характерных и частых травм.
45
ЛЕКЦИЯ 9. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ
ПОДСИСТЕМ ЧАДС В УСЛОВИЯХ ДТП,
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СПБ
Все результаты исследований биомеханики ДТП и механизмов травмирования человека при ДТП должны рассматриваться как исходные при разработке
расчетных и экспериментальных методов исследований пассивной безопасности, оптимизации характеристик элементов СПБ и, следовательно, всего комплекса ЧАДС в целом.
Системы комплекса ЧАДС функционально связаны между собой. Все
подсистемы прямо и обратно связаны с системой обеспечения пассивной безопасности.
Поэтому для возможности объективной оценки безопасности автомобиля
как элемента СПБ введем понятие так называемой приведенной скорости
столкновения, с помощью которого можно было бы сопоставлять условия ДТП
и эталонных испытаний.
При имитации фронтальных столкновений в условиях эталонных наездов
на неподвижное препятствие (для одного автомобиля) формула примет вид:
va2
Δva = va , na =
.
2 gsaдеф
max
(9.1)
Тогда значения vприв для фронтального столкновения двух автомобилей
А и В могут быть определены из уравнений
m В ⎡ 2 ( Е А + Е В )( m А + m В ) ⎤
⎢
⎥
m А + mВ ⎢
m АmВ
⎥⎦
⎣
(по значению изменения скорости движения при столкновении) и
v
vaΔприв
= Δv a =
(
v Апприв
)
(9.2)
2
Э
2 gs Адеф
max
= mВ
Е А + ЕВ
m А ( m А + m В ) gs А max
(9.3)
(по значению средней интегральной перегрузки).
v
п
Априв
=
Э
2 s Aдеф
max m B ( Е А + Е В )
.
m А ( m А + m В ) s A max
(9.4)
46
При имитации боковых столкновений и ударов сзади эталонными наездами специального подвижного объекта (тележки) на неподвижный автомобиль, когда v A = 0 ,
vA = vA −
mT vT
mT vT
=
,а
m A + mT m A + mT
⎛ mT vT
⎜
m +m
nA = ⎝ A Э T
2 gs A max
⎞
⎟
⎠.
(9.5)
(9.6)
Значение vприв определяется из уравнений
mB
m A + mB
2 ( E A + E B )( m A + m B )
,
m AmB
(9.7)
( m A + mT ) mB
mT ( m A + m B )
2 ( E A + E B )( m A + m B )
.
m AmB
(9.8)
v
mT v АΔприв
m A + mT
=
откуда
v
v АΔприв
=
Соответственно
v
где
n
Априв
m + mT
= A
mT
2m B ( E A + E B ) s AЭ max
,
m A ( m A + m B ) s A max
(9.9)
mT и vT – масса и скорость движения тележки при эталонных испытаниях имитацией бокового столкновения или наезда сзади;
s AЭ max – перемещение центров инерции автомобиля А при эталонных испытаниях.
Значения Δv , n , s деф и др. позволяют косвенно оценивать тяжесть последствий ДТП. Однако, не менее важно для объективной оценки эффективности функционирования СПБ и ее подсистем предварительно учесть тяжесть условий ДТП. Для оценки тяжести условий ДТП введем коэффициент тяжести
ДТП – K v и определим его значение.
K v = f ⎡⎣ Δva ; nЧ , ( па ) ; saдеф ; ω а ; vm ; mm ⎤⎦ = f ( va ) .
(9.10)
Для общего случая использования ремней безопасности или других специальных ЗУС, без которых в современных условиях не может быть обеспечен
достаточный уровень пассивной безопасности дорожного движения, и с учетом
того, что на эжектирование человека и возгораемость оказывают решающее
47
влияние деформации и разрушение автомобиля или его отдельных частей в
процессе ДТП, можно считать, что
K v ≈ f ⎡⎣ nЧ , ( па ) ; saдеф ⎤⎦ .
Учитываем, что ( nЧ , па )
где
a1va2 и saдеф
(9.11)
a2va2 ,
а1 и а2 – коэффициенты.
Тогда с учетом возможности сопоставления характеристики входа СПБ с
эталонными условиями можно принять, что
2
2
⎛ av
⎞ ⎛ vприв ⎞
f ( va ) = ava2 ; K v = ⎜ прив
=⎜ э ⎟ ,
э ⎟
аv
⎝
⎠ ⎝ v ⎠
где
(9.12)
под эталонной скоростью v Э понимается скорость автомобиля (объекта
соударения), регламентируемая нормами по пассивной безопасности для
эталонных испытаний имитацией ДТП. Так, например, в настоящее время
для фронтальных столкновений легковых автомобилей принята
v Э = 48...53 км/ч в эталонных условиях наезда автомобиля на неподвижное препятствие.
Конечным этапом исследования СПБ является её оптимизация, а для
этого, как известно, необходимы показатели, характеризующие эффективность
функционирования системы ЧАДС в целом или отдельных ее подсистем [25].
Учитывая, что основной характеристикой входа СПБ является скорость
автотранспортного средства в момент ДТП, а выхода – тяжесть травмирования
участников ДТП, примем за измерители эффективности системы коэффициенты смертности K c и травмирования K m , определяемые из выражения
чс
чm
K
;
=
,
m
чK v
чK v
чс – число погибших в ДТП;
Kc =
где
(9.13)
чm – число травмированных в ДТП;
K v – коэффициент тяжести ДТП;
ч – число участников ДТП.
Косвенно эффективность функционирования СПБ в какой-то степени
оценивают следующими широко применяемыми удельными показателями, абсолютным числом погибших или травмированных на 1000 автомобилей, на
1 млн жителей, на 1 млрд км пробега, на 1 млрд автомобиле-километров и т.д.
48
В качестве коэффициентов для оценки эффективности функционирования
отдельных подсистем СПБ первого уровня были приняты:
а) для подсистемы А-П:
K
где
П
с
чсП
чmП
П
= П v ; Km = П v ,
ч K
ч K
(9.14)
чсП – число погибших пешеходов в ДТП;
чmП – число травмированных пешеходов в ДТП;
ч П – число пешеходов – участников ДТП.
б) для подсистем А-ОУ, А-Г-УСг-Ч и А-Ч-УСч соответственно
ОУ
с
чсОУ
чmОУ
ОУ
=
; Kт =
;
ча K v
ча K v
(9.15)
K
УСг
с
чсУСг
чУСг
УСг
=
; Kт = m v ;
v
ча K
ча K
(9.16)
K
УСч
с
чсУСч
чУСч
УСч
=
; Kт = m v ,
v
ча K
ча K
(9.17)
K
где
чсОУ , чсУСг , чсУСч – число погибших по причине неоптимальных характеристик подсистемы А-ОУ, А-Г-УСг-Ч, А-Ч-УСч соответственно;
УСч
чmОУ , чУСг
– число травмированных при тех же условиях;
m , чm
ча – общее число участников ДТП, находящихся в автомобиле.
Учитывая сложность определения причин травмирования, значения чсОУ ,
чmОУ , чсУСг и т.п. целесообразно получать путем репрезентативных, выборок ДТП
в типичных условиях с использованием статистического метода исследования.
При этом критериями для определения числа травмированных и погибших из-за неоптимальных характеристик отдельных подсистем является наличие пострадавших вследствие:
а) перемещения отдельных объектов, с которыми контактирует автомобиль, в пределы жизненного пространства человека в автомобиле – для подсистемы А-ОУ;
б) перемещения груза в пределы жизненного пространства человека в автомобиле – для подсистемы А-Г-УСг-Ч;
в) травмоопасных перегрузок в результате контакта с удерживающими
средствами, деформаций (перемещений) элементов кузова или кабины с нару-
49
шением жизненного пространства человека в автомобиле, эжектирования человека из автомобиля и воспламенения автомобиля – для подсистемы А-Ч-УСч.
Показателями, характеризующими пассивную безопасность автомобиля
как элемента СПБ, являются:
– при определении эффективности внешней физиологической пассивной безопасности – K cП и K тП ;
– внешней механической пассивной безопасности – K cОУ и K тОУ (в качестве объектов соударения при определении указанных коэффициентов должны быть учтены только автотранспортные средства);
– внутренней пассивной безопасности –
K
УСч +УСг
c
чсУСч + чсУСч
чУСч
+ чmУСч
УСч +УСг
m
=
=
и Km
.
ча K v
ча K v
(9.18)
Оценка эффективности функционирования СПБ и подсистем 1-го уровня
может быть проведена с использованием данных о ДТП.
Эффективность функционирования элементов подсистем второго уровня
в основном должна оцениваться по результатам исследований с имитацией
ДТП с использованием разработанных измерителей, которые одновременно характеризуют тяжесть травмирования человека и оцениваются параметрами,
достоверное определение которых возможно в условиях эталонных испытаний.
Вышеизложенное относится к оценке эффективности существующих
подсистем и системы ЧАДС в целом. При оценке эффективности проектируемых подсистем необходимо учитывать затраты на подсистему, поскольку ресурсы, выделяемые на совершенствование всей системы, как правило, ограничены. При этом задача сводится в основном к поиску компромисса между характеристиками отдельных элементов подсистемы, позволяющих оптимизировать решение поставленных задач по срокам и стоимости разработки подсистемы с использованием методов анализа эффективности затрат.
50
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рябчинский, А. И. Методология системного подхода в исследованиях вопросов обеспечения пассивной безопасности [Текст] / А. И. Рябчинский // Автомобильная пром-сть. – 1977. – № 5.
2. Bright, E. F. Nonpenetrating Wounds of the Heart [Text] / E. F. Bright, С. S.
Beck // American Heart. – 1935. – P. 293-319.
3. Patrick, L. M. Forces on the Body in Simulated Crashes [Text] / L. M. Patrick,
C. K. Krоe11, H. I. Merte. // In : Proceedings, 9th Stapp Car Crash Conference −
1965.
4. Фролов, К. В. Современное состояние изучения систем человек-машина
[Текст] / К. В. Фролов // Влияние вибраций различных спектров на организм
человека и проблемы виброзащиты. – М., 1972.
5. Ziffer, D. Beitrag über die Probleme der mechanischen Widerstendafäbienheit…
[Text] / D. Ziffer. // In : CIDITVA Bulletin, 22, 23. − Brüssel, 1965.
6. Gegler, E. Unfallopfer im Strabenverkehr [Text] / E. Gegler // In: Dokumenta
Geigy. Series Chirurgica, NS, Basel. − 1962.
7. Солохин, А. А. Судебно-медицинская экспертиза в случаях автомобильной
травмы [Текст] / А. А. Солохин. – М., 1968.
8. Moore, D. P. Minimization of Occupant Injury by Optimum Front-End Design
[Text] / D. P. Moore // SAE Paper 700416. − 1972.
9. Young, R. The Dimentional Mathematical Model to Predict the Dynamic Response of an Automobile Occupant [Text] / R. Young. − 1971. − 344 p.
10. Lister, R. D. Determination of Injury Threshold Levels of Car Occupants Involved in Road Accidents [Text] / R.D. Liater, I.G. Wall // SAE Paper 700402. −
1972.
11. Lasky, I.I. Automotive Cardio-Thoracic Injuries / I.I. Lasky, A.W. Siege1, A.M.
Nachum // A Medical-Engineering Analysis. In : Proceedings, SAE Automotive Engineering Congress. − Detroit, 1968.
12. Karnes, R. N. Computer Simulation of Vehicle Occupants la Crash [Text] /
R. N. Karnes // Dept. of the Navy, Office of Haval Research, contract № 00014-72C-0223, report № 8CSG0331. − 1973.
13. Desjardins, A. The Design, fabrication and tasting of an Integrally Armored
Crashworthy Craw Seat [Text] / A. Desjardins, H. Harrisоn // Eustin Directorates,
U.S. Army Air Mobility Research. Technical Report 1972. − № 71-54.
51
14. Рябчинский, А. И. Механизм травмирования человека в автомобиле и биомеханика дорожно-транспортных происшествий [Текст] / А. И. Рябчинский. –
Таллин, 1979. – 125 с.
15. Рябчинский, А. И. Современные системы защиты водителей и пассажиров
грузовых автомобилей и автобусов при дорожно-транспортных происшествиях
и методы их испытаний [Текст] / А. И. Рябчинский, О. В. Мельников. – М.,
1976.
16. Рябчинский, А. И. Исследования некоторых параметров моделей человека,
применяемых при испытаниях автомобилей на пассивную безопасность [Текст]
/ А. И. Рябчинский, P. К. Фотин, Ю. В. Филиппов, Н. В. Лесникова // Труды
Центр. науч.-исслед. автомобильного и автомоторного института. – М., 1974. –
Вып. 151.
17. Испытания пассивной безопасности автобусов при опрокидывании [Текст]
/ А. И. Рябчинский [и др.] // Труды ГСКБ по автобусам. – Львов, 1972.
18. Рябчинский, А. И. Методы имитации опрокидывания при проведении испытаний легковых автомобилей на пассивную безопасность [Текст] /
А. И. Рябчинский, Р. К. Фотин // Конструкция автомобилей : сб. статей. – М.,
1972. – Вып. 4.
19. Snyder, R. G. Human Impact Tolerance [Text] / R. G. Snyder // Proceedings, International Automobile Safety Conference. – Brussels, 1970.
20. Кane, I. N. First Automobile Fatility [Text] / I. N. Кane. // In : Famous First Facta, 3 rd ed., S. 1. − 1964.
21. Clark, C. C. Der Fliegertod. [Text] / C. C. Clark, H. Steinberg // Ein Beitrag zur
Frage der Traumatischen Aortenrupturen. In : Vjschr. gerichtl. Med. 58, 1919. –
P. 74-90.
22. Рябчинский, А. И. Ударно-прочностные качества, кабины и пассивная
безопасность грузовых автомобилей [Текст] / А. И. Рябчинский, В. В. Фролов. –
М., 1974.
23. Stapp, I. P. Tolerance of Abrupt Deceleration [Text] / I. P. Stapp // In : Collected
Papers on Aviation Medicine. − London, 1955.
24. Ommaya, A. K. Scaling of Experimental Data on Cerebral Concussion in Subhuman Primates to Concussion Threshold for Man [Text] / A. K. Ommaya, P. Yarnell, A. K. Hirsh. In : Proceedings, 11 th Stapp Car Crash Conference. − Hew York,
1967.
25. Донской, Д. Д. Биомеханика [Текст] / Д. Д. Донской. – М., 1975. − 132 с.
52
Учебное издание
Дмитрий Валерьевич Лихачев
Владимир Петрович Белокуров
Владимир Анатольевич Зеликов
Геннадий Александрович Денисов
Руслан Александрович Кораблев
БИОМЕХАНИКА ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНЫХ ПРОИСШЕСТВИЙ
Тексты лекций
Редактор
Подписано в печать
. Формат
. Объем
п. л.
Усл. печ. л.
. Уч.-изд. л.
. Тираж
экз. Заказ
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
РИО ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». 394087, г. Воронеж, ул. Тимерязева, 8
Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»
394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
590 Кб
Теги
лекция, биомеханика, дтп
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа