Запроектированная безопасность. Пассивная безопасность
См. предыдущие статьи:
Продолжая разговор о безопасном автомобиле, мы в прошлый раз отклонялись от заданной темы, касавшейся конструкции. Это и не удивительно: слишком много проблем связано сегодня с безопасным автомобилем. И вот нам предстоит ответить на коренной и самый трудный вопрос, поставленный в предыдущей статье: можем ли мы надеяться, что настанет время, когда несчастных случаев от автомобиля не будет вообще? Здесь потребуется опять небольшое отступление.
Пока аварии происходят, какими способами можно свести к минимуму их последствия, словом, как обеспечить так называемую пассивную безопасность?
Эта проблема разделяется на две части: «вокруг машины» и «внутри нее». Иначе говоря, она всегда затрагивает интересы двух сторон: пешеходов и людей в автомобиле. Вот почему пассивную безопасность (в предыдущих статьях мы только затронули эту сторону дела) специалисты подразделяют на внешнюю и внутреннюю. Первая касается наружных контуров и поверхностей машины и имеет целью защитить пешехода, вторая направлена на то, чтобы защитить водителя и пассажиров.
Контуры кузовов в последние годы проектируют такими, чтобы при наезде на пешехода или на другую машину была определенная возможность скольжения» (рис. 1). В течение уже нескольких лет стремятся делать декоративные и другие внешние элементы без острых кромок и выступов, могущих нанести повреждения пешеходам. Различные навесные детали (например, бамперы) делают такой формы, чтобы их концы прилегали к основной поверхности автомобиля и не могли «зацепить» пешехода. С этой же целью делают ручки с замкнутыми контурами, а на последних моделях ВАЗ-2101 — замки дверей с утопленными ручками.
Одним из эффективных элементов внутренней безопасности в настоящее время считают ремни, которые удерживают человека на сиденье, предохраняют его от ударов о внутренние детали кузова. Применение их, как свидетельствует статистика, вдвое сокращает количество травм (рис. 2), особенно на автострадах.
В последнее время к статистике конструкторы обращаются все чаще. Например, при анализе источников травм во время аварий. Оказывается, дорожные происшествия на автострадах можно условно разделить на два основных вида: опрокидывание автомобиля и столкновение его с препятствием. В первом случае кузов должен обладать достаточной жесткостью, противодействующей его деформации, особенно крыши и стоек. Сейчас стали осторожнее в выборе средств улучшения обзорности. Чем «тоньше» стойки кузова, тем меньше их прочность. Если в момент опрокидывания открываются двери — кузов может «сложиться», так как резко снижается жесткость дверных проемов.
Известно, что пассажир, оставшийся в момент опрокидывания внутри автомобиля, получает гораздо меньше повреждений (особенно когда он пристегнут ремнями), чем в случае, если вылетит из машины через распахнувшуюся дверь. Эти данные позволяют сформулировать следующее требование безопасности: во время аварии двери должны быть закрыты. Отсюда новые требования к конструкции и прочности петель, замков и дверных проемов. Замки стали делать такими, чтобы они не только держали дверь закрытой, но и фиксировали ее в продольном направлении. Так удается избежать большой продольной деформации дверного проема. Для этого корпус дверной защелки должен иметь вертикальную стенку «а», в которую упирался бы ротор замка «б» в случае продольной деформации дверного проема (рис. 3). Замки, воспринимающие продольную нагрузку, применяются сейчас на «жигулях» и последних моделях «волг» и «москвичей».
Внутреннюю обивку дверей делают мягкой, а рукоятки стеклоподъемников и замков дверей менее выступающими во избежание травм. Таковы внутренние рукоятки замков дверей у «Жигулей», стеклоподъемников и замков дверей «Москвича» модели 1971 года. Иногда эти элементы утапливают по отношению к основной поверхности внутренней панели (пример — внутренняя рукоятка дверного замка на «Волге» ГАЗ-24). На многих автомобилях применяют блокировочное устройство, которое предохраняет от случайного открывания двери, если пассажир вдруг схватится не за ту ручку. Может нанести травму и зеркало заднего вида. На «Москвиче» модели 1971 года оно крепится к кузову через шаровой шарнир, позволяющий отклоняться на большой угол при ударе.
Значительный процент среди дорожных происшествий составляют различные столкновения автомобилей. Конструкторы изучают динамику удара и деформации машины с целью установить, какие элементы становятся причиной наиболее характерных травм и что можно предпринять для защиты людей.
Поскольку реальные столкновения происходят в разных условиях, получить сравнимые данные и делать из них какие-либо выводы о жесткости кузова довольно трудно. Разработана единая методика специальных испытаний автомобиля на столкновение с препятствием, принятая сейчас в СССР, США, Франции, Швеции. По этой методике испытываемая машина с манекенами и датчиками разгоняется при помощи дистанционного управления и на постоянной скорости 50 км/час ударяется в неподвижную, хорошо закрепленную бетонную стенку, обшитую 10-миллиметровой фанерой. Анализ результатов серии подобных испытаний в сочетании со статистическими данными позволяет сделать уже более объективные выводы.
Не следует думать, что чем меньше пострадал во время столкновения автомобиль, тем меньшие травмы получили пассажиры. Напротив, машина мало амортизирует удар. Инженеры работают над такой конструкцией кузова, где деформации (синие пунктирные линии, рис. 4) поглощали бы энергию удара, смягчали его и пассажирское помещение (красный контур) получало наименьшие повреждения. В этом смысле желательны больший передний свес автомобиля и расположение двигателя перед салоном — тогда перемещение двигателя назад поглощает значительную часть энергии удара. Нужна только соответствующая конструкция силовых элементов передка, которые, деформируясь, направляли бы двигатель под пол кузова, а не в пассажирское помещение.
Все испытания и статистика свидетельствуют о том, что в момент фронтального столкновения автомобиля «врагом номер один» для водителя является руль. В первый момент деформации подвергается передок машины, его подрамник. Закрепленный на нем картер рулевого механизма заставляет весь руль продвигаться назад, на водителя. В следующий момент водитель, движущийся по инерции вперед, налетает на рулевое колесо грудью и получает наиболее тяжелую травму.
Как же предотвратить или, по крайней мере, ослабить этот удар? Можно уменьшить продвижение рулевой колонки внутрь в первый момент столкновения, а также смягчить удар водителя о рулевое колесо.
Простейший способ конструкторского решения первой задачи — крепление картера рулевого механизма как можно дальше от переднего бампера, первым воспринимающего удар. Поглощение энергии удара вследствие деформации передка уменьшает перемещение назад элементов подрамника. Поэтому применение так называемой задней рулевой трапеции, когда рулевые тяги проходят позади оси передних колес, а картер руля крепится к лонжерону почти у самого щита передка (автомобили «Москвич», ВАЗ-2101, «Волга» ГАЗ-24), предпочтительнее, чем «передняя трапеция», когда тяги находятся перед осью передних колес и картер руля крепится к лонжерону недалеко от переднего конца.
Претерпел изменения и сам руль: конструкция его тоже рассчитана на случай аварии. На автомобилях «Порше», ФИАТ-128 вал руля состоит из трех частей, соединенных шарнирами и расположенных под углом. Благодаря этому уменьшается (если не устраняется совсем) смещение картера реечного рулевого механизма на верхнюю часть вала.
Что же касается второй задачи — защиты водителя от руля, то здесь предусмотрена возможность замедлить движение человека вперед при ударе. На «Опеле», а также на большей части американских машин устанавливается рулевая колонка, конструкция которой разработана фирмой «Сагинау». У нее вал руля, распадающийся при ударе на две части благодаря тому, что срезаются скрепляющие их пластмассовые заклепки. Труба рулевой колонки имеет металлическую сетку, которая деформируется при ударе водителя грудью о рулевое колесо.
С такой же целью уже в течение нескольких лег рулевое колесо делают с утопленной ступицей и мягкой накладкой, в результате чего водитель ударяется о всю его поверхность.
Оригинальна конструкция безопасного руля автомобиля «Москвич-412» модели 1971 года. Он «телескопирует» как при перемещении картера руля из-за деформации лонжерона, так и при ударе водителя о рулевое колесо. Это происходит в результате осевого перемещения шлицевого конца нижней части вала в упругой с прорезями шлицевой втулке, жестко связанной с верхней частью вала, а также верхней и нижней труб рулевой колонки внутри средней, имеющей внутренние выступы.
Если рули, о которых было рассказано выше, «срабатывают» вследствие деформации собственных деталей, так что усилия «срабатывания» таких рулей без их разрушения проконтролировать нельзя, то руль «Москвича» модели «412» поглощает энергию удара за счет трения между перемещающимися элементами, причем работа трения происходит в области упругих деформаций. Поэтому можно проконтролировать усилия «срабатывания» каждого руля, не выводя его из строя.
Мы говорили об опасности для водителя. Сидящий же рядом с ним пассажир в момент столкновения ударяется обычно о панель приборов или о ветровое стекло. От серьезных травм его защищают толстые мягкие накладки («Москвич-412» выпуска 1971 года) на панели приборов или армированный пенополиуретан (ВАЗ-2101). Кнопки утапливают так, чтобы они не выступали над панелью, а площадь их поверхности делают достаточно большой, чтобы не вызвать лишних травм.
Статистика зарегистрировала травмы пассажиров от жесткой арматуры подлокотников, когда автомобиль получает удар сбоку. Вот почему подлокотники стали делать широкими, чтобы человек соприкасался с большей их поверхностью, и применять менее жесткое крепление. Так, на «москвичах» начиная с 1971 года в пенополиуретановых подлокотниках ставят пластмассовую арматуру.
А теперь вернемся к вопросу, поставленному в начале статьи. Не будем строить иллюзий. Поскольку в системе водитель-автомобиль-дорога присутствует человек, несчастные случаи, даже при идеальных качествах других двух элементов, вряд ли удастся исключить и в будущем. Значит, надо сделать все, чтобы облегчить последствия возможных аварий. В применении к конструкции автомобиля эти средства и составляют пассивную его безопасность, о которой мы здесь рассказали.