ВНЕШНЯЯ ПАССИВНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

В процессе ДТП должна быть обеспечена сохранность, как само­го автомобиля, так и окружающих предметов. При столкновениях и наездах пассивную внешнюю безопасность обеспечивают прежде всего бамперы. Однако бамперы современных автомобилей не всегда соответствуют этому назначению. К началу 60-х годов бампер легкового автомобиля превратился в вычурную полоску тонкого металлического листа, украшенную фигурными накладками и свер­кающую хромом. Он стал декоративным элементом и почти полно­стью утратил свои защитные свойства. Бампер грузового автомоби­ля, напротив, трансформировался в мощную стальную балку, ко­торая при столкновении с пассажирскими автомобилями легко вскрывает их кузов (как нож консервную банку), получая при этом лишь незначительные царапины.

Правильно сконструированный бампер должен обеспечивать не только пассивную внутреннюю безопасность, но и внешнюю и по­глощать большую часть кинетической энергии, развивающейся при ударе. Для этого, прежде всего, необходимо, чтобы передние и задние бамперы всех транспортных средств и самоходных механизмов, дви­жущихся по общей дорожной сети, находились на одной высоте от покрытия. В некоторых странах Европы установлена стандартная высота расположения бампера для легковых автомобилей 330⁺¹⁸ мм. В США стандартизован другой размер: линия контакта при наличии в кузове двух человек (одного на заднем сиденье, другого — на переднем) массой по 70 кг каждый должна располагаться на вы­соте 432 ± 25 мм от поверхности дороги. Однако во многих странах еще не нормируются ни высота бампера, ни расстояние от его ниж­ней кромки до покрытия. В результате даже у автомобилей одного класса колебания в расположении бамперов и их размерах могут быть значительными. В случае столкновения грузового и легкового автомобилей совпадение бамперов почти полностью исключено. Грузовые автомобили не снабжены задним бампером, что при по­путных столкновениях часто приводит к полному разрушению кузо­ва легкового автомобиля, двигавшегося позади. Нет бамперов также у тракторов и других сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин и механизмов.

По зарубежным рекомендациям задний бампер следует устанав­ливать на всех грузовых автомобилях, у которых нижний конец ку­зова находится на высоте не менее 0,7 м над дорогой или задний свес составляет 1 м. Оптимальная высота установки бампера 0,38— 0,51 м. Длина бампера должна быть несколько меньше габаритной ширины автомобиля, но не короче чем на 0,1 м с каждой стороны. Исследования показали, что современный бампер легкового ав­томобиля может предохранить фары и облицовку радиатора при наезде на неподвижное препятствие со скоростью не более 1 м/с. Предложено много конструкций безопасных бамперов. Вначале бам­пер обтягивали толстым слоем пористой резины или упругого плас­тика, однако это не привело к желаемым результатам. Было уста­новлено, что бампер при слабых толчках должен защищать от по­вреждения дорогие элементы кузова, а при сильных ударах дефор­мироваться вместе с передней частью автомобиля.

Согласно американскому стандарту при встречном столкновении соскоростью 2,2 м/с и боковом столкновении со скоростью 1,4 м/с автомобили практически не должны иметь повреждений, а удар должен быть поглощен на пути 5—8 см.

Безопасные бамперы содержат энергопоглощающий элемент, в котором энергия удара преобразуется в работу деформации или тепловую энергию. По типу упругого элемента бамперы могут быть механические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

На рис. 83, а показан бампер с механическим амортизирующим элементом, работающим на сжатие. Бампер состоит из средней бал­ки / и двух боковых крыльев 2, соединенных шарниром 3. Энерго-

Рис. 83. Безопасные бамперы с упругими амортизирующими элементами:

а — схема бампера с элементами, работающими на сжатие; б — схема бампера с эле* м.ептами, работающими на сдвиг; I — балка; 2 — боковое крыло; 3 — шарнир; 4 — стер­жень; 5 — буртик; 5—конический блок; 7 — энергопоглощающий конус; 8 — гайка; 9 — тяга; 10 — упругий элемент; // — конус; 12 — буфер; 13 — обойма; 14 — резиновый эле­мент; 15 — поперечный брус бампера; 16— пластина

поглощающий элемент выполнен в виде конуса 7, жестко соединен­ного с кузовом автомобиля. Внутри конуса проходит стержень 4 с коническим блоком 6 из упругой пластмассы, упирающимся в бур­тик 5. К стержню 4 гайкой 8 прикреплена тяга 9 вспомогательного элемента, состоящего из конуса // и упругого элемента 10. Верхняя часть конуса соединена с боковым крылом 2. При ударе эластичный блок 6 и элемент 10 вдвигаются внутрь конусов и, сжимаясь, по­глощают энергию удара.

На некоторых американских автомобилях бамперы имеют рези­новые блоки, растягивающиеся в процессе удара и поглощающие до 70% энергии (при скорости 2,2 м/с). При этом на каждый амор­тизатор действует усилие около 60 кН. В конце удара между бампе­ром и кузовом автомобиля остается зазор, равный примерно 13 мм.

В механических амортизаторах упругий элемент может работать на сдвиг (рис. 83, б). Поперечный брус /5бампера соединен со стальной пластиной 16, привулканизированной к резиновому элементу 14. Наружная часть элемента закреплена в обойме 13. При ударе пластина перемещается назад до тех пор, пока не упрется в упругий уфер 12 на кузове автомобиля.'0 Резина элемента при этом дефор­мируется, как показано в нижней части рис. 83, б.

Примерные размеры элемента, работающего на сдвиг, можно определить следующим образом.

Из условий равенства кинетической энергии автомобиля и ра­боты деформации резины можно написать

Mv²=W_pG_pe²

где М и v — масса и скорость автомобиля; W_p — объем резины в упругих элементах; G_p — модуль сдвига резины; е — относитель­ная деформация резины при сдвиге, равная для натурального кау­чука 2,5, для специальных сортов резины 3,5 — 4. Высота резинового элемента

h=D/e

где D — абсолютная деформация резины, равная перемещению ав­томобиля при остановке.

Площадь горизонтального сечения резинового элемента равна W/h. Обычно применяют несколько блоков (рис. 83, б), имеющих квадратную форму со стороной квадрата hh, где h= 1-4-2 Тогда W/h = 2nh²h², где п — число энергопоглощающих элементов. От­сюда число элементов

n=W/(2h³h²)=2mv²e/(2G_ph²D³)

Элементы, работающие на сдвиг, удобны тем, что их жесткость не зависит от направления перемещения бампера при ударе. Наи­более приемлемым оказался для них материал, синтезированный на основе этиленпропиленовых соединений.

Предложены также конструкции бамперов, в которых металли­ческий корпус, воспринимая удар, надвигается на стальные ножи, укрепленные на кузове. Верхний слой металла бампера срезается ножами, и работа, затрачиваемая на образование стружки, погло­щает кинетическую энергию.

В пневматических и гидравлических амортизирующих элементах энергия удара поглощается при сжатии газа или перетекании жид­кости через дросселирующие отверстия. Схема бампера с гидропнев­матическим амортизатором показана на рис. 84, а. На кузове авто­мобиля установлен цилиндр 6 с гильзой 2, соединенной с корпусом 9. Поршень 7 закреплен на штоке 4 с конической передней частью. Между корпусом 9 и штоком 4 имеется кольцевое дросселирующее отверстие 3. Задний конец штока жестко укреплен на кузове авто­мобиля. Полости 5 корпуса бампера и цилиндра заполнены вязкой жидкостью (глицерином, минеральным или силиконовым маслом), а полость 8 — инертным газом, например азотом. Утечки предот­вращаются уплотнениями /. При ударе корпус 9 перемещается на­зад, и поршень 7 сжимает газ. Одновременно гильза 2 вдвигается в цилиндр 6, вытесняя жидкость через дросселирующее отверстие в полость, расположенную за поршнем. Благодаря конической форме штока расход жидкости через отверстие 3 уменьшается при переме­щении корпуса 9, скорость поршня снижается в каждую еекунду на одну и ту же величину, и автомобиль движется с постоянным за­медлением. Процесс замедления автомобиля при этом эквивалентен процессу замедления при постоянной силе сопротивления гидравли­ческого элемента

P=Mv₀²/(2Sn)

где v₀ — начальная скорость удара; 5 — перемещение автомобиля во время удара; п — число гидравлических элементов.

Рис. 84. Безопасный бампер с гидропневматическим амортизирующим эле­ментом:

а—схема бампера; б — характеристика бампера; / — уплотнение; 2 — гильза; 3 — дрос­селирующее отверстие; 4 — шток; 5 — полость корпуса бампера; 6 — цилиндр; 7 — пор­шень; 8 — полость; 9 — корпус бампера

Характеристика бампера — зависимость между деформацией и замедлением — имеет форму, близкую к прямоугольнику (штри­ховая линия на рис. 84, б). Количество энергии, поглощаемой бам­пером при такой форме характеристики, максимально. Для автомо­биля массой 2040 кг при v₀ = 22,4 м/с и п == 2 удалось получить перемещение в процессе удара, равное всего 0,76 м, при этом 0,3 м — ход поршня, а 0,46 м — деформация рамы. Сила, действующая на бампер, составила 80,3 кН, а среднее замедление 33,4 g, что значи­тельно ниже предельных значений. При давлении около 4 МПа диа­метр поршня равен 11 см, что вполне приемлемо по конструктивным соображениям. После удара инертный газ в полости 8 увеличивает­ся в объеме и корпус возвращается в исходное положение. Иногда вместо газа используют спиральную или тарельчатую пружину, однако они недостаточно долговечны.

У некоторых моделей автомобилей гидравлические элементы бе­зопасного бампера автоматически выдвигаются вперед на 30—40 см при достижении скорости движения 10—15 м/с. Это обеспечивает нужный зазор между бампером и кузовом при ударе, позволяя вмес­те с тем сохранить небольшую габаритную длину автомобиля на стоянках.

Применяются также гидропневматические бамперы из легко де­формируемого упругого синтетического материала, например поливинилхлорида. В этом случае бампер представляет собой оболочку толщиной около 6 мм, внутренняя полость которой объемом 10— 20 л заполнена водой (рис. 85, а). Во время столкновения автомо­билей сначала деформируется корпус бампера и сжимается воздух, находящийся над водой. Затем под действием давления воздуха и воды выталкиваются пробки, закрывающие небольшие (диаметром 24—40 мм) отверстия в верхней части оболочки, и вода выбрасыва­ется из отверстий. При ударе такого бампера автомобиля, движуще-

6)

Рис. 85. Безопасные бамперы из синтетических материалов:

а—бампер с выбиваемыми заглушками; б — бампер с растягивающимся сильфоном- I — упругая оболочка; 2 — суживающаяся часть трубки; 3 —трубка; 4 — корпус; 5 — сильфон; 6 — пружина

гося со скоростью до 14 м/с о стоящий автомобиль, оба автомобиля получают лишь незначительные повреждения, а при скорости менее 8 м/с не остается никаких следов столкновения. Зимой бампер за­полняют антифризом.

Другой вариант гидропневматического бампера показан на рис. 85, б. В этом бампере нет отверстий в упругой оболочке /, внут­ренняя полость которой сообщается трубкой 3 с сильфоном 5 из син­тетической ткани, находящимся в отдельном корпусе 4. Пружина 6 внутри сильфона удерживает его в сжатом состоянии. При ударе жид­кость из внутренней полости через трубку 3 выбрасывается внутрь сильфона, увеличивая его объем (на рисунке сильфон показан в разжатом состоянии) и преодолевая сопротивление пружины. Труб­ка 3 имеет суживающуюся часть 2, которая увеличивает сопротив­ление перетеканию жидкости. Энергия удара гасится вследствие перетекания жидкости через небольшое отверстие (диаметром 19— 40 мм) и преодоления силы пружины сильфона.

В ФРГ разработан безопасный пневматический бампер (рис. 86), состоящий из двух рукавов /, уложенных параллельно в выемки

Рис. 86. Безопасный бампер с пневматическим амортизирующим элементом: 1 – рукава, 2 – защитная оболочка, 3 – клапан, 4 – опорный рукав, 5 - каркас

каркаса 5 из алюминиевого спла­ва. Опорный рукав 4 лежит в вы­емке кузова и сообщается с внут­ренней полостью каркаса через клапан 3. Все элементы бампера закрыты защитной оболочкой 2. При наездах и столкновениях уси­лие через рукава / и каркас пере­дается на опорный рукав 4. Дав­ление в рукаве 4 повышается, и воздух через клапан 3 с малым проходным сечением поступает в полость каркаса.

Применение бамперов, погло­щающих энергию удара, требует изменения конструкции многих элементов кузова. Для размеще­ния амортизаторов необходимо уси­ливать рамы и нижние части не­сущих кузовов и изменять их конфигурацию. Вследствие увеличе­ния массы бампера приходится устанавливать более жесткие и проч­ные рессоры. На многих моделях автомобилей изменены колеса, шины, рулевые механизмы, детали подвески. У некоторых амери­канских автомобилей при установке новых бамперов собственная масса автомобиля увеличилась на 24—59 кг.

Большое количество наездов транспортных средств на пешехо­дов и большая тяжесть последствий этого вида ДТП привели к из­менениям внешнего оформления автомобилей. В последние годы скруглены острые углы облицовки радиатора, устранены выступав­шие предметы (в том числе декоративные детали). Прекращена установка фигурных фирменных эмблем на передней части капота, например оленя на автомобилях ГАЗ или собаки на автомобилях Линкольн. Бамперы легковых автомобилей делают без клыков, а у бамперов грузовых уб­раны буксирные крюки.

Во время наезда авто­буса или грузового авто­мобиля пешеход отбрасы­вается в сторону. При на­езде же легкового автомо­биля пешеход сначала па­дает на капот и некоторое время движется вместе с автомобилем, после чего падает на дорогу. Смер­тельный исход в обоих слу­чаях наступает при скорости

автомобиля около 11м/с.

Рис. 87. Автоматическая защитная рамка: 1 – бампер, 2 - рамка

Рис. 88. Схема работы защитной рамки

Для уменьшения травматизма предложены защитные приспо­собления, удерживающие пешехода после удара и предохраняющие его от падения на дорогу. При срабатывании такого приспособления в первой стадии наезда (через 0,2—0,3 с) пешеход забрасывается накапот автомобиля. После начала торможения автомобиля пешеход, продолжая двигаться е приобретенной скоростью, сползает вперед

Рис. 89. Схема привода защитной рамки: 1 – цилиндр, 2 – шток, 3 – защелка, 4 – рамка, 5 – облицовка рамки, 6 –шарнирная опора, 7 – крышка капота

по капоту и падает вниз. Защитная сетка начинает автоматически выдвигаться примерно спустя 0,2 с после удара. Через 1 с выдвиже­ние ее полностью заканчивается, и сетка принимает падающего че­ловека.

На рис. 87 и 88 показана защитная рамка, устанавливаемая на некоторых английских автомобилях. При ударе бампера /, изго­товленного из эластичной резины, срабатывает датчик и из углубле­ния по периметру капота поднимается рамка 2, подхватывающая пе­шехода и удерживающая его в этом положении. Рамка во время ис­пытаний удерживала манекен при скоростях автомобиля до 7 м/с.

Защитная рамка приводится в действие гидравлическим цилинд­ром /, расположенным вертикально (рис. 89, а) или горизонтально (рис. 89, б). Последняя конструкция более громоздка, поэтому ее рекомендуют применять в автомобилях с задним расположением двигателя. После удара и срабатывания датчика шток 2 цилиндра выдвигается и непосредственно (рис. 89, а) или через систему рыча­гов (рис. 89, б) давит на переднюю часть рамки 4 с облицовкой 5 из мягкого пластика. Рамка освобождается от защелки 3 и, поворачи­ваясь относительно шарнирной опоры 6, поднимается, подхватывая пешехода и удерживая его на крышке 7 капота.

Отработка отдельных элементов автомобиля, повышающих его пассивную безопасность, ведется во многих странах мира. Внедре­ние наиболее удачных конструктивных решений в продукцию мас­сового производства способствует дальнейшему снижению аварий­ности на автомобильном транспорте и созданию прототипов безопасных специальных автомобилей.