Bezpiecznie w aucie

Choć tak nie jest, podróżowanie samochodem wydaje się zupełnie naturalną czynnością człowieka. Podróżujemy nie tylko sami ale też całymi rodzinami. Jak zapewnić nam i naszym dzieciom bezpieczeństwo podczas takich podróży? Obejrzyjcie film..

JAK WYBRAĆ NAJBEZPIECZNIEJSZY FOTELIK / URZĄDZENIE PRZYTRZYMUJĄCE ?

Głównym celem badań przeprowadzonych przez autorów niniejszego artykułu była analiza oraz porównanie parametrów bezpieczeństwa nie tylko popularnych na rynku fotelików dziecięcych, ale również innych dostępnych urządzeń przytrzymujących. Wszystkie wyniki testów dynamicznych zostały porównane i przedstawione w postaci graficznej, stabelaryzowanej wraz z określonymi limitami zdefiniowanymi dla nowych wytycznych homologacyjnych.

Na podstawie danych Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) oraz dostępnych wyników statystycznych każdego roku podczas wypadków samochodowych na drogach na całym świecie ginie 1,35 miliona osób, przy czym najwięcej osób z przedziału wiekowego 5-29 lat [1]. W Europie ta niefortunna liczba wynosi 127 000 osób [3]. Według danych ONZ, każdego dnia na drogach ginie około 500 dzieci [2]. W Polsce, w 2018 roku do jednostek Policji zgłoszono 436 414 kolizji drogowych. W wypadkach rannych zostało 37 359 osób (w tym ciężko 10 963 z czego prawie 3000 osób poniosło śmierć) [4]. Urazy drogowe są główną przyczyną zgonów i poważnych obrażeń wśród dzieci w wieku 0–14 lat i są przyczyną 34% zgonów dzieci rocznie [1]. Bardzo duży wpływ na poprawę bezpieczeństwa w pojazdach mają nie tylko wbudowane systemy bezpieczeństwa takie jak poduszki powietrzne oraz wszystkie dodatkowe urządzenia do ochrony biernej, ale również odpowiednio dobrane urządzenia przytrzymujące . Według WHO (Światowej Organizacji Zdrowia), dobrze dobrane urządzenia przytrzymujące redukują liczbę zgonów dzieci o 60%! Pytanie więc, w jaki sposób wybrać najlepsze urządzenie? Dobrym kryterium oceny jest porównanie wyników testów dynamicznych, którym poddawane są wszystkie urządzenia przytrzymujące. Ww. testy pozwalają na najbardziej zbliżoną symulację realnego wypadku samochodowego oraz podają wartości przeciążeń działające na dziecko podczas takiego zdarzenia (im niższe przeciążenia tym urządzenie lepiej zabezpiecza dziecko podczas zderzenia pojazdu).

OPIS ZAREJESTROWANYCH WIELKOŚCI FIZYCZNYCH DLA URZĄDZEŃ PRZYTRZYMUJĄCYCH PODCZAS SYMULACJI ZDERZENIA POJAZDU

Testy zostały przeprowadzone przy zastosowaniu najnowocześniejszej generacji manekinów (serii Q) zgodnie z wymogami Regulaminu nr. 129 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ), podczas których rejestrowane są między innymi następujące parametry:

Podstawowym zadaniem urządzeń przytrzymujących jest obniżenie przeciążeń działających na ciało manekina dla każdego z mierzonych parametrów. Aby uzyskać stosowną homologację – wartość każdego parametru musi być poniżej ściśle określonego limitu.

Na następnych slajdach przedstawiono krótką charakterystykę tych parametrów z podziałem na obszary, gdzie zostały umieszczone urządzenia pomiarowe oraz wyniki zarejestrowane podczas testów dynamicznych.

GŁOWA MANEKINA DZIECKA (HEAD RESULTANT) – podczas badań (crashtest-ów symulujących proces zderzenia) w manekinie dziecka mierzone są wartości przyspieszenia, a następnie wyznaczane są wartości kryteriów biomechanicznych mówiące o stopniu urazu głowy dziecka. Analizie poddaje się również maksymalne zarejestrowane wartości przyspieszenia trwające sumarycznie powyżej 0,003 s. Nowej generacji manekiny (serii Q) dziecka wyposażone są w zestaw czujników służących do rejestracji wartości przyspieszeń w głowie. Na Rys. 1 zaznaczono strzałką umiejscowienie ww. czujnika w manekinie dziecka.

CZYM JEST PRZYSPIESZENIE – Przyspieszenie mówi nam o tym jak szybko zmienia się prędkość. Dla nas ważniejsze jest jednak to, że przyspieszenie działające na każde ciało, które ma swoją masę, generuje siłę bezwładności. Przy zderzeniu z przeszkodą pojazd gwałtownie, w bardzo krótkim czasie, zmienia swoją prędkość (od prędkości „podróżnej” do 0). To oznacza, że działa na niego duże przyspieszenie. Dotyczy to też pasażerów, którzy są połączeni z pojazdem pasami bezpieczeństwa. Ponieważ pojazd i pasażerowie mają jakieś masy, w trakcie zderzenia działają na nich siły bezwładności. Dla pasażerów siły te są bardzo niebezpieczne, bo działają na ich organy wewnętrzne i szkielet. Dlatego nawet, jeśli żaden element karoserii nie uderzy w pasażera, może on doznać poważnych urazów wywołanych działaniem sił bezwładności na organy wewnętrzne, w tym mózg. Przyspieszenie jest mierzone w krotności grawitacji (1g = 9,81m/s2). Powtórzmy jeszcze raz że wielkość przyspieszenia działającego na ciało dziecka jest ściśle powiązana z wielkością przyspieszenia działającego na nadwozie pojazdu. Dziecko znajdujące się w samochodzie, zaraz po uderzeniu w przeszkodę, „chce się przemieszczać” z prędkością, którą poruszało się jeszcze przed zderzeniem (związane jest to z siłą bezwładności). Jednak w trakcie zderzenia prędkość pojazdu w bardzo krótkim czasie spada i z tego też powodu prędkość poruszania się dziecka w pojeździe również ulegnie zmianie, bo związane jest z karoserią pasami bezpieczeństwa lub zaczepem ISOFIX. Wartość przyspieszenia działającego na ciało dziecka będzie uzależniona od tego jak szybko zmieniła się prędkość pojazdu. Przy uderzeniu w sztywną przeszkodę, np. betonową ścianę, zarejestrowane przyspieszenia mogą być kilkukrotnie większe niż w przypadku uderzenia w przeszkodę odkształcalną, np. inny samochód.

Dla lepszego zobrazowania skali obciążeń dynamicznych oddziaływujących na ciało dziecka podczas wypadku warto przypomnieć, że przy hamowaniu awaryjnym, czyli wykorzystując maksymalną skuteczności układu hamulcowego przyspieszenie działające na pasażerów pojazdu wynosi ok. 1g, podczas walki samolotów w powietrzu przyspieszenie działające na pilota myśliwca może wynosić do 10g, natomiast podczas wypadku drogowego przyspieszenie, które oddziałuje na osoby znajdujące się w pojeździe, może wynosić nawet 40g, czyli jest kilkadziesiąt razy większe niż te,
które działa podczas awaryjnego hamowania pojazdem!

CO TO SĄ KRYTERIA BIOMECHANICZNE ?

Mając dane z czujnika znajdującego się w głowie manekina możemy np. wyznaczyć wartości kryterium biomechanicznego nazywanego HPC15/HIC15 (ang. Head Injury Criterion) mówiące o tym, jakie jest prawdopodobieństwo powstania urazu głowy, czyli działania krótko trwającego dużego przyspieszenia. Ww. kryterium jest parametrem biomechanicznym wyznaczanym na podstawie największej wartości przyspieszenia działającego w przedziale czasowym nie dłuższym niż 15 ms (milisekundy, 1 s = 1000 ms). Inaczej mówiąc, sprawdzana jest cała historia przyspieszenia zarejestrowana w czasie crashtestu i wybierane jest z niej te 15 ms, w trakcie których działało największe przyspieszenie. Według [5] wartość krytyczna HIC15 wynosi 800, natomiast wartość krytyczna zalecana przez Amerykańską Administrację Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego NHTSA [6] to 700. Te liczby są oszacowane na podstawie badań wartości krytycznych, jednak ważną kwestią jest to, że niektóre publikacje odnoszą się nie tylko do wartości krytycznych, ale też do wartości, przy których dzieci mogą już odnieść obrażenia. Według [8] wartości parametru HIC dla dziesięcioletniego dziecka, przy którym mogą już wystąpić obrażenia to 400!

Odcinek szyjny (Upper Neck Force) – w odcinku szyjnym mierzone są dwie wartości: siła oraz moment odziaływujące na szyje manekina/dziecka. Siła mierzona jest w Newtonach [N]. Jeden Newton to siła, z jaką trzeba działać na ciało o masie 1 kg, aby nadać mu przyspieszenie równe 1 m/s². W uproszczeniu można stwierdzić, że siła sama w sobie będzie skutkowała albo „rozciąganiem” głowy od szyi, albo jej „ściskaniem”. Sam moment (mierzony w Nm czyli siła 1N przyłożona do, np. pręta o dł. 1m) spowoduje albo obrót głowy „do przodu” (zgięcie), albo obrót „do tyłu” (wyprost) [7].

Czym dokładnie jest siła i moment?

Na  Rys. 4 przedstawiono  czynność dokręcania śruby kluczem. Siła (na rysunku oznaczona jako F) generowana jest przez naszą rękę. Natomiast moment siły (na rysunku oznaczony jako M) powoduje kręcenie się śruby, bo siła działa na śrubę nie w miejscu, gdzie śruba ma się obracać, ale jest oddalona od tego miejsca o długość klucza. W mechanice mówi się, że moment siły działa wtedy, kiedy siła działa na pewnym ramieniu (w pewnej odległości od osi obrotu). Jeżeli zwiększymy długość klucza dwukrotnie i przyłożymy do niego tę samą siłę to wartość momentu wzrośnie dwukrotnie. Jeśli skrócimy ją o połowę, wartość momentu również zmniejszy się o połowę. Nie ma jeszcze uregulowań prawnych dotyczących limitów wartości sił i momentów w odcinku szyjnym. Ww. limity mają być wprowadzone w najbliższym czasie. Obecnie naukowcy ds. biomechaniki  dzieci wciąż pracują nad  tym problemem. Na Rys. 5 czerwoną strzałką zaznaczono czujnik, z którego odczytywane są dane do pomiarów sił i momentów w odcinku szyjnym.

Źródło:

[1] https://www.who.int/
[2] https://news.un.org/en/
[3] https://www.childsafetyeurope.org/
[4] http://policja.pl/
[5]  Regulamin  nr  129  Europejskiej  Komisji  Gospodarczej  Organizacji  Narodów Zjednoczonych (EKG/ONZ) – Jednolite przepisy dotyczące homologacji ulepszonych urządzeń  przytrzymujących  dla dzieci  stosowanych  na  pokładach  pojazdów silnikowych
[6]  Development  of  Improved  Injury  Criteria  for  the  Assessment  of  Advanced Automotive Restraint Systems – II, Rolf Eppinger, Emily Sun, Faris Bandak, Mark Haffner,  Nopporn  Khaewpong,  Matt  Maltese,  National  Highway  Traffic  Safety Administration  National  Transportation  Biomechanics  Research  Center  (NTBRC), 1999
[7]  Jesper Christensen, Christophe Bastien,  in Nonlinear  Optimization  of  Vehicle Safety Structures, 2016
[8] Kamil Joszko, Wojciech Wolański, Marek Gzik, Andrzej Żuchowski „Badania eksperymentalne i modelowe skuteczności ochrony pasażerów na tylnych fotelach samochodów osobowych podczas wypadku drogowego”, Katedra Biomechatroniki, Politechnika  Śląska,  Instytut  Pojazdów  Mechanicznych  i  Transportu,  Wojskowa Akademia Techniczna

W ramach badań przeprowadzono testy zderzenia czołowego dla pięciu wytypowanych z rynku urządzeń przytrzymujących dla dzieci. Ww. testy przeprowadzone zostały w akredytowanej jednostce badawczej posiadającej certyfikat do przeprowadzenia testu według najnowszych wytycznych homologacyjnych. Wózek badawczy w czasie badań osiągnął całkowitą zmianę prędkości 52 + 0/- 2 km/h. Warunki opóźnienia wózka badawczego spełniły wymogi określone w regulaminie R129 przedstawione na poniższym wykresie. Podczas realizacji testów dokonano pomiaru prędkości wózka bezpośrednio przed zderzeniem, drogi zatrzymania oraz parametrów związanych z antropomorficznym manekinem dziecka. Ponadto podczas badań rejestrowano obraz z przebiegu zderzenia przy pomocy kamer szybkich oraz przebiegi działających na manekina przyspieszeń i sił w wybranych fragmentach ciała. Należy podkreślić aby uzyskać największą wiarygodność badań, testy przeprowadzono tego samego dnia w tych samych warunkach temperaturowych. Wszystkie pięć urządzeń dostarczono na 48 godzin przed planowanymi testami i przechowywano je w Instytucie w specjalnie przygotowanym klimatyzowanym pomieszczeniu.

Testy zostały przeprowadzone przy zastosowaniu najnowocześniejszej generacji manekinów zgodnie z wymogami nowego regulaminu nr 129 (iSize) Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ).

Źródło: Testy wykonane przez międzynarodową instytucję Applus+ IDIADA

https://www.applusidiada.com/global/en/about-us/inbrief

Wnioski

Przepisy prawne dotyczące urządzeń przytrzymujących dla dzieci nakładają obecnie na producentów bardzo wysokie wymagania dotyczące spełnienia określonych kryteriów bezpieczeństwa. Znaczny rozwój profesjonalnych urządzeń pomiarowych umożliwił wprowadzenie nowego typu antropomorficznych manekinów dziecięcych ze zwiększoną liczbą czujników umieszczonych w różnych częściach ich ciała.

Analizując wyniki badań można stwierdzić, że kryteria bezpieczeństwa określone w R129 zostały spełnione dla wszystkich badanych urządzeń przytrzymujących (z wyjątkiem ciśnienia w części brzusznej dla jednego z rozwiązań). Jednak analiza poszczególnych przebiegów zarejestrowanych wartości wykazała znaczne różnice pomiędzy poszczególnymi rozwiązaniami. Można stwierdzić, że na wielkość zarejestrowanych obciążeń dynamicznych wpływa szereg czynników w aspekcie konstrukcji danego urządzenia. Wyniki badań jednoznacznie wskazują że obszar bezpieczeństwa przewożenia dzieci w pojazdach wymaga dalszych prac badawczo rozwojowych w aspekcie określenia korelacji pomiędzy danymi cechami konstrukcyjnymi urządzenia przytrzymującego a zarejestrowanymi wielkościami fizycznymi. Należy jednak podkreślić, że badania eksperymentalne tak złożonych zjawisk jak testy dynamiczne urządzeń przytrzymujących kryją w sobie bardzo wiele wyzwań.

Postęp w technice komputerowej zapewnił możliwość rozwoju efektywnych i wiarygodnych numerycznych narzędzi obliczeniowych, które mogą być wykorzystywane w procesie projektowania urządzeń przytrzymujących dla dzieci. Według autorów kolejnym etapem badań mogłoby być wykorzystanie Metody Elementów Skończonych w aspekcie stworzenia modelu numerycznego uwzględniającego wszystkie podstawowe zjawiska istotne dla symulacji procesu zderzenia, łącznie z odwzorowaniem zachowania się dziecka podczas wypadku. Stworzony ww. model numeryczny znacznie ułatwiłby analizę wszystkich obszarów konstrukcji danego urządzenia przytrzymującego
w aspekcie uzyskanych wartości kryteriów bezpieczeństwa.

Autor artykułu: Dr inż. Artur Muszyński