Энергия удара, или Что такое пассивная безопасность (МАЗ-534005)

В настоящее время в рамках Женевского Соглашения идет разработка новой серии поправок к международному Европейскому стандарту Правил № 29 ЕЭК ООН, который регламентирует процедуру испытаний и технические требования, предъявляемые к кабинам грузовиков в отношении их ударно-прочностных свойств для обеспечения безопасности водителя и пассажиров в условиях столкновения и опрокидывания.

Республиканское унитарное предприятие «Минский автомобильный завод» и ФГУП «НИЦИАМТ» провели серию совместных испытаний кабины МАЗ-534005 (междугородный вариант, ею же оснащают седельные тягачи МАЗ-6501). Целью работы была оценка безопасности конструкции и прочности элементов крепления и подрессоривания кабины.
На первом этапе провели поперечное опрокидывание автомобиля в пределах одного оборота на уклоне 30°. При этом испытании определяли величину деформации при реальном опрокидывании и величину максимальной энергии удара крыши кабины о грунт при опрокидывании. Для измерения величины деформации крыши в кабине установили три телескопических измерительных устройства. Энергия удара получена на основании материалов скоростной видеосъемки, по которой определялось изменение угловой скорости опрокидывания. Максимальная угловая скорость 100 град/с получена при ударе о грунт левого верхнего угла крыши. Максимальная энергия удара левого угла крыши, исходя из развесовки автомобиля, размеров кабины и расположения центра масс, составила 48,2 кДж. По результатам показаний телескопических измерительных устройств максимальная деформация левого угла крыши после опрокидывания была 200 мм, правого угла – 185 мм. Нарушения жизненного пространства для каждого места сиденья не произошло. Разрушений элементов крепления и подрессоривания кабины не отмечено.

На втором этапе испытаний новая комплектная кабина автомобиля МАЗ-534005, установленная на раме с элементами подрессоривания кабины, подвергалась удару плоским маятником, подвешенным на цепях. Кабина, установленная на части рамы, закреплялась на опорной плите маятникового копра. Масса плоского маятника с размерами ударной плиты 800х2500 мм, подвешенного на цепях, составляла 2100 кг. Плоскость удара была параллельна продольной оси автомобиля (кабины). Центр удара маятника совпадал с верхней боковой кромкой крыши кабины. Для измерения деформаций кабины аналогично испытаниям методом опрокидывания на уклоне были установлены три телескопических измерительных устройства. Кабина подвергалась двум ударам: сначала в левый угол крыши со стороны водителя, а затем в правый угол крыши со стороны пассажира. При ударе в левый угол крыши с энергией 35 кДж деформация составила 70 мм, при ударе в правый угол крыши с энергией 38 кДж – 150 мм. Характер деформации сопоставим с характером деформации кабины при реальном опрокидывании. При этом испытании также не нарушено жизненное пространство в кабине и не отмечено разрушений элементов крепления кабины.

На третьем этапе испытаний новая комплектная кабина подвергалась статическому нагружению угла крыши кабины. Кабину, как и при испытаниях второго этапа, устанавливали на раме и поворотной платформе на силовом полу под плитой горизонтального пресса. Кабина была повернута на угол 25° (ограничивался возможностью подъема плиты пресса). Линия контакта плиты пресса с углом крыши совпадала с центральной осевой линией плиты пресса. Для оценки величины деформации кабины в ней также установили три телескопических измерительных устройства. Нагружению подвергался угол крыши кабины со стороны водителя. Величина прикладываемой нагрузки составляла 10 т. Деформация угла крыши кабины составила 310 мм. Энергопоглощение на деформацию составило 20,7 кДж. После испытаний нарушений жизненного пространства в кабине не произошло. Разрушений элементов крепления кабины не отмечено.

Ранее аналогичную кабину испытывали методом вертикального статического нагружения плоскости крыши согласно действующей процедуре испытаний на соответствие требованиям Правил № 29 (02) ЕЭК ООН. Равномерно распределенная нагрузка должна соответствовать нагрузке, приходящейся на переднюю ось автомобиля в снаряженном состоянии, но не должна превышать 10 т. При этих испытаниях максимальная деформация кабины составила 115 мм.

На основании проведенных испытаний с одинаковыми кабинами можно провести сравнительный анализ. Полномасштабные испытания методом опрокидывания на уклоне, методом удара в угол крыши плоским маятником и методом статического нагружения угла крыши показывают, что статическое нагружение угла крыши приводит к более значительным деформациям крыши кабины. Элементы крепления кабины автомобиля МАЗ-534005 при всех указанных испытаниях не получают серьезных разрушений. Учитывая особенность конструкции цельнометаллических кабин, более целесообразным является проведение испытаний кабины методом статического нагружения угла крыши, поскольку они менее трудоемки и позволяют в полной мере оценить прочность кабины. Нагружение угла крыши кабины в полной мере имитирует нагрузки, возникающие при реальном опрокидывании, с определенным запасом в сторону ужесточения возникающих деформаций. И если при данном виде испытаний сохраняется жизненное пространство, то можно с уверенностью говорить, что оно сохранится и при реальном опрокидывании.

Для оценки безопасности кабины автомобиля МАЗ-534005 в условиях фронтального удара проведен тест методом столкновения грузовика с жестким недеформируемым препятствием. Комплектный грузовой автомобиль МАЗ-534005 в снаряженном состоянии массой 9000 кг, прошедший испытания методом опрокидывания, сталкивался на скорости 35 км/ч с неподвижным препятствием, перед которым была установлена со смещением недеформируемая приставка высотой 1500 и шириной 1250 мм. Приставка выступала над лицевой поверхностью неподвижного препятствия на 520 мм. Данный вид испытания сопоставим с часто встречающимся видом ДТП – ударом грузового автомобиля в грузовую платформу впереди идущего грузовика. При этом тесте автомобиль сталкивался с приставкой прямолинейно с перекрытием передней лицевой поверхности кабины на 50% в сторону водителя. Предложенное перекрытие создает опрокидывающий и крутящий моменты на кабине автотранспортного средства и тем самым позволяет оценить прочность замков крепления кабины к раме транспортного средства. На сиденье водителя размещался манекен массой 80,5 кг фирмы Sierra США 95%-ной репрезентативности. Манекен был пристегнут диагонально-поясным ремнем безопасности. В манекене были установлены датчики деформации грудной клетки, три датчика перегрузок, измеряющие перегрузки в голове по осям X, Y, Z, три датчика перегрузок, измеряющие перегрузки в груди, и три датчика перегрузок, измеряющие перегрузки в области таза. Измерения, необходимые для проверки критериев травмирования, проводили с использованием измерительных каналов, отвечающих спецификациям Приложения 8 Правил № 94-01 ЕЭК ООН («Оценка безопасности легкового автомобиля в условиях фронтального столкновения с использованием манекенов»). В процессе столкновения получены результаты, представленные в табл. 1.

Нарушений фиксации кабины к раме не произошло. Жизненное пространство на месте водителя и пассажира сохранилось. Рулевая колонка в процессе удара откинулась вперед, не воздействуя на манекен. Элементы крепления грузовой платформы на левом лонжероне рамы разрушились, и грузовая платформа сместилась вперед, нагрузив заднюю стенку кабины.

После проведения фронтального удара проведены испытания новой комплектной кабины методом смещенного удара цилиндрическим маятником. Комплексную новую кабину автомобиля МАЗ-6501 установили на части рамы с элементами подрессоривания. Раму жестко закрепили на опорной плите маятникового копра со смещением по отношению к плоскости качания маятника. Цилиндрический маятник выступал за боковую поверхность кабины со стороны водителя на 30 мм. Центр удара маятника располагался в середине, между нижним проемом ветрового стекла и уровнем пола кабины. На сиденье водителя был размещен инструментированный, как и при фронтальном ударе, манекен. В процессе удара получены следующие результаты, представленные в табл. 2.

Перегрузки, которые показал манекен, ниже, чем при фронтальном ударе, поскольку в момент удара манекен находился в состоянии покоя и его движение начиналось в результате работы подрессоренных масс кабины и сиденья водителя. Нарушений фиксации кабины к раме не произошло, жизненное пространство в кабине сохранилось, но произошло заклинивание замка двери водителя. Рулевая колонка в процессе удара откинулась вперед, не воздействуя на манекен.

Кабина получила более сильные повреждения, поскольку удар проходился выше лонжеронов рамы и энергопоглощение происходило только за счет деформации кабины и работы элементов подрессоривания.

Последний тест проведен с кабиной, прошедшей испытания на вертикальном прессе, методом удара плоским маятником, подвешенным на цепях, в заднюю стенку кабины. Этот тест полностью соответствует тесту, предписанному национальным стандартом Швеции «Испытание по нагружению задней стенки кабины методом удара маятником сзади».

Кабину установили на части рамы с элементами подрессоривания кабины. Раму жестко закрепили на опорной плите маятникового копра. Плоский маятник массой 1000 кг, размерами 1600х500 мм, толщиной 170 мм был подвешен на цепях. Центр удара совпадал с центральной осевой плоскостью задней стенки кабины и располагался в середине, между полом и крышей кабины.

После удара маятником с энергией 29 кДж нарушений фиксации кабины не произошло, жизненное пространство сохранилось. Заклинивания и самооткрывания дверей не отмечено.

Полномасштабные испытания методом столкновения автомобиля с препятствием и испытания методом смещенного удара цилиндрическим маятником отдельной кабины показывают, что при столкновении кабина получает меньшие повреждения, чем при испытаниях методом смещенного удара цилиндром. Это объясняется тем, что при столкновении основные нагрузки воспринимает рама.

Удар цилиндрическим маятником со смещением имитирует наиболее часто происходящие с грузовиками ДТП: удар в грузовую платформу впереди идущего грузовика. Этим испытанием оценивают прочностные свойства передка кабины, прочностные свойства элементов крепления кабины и возможность эвакуации экипажа через двери после столкновения.

Испытание методом удара плоским маятником в заднюю стенку кабины имитирует удар смещающегося вперед груза. Эти испытания позволяют оценить прочность задней стенки кабины, а также прочность и надежность фиксации элементов крепления и замков фиксации кабины в транспортном положении.

На основании выполненных тестов с кабинами автомобиля МАЗ-534005 для оценки безопасности кабин грузовых автомобилей целесообразным является переработка Правил № 29 ЕЭК ООН с включением следующих видов испытаний:

Испытание А

Удар цилиндрическим маятником диаметром 600 мм и длиной 1000 мм, массой 1000 кг. Энергия удара 39 кДж.

Цилиндрический маятник ударяет во фронтальную поверхность кабины со смещением в сторону водителя, маятник выступает за боковую поверхность кабины на 30 мм. Ось подвешенного на цепях маятника перпендикулярна оси кабины. Центр удара маятника расположен между нижним проемом ветрового стекла и уровнем пола кабины.

Испытание В

Статическое нагружение угла крыши кабины.

Кабина устанавливается на раме и поворачивается относительно опорной поверхности на угол 25°. Линия контакта плиты пресса с углом крыши кабины должна совпадать с центральной осевой линией нагрузочной плиты пресса. Максимальная нагрузка, действующая на крышу, должна соответствовать нагрузке, действующей на переднюю ось автомобиля в снаряженном состоянии, но не более 10 т.

Испытание С

Удар подвешенным на цепях маятником массой 1000 кг, размерами 1600х500 мм и толщиной 170 мм.

Центр удара должен совпадать с центральной осевой плоскостью задней стенки кабины и располагаться в середине, между уровнем пола и крышей кабины. Энергия удара должна составлять 29 кДж.

Кабина крепится на части рамы с использованием штатных элементов крепления. Рама жестко закрепляется на опорной поверхности маятникового копра.

После каждого теста оценивается сохраняемость жизненного пространства с использованием объемного манекена с размерами, оговоренными требованиями Правил № 29 ЕЭК ООН, надежность крепления кабины к раме, самооткрывание дверей и возможность эвакуации из кабины после удара через обе двери.