Как устроены манекены для краш-тестов?

Как устроены манекены для краш-тестов?

В жизни всегда есть место подвигу, и они знают  это не понаслышке. Они бьются в  автомобилях, падают с верхних полок  железнодорожных вагонов, выбрасываются  на огромных скоростях из кабин реактивных истребителей. Их выкидывают с парашютом и без с огромной высоты, они погибают вместе с потерявшими управление вертолетами, получают нокауты от новейших подушек безопасности, приговариваются к расстрелу из различных типов стрелкового оружия. Они не ищут приключений, погибать ради нас - их работа.(рис1)

Технология изготовления официального манекена для сертификационных краш-тестов Hybrid III не составляет секрета  и в целом довольно проста. Теоретически каждый желающий может основать собственное  дело и начать клепать эти человекообразные измерительные инструменты.

Вы удивитесь, но технология производства манекенов  за последние 30 лет практически не изменилась. В Америке, например, она  жестко регламентируется федеральным  стандартом безопасности № 208 от 1972 года. Такая инертность обусловлена не косностью чиновников, а здравым смыслом. Слишком частое изменение стандартов внесло бы хаос в методику оценки уровня безопасности автомобилей. Поэтому, несмотря на незначительные отличия в процедуре проведения краш-тестов в Европе, Америке и Японии, государственные регулирующие органы большинства стран используют одни и те же манекены серии Hybrid III.(рис2)

Но несмотря на доступность  технологии, в настоящее время  только две компании в мире имеют  необходимые сертификаты ISO серий 9001, 14001 и 17025, необходимые для производства манекенов для официальных краш-тестов. Это американские Denton ATD и First Тechnology Safety System. Сделать единичный манекен можно в любой мастерской, но производство тысяч абсолютно одинаковых, тщательно откалиброванных суррогатов человеческого тела по силам немногим. Справедливости ради надо сказать, что на самом деле манекены делают десятки компаний и лабораторий по всему миру, но все они предназначены для рабочего тестирования на полигонах автокомпаний. Для официальной сертификации моделей используется продукция Denton и FTSS.(рис3)

Компания Denton, основанная в 1969 году Робертом Дентоном, собирает манекены в глухой американской провинции  на родине знаменитого Томаса Эдисона  в городишке Милан, штат Огайо. Здесь, среди необъятных кукурузных полей 170 служащих компании производят от 20 до 25 манекенов в месяц. Причем это не только официальные Hybrid III, но и еще 40 различных типов манекенов для автоиндустрии, аэрокосмической промышленности, военных лабораторий и учебных заведений. Забавно, что четыре десятка лет тому назад Denton ATD целиком размещалась на кухне дома Роберта Дентона, президента и единственного штатного служащего компании.

Дентон в одиночку разрабатывал и затем мастерил на кухонном столе измерительные приборы - акселерометры и потенциометры, которые продавал техническим подразделениям General Motors, Ford, Chrysler и даже за границу. Термообработка основных элементов этих приборов и готовка обедов для семейства проходили одновременно на единственной газовой плите с духовкой. Позднее энергичный Дентон расширил бизнес и стал первым в мире сертифицированным производителем манекенов для NHTSA.

Без права на ошибку

Сырьем для будущих  бесстрашных борцов за наши с вами жизни и здоровье служат сталь, алюминиевые сплавы, резиновый компаунд из смеси натурального каучука, неопрена и полиакрила, и винил, из которого делают кожу и мягкие ткани Hybrid III. Манекен Hybrid III состоит из 350 металлических и пластиковых частей. Все они производятся вручную тут же, в Милане. Вес мужского сидячего Hybrid III составляет 78 кг, а рост, если бы он смог выпрямиться, 175 см. У него есть симпатичная жена средних лет, стокилограммовый брат-толстяк и трое детей десяти, шести и трех лет от роду.(рис4,5)

Рождение антропоморфного  измерительного прибора, как еще называют манекены, начинается с изготовления тускло-оранжевой виниловой кожи. Чтобы сделать, к примеру, кожный покров стопы, рабочий заливает горячий винил в алюминиевую форму. Далее в форму вставляется внутренняя часть, а излишки винила выдавливаются обратно. Затем заготовка запекается в печи и проходит внешнюю финишную обработку. Точно так же делается кожа для остальных частей тела Hybrid III. Мягкие ткани изготавливают из вспененного винила. Традиционно гибриды имеют грязновато-оранжевый или желтый цвет. Такая окраска выглядит наиболее контрастно при скоростной видеосъемке краш-теста.(рис6)

В другой части завода группа рабочих делает стальные и  алюминиевые элементы скелета. Большей  частью эта работа производится на компьютеризированных станках, которые с высочайшей точностью воспроизводят из заготовок кости и части суставов манекена. Ребра делаются вручную из полос специальной стали. Далее детали соединяются с помощью сварки, заклепок и винтов. Конструктивно наиболее сложна шея манекена. Эластичные элементы шеи – аналоги межпозвоночных дисков – выпрессовываются из резинового компаунда. Стальные кольца имитируют отдельные позвонки. Благодаря упругости компаунда, точно соответствующей натуральной, готовая конструкция очень близка по биомеханике человеческой шее. Готовые элементы манекена укладывают на стальные стеллажи и по необходимости доставляют на участок сборки.

Сборка начинается только после тщательной проверки качества деталей – взвешивания на электронных  весах, измерения геометрии, определения расположения центра тяжести каждого элемента. Все эти показатели должны в точности соответствовать стандартным значениям. Любое отклонение от эталона считается браком, и некондиционные детали пускают на вторичную переработку. Но для Denton это крайне редкое явление. Единственный инструмент сборщика, работающего за обычным деревянным верстаком, – крестовая отвертка.

Святая святых завода в Милане - участок по изготовлению измерительной аппаратуры. В большом  зале полдюжины станков штампуют корпуса датчиков из стали и алюминия всевозможных форм и размеров. Датчик давления бедренной кости, к примеру, представляет собой тонкостенный стальной цилиндр, внутри которого находится тоненькая зигзагообразная пружинка из титанового сплава. Это главный элемент датчика, его нерв. Пружинка припаяна к центрам донных частей корпуса и при внешнем воздействии деформируется. Свойство сплава изменять электрическое сопротивление при растягивании или сжатии позволяет измерять силу воздействия. Когда в одном корпусе располагаются несколько таких пружинок, датчик способен измерять момент силы.(рис7)

Металлические элементы датчиков поступают в заводскую  лабораторию, где трудятся 14 девушек, терпеливо и предельно аккуратно  припаивающих чувствительные пружинки к корпусам датчиков. Эта работа требует чрезвычайной точности и поэтому производится с помощью оптических микроскопов и микропинцетов. Как и все остальные манекены, Hybrid III оснащают двумя видами датчиков – потенциометрами, измеряющими силу механического воздействия, и акселерометрами, измеряющими ускорение. Для того чтобы измерить ускорение головы манекена при столкновении, строго в центре масс алюминиевой черепной коробки устанавливают три одноосных акселерометра. Давление на грудную клетку измеряют при помощи потенциометра, находящегося за грудиной, и т.д. Установку готовых и откалиброванных акселерометров и потенциометров в корпус Hybrid III делают позднее в мастерской головного офиса Denton ATD в Детройте.(рис8) 

Камера  пыток

Последний этап после  полной комплектации манекена – проверка. Она проводится в помещении, подозрительно напоминающем камеру пыток. Первым делом проверяют, все ли в порядке у очередного Hybrid III с головой. Техник отделяет ее от манекена и устанавливает в специальный электромагнитный захват на высоте 37,6 см над толстой стальной пластиной. После этого захват отпускает голову, и в момент падения чувствительная аппаратура измеряет амортизационную способность и массу компонента. Прошедшая проверку голова водружается на место. Затем наступает очередь испытания грудной клетки. Для этого манекен укладывают на платформу таким образом, чтобы его грудь находилась на одной вертикальной линии с подвешенной на высоте 1,5 м стальной болванкой весом 23 кг.

Болванка со свистом  обрушивается вниз, и техник фиксирует показания потенциометра манекена. Если сила удара соответствует расчетной – значит, датчик работает корректно. Если нет, то манекен выбраковывается. Последний этап – проверка амплитуды движения в шейном отделе и коленном суставе. Процедура производится на кресле устрашающего вида. Механические захваты в течение минуты пытаются в буквальном смысле открутить Hybrid III голову. Столь жесткая проверка необходима для соблюдения полного соответствия манекена заданным параметрам, ведь от его работы будут зависеть сотни тысяч человеческих жизней. Поэтому испытательные манекены не бывают первого или второго сортов – только высшего!

После этого начинается рутинная бумажная работа: на корпусе  манекена ставится штамп о пройденной проверке и уникальный серийный номер. Инспектор ОТК заполняет технический паспорт, а двое рабочих пакуют Hybrid III в картонную коробку и отвозят на тележке в помещение службы доставки. Оттуда манекены и датчики к ним отправят в Детройт, а затем они разбредутся по всему миру выполнять свою благородную и опасную работу. Среди постоянных клиентов Denton ATD – Chrysler, Ford, Honda, Hyundai, Nissan, Porsche, Volkswagen, Tata Motors и китайская компания FAW. Это не считая государственных сертификационных организаций Америки, Европы и Японии.(рис9)

По словам президента Denton ATD Дэвида Стайна, Hybrid III, предназначенный  для фронтальных краш-тестов, сравнительно прост. Самая сложная и самая  технологически продвинутая модель – WorldSID. Ее специализация – боковые  краш-тесты. Тело WorldSID буквально нашпиговано датчиками – во время испытаний его электромеханическая нервная система производит измерение 258 параметров. Поэтому и стоит он вдвое больше самого крупного Hybrid III – 350 тысяч долларов. Кстати, цена некоторых видов краш-тестов достигает 750 тысяч долларов и даже выше. И это еще одна причина столь жесткой проверки качества манекенов.(рис10)

Фото: Denton ATD, Mercedes-Benz, IIFHS, EuroNCAP 
 
 

В современном мире краш-тесты различных автомобилей  – тема очень актуальная. С каждым годом производители автомобилей все больше задумываются о безопасности пассажиров и стараются ее совершенствовать. В этой нелегкой работе им помогают манекены. Так какие же они – безмолвные испытатели надежности автомобилей? Откуда они появились?

 Давным-давно  никому не приходило в голову  прогонять коней и повозки  через краш-тесты. Конечно, конный  транспорт не очень шибко торопятся,  дорогу разбирают. 

 Всё кардинально  изменилось с появлением коней  железных, особым интеллектом не  отличающихся. Со временем мощность и скорость автомобилей росла, увеличивалась интенсивность дорожного движения, и стало понятно, что не думать о безопасности водителя и пассажиров уже слишком легкомысленно. Поэтому серийные модели начали проверять на ударостойкость, сначала сажая в салон трупы (многие специалисты другого выхода в 30-е годы прошлого века не видели), а также животных и даже вполне себе живых людей, которые соглашались на такую работу.

 В 1949 году наконец-то  появился первый манекен для  краш-тестов - Sierra Sam. Конструктор Сэмюэль Эльдерсон создал его для того, чтобы проверять катапультируемые кресла самолётов. Ни один человек не смог бы выдержать того, чему подвергался Сьерра Сэм, так как проверочные мероприятия включали в себя разгон до 1000 км/ч. Сэм стал настоящим стандартом таких манекенов на много лет и использовался компаниями Ford и General Motors для проверки новых моделей автомобилей. Впоследствии General Motors сделала свой манекен, получивший название Hybrid I.

 Впрочем, настоящим  прорывом в технологии изготовления манекенов для испытания автомобилей стал не первый "гибрид", а семейство Hybrid III. Состояло оно из папаши ростом 168 см и весом около 77 кг, мамаши, ребёнка-подростка, десятилетнего ребёнка и трёхлетнего малыша. Дети, правда, появились не сразу, а лишь когда специалисты поняли, что данных о том, как влияют столкновения на детей, просто нигде нет. Перед испытаниями каждый манекен специальным образом настраивали и проверяли шарниры, на которых двигалась шея. Результаты теста записывались высокоскоростными камерами, а сорок четыре датчика на "теле" каждого из манекенов позволяли узнать, какие кости и каким именно образом поломал бы себе человек в аналогичной ситуации. Ни над одной семьёй в мире не издевались так, как над семейством Hybrid III.

"Гибриды" были  чрезвычайно успешными краш-манекенами, но всё же технологии развиваются,  и на смену старичкам приходят  новые "испытатели". Такие как  THOR, например. В отличие предшественников  у них намного реалистичнее  проработан отдел позвоночника и таза. К тому же, THOR оборудован большим количеством сенсоров, нежели Hybrid III, да и его лицо стало намного чувствительнее. Хотя, конечно, с первого взгляда и не скажешь.

 Подумав о детях,  разработчики краш-манекенов рано  или поздно должны были догадаться, что отдельного изучения требует еще беременная женщина. И догадались только в 2007 году. Инженерами Университета Лофборо (Великобритания) был создан первый прототип "беременного" манекена. В его (точнее, наверное, в её) животе находится заполненный жидкостью контейнер, который имитирует плод. Целью создания таких манекенов является разработка более удобных для беременных женщин ремней безопасности. А пока, в любом случае, пристёгивайтесь имеющимися.

 Но самым широко  известным "каскадером" стал, наверное, Buster (Бастер, он же "Разрушитель") из документального сериала Mythbusters ("Разрушители мифов"), идущего на канале Discovery Channel. Чего ему только ни пришлось испытать! В основном, опыты эти были связаны с падением с большой высоты и взрывами, так как ведущие этой программы ставят основной задачей проверку так называемых "городских легенд", которыми их на протяжении уже нескольких лет бесперебойно снабжают зрители и Интернет.

 Судя по всему,  легенды обычно не подтверждаются, ибо первый манекен не пережил опасных экспериментов и в конце концов пришёл в негодность, после чего появился Бастер 2.0, которого снабдили легкозаменяемыми деревянными "костями", а также усовершенствованными суставами.