Пассивная безопасность и ее оценка

Способов ограничить перемещение рулевой колонки  в салон перепробовали много. Начнем с того, что практически у всех современных легковых автомобилей рулевой механизм располагают как можно дальше от передка, в большинстве случаев – внутри колесной базы, за воображаемой осью передних колес. Ну а с самой колонкой что только ни делали: встраивали разрушаемые и деформируемые элементы, телескопические устройства (колонка частично сдвигалась при определенном усилии) и так далее. В конце концов, рулевой вал стал карданным – как правило, теперь он состоит из двух- трех несоосных частей, соединенных карданными шарнирами (рис. 5). Схема очень надежная в своей простоте, да к тому же обеспечивающая возможность регулировки рулевого колеса “выше-ниже”.

Рис. 5. Безопасные рулевые колонки: а – с упругими пластинами; б – с перфорированный защитный элементом; в – со стальными шариками; г – SAAB-9000 с двумя карданными шарнирами и деформируемыми нижней частью и кронштейном

Но и ограничив  перемещение руля внутрь салона, трудно гарантировать, что водитель сам  не “дотянется” до него лицом или  грудью, даже будучи пристегнутым. Сначала спицы делали из пружинной проволоки, чтобы баранка прогибалась при ударе. Случалось, людей калечила разорванная “безопасная” проволока. В 50-х придумали рули тюльпанного типа – с утопленной ступицей и тонким ободом. Конструкция современного рулевого колеса стала более безопасной, и его ступица содержит элементы, снижающие ударную нагрузку. Например, гофрированные или перфорированные стаканы, деформирующиеся при ударе.

Ремни безопасности

Наиболее простым  и вместе с тем эффективным  средством, ограничивающим перемещение людей внутри автомобиля при авариях, являются ремни безопасности. Причем, система пассивной безопасности современного автомобиля строится “от ремня”: функция каждого из остальных элементов и устройств предполагает, что все находящиеся в машине будут надежно пристегнуты.

Первыми ремнями  капризные ездоки пользоваться отказывались – видите ли, стесняют – можно  подумать, что в “непристегнутом” состоянии кто-то будет бегать по салону! Поэтому реакция на законы, обязывающие пользоваться ремнем безопасности, была разной: дисциплинированные европейцы стали пристегиваться, но как следует ремень не регулировали, наши соотечественники и до сих пор его демонстративно набрасывают – о регулировке речь вообще не идет. Результаты, фактически, одни и те же: либо ремень совсем не выполняет свою функцию, либо становится источником травм. В то же время, многочисленные исследования доказывают, что правильное использование ремней уменьшает число травм на 50–70%.

Казалось бы, самый надежный вариант – “первородный” простой ремень с жестким креплением (без всяких подтягивающих катушек), который до сих пор встречается на недорогих отечественных автомобилях. И это действительно так, но при одном условии: ремень должен быть правильно отрегулирован.

Во-первых, чем  раньше человек “войдет в контакт” с ремнем, тем меньшая (относительно автомобиля) скорость будет у водителя или пассажира в этот момент (слабее удар о ремень). Во-вторых, ремень должен удерживать “клиента” за тазовые кости, но ни в коем случае не за живот: соскользнув во время удара на брюшину, ремень превращается из средства безопасности в орудие убийства.

Инженеры придумали  свыше десятка вариантов пристегивания. Простейшие поясные (двухточечные) ремни, увы, не препятствовали удару головой и грудью о руль и приборную панель. “Зато” при резком замедлении, не щадя живота, серьезно травмировали внутренние органы. В автоспорте применяются ремни ранцево-поясные с тремя – пятью лямками. На обычных же дорожных автомобилях их использование не допускается: применяются только трехточечные ремни с диагональной и поясной лямками. Это связано с тем, что водитель или пассажир должны иметь возможность полностью освободиться от ремня одной рукой (что мы делаем, нажимая красную кнопку). Ведь, в отличие от спортивных соревнований, на дороге куда чаще может сложиться такая ситуация, когда из аварийного автомобиля придется выбираться самостоятельно, и зачастую – не в самом “исправном” состоянии!

Чтобы не стеснять движения человека в обычных  условиях, появились  инерционные саморегулирующиеся ремни безопасности: плавно тянешь – ремень разматывается с катушки, резко – держит. Принцип их работы - при достижении определенного числа оборотов грузики на катушке расходятся и стопорят ее. Такие ремни уважающие себя фирмы давным-давно не применяют, т.к. они срабатывают только при резких ускорениях или замедлениях автомобиля. А они не всегда сопровождают аварию – занос и переворот машины происходят довольно плавно, и тело человека в таких ремнях может перемещаться куда угодно, на всю длину ремня. Инерционные ремни на сегодня – это те, в конструкции которых имеется нечто вроде отвеса, который при малейшем отклонении от вертикали наглухо запирает катушку. Ремни такого типа запираются при любом разгоне и торможении, даже тогда, когда вы заезжаете одной стороной автомобиля на бордюр или поднимаете ее домкратом.

Рис. 6. Пиротехнический  натяжитель ремня безопасности. При  срабатывании пиропатрона (1) ремень (3) подтягивается поршнем (2)

Однако и в  этом случае не исключен вариант, когда  зазор между телом и ремнем будет слишком большим. И поэтому  в последнее время все чаще на ремнях безопасности стали появляться натяжители, которые срабатывают в том случае, если величина ускорения превышает значение, заложенное в датчик (рис. 6). Сейчас начинают применяться датчики ускорения пятого поколения, работающие с двухрежимными газогенераторами и пиротехническими патронами для натяжения ремней безопасности. Компьютер учитывает даже вес и рост каждого пассажира! В качестве заряда используется экологически чистая водородно-кислородная смесь (гремучий газ). Только таким дорогостоящим образом удалось полностью “воспроизвести” обычный регулируемый ремень без потери его свойств.

Но даже самый  простой ремень не так уж и прост, как кажется. Это – отнюдь не примитивная  “плоская веревка”. Ведь грудная клетка способна выдержать не всякую нагрузку, и потому в “конструкцию” ленты также заложена способность поглощения энергии: при определенной нагрузке ремень удлиняется, причем значительно. Для обычного ремня относительное удлинение достигает 15%, для ремней с инерционной катушкой – 6-8%. Больше просто нельзя: перемещение груди не должно превышать 300 мм, таза – 200 мм. Дальше начинается опасная зона: водитель может “достать” до рулевого колеса, а пассажир – до передней панели. Если же по результатам испытаний выясняется, что нагрузка на грудную клетку все еще превышает нормы, ремни оснащают дополнительными энергопоглощающими элементами. Например, интересна разработка фирм TRW и Simula ремня трубчатой конструкции, надувающегося подобно подушкам.

Подушки безопасности

Особую роль в защите людей от травм играют подушки безопасности (англ. airbag). Ремни не могут совершенно обезопасить водителя. Статистика говорит сама за себя – 27% всех увечий достаются голове: иногда даже пристегнутый водитель ударяется ею о руль. В наше время передние подушки стали распространенным (а во многих странах – обязательным) элементом пассивной безопасности.

Вообще-то это  даже не элемент – целая система, которая работает по определенным законам. Датчики, сигнализирующие о начале удара, измеряют либо деформацию деталей, либо замедление автомобиля. Для надежности часто устанавливают два датчика: один на передней части автомобиля, другой внутри кузова. Сигнал датчика через 0,005–0,01с поступает в “детонатор”, воспламеняемый электрической искрой. Спрятанные в рулевом колесе и панели приборов подушки наполняются газом, раскрываются и принимают “в объятия” водителя и его соседа. Генератором газа служат баллоны со сжатым до 200–250 МПа азотом или аргоном, а также пиропатроны с запасом твердого топлива. На дорогих автомобилях спасительными мешками защищают и задних пассажиров.

Надувающаяся  в начальной фазе столкновения, подушка, дабы не стать источником травмы, начинает сдуваться уже в момент соприкосновения  с телом человека – удар об упругую  стенку далеко не безобиден. Поэтому в подушке делаются отверстия, размер и число которых точно рассчитаны. Корпорация Toyota разработала автомобиль с подушками, у которых вектор разворачивания направлен не в сторону пассажира, а параллельно лобовому стеклу. Тем самым также снижается вероятность травм.

От  последствий наиболее опасного – бокового удара на автомобилях  последних выпусков оберегают подушки, спрятанные в торцах спинок сидений, и  надувные занавески, скрывающиеся в стойке лобового стекла и (или) в каркасе над дверью. Они способны предотвращать выпадение пассажиров через окно во время опрокидывания автомобиля и частично защищать от осколков разбитого окна.

Все эти хитроумные средства не были бы столь эффективны без “интеллектуальной” микропроцессорной  системы. В настоящее время она способна мгновенно распознавать реальные сценарии столкновения (и реальное положение водителя и пассажиров) и соответственно регулировать процесс раскрытия подушек.

Фирма "Бош" предложила контроллер подушек безопасности со встроенными гироскопическим сенсором крена автомобиля. Блок управления мгновенно распознает и оценивает опасность опрокидывания автомобиля и, не дожидаясь начала толчков и ударов, включает подушки, защищающие головы водителя и пассажиров, а также преднатяжители ремней безопасности.

Подушки, поначалу казавшиеся панацеей, все же не лишены недостатков. И дело не только в том, что в момент их срабатывания водитель и пассажир могут оказаться в очках или с горящей сигаретой (курить за рулем вредно втройне!). Надувшаяся в течение сотых долей секунды (т.е. взрывообразно) подушка отнимает значительную долю внутреннего объема салона. И, если это не кабриолет или окна не были открыты настежь, происходит резкий скачок давления, который может привести не только к временной контузии, но и к более серьезным травмам слухового аппарата. Чем больше подушек одновременно сработает, тем больше скачок давления. Даже взрослым достается изрядно, что уж говорить о детях!

Именно поэтому  уже практически не применяются  полноразмерные (защищающие все тело выше пояса) подушки безопасности. Сейчас передние подушки делаются относительно небольшими и предназначаются для защиты головы (использование ремня безопасности остается обязательным). Совершенствуется и система управления подушками – в пассажирском сиденье появились (правда, пока лишь на дорогих автомобилях) датчики веса: подушка не раскрывается, если нагрузка на сиденье меньше определенной. На некоторых автомобилях в двери монтируют специальные молоточки, похожие на взведенные бойки. За миг до срабатывания подушек они освобождаются и разбивают боковые окна.

Особый случай, если на переднем сиденье перевозят  ребенка в специальном кресле (в Европе – обычное явление), и тут дело уже не в акустике: подушка становится опасной чисто  механически. Поэтому у многих автомобилей пассажирская подушка может быть отключена вручную, и если этого не сделать, перевозить ребенка впереди нельзя.

К другим конструкциям, ограничивающим перемещение человека, относятся сетки безопасности, размещаемые внутри автомобиля непосредственно за спинками сидений и защищающие водителя и пассажиров при продольных столкновениях. Сетка, изготовленная из эластичного материала типа капрона, имеет крупные ячейки и закреплена в рамке, которая в свою очередь крепится к потолку автомобиля.

Сиденья и подголовники

Подушки безопасности, ремни и тому подобные средства, конечно, великое дело. Однако в ряде случаев единственный спасательный круг – сиденье автомобиля. Примеры хорошо известны: при ударе сзади остается надеяться только на прочность спинки и подголовника. А если при встречном столкновении детали, крепящие сиденье к днищу кузова, не выдержат нагрузки, и сиденье переместится вперед (или оторвется спинка), то значительно уменьшится объем жизненного пространства и увеличится вероятность удара водителя и пассажира о детали автомобиля, а также затруднится эвакуация людей из автомобиля после ДТП. Безопасность сидений и спинок имеет особое значение для автобусов вследствие большого количества людей, одновременно подвергающихся травмированию.

Сиденья проверяют на прочность по 17-му правилу ЕЭК ООН. Сначала к спинке прикладывают момент 373 Н*м, затем с помощью сферической модели головы усилие, создающее момент 373 Н*м, передают и на подголовник. При этом перемещение последнего должно быть не более 102 мм. Второй этап – не снимая преднатяга со спинки, увеличивают нагрузку на подголовник. Нормы безопасности будут выполнены, если сиденье выдержит действие силы 890 Н.

В США и Европе, с их многокилометровыми колоннами  движущихся с одной скоростью  автомобилей, столкновения “паровозиком” – явление распространенное. От резкого толчка голова под действием силы инерции откидывается назад и может произойти повреждение позвоночника. Для защиты пассажиров в этом случае на спинку сиденья устанавливают подголовники с мягкой обивкой.

Специалисты считают, что будущее за жестко встроенными, неподвижными подголовниками. Однако регулируемые выдвижные пока еще  выпускают массово. Хороший подголовник  закрепляют в массивном коробе. Его  непросто сместить даже в крайнем  верхнем положении.