MODELOWANIE I SYMULACJA FUNKCJONOWANIA ... - … · W tym obszarze istotne znaczenie ma konstrukcja podwozia i nadwozia (np. strefy kontrolowanego zgniotu) oraz systemy ochrony pasażerów

MECHANIK 7/2014 XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji

247

Dr inż. Michał JASZTAL Mgr inż. Andrzej NADRA Mgr inż. Marcin MILCZAREK Wojskowa Akademia Techniczna

MODELOWANIE I SYMULACJA FUNKCJONOWANIA

WYBRANYCH URZĄDZEŃ BEZPIECZEŃSTWA BIERNEGO POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH

Streszczenie: W ramach niniejszej pracy przedstawiono wybrane rozwiązania konstrukcyjne oraz opis funkcjonowania foteli, zagłówków oraz napinaczy pasów bezpieczeństwa stosowanych we współczesnych pojazdach samochodowych. Opracowane zostały modele CAD fotela samochodowego z zagłówkiem oraz model napinacza pasa bezpieczeństwa, a następnie przeprowadzono symulacje komputerowe ich funkcjonowania w sytuacji kolizji drogowej. Otrzymane wyniki symulacji pozwalają na określenie wpływu zastosowania konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego na bezpieczeństwo bierne pasażerów pojazdów samochodowych. Ponadto, opracowane modele symulacyjne stanowią podstawę do prowadzenia dalszych analiz różnych aspektów funkcjonowania tego typu urządzeń.

MODELING AND SIMULATION OF PERFORMANCE OF SELECTED MOTOR VEHICLE PASSIVE SAFETY DEVICES

Abstract: In the paper, authors present selected design solutions and description of performance of car seats, headrests and seatbelt tensioners applied in contemporary motor vehicles. CAD models of car seat with headrest and model of seatbelt tensioner were carried out and then computer simulation of their performance during car crash was conducted. Received results give possibility to determine influence of selected design solution on passive safety of motor vehicle passengers. Furthermore, prepared simulation models form a mainstay for further analyses of manifold problems of this kind devices. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo bierne, pojazd samochodowy, fotel samochodowy, zagłówek, napinacz pasów, modelowanie CAD/CAE Keywords: passive safety, motor vehicle, car seat, headrest, seatbelt tensioner, CAD/CAE modeling

1. WPROWADZENIE Zagadnienie bezpieczeństwa ruchu drogowego jest jednym z elementów bezpieczeństwa w codziennej działalności człowieka. Wzrost aktywności człowieka i rozwój techniki motoryzacyjnej spowodował zwiększenie zagrożeń i wymusił konieczność przeciwdziałania tym zagrożeniom. Bezpieczeństwo w ruchu drogowym zależy od wzajemnych oddziaływań w układzie człowiek (kierowca, pieszy) – pojazd – droga. Prawidłowe funkcjonowanie lub


248

stan każdego z tych trzech elementów warunkuje zapewnienie maksymalnego możliwego poziomu bezpieczeństwa. W odniesieniu do pojazdów samochodowych jest ono zapewniane przez właściwe działanie ich układów funkcjonalnych oraz układów bezpieczeństwa.

We współczesnych pojazdach należy wyróżnić podział na układy bezpieczeństwa czynnego (aktywnego) oraz układy bezpieczeństwa biernego. Bezpieczeństwo czynne zapewniają te elementy, które umożliwiają kierowcy zmniejszenie lub uniknięcie ryzyka, czyli zmniejszenie prawdopodobieństwa powstania kolizji lub wypadku. Są to mechanizmy i urządzenia pozwalające kierowcy podjąć działania przed zaistnieniem zdarzenia drogowego w celu jego uniknięcia. W zakresie układu hamulcowego pojazdu są to systemy przeciwdziałające blokowaniu się kół (np. ABS), systemy wspomagania nagłego hamowania (np. BAS) czy też zapewniające właściwy rozdział siły hamowania (np. EBD). W odniesieniu do układu napędowego oraz kierowniczego jest to układ stabilizacji toru jazdy (np. ESP) oraz układ przeciwdziałający poślizgowi kół napędowych (np. ASR) czy też napęd na wszystkie koła (np. AWD). Natomiast zastosowanie układów bezpieczeństwa biernego ma na celu ograniczenie skutków już zaistniałego zdarzenia drogowego, czyli działają one w czasie, gdy kierowca nie może wpłynąć na rozwój zdarzeń i charakter ruchu pojazdu. W tym obszarze istotne znaczenie ma konstrukcja podwozia i nadwozia (np. strefy kontrolowanego zgniotu) oraz systemy ochrony pasażerów zainstalowane w kabinie samochodu. Należy pamiętać, że elementy wyposażenia przedziału pasażerskiego pojazdu, takie jak fotele samochodowe, oprócz zapewniania nam wygody podczas podróży zaliczane są również do elementów bezpieczeństwa biernego samochodu. Odpowiedni kształt oraz twardość siedziska i oparcia odgrywa bardzo istotną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa podróżującym podczas jazdy, a przede wszystkim w momencie wypadku. Bardzo ważną funkcję w układzie fotela samochodowego pełni zagłówek. Jego zadaniem jest ochrona odcinka szyjnego kręgosłupa w chwili zderzenia samochodów. Odpowiednio ustawiony zagłówek ratuje podróżującego przed groźnym urazem kręgów szyjnych, a nawet trwałym kalectwem lub śmiercią spowodowaną uszkodzeniem rdzenia kręgowego. System foteli samochodowych uzupełniają systemy poduszek gazowych i pasów bezpieczeństwa wraz z ich napinaczami i ogranicznikami siły napięcia, które zapewniają odpowiednią pozycję i zakres ruchów siedzącego w fotelu w chwili występowania dużych przeciążeń towarzyszących wypadkom.

W ramach niniejszej pracy przedstawiono wybrane rozwiązania konstrukcyjne oraz opis funkcjonowania foteli, zagłówków oraz napinaczy pasów bezpieczeństwa stosowanych we współczesnych pojazdach samochodowych. Opracowane zostały modele CAD fotela samochodowego z zagłówkiem oraz model napinacza pasa bezpieczeństwa, a następnie przeprowadzono symulacje komputerowe ich funkcjonowania w sytuacji kolizji drogowej. Otrzymane wyniki symulacji pozwalają na określenie wpływu zastosowania konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego na bezpieczeństwo bierne pasażerów pojazdów samochodowych. Ponadto opracowane modele symulacyjne stanowią podstawę do prowadzenia dalszych analiz różnych aspektów funkcjonowania tego typu urządzeń. 2. ANALIZA BUDOWY I MODELOWANIE FOTELI ORAZ ZAGŁÓWKÓW

SAMOCHODOWYCH 2.1. Analiza budowy oraz działania foteli oraz zagłówków samochodowych System foteli we współczesnych samochodach jest bardzo rozbudowany. Produkowane obecnie siedzenia posiadają bardzo dużą liczbę regulowanych elementów, poczynając od


249

stopnia pochylenia oparcia, a kończąc na regulacji poduszek lędźwiowych. Ponadto w bardziej luksusowych autach można spotkać fotele wyposażone w różnego rodzaju „gadżety” zwiększające komfort podróżowania, tj. podgrzewane siedzenia, maty masujące i inne. Współczesne fotele muszą posiadać zagłówki oraz pasy bezpieczeństwa, które zostały uznane za obowiązkowe wyposażenie każdego samochodu. Przepisy dotyczące konieczności montowania zagłówków zawiera Dyrektywa Rady (78/932/EWG) w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się do zagłówków do siedzeń montowanych w pojazdach silnikowych. Określono w niej m.in. wymagania, jakie muszą spełniać zagłówki, aby otrzymały homologację. Ponadto załączniki powyższej dyrektywy zawierają wytyczne określające optymalną szerokość i wysokość zagłówków, a także opis procedury badania rozproszenia energii przez zespół fotela [5].

Budowa siedzeń indywidualnych (którymi zajmuje się prezentowana praca) oparta jest na sztywnym szkielecie, z którym są związane elementy mechanizmów regulacji, elastyczne poduszki siedziska i oparcia z zagłówkiem, jak również pokrycie tapicerskie. Współczesne konstrukcje foteli są wyposażone w specjalny system WHIPS (ang. Whiplash Protection System) bądź AWS (ang. Anti Whiplash System), który chroni kierowcę i pasażera na przednim fotelu przed skutkami uderzenia w tył pojazdu. Oparcia foteli z tym systemem mają wyjątkową konstrukcję szkieletu. Pod wpływem działania siły bezwładności ciała osoby siedzącej następuje przegięcie szkieletu fotela w tył, dzięki czemu część energii uderzenia jest rozpraszana. Pozytywnym skutkiem takiej sytuacji jest zmniejszenie obciążenia górnego odcinka kręgosłupa, a co za tym idzie obniżenie prawdopodobieństwa jego uszkodzenia [14]. Zastosowanie tego typu rozwiązań jest szczególnie istotne w świetle danych statystycznych, wg których co czwarty wypadek w Europie to uderzenie jednego samochodu w tył drugiego. Badania pokazują, że wystarczy niewielka prędkość zderzenia tylnego (ok. 20 km/h), aby doszło do groźnego urazu odcinka szyjnego kręgosłupa. Zbyt niskie ustawienie zagłówka fotela w momencie wspomnianego zdarzenia powoduje bardzo silne i nagłe wygięcie głowy do tyłu (rys. 1).

Rys. 1. Kolejne pozycje głowy względem zagłówka w przypadku tylnego zderzenia

(źródło: http://www.euroncap.com/whiplash.aspx)

Pozycja 1 – typowe położenie głowy względem zagłówka. Pozycja 2 – dociśnięcie głowy do zagłówka w wyniku działania siły bezwładności po

tylnym uderzeniu. Pozycja 3 – przemieszczanie się głowy do tyłu z taką samą prędkością jak tułów.

Zagłówek pochłania większość energii zderzenia, a jego odkształcenie jest największe. Pozycja 4 – przemieszczanie się głowy do przodu z prędkością większą niż prędkość

oparcia fotela i zagłówka, spowodowane działaniem energii sprężystości zagłówka. Gwałtowne ugięcie górnego odcinka kręgosłupa w kierunku bezpieczniejszym (do przodu) oraz odciążenie zagłówka i powrót do pozycji 1 [13].


250

Pozycja 4 pokazuje, jak istotna jest odpowiednia sztywność zagłówka. Zagłówek zbyt sztywny pochłania mniej energii zderzenia, w wyniku czego występuje silniejsze odbicie głowy i wygięcie odcinka szyjnego do przodu. Mimo że jest to kierunek zgięcia szyi bezpieczniejszy (bardziej naturalny) niż w przypadku wygięcia do tyłu, to zbyt gwałtowny przebieg takiego zdarzenia może doprowadzić do uszkodzenia kręgosłupa. Z drugiej strony zbyt mała sztywność zagłówka może doprowadzić do dużego ugięcia kręgów szyjnych do tyłu, co również jest bardzo niebezpieczne. Przykład ten pokazuje, że w przypadku zagłówków samochodowych bardzo ważną rolę odgrywają jego cechy konstrukcyjne oraz ustawienie. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że odległość w płaszczyźnie poziomej potylicy i zagłówka nie powinna przekraczać 5-7 cm, natomiast górna krawędź zagłówka powinna znajdować się w tej samej linii co czubek głowy lub nieco poniżej, jednak nie więcej niż 9 cm [13].

Obecnie na rynku motoryzacyjnym dostępne są trzy różne rodzaje zagłówków: zagłówki pasywne, reaktywne oraz aktywne. Zagłówki pasywne przytwierdzone są na sztywno do szkieletu oparcia. Można regulować ich wysokość, a rzadziej kąt pochylenia. Spełniają one funkcję „podpórki głowy”, a ich skuteczność działania zależy jedynie od właściwego ustawienia względem głowy. Fotele z zagłówkami reaktywnymi i aktywnymi reagują na sytuację wystąpienia kolizji drogowej. W momencie zderzenia ciało człowieka siedzącego w fotelu wywiera nacisk na oparcie, uruchamiając w ten sposób system przesuwający zagłówek do przodu. W tej sytuacji występuje tzw. efekt „gonienia głowy”, który zapobiega występowaniu zbyt dużych obciążeń w odcinku szyjnym kręgosłupa. Różnica pomiędzy zagłówkami reaktywnymi i aktywnymi jest taka, że w pierwszym przypadku zagłówek odchyla się po naciśnięciu przez pasażera plecami na dźwignię znajdującą się w oparciu. Z kolei w systemach aktywnych zamontowane są siłowniki sterowane przez układy elektroniczne, które mierzą przeciążenia występujące w samochodzie i nacisk wywierany na oparcie fotela [10]. Od 2009 roku organizacja Euro NCAP (ang. European New Car Assessment Programme) przeprowadza badania foteli i zagłówków samochodowych, sprawdzając poziom ich bezpieczeństwa w momencie zderzenia tylnego [2]. W wyniku przeprowadzonych testów badane fotele uzyskują jedną z trzech kategorii bezpieczeństwa: ocena dobra, ocena dopuszczalna, ocena zła. Przykładowe zdjęcia z przeprowadzonych testów przedstawia rys. 2.

Zdjęcie 1 – górne lewe (ocena dobra) – widać wyraźnie jak oparcie fotela w momencie uderzenia odchyla się do tyłu, zmniejszając tym samym nacisk pleców na siedzenie. Dodatkowo oceniany fotel posiada zagłówek aktywny o odpowiednim kształcie, który skutecznie uniemożliwia wychylenie się głowy do tyłu.

Zdjęcie 2 – górne prawe (ocena dopuszczalna) – oparcie siedzenia nie odchyla się do tyłu, tylko następuje ruch całej bryły fotela. Powoduje to, że nacisk kręgosłupa jest na tyle duży, że może dojść do urazu. Jednak zagłówek spełnia swoją rolę, utrzymując głowę manekina w dopuszczalnym stopniu.

Zdjęcie 3 na dole (ocena zła) – pomimo wychylenia oparcia fotela do tyłu dochodzi do bardzo niebezpiecznej sytuacji, w której głowa manekina zostaje nienaturalnie wygięta. W efekcie następuje uszkodzenie kręgów szyjnych. Powodem takiego wyniku testu jest za niskie ustawienie zagłówka, który nie przytrzymuje części potylicznej czaszki w momencie uderzenia w tył samochodu.


251

Rys. 2. Testy foteli Euro NCAP (źródło: http://www.euroncap.com/whiplash.aspx) Głównym celem dalszej części pracy było przedstawienie przykładu symulacji komputerowej działania fotela z zagłówkiem reaktywnym w momencie zderzenia tylnego samochodów. Na podstawie wyników tego typu badań mogą zostać wyciągnięte wnioski pozwalające zoptymalizować kształt oraz działanie zagłówka, tak aby w jak największym stopniu chronił on kręgi szyjne podróżujących.

2.2. Modelowanie i symulacja działania fotela z zagłówkiem reaktywnym Pierwszym etapem realizowanej metodyki budowy modelu symulacyjnego było wykonanie modelu fotela z zagłówkiem w programie CAD. W tym celu wykorzystano oprogramowanie SolidEdge. Podczas opracowywania modelu pominięto elementy geometrii, które nie biorą bezpośredniego udziału we współdziałaniu elementów mechanizmów, przez co nie mają wpływu na ich charakterystyki kinematyczne i dynamiczne. Pominięto również odwzorowania geometryczne wszelkiego rodzaju połączeń rozłącznych, które później zostały uwzględnione w modelu symulacyjnym poprzez implementację przenoszonych przez nie obciążeń.


252

Rys. 3. Widoki modelu fotela z zagłówkiem przedstawiające jego wygląd zewnętrzny oraz strukturę wewnętrzną

Rysunek 3 przedstawia model fotela z zagłówkiem w widoku zewnętrznym oraz prezentuje budowę wewnętrzną fotela, na którą składają się następujące elementy: 1. Mocowanie zagłówka, do którego przytwierdzona jest jego poduszka. 2. Łącznik boków szkieletu fotela, do którego przytwierdzone jest mocowanie zagłówka. 3. Boki oparcia fotela, które stanowią główną część jego szkieletu. 4. Mechanizm uruchamiający zagłówek w wyniku nacisku pleców kierowcy na płytę. 5. Łącznik mechanizmu uruchamiającego zagłówek i mocowania zagłówka. 6. Pokrętło do regulacji pochylenia oparcia fotela. 7. Rura, na której zamocowany jest mechanizm uruchamiający zagłówek reaktywny,

stanowiąca jego oś obrotu. 8. Ażurowy szkielet siedziska fotela. 9. Rura, na której zamocowany jest szkielet oparcia regulowany przez pokrętła.

Odwzorowany w opracowanym modelu mechanizm zapewnia, że w momencie przyłożenia dużej siły (odpowiadającej uderzeniu w tył samochodu) na element (4) umieszczony za plecami kierowcy następuje nacisk na końcówkę mocowania zagłówka w oparciu (1). W wyniku takiego działania górna część zagłówka, przed którą spoczywa głowa kierowcy, przesuwa się do przodu, nie pozwalając jej na zbyt duże wychylenie do tyłu, a tym samym chroni kręgosłup przed uszkodzeniem.

Do przeprowadzenia badań zachowania się fotela z zagłówkiem skonstruowano w programie CAD model sylwetki kierowcy, nadając poszczególnym jego elementom oraz przegubom kończyn odpowiednie zakresy ruchów, ze szczególnym uwzględnieniem odcinka szyjnego kręgosłupa. Do badań symulacyjnych model manekina został w odpowiedni sposób połączony z modelem fotela, w celu obserwacji jego zachowania w sytuacji kolizji drogowej. Kolejnym etapem pracy było wykonanie symulacji w środowisku programu ANSYS Workbench, których celem była analiza funkcjonowania mechanizmu zagłówka reaktywnego oraz wpływu ustawienia zagłówka na ugięcie odcinka szyjnego kręgosłupa podczas zderzenia


253

tylnego. Do wykonania analiz został wykorzystany moduł ANSYS Transient Structural − Rigid Dynamics Solver, który służy do symulacji ruchu układów wieloczłonowych (ang. multibody systems). Układ wieloczłonowy jest modelem układu rzeczywistego, zbudowanym przy założeniu, że elementy tego układu można traktować jako człony sztywne połączone ze sobą w różny sposób (poprzez połączenia obrotowe, posuwiste, sferyczne itp.) i poruszające się pod działaniem sił i momentów różnego typu (sił zewnętrznych lub wewnętrznych, skupionych lub rozłożonych, sił kontaktu z tarciem albo bez tarcia itp.). Badając układ wieloczłonowy, jakim jest model kierowcy i fotela z zagłówkiem, dokonano analizy kinematycznej i dynamicznej. Model układu uwzględnia wymiary charakterystyczne członów oraz jego strukturę (pary kinematyczne tworzone przez człony), a także masy członów i siły działające na układ. W naszym przypadku wyznaczone zostały siły bezwładności działające poprzez ciało kierowcy na fotel samochodowy w chwili uderzenia w tył samochodu. Przykładową symulację wykonano dla następujących warunków początkowych: prędkość samochodu uderzającego w tył badanego pojazdu v = 50 km/h, długość strefy zgniotu samochodu w momencie zderzenia s = 0,5 m, masa człowieka siedzącego w fotelu samochodu uderzanego m = 77 kg. Wynik przeprowadzonej symulacji pokazuje, w jaki sposób głowa manekina zostaje podtrzymywana przez przesuwający się w jej kierunku zagłówek reaktywny. Cień widoczny na rysunku obrazuje początkowe położenie fotela z manekinem. W chwili zderzenia tylnego manekin pod wpływem działania siły bezwładności przesuwa się do tyłu. Plecy manekina zostają wciśnięte w oparcie fotela, które ulega nieznacznemu wychyleniu. Nacisk dolnej części tułowia manekina na oparcie powoduje również uruchomienie mechanizmu zagłówka reaktywnego. Zagłówek wychyla się w kierunku głowy, uniemożliwiając jej dalszy ruch do tyłu. Jak widać na rysunku 4, w omawianej symulacji nie doszło do groźnego ugięcia odcinka szyjnego kręgosłupa. Głowa została w odpowiedni sposób podtrzymana przez zagłówek. Efekt taki został uzyskany dzięki odpowiedniemu ustawieniu wysokości zagłówka.

Rys. 4. Wynik symulacji – manekin na fotelu z zagłówkiem reaktywnym


254

Wyniki przeprowadzonej symulacji pokazały sposób działania oraz zalety zagłówka reaktywnego. Jednak nie wszystkie samochody poruszające się po drogach posiadają w swoim wyposażeniu taki system. W zdecydowanej większości starszych pojazdów zamontowane są fotele z zagłówkami „klasycznymi”, które posiadają jedynie regulację wysokości ich położenia. Stąd też w następnym kroku zostały przeprowadzone symulacje z zastosowaniem modelu fotela z zagłówkiem „klasycznym”. Ich celem było pokazanie różnic w ugięciu odcinka szyjnego kręgosłupa przy zastosowaniu zagłówka klasycznego oraz jego braku. Warunki początkowe dla wymienionych symulacji przyjęto jak dla pierwszego przypadku, tj. fotela z zagłówkiem reaktywnym.

Rys. 5. Wyniki symulacji ugięcia odcinka szyjnego: a) zagłówek ustawiony prawidłowo (odległość głowy od zagłówka 5 cm, górna krawędź głowy na równi z górną

krawędzią zagłówka), b) brak zagłówka

Na rysunku 5a możemy zauważyć, że w odcinku szyjnym kręgosłupa widoczne jest lekkie wygięcie. Jest ono większe niż w przypadku symulacji z zastosowaniem zagłówka aktywnego, jednak nie powinno nieść ze sobą negatywnych skutków zdrowotnych dla kierowcy. Należy zauważyć, że dzięki odpowiednio ustawionemu zagłówkowi został zablokowany obrót głowy w kierunku tylnym. Rysunek 5b przedstawia sytuację w której siła bezwładności występująca w momencie zderzenia tylnego spowodowała gwałtowne wygięcie odcinka szyjnego kręgosłupa do tyłu. Model głowy nie miał podparcia w postaci zagłówka, przez co kąt jej obrotu do tyłu jest bardzo duży. Na rysunku widać jak sąsiadujące kręgi stykają się z sobą. Nacisk występujący pomiędzy nimi może być na tyle duży, że dojdzie do ich uszkodzenia. 3. ANALIZA BUDOWY I MODELOWANIE MECHANIZMU NAPINACZA PASA

BEZPIECZEŃSTWA 3.1. Analiza budowy oraz działania napinacza pasa bezpieczeństwa Aby zapewnić optymalną ochronę osób znajdujących się w samochodzie w sytuacji kolizji drogowej, oprócz właściwie skonstruowanych foteli i zagłówków samochodowych, stosowane są wielostopniowe układy przytrzymujące. Najpóźniej po około 150 milisekundach od momentu wystąpienia zderzenia musi wystąpić złagodzenie niebezpiecznych dla zdrowia pasażera szczytowych wartości przyspieszenia. Aby uniemożliwić ich szybkie narastanie, należy odpowiednio zestawić i skorelować układ bezpieczeństwa, który tworzą konstrukcja


255

nadwozia, pasy bezpieczeństwa oraz ich napinacze, a także poduszki gazowe. Całkowite zatrzymanie pojazdu jadącego z prędkością 50 km/h w wyniku zderzenia czołowego następuje po około 120-150 milisekundach. W tak krótkim czasie zarówno kierowca, jak i pasażerowie nie mają szans zareagować – stają się biernymi uczestnikami wypadku. We współczesnych pojazdach samochodowych stosowane są odkształcalne w kontrolowany sposób konstrukcje nadwozia, które pozwalają przedłużyć okres gwałtownego opóźnienia pojazdu podczas kolizji drogowej. Deformacja nadwozia stanowi pierwszy etap zmniejszenia działania ekstremalnych sił. Kolejne stadium polega na utrzymaniu pasażerów na siedzeniach za pomocą m.in. mechanicznego trójpunktowego pasa bezwładnościowego. Po osiągnięciu przez pojazd odpowiedniego opóźnienia zatrzask blokuje szpulę pasa. W przypadku zderzenia czołowego z prędkością powyżej 40 km/h ochrona przez pasy bezwładnościowe jest ograniczona. Jest to spowodowane sprężystością pasa, który niezbyt mocno przylega do ciała pasażera, a tym samym zwiększa się jego długość, powodując opóźnione działanie mechanizmu nawijającego. Bez zastosowania dodatkowego układu bezpieczeństwa nie jest możliwe całkowite zabezpieczenie przed uderzeniem głową o koło kierownicy lub w tablicę rozdzielczą przez kierowcę i pasażera. Na rys. 6 przedstawiono porównanie wartości przemieszczenia osób znajdujących się w pojeździe w przypadku zastosowania urządzeń bezpieczeństwa biernego oraz przy ich braku. Pasażer bez napinacza pasów oraz poduszki gazowej, które chronią przed działaniem ujemnego przyspieszenia (wynikającego z gwałtownego zatrzymania pojazdu), porusza się w przód na znaczną odległość.

Rys. 6. Przemieszczenie osób znajdujących się w pojeździe w przypadku zastosowania

urządzeń bezpieczeństwa biernego oraz przy ich braku: 1 – chwila uderzenia, 2 – zapłon ładunku napinacza pasa i poduszki powietrznej, 3 – ciała pasażerów zaczynają się przemieszczać, 4 – pas napięty, 5 – poduszka gazowa napełniona, 6 – kierowca zagłębia się w poduszkę, 7 – prędkość pojazdu wynosi 0 km/h [15]


256

Napinacz pasa barkowego ma, w momencie zderzenia, nawinąć pas w kierunku przeciwnym do jego wyciągnięcia od 10 do 15 centymetrów. W wyniku jego zadziałania następuje zmniejszenie luzu pasa, czyli powstałej luźnej przestrzeni pomiędzy pasem a ciałem zapiętego pasażera. Urządzenie zostaje uruchomione około 10 milisekund od chwili uderzenia przy prędkości 50 km/h i osiąga pełne działanie – naciągnięcie taśmy pasa po około 14-20 milisekundach od jego uruchomienia. Dzięki zastosowaniu pasa bezpieczeństwa i jego napinacza osoba nie przesuwa się do przodu, a jej tułów znajduje się jak najbliżej siedzenia. Napinanie pasa kończy się w momencie, gdy siła naporu pasażera działająca na pas będzie większa od siły działania napinacza. Tym samym zastosowanie mechanizmu napinacza polepsza efektywność działania trójpunktowego pasa bezwładnościowego i zmniejsza ryzyko odniesienia obrażeń przez pasażera [15]. Mimo zablokowania szpuli pasa przez zatrzask i dociśnięcia ciała do oparcia siedzenia, górna część tułowia oraz głowa pasażera przesuwają się w przód. Dlatego też jako uzupełnienie już wymienionych mechanizmów bezpieczeństwa biernego stosuje się poduszki gazowe, które poprzez zapłon ładunku pirotechnicznego zostają uruchomione równocześnie z napinaczem pasa aż do całkowitego napełnienia po około 40 milisekundach od momentu uderzenia.

Ze względu na konstrukcję i zasadę działania napinacze można podzielić na mechaniczne (napięcie taśmy pasa osiągane jest dzięki sile sprężyn – stosowane w starszych modelach samochodów) oraz pirotechniczne. Cechą wspólną w obu rodzajach napinaczy są: czujnik sterujący pracą urządzenia, mechanizm napinający pas oraz generator gazu lub sprężyna napinająca. Konstrukcje wykorzystujące ładunki pirotechniczne przez swoje szybsze działanie (5-15 milisekund) wyparły napinacze mechaniczne. Ze względu na różne rozwiązania konstrukcyjne występują one jako napinacze: kulowe, Wankla, zębatkowe, rurowe oraz taśmowe. W niniejszej pracy podjęto się zadania opracowania modelu symulacyjnego napinacza pasa kulowego uruchamianego pirotechnicznym ładunkiem wybuchowym. W urządzeniu przedstawionym na rys. 7 energia ruchu jest przekazywana za pomocą koła zębatego do szpuli pasa. Mechanizm napinacza jest napędzany z wykorzystaniem kulek, które w początkowej fazie znajdują się w rurce. Wybuch wypycha kulki z zasobnika, a one wprawiają w ruch koło zębate sztywno połączone z bębnem, na który nawinięto pas [17]. 3.2. Modelowanie i symulacja działania mechanizmu napinacza pasa bezpieczeństwa Pierwszym etapem realizacji podjętego zadania było opracowanie trójwymiarowych modeli poszczególnych elementów napinacza kulowego, a następnie opracowanie modelu złożeniowego wybranego układu (rys. 7) przy użyciu oprogramowania SolidWorks.

W celu przeprowadzenia symulacji działania napinacza kulkowego wykorzystano Metodę Układów Wieloczłonowych zaimplementowaną w oprogramowaniu ANSYS Workbench w module − Transient Structural. Symulacja z użyciem zbyt szczegółowego modelu, który uwzględnia wszystkie detale geometrii, zwiększyłaby czas całej analizy. W związku z powyższym przy modelowaniu napinacza wykorzystano redukcję złożoności geometrii m.in. poprzez usuwanie zaokrągleń i fazowań, zrezygnowano z obudowy oraz z wygiętej rury, którą zastąpiono rurą o „prostym” kształcie. W celu przeprowadzenia symulacji z wykorzystaniem wybranej metody niezbędne było zdefiniowanie elementów kontaktowych oraz więzów łączących poszczególne ogniwa mechanizmu. Należało również zdefiniować obciążenia działające na badany układ, a mianowicie siły napędowe działające na zespół kulek oraz moment siły działający na zespół szpuli i koła zębatego, który powstaje w rezultacie nacisku ciała pasażera/kierowcy na część barkową taśmy pasa bezpieczeństwa.


257

Rys. 7. Schemat ideowy budowy napinacza kulkowego oraz widok jego modelu CAD wykonanego w programie SolidWorks

Moment siły działający na zespół szpuli pasa i koła zębatego jest wyznaczany na podstawie wartości rozkładu siły napięcia barkowej części taśmy pasa bezpieczeństwa przedstawionych na rysunku 8. Zaprezentowany rozkład dotyczy zderzenia samochodu (przy prędkości 50 km/h) z nieruchomą, nieodkształcalną przeszkodą.

Siła napędowa analizowanego mechanizmu została natomiast wyznaczona na podstawie przedstawionego na rysunku 9 rozkładu impulsu ciśnienia względem czasu. Na wykresie można zaobserwować, że w ciągu pierwszych 5 do 7 milisekund powstanie impulsów ciśnienia o wartości 40 do 50 MPa w zależności od użytej substancji i jej ilości w ładunku [18], [19]. Wartość maksymalna ciśnienia jest stała dla danego typu mieszaniny. W rezultacie mikrowybuchu materiału wysokoenergetycznego duża ilość ciepła wytworzonego w procesie spalania jest przekształcana w energię kinetyczną działającą na tłok.

Rys. 8. Rozkład siły napięcia barkowej części taśmy pasa bezpieczeństwa (pogrubiona linia –

z zastosowaniem napinacza i ogranicznika siły napięcia pasów, cienka linia – brak biernych systemów bezpieczeństwa) [21]


258

Rys. 9. Wykres generowanego impulsu ciśnienia w wyniku mikro-wybuchu ładunku

pirotechnicznego (opartego na bazie związku 750 mg nitrocelulozy i 800 mg ADCA) w funkcji czasu

Poprzez tłok przekazywana jest energia kinetyczna do pierwszej kulki znajdującej się w rurze, która z kolei przekazuje siłę na pozostałe (łącznie 12). Kulki są połączone w „łańcuch kulek” przy użyciu linki stalowej. Ich liczba jest tak dobrana, aby spowodować skrócenie taśmy pasa bezpieczeństwa o minimum 100 mm. Na przedstawionym na rysunku 10 wykresie w punkcie oznaczonym numerem 1 mamy stan początkowy zespołu koła zębatego. Jest to moment rozpoczęcia przemieszczania się kulek, które uderzają o ściany zębów koła zębatego częściowo umieszczone w „wydrążonym” fragmencie rury. Koło zębate ma osiem zębów, których wysokość i szerokość wrębów jest dopasowana do rozmiaru kulek. Poruszające się kulki przekazują energię kinetyczną na koło zębate (punkt nr 2 na rys. 10), wprawiając je w obrót wokół własnej osi. Na osi osadzony jest zespół koła zębatego i szpuli, na której nawinięty jest pas. Obwód szpuli pasa wynosi 75 mm. Tym samym półtora obrotu koła zębatego w ciągu około 20 milisekund powoduje skrócenie taśmy pasa o około 113 mm (punkt 4 na rys. 10) i eliminację luzu pasa bezpieczeństwa. Następnie ciągle przemieszczające się kulki poruszają się w kierunku pojemnika zbiorczego.


259

Rys. 10. Wykres zmiany kąta obrotu zespołu koła zębatego i szpuli zwijacza pasa w czasie Na kolejnym rysunku (11) przedstawiono wykres rozkładu sił działających na zespół koła zębatego i szpuli zwijacza pasa z uwzględnieniem momentu siły powstałego w wyniku nacisku ciała pasażera na część barkową taśmy pasa bezpieczeństwa. Numerami zaznaczonymi na wykresie opisano punkty zderzenia poszczególnych kulek ze ścianami zębów.

Rys. 11. Wykres rozkładu sił działających na zespół koła zębatego i szpuli zwijacza pasa


260

W czasie zderzenia pierwszej kulki z powierzchnią zęba siła działająca na zespół szpuli i koła zębatego wynosi około 2,6 kN. Natomiast maksymalna siła naciągu taśmy pasa w początkowym etapie działania napinacza (przed wystąpieniem opierania się ciała pasażera o pasy) wynosi około 3,1 kN. Uzyskany rozkład sił przedstawiony na rys. 11 w przybliżeniu pokrywa się z rozkładem siły napięcia barkowej części taśmy pasa bezpieczeństwa zaprezentowanym na rys. 8 (zaznaczony grubą linią). Według różnych danych siła napięcia taśmy w okresie działania napinacza powinna mieścić się w przedziale od 1 kN do 4 kN. Z kolei nacisk wywołujący zerwanie taśmy nie może być mniejszy niż 14,7 kN [16]. Otrzymane wartości rozkładu sił napięcia pasów nie odbiegają zatem od wartości granicznych. Dodatkowo należy zaznaczyć, że w przypadku przekroczenia siły nacisku pasa na klatkę piersiową o wartości 4 kN następuje uruchomienie ogranicznika siły napięcia pasów, który zabezpiecza pasażerów przed uszkodzeniami ciała spowodowanymi nadmiernym oddziaływaniem pasów bezpieczeństwa.

W rezultacie przeprowadzonej symulacji uzyskano wizualizację współpracy elementów mechanizmu z określeniem przemieszczeń, przyśpieszeń oraz sił węzłowych par kinematycznych oraz sił kontaktowych dla mechanizmu napinacza złożonego z brył sztywnych. Na podstawie przeprowadzonej symulacji ruchu mechanizmu stwierdzono, że elementy modelu zostały właściwie połączone, a układ działa poprawnie 4. PODSUMOWANIE

Na etapie przygotowań do realizacji niniejszej pracy wykonana została szczegółowa analiza budowy oraz funkcjonowania współcześnie wykorzystywanych urządzeń minimalizujących ryzyko obrażeń kierowcy i pasażerów podczas wypadku samochodowego. Opracowany w tej części pracy materiał stanowił właściwą podbudowę teoretyczną do realizowanego dalej zadania i pozwolił na dokonanie wyboru mechanizmów do przeprowadzenia analizy. Wykorzystywane w pracy oprogramowanie CAD do modelowania bryłowego umożliwiło stworzenie wirtualnych modeli części oraz zespołów urządzeń bezpieczeństwa biernego według przyjętych założeń z właściwą dokładnością odwzorowania ich geometrii. Modele geometryczne importowano następnie do środowiska ANSYS, gdzie nadano niezbędne uwarunkowania brzegowe, materiałowe, kinematyczne i kontaktowe. Wykorzystując metodę układów wieloczłonowych, poprzez analizę stanów dynamicznych przeprowadzony został wirtualny test funkcjonalności analizowanych urządzeń z wyznaczeniem czasowych charakterystyk zmienności istotnych dla zjawiska parametrów. Prowadzona w niniejszej pracy analiza stanów przejściowych jest bardzo skomplikowana pod względem matematycznym, ponieważ uwzględnia nieliniowości geometryczne i materiałowe oraz oddziaływania kontaktowe. Jednak dostępność zaawansowanych aplikacji CAD/CAE umożliwia uzyskanie pożądanych rozwiązań, choć wymaga znacznego zaangażowania w rozpoznanie i przetestowanie możliwości programowych wykorzystywanego środowiska symulacyjnego. Formułując wnioski natury ogólnej, można stwierdzić, że stosowanie metod symulacyjnych w poruszanych tu zagadnieniach jest szczególnie istotne, ponieważ umożliwiają one uwzględnienie czynników, które w przypadku rzeczywistej konstrukcji doprowadzają do jej uszkodzenia lub zniszczenia. Ponadto możemy wykonywać badania symulacyjne zjawisk przebiegających w tak krótkim czasie, że są one trudne do obserwacji innymi metodami. Opracowane modele symulacyjne wybranych urządzeń mogą również służyć do celów dydaktycznych − poznania szczegółowej budowy oraz funkcjonowania danego urządzenia, a także modelowania różnorodnych sytuacji szczególnych występujących podczas jego eksploatacji. W ramach rozwinięcia prezentowanej pracy istnieje możliwość jej


261

uzupełnienia o analizy dla różnych konfiguracji fotela i zagłówka, różnych prędkości zderzeń oraz badanie zespołu napinacza pasa bezpieczeństwa w połączeniu z ogranicznikiem siły napięcia pasów bezpieczeństwa. LITERATURA [1] K. Bednarz: Czym są aktywne zagłówki? Jak działają? [online], [dostęp 22 maja 2013],

http://eksploatacja-auta.wieszjak.pl/bezpieczenstwo.

[2] Euro NCAP [online], [dostęp 27 stycznia 2013], http://pl.wikipedia.org/wiki/Euro_NCAP.

[3] Euro NCAP: Aż 80% foteli samochodowych wymaga poprawek [online], [dostęp 27 stycznia 2013], http://moto.pl/MotoPL.

[4] Euro NCAP: Jakie modele mają bezpieczne fotele? [online], [dostęp 15 stycznia 2013], http://motogazeta.mojeauto.pl/.

[5] http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:31978L0932:pl:NOT.

[6] http://www.crash-network.com/Regulations/ECE_Regulations/ece_regulations.html.

[7] http://www.rucker.pl/wykl/wyklady/2.2_ergonomia.pdf.

[8] Multibody Analysis Guide [online], [dostęp 28 maja 2013], http://ansys.com.

[9] Przekwas A.: Mechanika zderzeń samochodowych, [online], [dostęp 2 czerwca 2013], http://autokult.pl/2010/08/07/mechanika-zderzen-samochodowych.

[10] Rybicki R.: Ustaw zagłówek, nie narażaj karku! [online], „Auto Świat” 2011, wydanie 03/11 [dostęp 15 stycznia 2013], http://www.auto-swiat.pl/.

[11] Choi S.Ch., Bae H.I., Han S.J., Kim S.Y.: Development of computer simulation method for seat optimization to reduce neck injury in a low speed rear impact, Hyundai Motor Co. & KIA Motors Corp, Korea.

[12] Tejszerska D., Wolański W.: Analiza biomechaniczna odcinka szyjnego kręgosłupa człowieka w sytuacji zastosowania stabilizacji [online], [dostęp 28 maja 2013], http://www.kms.polsl.pl/mi/pelne_7/wolanski_tejszerska.pdf.

[13] Wicher J.: Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego, WKŁ, Warszawa, 2004.

[14] Zieliński A.: Konstrukcja nadwozi samochodów osobowych i pochodnych, WKŁ, Warszawa, 2008.

[15] Rokosch U.: Poduszki i napinacze pasów, Warszawa, 2003.

[16] Dyrektywa 2000/3/WE, dostosowująca do postępu technicznego dyrektywę Rady 77/541/EWG odnoszącą się do pasów bezpieczeństwa i urządzeń przytrzymujących w pojazdach silnikowych, Bruksela, 2000.

[17] Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 410: Audi − systemy bezpieczeństwa biernego.

[18] Baglini J., Helmy A.: High impetus, high burn rate gas generant propellant and seatbelt pretensioner incorporating same, Moorpark, 2005.

[19] Stevens B., Dunham S.: Automotive Systems Laboratory, Pretensioner, Armada, 2006.


262

[20] Wojtyra M., Frączak J.: Metoda układów wieloczłonowych w dynamice mechanizmów: Ćwiczenia z zastosowaniem programu ADAMS, Warszawa, 2007.

[21] Żuchowski A., Jackowski J.: Analysis of Properties of Operation of the Supporting Equipment for the Seat Belts, Warszawa, 2011.

Documents

MODELOWANIE I SYMULACJA FUNKCJONOWANIA ... - … · W tym obszarze istotne znaczenie ma konstrukcja podwozia i nadwozia (np. strefy kontrolowanego zgniotu) oraz systemy ochrony pasażerów