где 8(C) - число погибших (пострадавших); NА - число ТС (ед); Nж - число жителей (ед); L - годовой пробег (км).
Значения B1,3 в странах развитой автомобилизации находятся в пределах 2...4, а в РФ значительно выше.
Для косвенной (сравнительной) оценки пассивной безопасности автотранспортных средств отдельных категорий классов и моделей могут быть использованы значения Bi(Ci) с учетом числа погибших (пострадавших) водителей, пассажиров и пешеходов в ДТП с участием оцениваемых разновидностей ТС и их количества.
Наиболее достоверно ПБ автотранспортного средства может быть оценена по последствиям ДТП, которые выражаются в тяжести травмирования человека при ДТП. Оценка тяжести травмирования базируется на данных по переносимости человеком импульсных перегрузок в условиях ДТП или иначе - толерантностью тела человека.
Первое зарегистрированное ДТП, в котором был смертельно ранен человек, произошло в 1899 году в Нью-Йорке. Но впервые медицинские исследования аварий были начаты в 1910 году в авиации. Такие исследования толерантности тела человека при ДТП стали проводиться в конце 20-х годов прошлого столетия в Германии с применением имитаторов столкновения.
Под толерантностью человека понимается способность тела переносить определенные нагрузки в течение заданного промежутка времени без получения тяжелых и необратимых травм. Толерантность может быть общей и локальной. При ДТП имеет место локальное нагружение, поэтому локальную толерантность в условиях ДТП называют просто толерантностью.
Прямой измеритель уровня ПБ - тяжесть травмирования человека - участника ДТП. Он используется при анализе последствий ДТП. Для оценки функциональных свойств элементов автомобиля, влияющих на тяжесть травмирования, как правило, используются косвенные измерители и показатели тяжести травмирования.
Тяжесть травмирования человека при ДТП определяется максимальным или средним значением действующих на человека перегрузок (замедлений), длительностью воздействия, скоростью нарастания, направлением действия и местом приложения усилий (перегрузок).
Большие сложности определения предельно-допустимых нагрузок связаны с тем, что исследования с учетом требований техники безопасности могут вестись на человеке в очень ограниченных пределах. Поэтому широкое применение находят трупы, животные (обезьяны, свиньи), антропометрические и антропоморфические манекены, математические и физические модели. Антропометрические манекены имеют идентичные с телом человека геометрические и весовые параметры и, как правило, применяются для многократного использования. Антропоморфические манекены имеют частично идентичные с телом человека ударно-прочностные свойства, они более сложные - одноразовые и имеют высокую стоимость.
Оценка ПБ автотранспортных средств с использованием прямых или косвенных показателей тяжести травмирования участников ДТП проводится: методом анализа реальных ДТП, способом полномасштабных имитаций условий ДТП (краш-тестов), в условиях стендовых испытаний с частичной имитацией условий ДТП, с использованием физического или математического моделирования (табл. 2.3).
Таблица 2.3. Методы оценки пассивной безопасности АТС
| Наименование способа (метода) | Преимущества | Недостатки |
| 1. Полномасштабные испытания (краштесты) | Комплексное исследование процессов ДТП | Большая стоимость |
| 2. Стендовые испытания | Сравнительно небольшая стоимость | Частичная имитация процессов ДТП |
| 3. Моделирование (физическое, математическое) | Возможность просчета неограниченного числа вариантов. Низкая стоимость | Необходимость наличия точных характеристик объектов исследования |
| 4. Метод анализа реальных ДТП | Комплексная оценка ПБ по тяжести травмирования человека | Частичная неопределенность начальных условий ДТП |
Основными методами являются краш-тесты и стендовые испытания, наиболее достоверно воспроизводящие условия ДТП. Расчетные методы с использованием моделирования используются для предварительной оценки и требуют подтверждения полученных результатов в условиях краш-тестов или стендовых испытаний. Анализ последствий реальных ДТП позволяет выявить наиболее опасные условия ДТП и травмоопасные элементы конструкции автотранспортных средств.
Прямыми показателями тяжести травмирования, используемыми при испытаниях, являются значения перегрузки головы, максимально допустимые сила удара грудью о рулевое колесо и усилие в тазобедренном суставе.
Переносимость перегрузок грудной клеткой нормируется двумя показателями: результирующей перегрузкой, измеренной по трем плоскостям в центре тяжести туловища, и усилием при ударе грудью о рулевое колесо. Предельно допустимая перегрузка грудной клетки 60g в течение 3 мс, а максимально допустимое усилие при ударе составляет 11,5 кН.
Результаты исследования кинематики перемещения водителя при фронтальном столкновении грузового автомобиля показывают, что травмоопасные нагрузки, обусловленные конструктивными особенностями и размещением рулевого управления, воздействуют на область живота.
По результатам испытаний выявлена следующая зависимость между тяжестью травмирования и условиями нагружения:
где ESI - тяжесть травмирования (изменяется от 1 - легкая до 5 - тяжелая степень травмирования); F - сила удара; t - время удара; m - масса тела; а - площадь тела в зоне контакта.
Предельно допустимая нагрузка при ударе брюшной полостью о рулевое колесо равна 4000...5000 Н.
Переносимость перегрузок тазобедренным суставом, точнее, системой «коленная чашечка - бедро - таз», нормируется максимально допустимым при соударении усилием в бедре, равным 6,4 кН.
Тяжесть травмирования человека в автомобиле при ДТП типа «удар сзади» определяется в основном повреждениями шейных позвонков. Многочисленные исследования позволили выявить два нормированных измерителя, которые используют при оценке тяжести травмирования шейного участка.
На основе экспериментов были получены значения повреждаемости шейного участка позвоночника человека при «хлыстообразном» нагружении, определяемые угловым ускорением головы и длительностью действия перегрузок (рис. 2.4). Однако использовать указанные зависимости при испытаниях практически трудно из-за несовершенства шейного сочленения современных антропометрических манекенов.
Рис. 2.4. Зависимость угловых ускорений головы от продолжительности действия перегрузок (кривая линия - граничные значения повреждаемости шейного участка)
Косвенным измерителем допустимых перегрузок на шейный участок при ударе сзади является угол запрокидывания головы назад, он не должен превышать 40°. Установка активных подголовников, которые получают все более широкое распространение, практически полностью решает этот вопрос.
Оценка перегрузок
Исследования механизмов травмирования и биомеханики человека при ДТП показали их существенное отличие при различных видах столкновения (фронтальном, боковом и ударе сзади) и опрокидывании автотранспортных средств. Высокий уровень перегрузок автомобиля при столкновениях (особенно фронтальных и боковых) вызывает травмирование человека. Возникающие при опрокидываниях перегрузки, как правило, не приводят к травмированию человека в автомобиле, однако являются причиной травмоопасных деформаций кузова (кабины) и выбрасывания человека из автомобиля. Перегрузки являются основными измерителями ударно-прочностных свойств автомобиля.
Голова человека наиболее часто подвергается травмированию при ДТП. Результаты экспериментальных медико-биологических исследований, которые были приняты в качестве базовых при нормировании переносимости перегрузок головой при импульсных нагружениях в условиях ДТП, разделяются на две основные группы: 1) данные динамических испытаний на животных в условиях соударения головы с твердой поверхностью; 2) данные, в которых испытуемые закреплялись специальными удерживающими средствами и в которых имитировались условия импульсного нагружения без непосредственного контакта головы испытуемого с возможным объектом соударения.
К первой группе относятся результаты измерений среднего замедления головы при фронтальных столкновениях с плоской недеформируемой поверхностью. На рис. 2.5 приведена зависимость среднего замедления аср для головы человека от продолжительности удара t (так называемая кривая «Уэйн-Стейт», или Патрика). Допустимой ударной нагрузкой на голову (заштрихованная зона) считалась такая нагрузка, действие которой не приводило к образованию необратимых травм. Данные кривой «Уэйн-Стейт» реализованы в требованиях к ударно-прочностным свойствам элементов, находящихся в зоне возможного удара головой (панель приборов, спинки сидений и др.). В Правилах ООН № 21 с двух-, трехкратным запасом нормировано предельное замедление головы, равное 80g при максимальном времени воздействия 3 мс (точка А на рис. 2.5).
Рис. 2.5. Зависимость допустимого среднего замедления аср для головы человека от продолжительности удара
Результаты исследований, относящиеся ко второй группе, показали, что допустимые перегрузки на голову при нагружениях, характерных для приведенных двух групп, близки по своим значениям. Поэтому кривая Уэйн-Стейт, принятая за базовую, лежит в основе всех разработанных до настоящего времени показателей переносимости перегрузок головой человека.
Г. Гадд обработал кривую «Уэйн-Стейт» и предложил в качестве измерителя переносимости перегрузок головой использовать показатель тяжести травмирования Sl:
Если в кривой «Уэйн-Стейт» не учитывается форма кривой ударного импульса, то показатель SI позволяет в доверительном интервале времени 25 < t < 50 мс учесть характер ее изменения. За предел переносимости перегрузки головой принято значение показателя Sl=1000.
Показатель Sl уточнен для возможности объективной оценки последствий нескольких ударных импульсов, действующих на голову при ДТП. Для оценки тяжести травмирования головы используется показатель травмирования головы (Head Injury Criteria) НРС, определяемый по формуле
Показатель НРС рассчитывается по кривой аппроксимированного ускорения центра тяжести головы, измеренного в промежутке времени t1-t2. За предельно допустимый уровень принято значение НРС=1000.
Оценка деформаций
Для предотвращения травмирования человека вследствие деформации кузова (кабины) необходимо наличие в автомобиле пространства для водителя и пассажиров, в пределах которого исключается вероятность травмоопасных контактов человека с элементами интерьера, а также перемещаемом при ДТП грузом. Оно должно быть не менее объема, занимающего телом человека и должно соответствовать его положению на определенном месте в автомобиле.
Назовем позу человека, закрепленного в автомобиле ремнем безопасности (без закрепления нет смысла нормировать величины деформаций), при котором он занимает характерные положения для определенного типа ДТП, адаптированным положением человека в автомобиле.
Под жизненным остаточным пространством понимается минимальное пространство в автомобиле, необходимое для жизнеобеспечения человека в адаптированном положении, использующего ремни безопасности, которые в условиях ДТП обеспечивают безболевые ощущения при его контакте с элементами кузова (кабины).
Жизненное (остаточное) пространство определяется для каждого типа ДТП (фронтального столкновения, опрокидывания и т.д.). При оценке жизненного пространства используются линейные измерения в кабине относительно точек Н (R) до и после испытаний, а также макеты, выполненные, как правило, из легкого деформируемого материала (пенополиуретана) или антропометрические манекены 50% уровня представительности (Точка Н - контрольная точка сиденья, определяется с помощью трехмерного манекена как место расположения тазобедренного сустава. Точка R - это точка Н закоординированная относительно элементов кабины (см. рис. 3.8).