Во вторую очередь безопасность автомобиля зависит от безопасности собственно автомобиля, т. е. от его способности смягчать последствия аварии для людей, находящихся в автомобиле, и других участников движения (пешеходов), которая достигается продуманной формой автомобиля (устранением острых кромок и выступающих деталей с учетом вероятности наезда на пешехода); средствами защиты людей, находящихся в автомобиле (создание необходимых деформационных свойств у наружных панелей кузова, уменьшение ударных нагрузок, действующих на пассажиров, путем предусматривания рассеивания энергии внутренними элементами кузова); разработкой и улучшением существующих систем удержания пассажиров и водителя на своих местах; получением по возможности одинаковой энергии деформации для автомобилей различных типов и размеров (совместимость).

Рис. 1. Пассивная безопасность автомобиля (понятия и структура)

Перечисленные мероприятия уменьшают травматизм и относятся к элементам пассивной безопасности автомобиля.

При проектировании формы кузова рассматриваются преимущественно проблемы и конструктивные разработки, которые касаются пассивной безопасности. С их помощью фирмы — изготовители автомобиля могут непосредственно способствовать уменьшению аварий, если считать, что требования активной безопасности уже учтены.

Каковы возможности конструктора по увеличению безопасности автомобиля, т. е. уменьшению тяжести последствий дорожнотранспортных происшествий? Правильные действия в этом направлении можно предпринять, если располагать информацией по следующим вопросам: какие нагрузки может выдержать человек без необратимых повреждений в организме и что происходит с находящимися в автомобиле людьми, а также как их можно защитить?. Предельные нагрузки, которые может выдержать человек (биомеханика). Многочисленные исследования, проводимые в ФРГ и других странах, нацелены на определение предельных нагрузок, которые может выдержать человек. Однако возможность осуществления этого очень проблематична, так как живого человека невозможно подвергнуть воздействию таких предельных нагрузок, после которых могут произойти повреждения. К тому же значения предельных нагрузок сильно колеблются в зависимости от возраста и пола человека, подвергаемого испытанию. Однозначного ответа от таких экспериментов ожидать не приходится. Поэтому подобные исследования проводились и проводятся с использованием трупов животных и людей; в этом случае тоже можно получить только относительные результаты.

Путем анализа многочисленных результатов, можно определить приблизительные значения предельных нагрузок для человека.

Приведенные в таблице значения могут служить лишь в качестве ориентировочных.

При столкновении с припятствием на автомобиль и находящихся в нем людей действуют силы большой величины, причем за очень короткий промежуток времени они затормаживают автомобиль до полной остановки. Следствием такого резкого изменения скорости являются очень высокие замедления. Возникающие при этом локальные замедления и процесс их изменения во времени могут характеризовать степень тяжести травм. Если процесс замедления и возникающие при этом пики (процесс замедления никогда не бывает равномерным) снять на кинопленку, а затем произвести необходимые измерения, то это может стать основанием для технического исследования аварии.

Рис. 2. Предельные замедления головы (при условии отсутствия необратимых повреждений мозга, замедления лба в направлении спереди назад) по данным Патрика:
1 — предельное замедление, предусмотренное федеральным стандартом США; 2 — область выдерживаемых человеком замедлений

Рис. 3. Индекс степени опасности травмы SI (площадь заштрихованной области соответствует значению индекса).

Из таблицы видно, что травматизм пропорционален возникающему замедлению. Поэтому исследования дорожно-транспортных происшествий нацелены на поиск путей уменьшения замедлении.

Специальные исследования показали, что выдерживаемая человеком экстремальная нагрузка зависит не только от предельного значения сил, возникающих при линейных замедлениях, но и от длительности действия нагрузки. Согласно исследованиям Патрика (г. Детройт, США), между выдерживаемым замедлением головы и длительностью его воздействия существует связь, представленная на рис. 2.

Хотя кривая, построенная с помощью этих исследований, верна только для определения пределов замедлений, при которых происходят необратимые повреждения мозга, однако характер кривой типичен для предела выносливости человека на ударную нагрузку. В общем виде можно сделать следующий вывод: многие органы человеческого тела могут выдерживать очень высокие замедления, если они действуют весьма ограниченное время.

Исследования привели Патрика к созданию математического выражения степени опасности травмы, с помощью которого можно в известной мере оценить последствия удара (замедления) для человека.

Таким образом, если при столкновении процесс замедления замерен в определенных точках, то путем возведения в степень отдельных значений замедления и интегрированием их по времени его действия можно определить значение индекса SI, как показано на рис. 3.

Значение индекса SI в законодательстве США играет роль, поскольку в различных федеральных стандартах требуется соблюдение определенных значений индекса SI, например для замедлений головы индекс 3/<1000. Эта точка обозначена на кривой Патрика, представленной в федеральном стандарте.

В настоящее время индекс SI не может служить полным критерием оценки степени опасности травмы и тяжести дорожно-транспортных происшествий, как, впрочем, и аналогичный критерий травмы головы (HIC), разработанный в США; однако до настоящего момента они являются единственными известными средствами оценки тяжести последствий травмы и дорожно-транспортных происшествий. Следовательно, нужны дальнейшие интенсивные исследования, причем в содружестве с врачами-травматологами хотя бы для выяснения вопроса, в какой мере данный или усовершенствованный метод оценки подходит и для других частей тела.

В то время, как измерение замедлений, возникающих в различных точках кузова при столкновении, не является проблемой, измерение замедлений живого человека едва ли возможно. Поэтому в настоящее время разработаны манекены, которые повторяют не только форму человека (по весу и пропорциям частей тела), но и подобны ему по кинематике и динамике. Со временем появилась небходимость в создании целой семьи манекенов (детей и взрослых), что было сделано впервые в США. Эти манекены в целях получения сопоставимых результатов точно описаны и нормированы (в рамках федерального стандарта). Манекены состоят из металлических и пластмассовых деталей. Голова, позвоночник, таз и конечности тщательно скопированы с человеческого тела, включая суставы, и там, где необходимо (например, на голове), имитированы мышцы и кожа. Трение в суставах, прочность скелета и многие другие особенности человеческого тела точно определены и должны проверяться и регулироваться на манекене перед каждым испытанием. В различных местах тела могут устанавливаться датчики для фиксации замедлений, возникающих при испытании на столкновение. Несмотря на тщательность изготовления и регулировки, погрешность измерений относительно велика (примерно 10%). Манекен, конечно, не обладает инстинктивной и спонтанной защитной реакцией человека, попавшего в аварию. По этой причине и еще многим другим значения сил и замедлений, полученные с помощью манекенов, не могут служить для оценки степени тяжести травмы реального человека. С их помощью можно определить лишь относительную величину защитного действия некоторых конструкций и приспособлений (например, ремней безопасности), отнесенную к предельным нагрузкам для человеческого тела, найденным или полученным экстраполированием. Независимо от того, удастся или нет дальнейшими принципиальными исследованиями улучшить связь манекен — человек, следует уделять в.нимание совершенствованию манекенов, например введением возбудителей реакции. Несмотря на недостатки, манекены представляют собой незаменимое вспомогательное средство, без которого было бы невозможно получить приведенные ниже сведения и сделать выводы, необходимые для конструирования и разработки травмобезопасных кузовов.

Только при широком исследовании дорожно-транспортных происшествий в промышленности и институтах можно будеть выяснить, насколько эффективны внедренные решения и какие меры еще необходимо предпринять.

Процесс столкновения. Только имея сведения о процессе столкновения, можно провести точный анализ аварии и тщательно изучить ее воздействие на людей, находящихся в автомобиле. Для того чтобы можно было провести сравнение, а также получить воспроизводимые результаты, необходимо проводить единые стандартные испытания (тесты), важнейшие из которых приведены ниже (см. прилож. 1). Вначале в США было введено испытание на фронтальный удар, не только потому, что среди тяжелых столкновений автомобилей фронтальный удар встречается чаще всего, но и потому, что этот процесс сз,мый наглядный. Информация, получаемая в результате этого испытания, применима для исследований процесса и последствий других типов аварий.

Рис. 4. Замедления при ударе для различных видов столкновений (упрощенное изображение по директиве 22 Общества германской автомобильной промышленности)

Согласно американским стандартам, которые были взяты за основу для разработки как правило, размещены манекены, при испытании на фронтальный удар должен наехать со скоростью 50 км/ч на неподвижную стену (бетонный куб) по прямой, перпендикулярной к ней. Какое это тяжелое испытание, показывает диаграмма, на которой упрощенно показаны существующие соотношения *. Несмотря на это, предполагается увеличить скорость при испытании до 64 км/ч.

При фронтальном столкновении допускается незначительная деформация каркаса салона, после которой двери должны открываться. Кроме того, ЕЭК ООН ведет подготовительную работу по испытанию автомобиля на удар сзади, при котором копер или маятник ударяется в заднюю часть неподвижно стоящего автомобиля**. И в этом случае каркас салона не должен существенно деформироваться, а из топливного бака не должно вытекать топливо. Подобным образом при помощи копра или маятника осуществляется испытание на удар сбоку. При ударе, направленном перпендикулярно боковой стороне автомобиля, допускается вдавливание копра или маятника лишь до определенной величины.

Рис. 5. Процесс замедления при наезде на барьер со скоростью 50 км/ч (по Директиве 22 Общества германской автомобильной промышленности):
1 — каркас автомобиля; 2 — результирующее замедление головы (водитель не пристегнут ремнями безопасности); 3 — результирующее замедление головы (водитель пристегнут трехточечным статическим ремнем безопасности); 4 — фаза катапультирования; 5 — фаза отскока; 6 — фаза отрицательного ускорения; 7 — максимальное смещение вперед пристегнутого ремнями водителя; 8 — отдача; 9— фаза замедления; 10 —первичный удар (автомобиль); 11 — вторичный удар (непристегнутый человек)

Множество других испытаний, особенно по ударам внутри салона (например, о панель приборов) завершает программу испытаний на безопасность. Особенно тщательно следует проверять приспособления удержания пассажиров и водителя на своих местах (например, ремни безопасности и точки их крепления), и не только на прочность, но и на ограниченную деформацию.

Как протекает столкновение и каковы его последствия для автомобиля и людей, находящихся в нем? Имитация столкновения автомобиля путем испытания его на фронтальный удар позволяет лучше всего ответить на эти вопросы. Однозначно установлено, что столкновение для автомобиля и людей протекает по-разному. Сначала автомобиль ударяется о препятствие (стену) и в соответствии со своей деформируемостью (зоны смятия) замедляет движение, причем ход деформации является мерой возникающего при этом среднего замедления. Оно в основном зависит от конструктивного исполнения передней части, и тем меньше, чем длиннее ход смятия. После некоторого промежутка времени автомобиль останавливается (конец первого этапа столкновения), в то время как человек (в случае, если не используется система удержания человека), заторможенный только трением о сиденье и, возможно, собственной ответной реакцией, катапультируется почти со скоростью автомобиля (фаза катапультирования или полета) до тех пор, пока не ударится о расположенные перед ним детали автомобиля (рулевое колесо, поперечина панели приборов), и не подвергнется действию деформирующей силы (второй этап столкновения). Так как деформация автомобиля составляет 40—60 см, а деформация деталей салона только 6—10 см, то человек, не пристегнутый ремнями безопасности, претерпевает более тяжелую «аварию», чем автомобиль. Процесс аварии можно анализировать по кривым замедления. Чтобы при столкновении, хотя бы в некоторой степени, оградить незащищенного человека от избыточной нагрузки, уже много лет (в США с 1966 г., Правила R12, ЕЭК ООН с 1974 г.), предписывается наиболее опасные зоны выполнять пластически деформируемыми, вследствие этого сила, действующая на человека, не должна превышать допустимого максимального значения. При столкновении допускается ограниченное перемещение рулевого вала в салон.

Устанавливаемые с того времени травмобезопасные рулевые колонки способствуют выполнению этого предписания, так как в них предусматривают следующее:
— деформацию рулевого колеса, ударозащитный стакан ступицы колеса и кожуха рулевого вала, возможность отрыва рулевого вала от точек крепления;
— возможность относительного смещения частей рулевого вала для предотвращения повреждения человека; в настоящее время такая опасность отсутствует благодаря применению шарнирно соединенных расчлененных валов рулевого управления или других конструкций аналогичного действия.