I-size

Как выбрать самое безопасное детское удерживающее устройство?

Основная цель исследования, проведенного авторами этой статьи – анализ и сравнение параметров (показателей) безопасности не только популярных на рынке детских автокресел, но и других доступных к покупке детских удерживающих устройств. Все результаты динамических испытаний были представлены для сравнения в виде диаграмм с указанием предельно допустимых значений, определенных новыми Правилами №129 Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (далее по тексту ЕЭК ООН).

Согласно данных Всемирной организации здравоохранения (далее по тексту ВОЗ) и доступной нам статистической информации, каждый год 1,35 миллиона человек по всему миру погибают в автомобильных авариях, при этом большинство из них составляют люди в возрасте от 5 до 29 лет [1]. В Европе число погибших составляет 127 000 [3]. По данным ООН, около 500 детей ежедневно погибают на дорогах [2]. В Польше только в 2018 году в подразделение полиции поступило 436 414 сообщений о дорожно-транспортных происшествиях. В результате несчастных случаев пострадало 37 359 человек (из них 10 963 человека получили серьезные травмы, в том числе 3000 человек погибло) [4]. Травмы, полученные во время автомобильных аварий, являются основной причиной гибели и серьезных ранений у детей в возрасте от 0 до 14 лет.  Гибель детей в следствие дорожно-транспортных аварий составляют 34% от общего количества смертей детей в год [1]. На повышение безопасности детей в транспортных средствах влияет не только встроенная система безопасности автомобиля, включающая в себя подушки безопасности и другие дополнительные устройства пассивной защиты, но и правильно выбранная удерживающая система. По данным ВОЗ, правильно подобранные удерживающие системы снижают уровень смертности среди детей на 60%!

Возникает вопрос, как выбрать самое лучшее удерживающее устройство?

Хороший критерий оценки - сравнение результатов динамических испытаний, которые проходят все удерживающие устройства.

Краш-тесты позволяют максимально точно воспроизвести реальную автомобильную аварию и измерить значения перегрузки, воздействующие на ребенка в аварийной ситуации (чем ниже перегрузка, тем лучше устройство защищает ребенка во время аварии).

Описание физических параметров, измеряемых при проведении краш-теста

Испытания проводились с использованием манекенов последнего поколения (серии Q) в соответствии с требованиями Правил №129 ЕЭК ООН, в ходе которых, среди прочего, регистрировались следующие параметры:

  • ускорение испытательной тележки,
  • сила напряжения шеи,
  • момент силы шейного отдела манекена,
  • ускорение грудной клетки манекена,
  • смещение туловища манекена,
  • давление на левую и правую части брюшной полости.

Основная задача детского удерживающего устройства - снижение нагрузок, действующих на тело манекена, по каждому из измеряемых параметров. Для получения одобрения - значение каждого параметра должно быть ниже установленного предела.

Далее представлено краткое описание этих параметров, разделенных на области, в которые были помещены измерительные приборы, и результаты, зарегистрированные во время динамических испытаний.

Рис.1 Манекен Q6 – датчик головы манекена

ГОЛОВА МАНЕКЕНА РЕБЕНКА (HEAD RESULTANT, результат головы) - во время краш-тестов значения ускорения измеряются датчиком, установленным в голове манекена, по результатам измерений определяются значения биомеханических критериев, показывающих степень повреждения головы ребенка.  Отдельно анализируются максимальные из зарегистрированных значения ускорения, суммарное значение которых превышает 0,003 с. Манекен нового поколения (серия Q) оснащен набором датчиков, фиксирующих значение ускорения головы манекена.

Что такое ускорение?

Ускорение - это величина изменения скорости. Однако для нас более важным является тот факт, что ускорение, действующее на каждое тело, обладающее собственной массой, создает инерцию. При столкновении с препятствием транспортное средство резко меняет скорость (от скорости, с которой происходило движение до 0). Это значит, что оно сильно ускоряется. Данный процесс касается и пассажиров, которые соединены с транспортным средством посредством ремней безопасности. Поскольку транспортное средство и пассажиры имеют определенную массу, во время столкновения на них действуют силы инерции. Для пассажиров эти силы представляют большую опасность, т.к. воздействуют на их внутренние органы и скелет. Поэтому даже если пассажир во время аварии не столкнется с элементами автомобиля, он может получить серьезные травмы в следствие воздействия сил инерции на внутренние органы, включая мозг. Ускорение измеряется в кратности гравитации (1g = 9,81 м/с2). Повторим еще раз, что величина ускорения, действующего на тело ребенка, тесно связана с величиной ускорения, действующей на автомобиль. Ребенок, находящийся в машине, сразу после удара о препятствие „хочет двигаться " со скоростью, с которой он двигался еще до столкновения (это связано с силой инерции).

Однако во время столкновения скорость транспортного средства очень быстро снижается. В следствие этого скорость движения ребенка в автомобиле изменяется, т.к. он связан с автомобилем ремнями безопасности или креплением ISOFIX. От того насколько быстро изменяется скорость автомобиля будет зависеть значение ускорения, действующего на тело ребенка. При столкновении с жестким препятствием, например, бетонной стеной, зарегистрированные значения ускорения могут быть в несколько раз больше, чем при столкновении с деформируемым препятствием, например, другим автомобилем.

Чтобы лучше проиллюстрировать шкалу динамических нагрузок, воздействующих на тело ребенка во время аварии, стоит вспомнить, что при экстренном торможении, т.е. при максимально эффективном использовании тормозной системы, ускорение, действующее на пассажиров транспортного средства, составляет около 1g. Во время воздушного боя между самолетами ускорение, действующее на пилота-истребителя, может достигать 10g. Во время дорожно-транспортного происшествия ускорение, которое воздействует на людей, находящихся в транспортном средстве, может достигать 40g, что в десятки раз больше, чем ускорение, возникающее при экстренном торможении!

Рис.2 Расположение манекена перед столкновением

Рис.3 Расположение манекена во время столкновения

Что такое биомеханические критерии?

Получив данные с датчика, расположенного на голове манекена, мы можем, например, определить значения такого биомеханического показателя как HPC15/HIC15 (англ. Head Injury Criterion, критерий травмирования головы). HIC показывает вероятность травмы головы, т.е. воздействия кратковременного высокого ускорения. HIC - это биомеханический параметр, определяемый на основе наибольшего значения ускорения, действующего в течение интервала времени, не превышающего 15 мс (миллисекунды, 1 с = 1000 мс). Другими словами, проверяется вся история ускорений, записанная во время краш-теста, и выбираются 15 мс, в течение которых было зафиксировано самое высокое ускорение.

Согласно [5], критическое значение HIC15 составляет 800, в то время как критическое значение HIC, рекомендованное Управлением безопасности дорожного движения NHTSA США [6], составляет 700. Эти цифры основываются на исследованиях максимально допустимых значений, однако важным моментом является тот факт, что в некоторых публикациях указаны предельные значения, при которых дети уже могут получить травмы. Согласно [8], значение параметра HIC, при котором могут возникнуть травмы у десятилетнего ребенка, составляет 400!

Шейный отдел (Upper Neck Force, нагрузка на шейный отдел) - в шейном отделе измеряются два показателя: сила и момент силы, действующие на шею манекена. Сила измеряется в Ньютонах [N].

Один ньютон - это сила, с которой нужно воздействовать на ребенка весом 1 кг, чтобы придать ему ускорение, равное 1 м/с2. Проще говоря, можно сделать вывод, что сила в любом случае приведет либо к „растяжению” шеи, либо к ее „сжатию”. Сам момент (измеренный в Nm, то есть сила 1N, приложенная, например, к стержню длиной 1 м) приведет либо к перемещению головы „вперед” (сгибание), либо к перемещению „назад” (разгибание) [7].

Что такое сила и что такое момент?

Рис.4 Схема, демонстрирующая возникновение момента силы

Рис.5 Манекен Q6 – датчик шейного отдела

На Рис.4 показано как закручивают болт гаечным ключом. Сила (обозначена на рисунке буквой F) создается нашей рукой. А момент силы (обозначена на рисунке буквой М) заставляет винт вращаться, так как сила действует на болт не в том месте, где винт должен вращаться, а на расстоянии, равному длине гаечного ключа.

В механике говорится, что момент силы возникает, когда сила воздействует на определенный рычаг (на расстоянии от оси вращения). Если мы увеличим длину ключа в два раза и приложим к нему такую же силу, значение момента силы увеличится вдвое. Если мы уменьшим его длину в два раза, значение момента также уменьшится вдвое. В настоящее время не существует правовых норм, которые бы определяли предельные значения для силы и момента силы шейного отдела. Такие нормы должны быть введены в ближайшее время. На данный момент ученые-биомеханики все еще работают над этой проблемой. На рис. 5 красная стрелка указывает на датчик, который измеряет силу и момент в шейном отделе.

Торс (Chest Resultant, результат грудной клетки) – используя данные, полученные с датчиков, установленных в области грудной клетки манекена, можно определить степень прогиба грудной клетки или определить наибольшую величину ускорения, действующую на грудную клетку за время всего исследования.  Кроме этого можно определить максимальные из зарегистрированных значений ускорения, продолжительность которых суммарно составила более 0,003 сек. Это важная часть исследования, потому что большие кратковременные ускорения не вызывают таких серьезных травм, как ускорения, действующие в течение длительного периода времени (интервал времени, признанный травматичным для данного значения, составляет 3 мс). На Рис. 6 красной стрелкой отмечен датчик, который фиксирует ускорения в груди. Предельная величина для зарегистрированного значения ускорения, действующего в общей сложности более 0,003 с, четко определяет [5] и составляет 55 g. Однако имейте в виду, что это уже критическое значение!

Рис.6 Манекен Q6 – датчик грудной клетки

Абдоминальное давление. Измерения в брюшной полости манекена выполняются с целью определения величины давления, точнее для определения влияния силы, возникающей во время столкновения, на область брюшного отдела. Результирующее давление может повредить внутренние органы в области воздействия. Травмы у пострадавшего иногда бывает трудно обнаружить сразу после аварии, они могут проявится значительно позже, что создает дополнительную опасность.

Что такое давление?

Рис.7 Схема возникновения давления

Момент возникновения давления можно наглядно увидеть на схеме, на которой изображен бетонный блок, лежащий на льдине. Благодаря тому, что бетонный блок обладает массой, он воздействует на лед с определенной силой, которая является произведением массы блока и силы тяжести (зеленая стрелка на рис.7). Эта сила распределяется по всей поверхности льдины, контактирующей с бетонным блоком. Такое распределение силы (желтые маленькие стрелки на рисунке) по поверхности льдины называется давлением.

У манекена различают левую и правую часть брюшной полости, а, следовательно, мы можем измерить значения давления в обеих областях. Слишком большое давление может повредить внутренние органы. Максимальное предельно допустимое значение этого параметра для манекена Q6 составляет 1 бар [5]. На рис. 8 датчики, измеряющие давление, обозначены красными стрелками. Датчики давления размещены у манекена в левой и правой части брюшной полости.

Рис.8 Манекен Q6 –датчик брюшного сегмента

Источники:

[1] https://www.who.int/

[2] https://news.un.org/en/

[3] https://www.childsafetyeurope.org/

[4] http://policja.pl/

[5] Правила № 129 Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН) – единообразные предписания, касающиеся официального утверждения улучшенных детских удерживающих систем, используемых на борту автотранспортных средств (УДУС).

[6] Разработка усовершенствованных параметров определения травматизма при оценке современных детских удерживающих устройств. Рольф Эппингер, Эмили Сун, Фарис Бандак, Марк Хаффнер, Ноппорн Хэвпонг, Мэтт Мальтезе. Национальное управление безопасности дорожного движения, Национальный исследовательский центр биомеханики транспорта (NTBRC), 1999

[7] Джеспер Кристенсен, Кристоф Бастьен, Оптимизация структур безопасности транспортных средств, 2016

[8] Камиль Йошко, Войцех Волански, Марек Гзик, Анджей Жуковски «Экспериментальные и модельные исследования эффективности защиты пассажиров на задних сиденьях автомобилей во время дорожно-транспортных происшествий», кафедра биомехатроники, Силезский технологический университет, Институт автомобильного транспорта, Военный технический университет.

Краш-тесты детских удерживающих устройств

В рамках данного исследования были проведены динамические испытания на лобовое столкновение пяти детских удерживающих систем (устройств), продающихся на нашем рынке. Испытания проводились в аккредитованном испытательном центре Applus + IDIADA, сертифицированном для проведения испытаний на соответствие Правилам № 129 ЕЭК ООН.

Applus + IDIADA – международная инжиниринговая компания, предоставляющая услуги по проектированию, тестированию, инжинирингу и сертификации для автомобильной промышленности. Штат компании насчитывает более 2450 инженеров и технических экспертов из более чем 28 разных стран. Applus + IDIADA имеет международную сеть филиалов в 25 странах мира. Главный офис, расположенный недалеко от Барселоны, Испания, состоит из испытательного полигона площадью 360 га и одного из крупнейших в Европе испытательных комплексов. Applus+IDIADA является официальным испытательным центром Euro NCAP.

Во время краш-теста общее изменение скорости испытательной тележки составило 52 + 0 / - 2 км / ч. Условия замедления испытательной тележки соответствовали требованиям, указанным в Правилах № 129 ЕЭК ООН, представленных в таблице ниже. Во время проведения испытаний измерялись: скорость тележки непосредственно перед столкновением, тормозной путь и параметры, фиксирующиеся датчиками, установленными на манекене. Кроме того, во время краш-теста все происходящее было записано с использованием высокоскоростных камер. Следует подчеркнуть, что для повышения доверия к испытаниям, краш-тесты проводились в один и тот же день в одинаковых температурных условиях. Все пять удерживающих устройств были доставлены в институт за 48 часов до запланированных испытаний и хранились в институте в специально подготовленном помещении с кондиционером.

Испытания проводились с использованием манекенов последнего поколения в соответствии с требованиями новых Правил № 129 ЕЭК ООН.

Результаты динамических испытаний для всех устройств

Положение ремня

Источник:

Тесты, выполненные международным институтом Applus + IDIADA

applusidiada.com

Выводы

Закон о детских удерживающих устройствах в настоящее время предъявляет очень высокие требования к их производителям в части соответствия удерживающих устройств определенным параметрам безопасности. Значительное совершенствование профессиональных измерительных приборов позволило внедрить новый тип антропоморфных детских манекенов, в котором используется большее количество датчиков, расположенных в разных частях тела.

Анализируя результаты исследований, можно сделать вывод, что все тестируемые удерживающие устройства (за исключением одного из них в отношении параметра - давление на брюшную полость) соответствуют критериям безопасности, установленным в Правилах № 129 ЕЭК ООН. Однако анализ отдельных из зафиксированных датчиками значений выявил значительные различия между этими удерживающими устройствами. Можно сделать вывод, что на величину зарегистрированных динамических нагрузок влияет ряд факторов, зависящих от конструкции детского удерживающего устройства. Результаты исследований четко указывают на то, что следует и дальше продолжать исследовательские работы в области безопасной перевозки детей с целью определения взаимосвязи между характеристиками конструкции удерживающих устройств и зарегистрированными физическими величинами. Однако следует подчеркнуть, что экспериментальные исследования таких сложных явлений, как динамические испытания удерживающих устройств, несут в себе очень много проблем.

Высокий уровень развития компьютерных технологий обеспечил возможность разработки эффективных и надежных вычислительных инструментов, которые могут быть использованы при проектировании детских удерживающих устройств. По мнению авторов, следующим этапом исследований может быть использование Метода Конечных Элементов для создания цифровой модели, учитывающей все основные явления, существенные для моделирования процесса столкновения, в том числе с воспроизведением поведения ребенка во время аварии. Создание цифровой модели значительно облегчило бы анализ всех элементов конструкции рассматриваемого удерживающего устройства в аспекте полученных значений безопасности.

Автор статьи: доктор технических наук Артур Мушинский

jestempotrzebny.pl

Продолжая использование данного сайта, я соглашаюсь с тем, что обработка моих данных будет осуществляться в соответствии с законодательством Республики Беларусь