Sådan fungerer smuldrende zoner

Crumple zoner er designet til at absorbere og omfordele kraften i en kollision. Se flere bilsikkerhedsbilleder. Gule hundeproduktioner / Getty-billeder

Bilsikkerhed er nået langt i de sidste par årtier, og en af ​​de mest effektive innovationer er krøllezone. Også kendt som en knuse zone, krøllezoner er områder af et køretøj, der er designet til at deformeres og krølles i en kollision. Dette absorberer noget af stødets energi og forhindrer, at den overføres til beboerne.

Selvfølgelig er det ikke så simpelt at holde folk i sikkerhed i bilulykker som at gøre hele køretøjet sammen. Ingeniører er nødt til at overveje mange faktorer i design af sikrere biler, herunder køretøjets størrelse og vægt, rammestivhed og de belastninger, som bilen sandsynligvis vil blive udsat for i et styrt. For eksempel oplever racerbiler langt mere alvorlige påvirkninger end gadebiler, og SUV'er styrter ofte med mere kraft end små biler.

Vi skal finde ud af, hvordan sammenkrævningszoner fordeler kræfterne, der er involveret i et styrt, hvilke sammenbrudzoner der er lavet af og lære om et par andre avancerede sikkerhedssystemer, der testes lige nu. Vi vil også finde ud af, hvordan sammenkrævningszoner er blevet integreret i racerbiler, og hvorfor et antal racerdræbte kunne have været forhindret, hvis sporten havde vedtaget disse sikkerhedsfunktioner før. Vi tager endda et kig på knusende zoner, der er designet til at absorbere den enorme påvirkning af en togets kollision.

Læs næste side for at finde ud af, hvilke kræfter der er involveret i en kollision og lære, hvordan en veludviklet krumningszone kan minimere beskadigelse fra rejsende..

Hvad er der i en smuldrende zone?

Specifikationerne i crumple zone-design er normalt proprietære oplysninger, som bilproducenter er uvillige til at afsløre. De kan variere meget, afhængigt af køretøjets størrelse og vægt. Designere skal finde en balance mellem for meget slagfasthed og for lidt slagfasthed. Enkle design kan omfatte rammesegmenter, der er bygget til at bøje i bestemte områder eller kollapse på sig selv. Mere avanceret design kan bruge en række forskellige metaller og andre materialer, der er omhyggeligt konstrueret til at absorbere så meget kinetisk energi som muligt. Højtydende biler bruger ofte et bikagekonstruktion, der tilbyder stivhed under normale forhold, men kan kollapse og krøbe i et styrt.

Indhold

1. Effektkraft
2. Design kompromiser
3. Forebyggelse af dødsfald i bilsport

Disse biler er blevet sat til kollisionstesten på et forskningsanlæg for bilsikkerhed i Wolfsburg, Tyskland. Læg mærke til, hvordan sammenknusningszoner ser ud til at have absorberet det meste af stødet. Peter Ginter / Getty Images

Hver gang en bil er involveret i et styrt, er intense kinetiske kræfter på arbejde. En given mængde styrke er til stede under ethvert styrt. De faktiske numre varierer afhængigt af bilens hastighed og masse og hastigheden og massen af ​​hvad den rammer. Fysikere måler denne kraft som acceleration -- selv når man bevæger sig fra en høj hastighed til en lavere hastighed, kaldes enhver ændring i hastighed over tid videnskabeligt som acceleration. For at undgå forvirring henviser vi til acceleration af nedbrud som deceleration.

Crumple zoner opfylder to sikkerhedsmål. De reducerer den oprindelige kraft i styrtet, og de omfordeler styrken, inden den når frem til køretøjets beboere.

Den bedste måde at reducere den indledende kraft i et styrt med en given mængde masse og hastighed er at bremse decelerationen. Du har set denne virkning for dig selv, hvis du har været nødt til at smække på dine bremser af en eller anden grund. De kræfter, du oplever i et nødstop, er meget større, end når du gradvist bremser efter et stoplys. Ved en kollision kan en bremsning af decelerationen med nogle få tiendedele af et sekund skabe en drastisk reduktion af den involverede kraft. Kraft er en simpel ligning:

Kraft = masse * acceleration

Ved at skære decelerationen i halve skæres kraften også i halve. Ændring af decelerationstiden fra .2 sekunder til .8 sekunder vil derfor resultere i en reduktion af den samlede kraft på 75 procent.

Krummede zoner opnår dette ved at oprette en bufferzone omkring bilens omkreds. Visse dele af en bil er i sagens natur stive og modstandsdygtige over for deformering, såsom passagerrum og motor. Hvis disse stive dele rammer noget, vil de decelerere meget hurtigt, hvilket resulterer i en masse kraft. Omgivelse af disse dele med krøllingszoner gør det muligt for de mindre stive materialer at tage den første påvirkning. Bilen begynder at decelerere, så snart krumningszonen begynder at krølles, og forlænger decelerationen over et par ekstra tidels sekund.

Crumple zoner hjælper også med at omfordele påvirkningskraften. Hele styrken skal gå et sted - målet er at sende den væk fra beboerne. Tænk på den styrke, der er involveret i et styrt, som et styrkebudget. Alt, hvad der sker med bilen under en anslag, og enhver person inde i bilen på anslagstidspunktet bruger noget af styrken. Hvis bilen rammer et ikke-stationært objekt, ligesom en parkeret bil, overføres en eller anden kraft til det objekt. Hvis bilen rammer noget med et blikende slag og snurrer eller ruller, bruges meget af kraften på at dreje og rulle. Hvis dele af bilen flyver væk, bruges endnu mere kraft. Det vigtigste er, at skader på selve bilen bruger kraft. Bøjning af dele af rammen, knusende kropspaneler, knusende glas - alle disse handlinger kræver energi. Tænk på, hvor meget kraft der er behov for for at bøje stålrammen i en bil. Denne mængde kraft bruges til at bøje rammen, så den overføres aldrig til beboerne.

Crumple zoner er baseret på dette koncept. Dele af bilen er bygget med specielle strukturer inde i dem, der er designet til at blive beskadiget, sammenkrøbt, knust og ødelagt. Vi forklarer strukturerne inden for kort tid, men den grundlæggende idé er, at det tager kraft for at skade dem. Crumple zoner bruger så meget kræfter som muligt, så andre dele af bilen såvel som beboerne ikke lider af virkningen.

Så hvorfor ikke gøre hele bilen til en gigantisk krøllezone? Og hvis du har brug for plads til en krøllezone til at absorbere stød, hvordan bygger du en kompakt bil med krøllezoner? Vi forklarer i det næste afsnit.

-

Opfinderen af ​​Crumple Zone

Béla Barényi var en ingeniør og opfinder, der tilbragte det meste af sin karriere ved at arbejde for Daimler-Benz. Hans navn vises på mere end 2.500 patenter. Et af disse patenter, der blev udstedt i 1952, forklarer, hvordan en bil kunne designes med områder foran og bagved bygget til at deformere og absorbere kinetisk energi i en påvirkning. Han satte konceptet til brug i 1959 på Mercedes-Benz W111 Fintail, den første bil, der brugte krummezoner [kilde: Det tyske patent- og varemærkekontor].

Denne BMW har åbenbart haft en hård belastning og ser meget beskadiget ud. Ingen af ​​skaderne var imidlertid på passagerrummet - den forreste krumningszone gjorde sit arbejde. Tim Graham / Getty Images

At absorbere og omdirigere påvirkningen er stor, men det er ikke det eneste sikkerhedsspørgsmål, som bilsignere skal bekymre sig om. Passagerrummet i bilen skal modstå at blive trængt gennem udvendige genstande eller andre dele af bilen, og det skal holdes sammen, så beboerne ikke smides ud. Du kan ikke gøre en hel bil til en krøllezone, fordi du ikke ønsker, at folk inde i den også krøller. Derfor er biler designet med en stiv, stærk ramme, der omslutter beboerne, med krøllede zoner foran og bag. Kraftreduktion og omfordeling gennemføres inde i kupeen gennem passagerrummet

brug af airbags.

Der er nogle dele af biler, der simpelthen ikke kan krølles. Motoren er den største fornærmede - i de fleste køretøjer er motoren en stor, tung stålblok. Ingen sammenkrumning der. Det samme gælder for køretøjer med aluminiums motorblokke. Nogle gange skal biler redesignes for at flytte motoren længere tilbage i rammen for at rumme en større sammenkrævningszone. Dette kan dog også forårsage problemer - hvis motoren skubbes tilbage i kupeen som følge af stød, kan det forårsage kvæstelser.

-Brændstoftanke og batteripakker i elektriske eller hybridkøretøjer skal også beskyttes mod stød for at forhindre brand eller udsættelse for giftige kemikalier. De kan designes således, at et rammesnit beskytter tanken, men den del af rammen kan bøjes væk fra stødet. For eksempel, hvis en bil er bagudvendt, bøjer rammen op, løfter gastanken ud af vejen og absorberer en vis stød. Nyere biler har systemer, der afbryder brændstofforsyningen til motoren under et styrt, og Tesla Roadster, en højtydende elbil, har et sikkerhedssystem, der lukker batteripakkerne og dræner al elektrisk energi fra kablerne, der kører i hele bilen, når det registrerer en nødsituation [kilde: Tesla Motors].

Selvfølgelig er det let at opbygge sammenkrævningszoner i et stort køretøj med masser af plads til at krølles, inden passagerrummet påvirkes. At designe smuldringszoner i små køretøjer kræver en vis kreativitet. Et godt eksempel er den smarte fortwo, en ekstremt lille

og effektivt køretøj. Føreren og passageren er indkapslet i tridion-sikkerhedscellen, en stålramme med fremragende stivhed for sin størrelse. Geometrien er designet til at distribuere påvirkninger over hele rammen. Foran og bagpå det smarte fortwo er, hvad smarte opkald nedbrud bokse. Dette er små stålrammer, der kollapser og krøller for at absorbere stød. Da crashbokse er så små, er andre slagabsorberende funktioner blevet brugt til at supplere dem. For eksempel kan transmissionen fungere som en støddæmper i tilfælde af en front-end-kollision. Fortwo's korte akselafstand betyder, at næsten enhver påvirkning involverer dæk, hjul og affjedring. Disse komponenter er designet til at deformere, bryde væk eller rebound, hvilket hjælper med at absorbere endnu mere kinetisk energi under en påvirkning [kilde: smart USA].

Dernæst får vi se, hvordan sammenknusningszoner hjælper med at holde din yndlings racerbilfører i live.

-

Crumple Zones på tog

Vi har talt om den utrolige kinetiske kraft, der arbejder, når en bil går ned, men forestil os den involverede styrke, når to tog kolliderer. På grund af et enormt vægt af et tog, kan en kollision skabe kræfter, der er snesevis eller endda hundreder af gange større end dem, der er i en bilulykke. Alligevel kan sammenbrudzoner bruges, selv under disse ekstreme omstændigheder. Ved hjælp af 3D-computersimuleringer kan ingeniører opbygge en krumningszone, der vil deformeres jævnt og jævnt under stød, og absorbere den maksimale kraft, der er mulig. Krummens zoner placeres derefter i begge ender af hver bil i et passagertog. I tilfælde af en kollision distribuerer kædereaktionen fra biler, der smækker ind i hinanden, kraft gennem alle de krøllede zoner i toget. Det kunne absorbere nok af slagkraften til at forhindre personskader [kilde: Maskindesign].

Nogle styrt, såsom denne, der involverer formel 1-driveren Robert Kubica, ser spektakulære og forfærdelige ud. Faktisk reddede ødelæggelsen af ​​bilen sandsynligvis Kubicas liv. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Selv hvis du ikke er fan af bilsport, har du sandsynligvis set billeder af spektakulære nedbrud, hvor biler tumler ned ad banen og smider dele i hver retning, da bilen bogstaveligt talt ødelægges. Alligevel på mirakuløst vis klatrer chaufføren ud af det snoede vrag og går ubeskadiget væk. Mens disse nedbrud ser forfærdelige ud, bruger alt det spektakulære ødelæggelse kinetisk energi. Det er sandsynligvis ikke en sjov tur for chaufføren, men bilen gør nøjagtigt, som den var designet til at gøre i denne situation - beskyt personen i førersædet.

Der har også været sjældne tilfælde, hvor en racerbil har ramt en solid genstand i høj hastighed, såsom NASCAR-chauffør Michael Waltrip's styrt ved Bristol i 1990. Han ramte den stumpe ende af en betonvæg i racerhastighed, og bilen stoppede meget pludseligt . Virkningen genererede enorme kræfter, men alligevel var Waltrip uskadet. Årsagen er åbenbar ved at se på resterne af hans bil den dag. Det blev fuldstændigt og fuldstændigt ødelagt. Al denne styrke blev brugt på ødelæggelse af bilen. Hændelsen gik helt klart ud over evnerne i en hvilken som helst krøllezone, og faktisk var det simpelthen et spørgsmål om held, at intet trængte ind i førerrummet for at skade Waltrip. Tvangsfordeling reddede hans liv.

Kølvandet på styrtet, der dræbte Dale Earnhardt, sr. Hans bil, den sorte # 3, ser ikke ud til at være stærkt beskadiget. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Der er dog et uheldigt kontrapunkt til konceptet. Fra 1980'erne til begyndelsen af ​​2000'erne var der adskillige racersulykker på grund af alt for stift chassis. Den mest kendte hændelse er sandsynligvis Dale Earnhardt sr. Død i Daytona 500 i 2001. Ulykken syntes oprindeligt ikke at være alvorlig, og bilen syntes ikke at have lidt omfattende skader; det var dog nøjagtigt problemet. En stor del af slagkraften blev overført direkte til føreren, hvilket medførte øjeblikkelige og alvorlige kvæstelser. Den dødelige skade var en basilar kraniumbrud, en skade på det område, hvor kraniet og rygmarven forbinder. Denne skade er dødsårsagen i mange bilsportulykker, og den opstår, når hovedet klikker fremad ved stød, mens kroppen forbliver fastholdt af sikkerhedsseler. Mens hoved- og nakkestøtteanordninger har sænket forekomsten af ​​basilar kraniumbrud, har reduktion af slagkrafter på føreren også spillet en stor rolle.

Flere andre kendte chauffører blev dræbt i denne periode, såvel som mindre kendte chauffører i NASCAR modificerede og sene modeller klasser racing på baner i hele USA. Årsagen bag stigningen i dødelige nedbrud var simpelthen forfølgelsen af ​​højere ydeevne. Bildesignere og -besætninger søgte bedre håndtering ved at skabe et mere stift chassis. Dette omfattede tilføjelse af komponenter til rammen, ved hjælp af lige rammeskinner og omskiftning til stålrør med tykkere vægge. Selvfølgelig gjorde de chassiset mere stift, men da disse ufleksible biler ramte en væg, var der ingen give. Ingen af ​​styrken blev optaget af bilen - føreren tog det meste af stødet.

Allerede før Earnhardts død i 2001 forsøgte løbespor at finde løsninger på dette problem. Spor i den nordøstlige del af USA eksperimenterede med gigantiske blokke af industrielt Styrofoam foring af væggene, et lignende koncept som den bløde vægsteknologi, der anvendes på mange superspeedways i dag. Vigtigere er det, at bilene blev skiftet. Tyndere stålrør anvendes nu på visse dele af chassiset, og rammeskinner får en bøjning eller hak, så de deformeres noget forudsigeligt ved påvirkning.

NASCARs Car of Tomorrow, der bruges i Sprint Cup-racing, har skum og andet slagabsorberende materiale indsat i kritiske områder af rammen. Selvom autocracing altid vil være en farlig sport, har brugen af ​​mindre stiv chassiskonstruktion, blød vægsteknologi og hoved- og nakkestøttesystemer reduceret styrkekraften på chauffører kraftigt.

For mere information om sikkerhedsanordninger til biler, racing og andre relaterede emner, skal du følge linkene på næste side.

-

Sikkerhed Ride Down

Volvo har udviklet en anden slagabsorberende teknologi til brug i små biler. Førersædet er monteret på det, der i bund og grund er en slæde på en skinne, med støddæmpere foran. I en anslag glider hele "slæden" (sæde og fører inkluderet) fremad op til 8 tommer, og støddæmpere bogstaveligt talt gør deres arbejde og absorberer stødets stød. Samtidig glider rattet og et afsnit af instrumentbrættet fremad for at give plads til føreren. Kombineret med en forkrøllingszone og muligvis en airbag kunne dette system i høj grad reducere kræfterne, der virker på føreren i en front-end-kollision [kilde: Ford Motor Company].

Relaterede artikler

• Sådan fungerer crashtest
• Hvorfor er det stadig nødvendigt at nedbrud testkøretøjer?
• Har brugt ulykkestest nogensinde levende (eller døde) menneskelige beboere?
• Sådan fungerer kraft, magt, drejningsmoment og energi
• Sådan fungerer airbags
• Sådan fungerer anti-lock bremser
• Sådan fungerer sikkerhedsseler
• Sådan fungerer smartbilen
• Sådan fungerer NASCAR racerbiler
• Sådan fungerer NASCAR-sikkerhed

Flere gode links

• Circle Track Magazine
• MaterialWorlds
• NASCAR

Kilder

• Akins, Ellen. "Sikkerhed i små biler: Volvos sikkerhedskørsel-koncept." Ford Motor Company. 12. januar 2005. (1. august 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bob. "Lagerbilsikkerhed - et opfriskende kursus." Circle Track. (1. august 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Maskindesign. "Vil kræsningszonen krølles? FEA fortæller." 6. november 2003. (31. juli 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Materielle verdener. "Effekten af ​​sammenbrudzoner: styrter ned i væggen." (1. august 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Smart USA. "En hård skal med et blødt interiør." (1. august 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Sikkerhed." (31. juli 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Det tyske patent- og varemærkekontor. "Béla Barényi." (31. juli 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html