BEZPEČNOST A OCHRANA CHODCŮ PEDESTRIAN SAFETY AND PROTECTION

364

Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005"

BEZPEČNOST A OCHRANA CHODCŮ PEDESTRIAN SAFETY AND PROTECTION Juraj SLAMKA1 - Jan POKORNÝ2 Abstract: This report focuses on the subject of pedestrian safety and protection from the point of passive and active car safety protection systems, paying particular attention to typical parts of cars that have impact on pedestrian injuries caused in collisions with cars. It also deals with vehicle testing from the angle of pedestrian protection according to methodology of EEVC, Euro NCAP respectively, as well as covers some conceptual solutions of these problems. Keywords: pedestrian safety, impactor, active bonnet, pedestrian airbag

1 ÚVOD Prvky aktivní a pasivní bezpečnosti vozidel se donedávna téměř výhradně zaměřovaly na ochranu osádky a staly se i jakousi mírou prestiže automobilek a důležitým faktorem pro získání zákazníka. Nicméně automobily (s osádkou) nejsou jediní účastníci silničního provozu. Po komunikacích se zvláště v obcích, městech, v jejich blízkosti a dokonce i mezi nimi pohybuje řada jiných a mnohem zranitelnějších účastníků silničního provozu. Jejich zranitelnost spočívá právě ve smíšeném provozu automobilů, motocyklistů, cyklistů, chodců, aj., a to především ve velikosti relativních rychlostí a hmotností (hybností) automobilů vůči zranitelnějším účastníkům a ve velice nízkém stupni ochrany těchto zranitelných účastníků při kolizi s vozidlem. Jelikož již z principu není příliš prostoru pro zvětšování bezpečnosti například chodců nebo cyklistů pomocí nějakých zařízení, která by měli vždy při sobě, je třeba hledat řešení pro zvýšení jejich ochrany při kontaktu s vozidlem právě u automobilů. Jedná se samozřejmě z hlediska výrobců automobilů o nepopulární řešení, protože prodražuje vývoj automobilů, a tím zvyšuje jejich cenu a samozřejmě i zákazníka spíše zajímá jeho osobní bezpečnost ve vozidle, než ostatních účastníků. Současně se však vybavení vozidla prvky ochrany ostatních účastníků jeví jako jedno z nejschůdnějších řešení – tedy pokud se neuvažuje oblast prevence, ale již vzájemné interakce. Automobily tak stále získávají do své výbavy prvky, které jsou schopny poskytnout stále komplexnější ochranu svému okolí. Bezpečnost vozidel lze proto dělit podle dalšího hlediska na systémy a bezpečnostní prvky chránící jak uvnitř vozidla osádku, tak vně vozidla ostatní účastníky silničního provozu.

2 TESTOVÁNÍ VOZIDEL V Evropě v současné době působí několik organizací postihujících problematiku ochrany chodců, z toho dvě hrají základní úlohu. První z nich je EEVC (European Enhanced Vehicle-safety Committee), a to konkrétně specifikace WG 17, kde jsou dopodrobna uvedeny jak informace a podklady získaných z nehod, biomechanických analýz, různých zkoušek, modelování, tak i přesný popis a podmínky porovnávacích a homologačních fyzických zkoušek na automobilu, technické požadavky na testovací náčiní a jejich certifikaci. Druhou z nich je EURO NCAP (European New Car Assessment Programme), která prakticky přebírá požadavky vydané EEVC a provádí již samotné fyzické zkoušky, které posléze zveřejňuje. Euro NCAP je identický s Australian NCAP a srovnatelný s americkými testy Insurance Institute for Highway Safety (IIHS - Pojišťovací institut pro bezpečnost na dálnicích). Existují zde tak kritéria pro homologaci nových vozů a současně je zde pro veřejnost možnost souměřitelného porovnání jednotlivých typů vozidel. EEVC WG17 je definujícím a prováděcím předpisem k fyzickým zkouškám bezpečnosti a ochrany chodců. Zkoušky se provádějí testovacími nástroji, tzv. impaktory, které jsou jakýmsi modelem či představitelem konkrétní části lidského těla. Dosud není definovaný porovnatelný test, který by používal jako testovací nástroj celou figurínu. Vlastní zkoušky jsou tedy rozděleny do tří oblastí: Test dolní končetiny na nárazník vozidla, zkouška stehenní části dolní končetiny na spodní

1 2

Doc.Ing. Juraj Slamka, Ph.D, Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice Ing. Jan Pokorný-doktorand, Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice


365

hranu kapoty a zkouška nárazu hlavy na kapotu. U automobilů se světlou výškou nárazníku nad 500 mm se ještě provádí zkouška nárazu impaktorem stehna na nárazník. U zkoušek nárazu hlavy se reálně nyní používají dva až tři typy impaktorů hlavy a to sice impaktor hlavy dospělého člověka a impaktor hlavy dítěte, které se od sebe liší velikostmi i hmotnostmi. Impaktor malé dospělé hlavy lze již považovat za výběhový typ, jelikož jeho použití je stanoveno pouze do roku 2005. Další impaktor používaný při zkouškách představuje stehenní část horní končetiny a posledním zbývajícím impaktorem je prakticky až na chodidlo model celé dolní končetiny včetně kolenního kloubu.

2.1 Oblast kapoty Kapota je v případě kolize automobilu s chodcem jednou z nejexponovanějších částí automobilu. Navíc je to oblast, kam v převážné většině srážek dopadá hlava chodce, tedy nejchoulostivější část těla na vážná zranění. Z těchto důvodů je oblasti kapoty při testech věnována velká pozornost. Důležitým bodem je stanovení míst, kde se bude příslušnými impaktory provádět náraz. K těmto účelům je nutné vozidlo připravit. V případě nárazu hlavového impaktoru na kapotu, se na vozidlo nakreslí síť, která přesně definuje hranice prostoru, kam je ještě možné impaktor vystřelit, tedy vymezuje na kapotě zónu možného dopadu. Síť krom toho rozděluje tento prostor na dvě zóny. První z nich určuje prostor pro zkoušku nárazu dětské hlavy, druhý pro dospělou hlavu. Body nárazu impaktoru na kapotu se nestanovují náhodně, ale zcela záměrně. Vytypovávají se taková místa, kde se předpokládá vyšší hodnota HIC (Head Injury Criteria – hodnotící parametr viz. dále). Obyčejně se jedná o místa, která jsou nějakým způsobem vyztužena, nebo místa se zmenšeným prostorem pro následnou deformaci. Kritické jsou zejména oblasti závěsů kapoty, tvarování spodního výstužného plechu kapoty, prolisy a lemy na kapotě, atd. Podstatné jsou rovněž všechny pevné části motoru, resp. karoserie, které vyčnívají nad ostatní a jsou v těsné blízkosti kapoty. Ty zmenšují prostor pro deformaci kapoty a zvyšují tak riziko poranění. Tato kritická místa je nutné na kapotu naznačit a poté testovat. Volba kritických míst záleží na zkušenostech a znalostech zkušebních komisařů a není nijak pevně v předpise stanovena. Je tam uveden pouze požadavek, aby byly provedeny nejméně tři nárazové testy, každý do na třetiny rozdělené oblasti pro dětskou i dospělou hlavu. Vrchní deska

Snímač zrychlení Vinylová kůže

Hliníková koule

Obr. 1 Síť s vyznačenými body nárazu [1]

Obr. 2 Virtuální řez impaktorem hlavy [1]

Impaktory hlavy, jak dospělé, tak i dětské, jsou kulovitá tělesa, jejichž jádro je ze slitiny hliníku pokryté vinylovou kůží a uzavřené vrchní deskou. Uvnitř impaktoru (v těžišti) se nachází jeden tříosý (popř. tři jednoosé) snímače zrychlení. Impaktory se nijak kromě rozměrů, hmotností a tloušťky vinylové kůže od sebe zásadně konstrukčně neliší. Při samotné zkoušce je pak impaktor vystřelován vodícím zařízením vstříc konkrétnímu místu na kapotě a v okamžiku nárazu by se jeho rychlost měla pohybovat 11,1 ± 0,2 m/s. Úhel dopadu u impaktoru dětské hlavy by se měl pohybovat v rozmezí 50° ± 2° u dospělé 65° ± 2° měřených od vodorovné vztažné roviny (země). Každý impaktor musí být certifikován dle certifikační zkoušky. Při nárazu impaktoru na kapotu se snímá okamžitá hodnota zrychlení, resp. její časový průběh. Ten slouží jako podklad pro výpočet tzv. HIC (Head Injury Kriteria), tedy hodnoty udávající míru poranění.

366


⎡ t2 ⎤ ⎢ ∫ a R ⋅ dt ⎥ t ⎥ HIC = ( t 2 − t1 ) ⋅ ⎢⎢ 1 (t − t )⎥ ⎢ 2 1 ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦

2.5

(1)

Hodnota HIC by se měla v kterémkoli místě kapoty pohybovat pod hodnotou 1000 s časovým omezením max. 15 ms. Vyhodnocení (výpočet HIC) se provádí softwarově a automaticky se stanovuje i délka píku. Hranice HIC 1000 se považuje za mezní hodnotu, při které nedojde k vážným zraněním hlavy.

2.2 Oblast kapoty, masky a světel Podle průzkumů [2] se sice části čelní partie automobilu jako je mřížka chladiče, resp. maska, světla a spodní okraj kapoty ze všech sledovaných oblastí podílejí na zranění chodce v nejmenší míře, přesto nelze tuto oblast opomenout. Při srážce jsou tyto čelní části ve většině případů v kontaktu se stehenní částí dolní končetiny a způsobují chodci zranění jako jsou zlomeniny převážně stehenní kosti, ale také kyčle a pánve. Pro testování této oblasti byl tedy z těchto důvodů vyvinut impaktor stehna představující stehenní část dolní končetiny. Test se provádí nárazem impaktoru stehna na referenční čáru hrany kapoty (bonnet leading edge reference line). Tato čára je množinou dotekových bodů kapoty (resp. světel, masky) s rovnou 1000mm dlouhou rovnou hranou, svírající se svislicí úhel 50° vstříc přední části vozidla a jejíž spodní konec je ve výšce 600 mm nad zemí. U vozidel, která mají spodní hranu nárazníku ve výšce nad 500mm se provádí náraz impaktorem stehna rovněž na nárazník a nahrazuje se tak test nárazu celé dolní končetiny. čep (ocel) Nosné rameno (upevnění do unašecího systému)

Nosné těleso impaktoru

Uchycení trubky + snímač síly

Krytka trubky

těleso impaktoru (ocel)

závaží (ocel)

1D Beam (Snímač síly)

Ocelová trubka (vnější Ø 50 mm, tl. stěny 3mm)

pěna Confor™ typu CF-45 (2 pláty, na povrchu syntetická kůže)

pěna (Confor™ CF - 45)

Obr. 3 Řez ipaktorem stehna [1]

snímače ohybových momentů

syntetická kůže

Obr. 4 Řez modelem impaktoru stehna [1]

Impaktor stehna se skládá ze tří částí: nosného ramene, nosného tělesa (někdy se označuje jako zadní část) a přední části. Přední (nárazová) část je tvořena ocelovou trubkou vnějšího průměru 50 mm a tloušťkou stěny 3 mm. Ta je chráněna dvěma pásy 25 mm tenké pěny a 1,5 mm tenkým plátem syntetické kůže stočenými kolem trubky do „U“. Trubka je na zadní stěně opatřena třemi tenzometry z jimiž měřených hodnot se určuje okamžitý ohybový moment. Přední část je k nosnému tělesu připevněna dvěma snímači síly. Nosné těleso je tuhá homogenní část impaktoru, která je opatřena úchyty na závaží, kterými se nastavuje celková požadovaná hmotnost impaktoru pro konkrétní náraz. Nosné těleso je k nosnému rameni zajištěno přes v jedné rovině otočný kloub, jehož tuhost je nastavena na omezující ohybový moment min. 650 Nm, tak aby nedošlo k případnému poškození impaktoru. Nosné rameno slouží k upevnění do vodícího a vystřelovacího systému. Celkovou hmotnost impaktoru je možné pomocí přídavných závaží nastavit na hodnoty v rozmezí 10 až 17 kg. Rozměrově je limitována pouze přední část impaktoru: její výška, průměr a tloušťka trubky a umístění jednotlivých snímačů. Při modelování nárazový zkoušek na počítači se používají modely impaktorů, které musí splňovat všechny požadavky kladené na fyzické impaktory včetně certifikačních zkoušek (samozřejmě


367

prováděných ve výpočtových modelech). Z těchto důvodů se tedy tyto modely co nejvěrněji podobají svým fyzickým kolegům. Dle obrázků (viz Obr.3 a Obr.4) si lze všimnout, že mezi modelem a skutečným impaktorem jsou opravdu jen malé rozdíly způsobené účelností a možnostmi modelování. Vyhodnocení zkoušky nárazu impaktoru stehna na referenční čáru hrany kapoty vychází ze snímaných veličin jednotlivými snímači. Jak už bylo dříve uvedeno vyhodnocuje se ohybový moment (získávaný ze signálů tří tenzometrů) a také nárazové síly (ze signálů horního a dolního snímače sil). Nárazové síly z horního a dolního snímače sil se sčítají a kritérium okamžitého součtu nárazových sil stanovuje strop na 5kN. Ohybový moment vypočtený ze signálů z tenzometrů je omezen maximální hodnotou 300Nm.

2.3 Oblast nárazníku Přední nárazník je už ze svého principu a funkce vůbec první součástí automobilu, kde se při čelní srážce odehrává prvotní kontakt s tělesem a následně pak jejich deformace. Nejinak je tomu i v případě kolize s chodcem. Zde je vzhledem k nejčastějšímu vzájemnému postavení chodce a automobilu nejvíce namáhána celá dolní končetina, především pak oblast kolena, ale i kotníku a holenní části dolní končetiny. To potvrzují i statistiky, které udávají asi 37 % podíl zranění dolní končetiny na všech zraněních při srážkách automobilu s chodcem [2]. Samotná oblast nárazníku se pak podílí 15,3 % na zranění chodce ze všech exponovaných částí čelní partie automobilu včetně následného pádu na vozovku. Test této části automobilu se provádí nárazem impaktoru dolní končetiny a pozornost je při něm soustředěna především na kolenní kloub. Uspořádání zkoušky u testu nárazem impaktoru dolní končetiny je trochu specifické v tom, že musí být zachovány dvě podmínky: podmínka volného letu impaktoru a podmínka polohy impaktoru v době nárazu, kdy jeho spodní okraj musí ležet ve stejné vodorovné rovině jako je vztažná hladina, tedy zem. Impaktor se vystřeluje vstříc nárazníku podle uvedených podmínek opět nejméně jeden náraz do každé z vymezených třetin. Impaktor dolní končetiny lze rozdělit do tří částí: stehenní část, kolenní element, a holenní část. Průměr vnitřní tuhé části impaktoru představující stehenní a holenní kost je 70 mm a obě části (i přes kolenní element) by měly být pokryty 25 mm tenkou pěnou představující “maso” a kůží z neoprénové pryže z obou stran pokrytou 0,5 mm tenkou nylonovou látkou. Celková tloušťka kůže by měla být 6 mm. Kolenní element má zajistit deformovatelné spojení stehenní a holenní části. Na zadní straně holenní části impaktoru je 66 mm pod středem kolenního elementu zabudován jednoosý snímač zrychlení se směrem citlivosti natočeným ve shodě se směrem nárazu. Impaktor by dále měl být na zadní straně vybaven tlumičem příčného posunu stehenní a holenní části. Při zkoušce nárazu impaktoru dolní končetiny na nárazník se hodnotí tři kritéria: úhel ohybu kolena, posun (ve smyku) v koleně a zrychlení horní části tibie. Limit pro maximální úhel ohybu kolena je omezen hranicí 15°. Kritérium vzájemného posunu v koleně je stanoveno limitem 6 mm. Maximální hodnota zrychlení horní části holeně má hranici nastavenou na 150 g.

3 KONCEPČNÍ ŘEŠENÍ Důkazem toho, že v oblasti ochrany chodců se hledají stále nové možnosti, je řada koncepčních řešení. Vyskytují se mezi nimi jak pasivní, tak i aktivní prvky bezpečnosti a řada z nich již, zatím jen při laboratorních testech, vykazuje řadu výborných výsledků. Lze jen doufat, že většinu z nich čeká skutečné užití v praxi. Mezi taková řešení můžeme řadit například aktivní kapotu, systémy airbagů pro chodce, dále pak systémy pomáhající zachování správné identifikace těles za snížené viditelnosti a nebo systémy s asistenty, které se snaží zcela zabránit střetu s chodcem.

3.1 Aktivní kapota a spoiler Účelem těchto systémů je snaha snížit riziko, popřípadě závažnost zranění chodce při střetu s automobilem. Princip jejich činnosti je založen na zvětšení deformačních zón, a to správně načasovaným pozvednutím kapoty nebo vysunutím předního spoileru. Vysunutím spoileru na úroveň předního nárazníku se docílí toho, že se jednak zvýší dotyková plocha prvního kontaktu s chodcem, ale hlavně se sníží riziko komplikovaných poranění kotníkové části dolní končetiny. Ta se jinak v první fázi dostává pod nárazník a je namáhána velkým ohybovým momentem. Aktivní kapota se naopak snaží chránit nejchoulostivější partii těla – hlavu. Při střetu automobilu s chodcem se aktivuje systém, který pozvedne („vystřelí“) kapotu v oblasti závěsů o

368


několik centimetrů výše. Tím se zvětší prostor pro deformaci kapoty a chodci hrozí méně tvrdý náraz, zvláště pak průraz na pevné části motoru a nebo tužší části karosérie. Výsledky dosavadních testů jsou zřejmé z grafu (viz Obr.6) [6], kde je porovnáván střet chodce s automobilem bez aktivní kapoty a vybaveného aktivní kapotou. Je patrné, že v některých místech kapoty došlo k zásadnímu snížení HIC a v případě aktivní kapoty jsou všechny hodnoty ve všech měřených místech s rezervou pod hranicí 1000 HIC.

Obr. 5 Aktivní kapota

Obr. 6 Účinnost aktivní kapoty

3.2 Systémy airbagů pro chodce I v tomto případě se jedná o snahu co nejvíce snížit rizika poranění chodců při střetu s automobilem. Vychází se při tom z již osvědčeného používání interiérových airbagů majících za úkol chránit osádku vozidla.

Obr. 7 Airbag pro chodce

Obr. 8 Účinnost airbagu pro chodce

Airbagy je snaha umístit tam, kde není zatím prakticky jiná možnost ochrany chodce. Jedná se především o oblast „A“-sloupků a čelního skla a jeho rámu. Tato místa jsou vysoce problematická a nejsou zahrnuta ani do žádných testů na ochranu chodců. Setkávají se zde dva protichůdné aspekty bezpečnosti, protože „A“-sloupky jsou jedním z důležitých bezpečnostních prvků chránících osádku a výrobci se je snaží konstruovat co nejtužší. Podobně je to i s čelním sklem. Jediné zatím schůdné řešení se jeví překrýt tyto oblasti v případě nárazu měkkým prvkem, tedy nejsnadněji airbagem. Tento typ systému se logicky kombinuje s aktivní kapotou, jednak kvůli maximalizaci ochrany chodce, ale také snadnějšímu nafouknutí airbagů. Účinnost celého systému lze opět sledovat na grafu společnosti Autoliv [7], která tento systém vyvinula. Z grafu je zřejmé, že jak pro rychlost 30 km/h, tak i pro 40 km/h se oproti automobilu s nechráněnými kritickými partiemi podařilo dosáhnout opět dramatického snížení hodnoty HIC a to dokonce pod hranici 1000 HIC a jednoznačně se i zvýšila šance chodce na přežití.

3.3 Noční vidění [8] Nejedná o řešení, které by chodci poskytovalo nějakou ochranu přímo při kolizi, ale, a to je ještě důležitější, se jedná o řešení preventivní. Každý motorista z vlastní zkušenosti ví, jak nepříjemné je v noci míjet neosvětlené chodce a cyklisty, zvláště pak oděné do tmavého oblečení. Často se stává, že takto nezřetelná postava na silnici se řidiči vynoří jen pár metrů před vozidlem a moc času na reakci


369

nezbývá. Podobné situace jsou ještě horší a dramatičtější, když je řidič navíc oslněn protijedoucím vozidlem. Snahou vyřešit tento problém a řidiči usnadnit tak práci a zmírnit stres za volantem je systém nočního vidění sestávající se z malé kamery umístěné třeba před čelním sklem a displeje umístěném v zorném poli řidiče. Kamera dokáže snímat situaci před vozidlem s větši světelnou citlivostí a kontrastem než je fyziologicky schopno oko řidiče. Obraz z kamery je přenášen na displej a řidič je tak schopen včas rozpoznat překážku na silnici. Nespornou výhodou tohoto systému je, že kamera, ačkoli dokáže situaci před vozidlem takto snímat, je přizpůsobena na prudkou změnu světelných podmínek jako je například oslnění od protijedoucího vozidla. Takovouto ostrou změnu řidič na displeji prakticky ani nezaznamená a výhled před vozidlo má stále výborný. Otázkou však zůstává, zda viditelnost displeje řidiči neznesnadní zvýšená intenzita světla v kabině vozidla , či přímo ostré světlo od protijedoucího automobilu.

3.4 Pre-crash sensing [9] Další skupinou preventivních opatření je tzv. pre-crash sensing. Jedná se o celý poměrně komplikovaný systém, jehož účelem je předejít srážce vozidla s nenadálou překážkou. Sestává se ze zařízení monitorujícího situaci před vozidlem, většinou na bázi radaru, či laseru a systému, který dokáže rozpoznat typ překážky. Na základě vyhodnocených údajů pak může pomocí například brzdového asistenta nebo jiného elektronického stabilizačního systému zasáhnout řidiči do řízení a zabránit tak například kolizi s chodcem, či aktivovat nějaký z bezpečnostních prvků (např. airbag., aktivní kapotu). Literatura [1]SWELL, spol. s r.o. - konstrukční a výpočtová kancelář [2]CRANDALL, J.R., BHALLA, K.S., MADELEY, N.J. Designing road vehicles for pedestrian protection [online]. [cit. 2004 – 06-08] Dostup z WWW: [3] Testy bezpečnosti Euro NCAP [online]. [cit. 2004 – 01-09] Dostupné z WWW: [4] European Enhanced Vehicle-safety Comittee – WG17 frame set [online]. [cit. 2004 – 06-08]. c2004 Dostupné z WWW: . [5] Illustrations Pedestrian Protection [online]. [cit. 2004 – 06-08]. Dostupné z WWW: [6] Pedestrian Protection [online]. [cit. 2004 – 06-08]. Dostupné z WWW: [7] Night vision system [online]. [cit. 2004 – 06-08]. Dostupné z WWW: [8] Pre-crash sensing [online]. [cit. 2004 – 06-08]. Dostupné z WWW: [9] GAVRILA,Dariu M. Sensor-Based Pedestrian Protection [online]. [cit. 2004 – 06-08]. Dostupné z WWW: [10 European New Car assessment Programme: Test Procedures [online]. [cit. 2004 – 06-08]. Dostupné z WWW: Recenzent: Ing. Tibor Kubjatko, PhD., Ústav súdneho inžinierstva, Žilinská univerzita

BEZPEČNOST A OCHRANA CHODCŮ PEDESTRIAN SAFETY AND PROTECTION

Recommend Documents