Hvordan smulete soner fungerer

Crumple-soner er designet for å absorbere og fordele kraften ved en kollisjon. Se flere bilsikkerhetsbilder. Gule hundeproduksjoner / Getty Images

Bilsikkerhet har kommet langt de siste tiårene, og en av de mest effektive nyvinningene er krøllesone. Også kjent som en knuse sone, krøllesoner er områder av et kjøretøy som er designet for å deformeres og krølles i en kollisjon. Dette absorberer noe av energien fra påvirkningen, og forhindrer at den overføres til beboerne.

Å holde folk trygge i bilulykker er selvfølgelig ikke så enkelt som å gjøre hele kjøretøyet krøllete. Ingeniører må ta hensyn til mange faktorer i utformingen av tryggere biler, inkludert kjøretøystørrelse og vekt, rammestivhet og belastningen som bilen sannsynligvis vil bli utsatt for i et brak. For eksempel opplever racerbiler langt mer alvorlige utslag enn gatebiler, og SUV-er krasjer ofte med mer kraft enn små biler.

Vi skal finne ut hvordan krøllesoner omfordeler styrkene som er involvert i en krasj, hvilke krumlsoner er laget av og lære om noen få andre avanserte sikkerhetssystemer som testes ut akkurat nå. Vi vil også finne ut hvordan krøllesoner er blitt innlemmet i racerbiler, og hvorfor en rekke racing-dødsulykker kunne vært forhindret hvis sporten tidligere hadde tatt i bruk disse sikkerhetsfunksjonene. Vi vil til og med ta en titt på krøllesoner designet for å absorbere den enorme effekten av en toglass.

For å finne ut styrkene som er involvert i en kollisjon, og lære hvordan en godt designet krøllesone kan minimere passasjerer, kan du lese neste side.

Hva er i en smule sone?

Det spesifikke ved design av krøllesone er vanligvis proprietær informasjon som bilprodusenter er tilbakeholdne med å røpe. De kan variere mye, avhengig av kjøretøyets størrelse og vekt. Designere må finne en balanse mellom for mye slagfasthet og for lite slagfasthet. Enkle design kan inkludere rammesegmenter bygget for å bøye seg i bestemte områder eller kollapse på seg selv. Mer avanserte design kan bruke en rekke metaller og andre materialer nøye konstruert for å absorbere så mye kinetisk energi som mulig. Høytytende biler bruker ofte en honningkakedesign, som tilbyr stivhet under normale forhold, men som kan kollapse og krasse i et krasj.

innhold

1. Force of Impact
2. Design kompromisser
3. Forebygging av omkomne i bilracing

Disse bilene har blitt satt til kollisjonstest på et forskningsanlegg for bilsikkerhet i Wolfsburg, Tyskland. Legg merke til hvordan krøllesonene ser ut til å ha absorbert mesteparten av støt. Peter Ginter / Getty Images

Hver gang en bil er involvert i et brak, er intense kinetiske krefter på jobb. En gitt mengde styrke er til stede under enhver krasj. De faktiske tallene varierer basert på hastighet og masse på bilen og hastighet og masse uansett hva den treffer. Fysikere måler denne styrken som akselerasjon -- selv når du går fra høy hastighet til lavere hastighet, blir enhver endring i hastighet over tid vitenskapelig referert til som akselerasjon. For å unngå forvirring, vil vi referere til krasjakselerasjon som retardasjon.

Smelte soner oppnår to sikkerhetsmål. De reduserer den innledende styrken til krasjet, og de fordeler styrken før den når kjøretøyets beboere.

Den beste måten å redusere startkraften i et krasj med en gitt mengde masse og hastighet er å bremse retardasjonen. Du har sett denne effekten selv hvis du av en eller annen grunn har måttet smelle på bremsene. Kreftene du opplever i et nødstopp er mye større enn når du gradvis bremser for en stopplys. Ved en kollisjon kan det gi en drastisk reduksjon i den involverte kraften ved å bremse ned retardasjonen med enda noen tideler av et sekund. Kraft er en enkel ligning:

Kraft = masse * akselerasjon

Å kutte retardasjonen i to deler kutter også kraften i to. Endring av retardasjonstiden fra .2 sekunder til .8 sekunder vil derfor føre til 75 prosent reduksjon i total kraft.

Smulete soner oppnår dette ved å lage en buffersone rundt omkretsen av bilen. Enkelte deler av en bil er iboende stiv og motstandsdyktig mot deformasjon, for eksempel kupeen og motoren. Hvis de stive delene treffer noe, vil de sakte raskt, noe som resulterer i mye kraft. Når du omgir de delene med krøllesoner, kan de mindre stive materialene ta den første innvirkningen. Bilen begynner å retardere så snart krøllesonen begynner å smuldre, og forlenger retardasjonen over noen ekstra tideler av et sekund.

Crumple-soner er også med på å omfordele påvirkningskraften. All styrken må gå et sted - målet er å sende den bort fra okkupantene. Tenk på styrken som er involvert i et krasj som et styrkebudsjett. Alt som skjer med bilen under påvirkningen, og hver person inne i bilen på støtet bruker noe av kreften. Hvis bilen treffer en ikke-stasjonær gjenstand, som en parkert bil, overføres en eller annen kraft til den gjenstanden. Hvis bilen treffer noe med et blikk, og snurrer eller ruller, blir mye av kraften brukt på spinning og rulling. Hvis deler av bilen flyr av, brukes enda mer krefter. Det viktigste er at skader på selve bilen bruker makt. Bøyer deler av rammen, knusende kroppspaneler, knusende glass - alle disse handlingene krever energi. Tenk på hvor mye kraft som trengs for å bøye stålrammen til en bil. Den mengden kraft blir brukt på å bøye rammen, så den blir aldri overført til okkupantene.

Crumple-soner er basert på dette konseptet. Deler av bilen er bygget med spesielle strukturer inni seg som er designet for å bli skadet, krøllet, knust og ødelagt. Vi skal forklare strukturene i løpet av kort tid, men den grunnleggende ideen er at det tar kraft for å skade dem. Crumple-soner bruker så mye krefter som mulig, slik at andre deler av bilen så vel som beboerne ikke lider av effektene.

Så hvorfor ikke gjøre hele bilen til en gigantisk krøllesone? Og hvis du trenger plass til en krøllesone for å absorbere støt, hvordan bygger du en kompakt bil med krøllesoner? Vi forklarer i neste avsnitt.

-

Oppfinner av Crumple Zone

Béla Barényi var en ingeniør og oppfinner som tilbrakte mesteparten av sin karriere ved å jobbe for Daimler-Benz. Navnet hans vises på mer enn 2500 patenter. Et av disse patentene, utstedt i 1952, forklarer hvordan en bil kan utformes med områder foran og bak bygget for å deformere og absorbere kinetisk energi i en påvirkning. Han la konseptet å bruke i 1959 på Mercedes-Benz W111 Fintail, den første bilen som brukte krøllesoner [kilde: German Patent and Trade Mark Office].

Denne BMW-en har tydeligvis fått en kraftig påvirkning og virker omfattende skadet. Ingen av skadene var imidlertid på passasjerrommet - den fremre krøllesonen gjorde jobben sin. Tim Graham / Getty Images

Å absorbere og omdirigere virkningen er stor, men det er ikke det eneste sikkerhetsproblemet som bildesignere trenger å bekymre seg for. Kupeen til bilen må motstå å bli penetrert av gjenstander eller andre deler av bilen, og den må holde sammen slik at beboerne ikke blir kastet ut. Du kan ikke gjøre en hel bil til en krøllesone fordi du ikke vil at menneskene inni den også skal krølles. Derfor er biler designet med en stiv, sterk ramme som omslutter beboerne, med krøllesoner foran og bak. Kraftreduksjon og omfordeling oppnås inne i kupeen gjennom

bruk av kollisjonsputer.

Det er noen deler av biler som rett og slett ikke kan krølles. Motoren er den største fornærmede - i de fleste kjøretøyer er motoren en stor, tung stålblokk. Ingen krølling der. Det samme gjelder kjøretøyer med motorblokker av aluminium. Noen ganger må biler gjøres om for å flytte motoren lenger bak i rammen for å få plass til en større krøllesone. Dette kan imidlertid også føre til problemer - hvis motoren skyves tilbake i kupeen som følge av støt, kan det føre til personskader.

-Drivstofftanker og batteripakker i elektriske eller hybridkjøretøyer må også beskyttes mot støt for å forhindre brann eller eksponering for giftige kjemikalier. De kan utformes slik at en del av rammen beskytter tanken, men at en del av rammen kan bøye seg bort fra støt. For eksempel, hvis en bil er bakenden, bøyer rammen seg opp, løfter bensintanken ut av veien og absorberer noe støt. Nyere biler har systemer som kutter drivstofftilførselen til motoren under et krasj, og Tesla Roadster, en høyytelseselektrisk bil, har et sikkerhetssystem som slår av batteripakkene og tapper all elektrisk energi fra kablene som kjører i hele bilen når det opplever en nødsituasjon [kilde: Tesla Motors].

Selvfølgelig er det enkelt å bygge sammen krøllesoner i et stort kjøretøy med god plass til å krølles før kupeen blir påvirket. Å designe krøllesoner til små biler krever litt kreativitet. Et godt eksempel er smart fortwo, en ekstremt liten

og effektivt kjøretøy. Føreren og passasjeren er innelukket i tridion-sikkerhetscellen, et stålramme med utmerket stivhet for sin størrelse. Geometrien er designet for å distribuere påvirkninger over hele rammen. Foran og bak på smart fortwo er det smarte anrop krasjbokser. Dette er små stålrammer som kollapser og krøller for å absorbere støt. Fordi krasjkassene er så små, har andre støtdempende funksjoner blitt brukt for å supplere dem. For eksempel kan transmisjonen fungere som en støtdemper i tilfelle en frontkollisjon. Fortwo's korte akselavstand betyr at nesten alle støt vil involvere dekk, hjul og fjæring. Disse komponentene er designet for å deformere, bryte bort eller rebound, og hjelper til med å absorbere enda mer kinetisk energi under en påvirkning [kilde: smart USA].

Deretter får vi se hvordan krøllesoner hjelper til med å holde din favoritt racerbilfører i live.

-

Crumple Zones on Trains

Vi har snakket om den utrolige kinetiske kraften på jobb når en bil krasjer, men forestill deg styrken som er involvert når to tog kolliderer. På grunn av et enormt tyngde av et tog, kan en kollisjon skape krefter flere titalls eller hundre ganger større enn de i en bilulykke. Likevel kan krøllesoner brukes selv under disse ekstreme omstendighetene. Ved å bruke 3D-datasimuleringer kan ingeniører bygge en krøllesone som vil deformeres jevnt og jevnt under støt, og absorbere den maksimale kraften som mulig. Krympesonene plasseres deretter i begge ender av hver bil i et persontog. I tilfelle kollisjon, fordeler kjedereaksjonen til biler som smeller inn i hverandre kraft gjennom alle krøllesoner i toget. Det kan absorbere nok av slagkraften for å forhindre personskader [kilde: Maskindesign].

Noen krasj, for eksempel denne som involverer Formula One-sjåføren Robert Kubica, ser spektakulær og grufull ut. Faktisk reddet ødeleggelsen av bilen Kubicas liv. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Selv om du ikke er tilhenger av bilracing, har du sannsynligvis sett bilder av spektakulære krasjer der biler tumler nedover banen, og slenger deler i alle retninger ettersom bilen bokstavelig talt blir ødelagt. Likevel på mirakuløst vis klatrer sjåføren ut av det snodde vraket og går uskadet bort. Mens disse krasjene ser grufulle ut, bruker all den spektakulære ødeleggelsen kinetisk energi. Det er sannsynligvis ikke en morsom tur for sjåføren, men bilen gjør akkurat det den var designet for å gjøre i denne situasjonen - beskytt personen i førersetet.

Det har også vært sjeldne tilfeller når en racerbil har truffet en solid gjenstand i høy hastighet, for eksempel NASCAR-sjåfør Michael Waltrips krasjet ved Bristol i 1990. Han traff den stumpe enden av en betongvegg i racinghastigheter, og bilen stoppet veldig plutselig . Påvirkningen genererte enorme krefter, men likevel var Waltrip uskadd. Årsaken er tydelig ved å se på restene av bilen hans den dagen. Den ble fullstendig og fullstendig ødelagt. All den styrken ble brukt på ødeleggelsen av bilen. Det var klart at hendelsen gikk langt utover evnene til en hvilken som helst krøllesone, og faktisk var det ganske enkelt et spørsmål om flaks at ingenting trengte inn i førerhuset for å skade Waltrip. Tvangsfordeling reddet livet hans.

Etterspillet av krasjet som drepte Dale Earnhardt, sr. Bilen hans, den svarte nr. 3, ser ikke ut til å være hardt skadet. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Imidlertid er det et uheldig kontrapunkt til konseptet. Fra 1980-tallet til begynnelsen av 2000-tallet var det mange kappsulykker på grunn av altfor stivt understell. Den mest kjente hendelsen er sannsynligvis dødsfallet til Dale Earnhardt sr. I Daytona 500 i 2001. Krakket virket først ikke å være alvorlig, og bilen så ikke ut til å bli omfattende. det var imidlertid akkurat problemet. En stor del av støtkraften ble overført direkte til sjåføren, noe som medførte umiddelbare og alvorlige skader. Den dødelige skaden var en basilar hodeskallebrudd, en skade på området der skallen og ryggmargen kobles sammen. Denne skaden er dødsårsaken i mange bilkjøringsulykker, og den oppstår når hodet smeller fremover ved støt mens kroppen forblir behersket av sikkerhetsbelter. Mens hode- og nakkestøtteanordninger har senket forekomsten av basilar hodeskallebrudd, har reduserende påvirkningskrefter på sjåføren også spilt en stor rolle.

Flere andre kjente sjåfører ble drept i løpet av denne perioden, i tillegg til at mindre kjente førere i NASCAR modifiserte og sene modeller klasser racing på spor i hele USA. Årsaken bak økningen i dødelige krasjer var rett og slett jakten på høyere ytelse. Bildesignere og mannskaper søkte bedre håndtering ved å lage et mer stivt understell. Dette inkluderte å legge komponenter til rammen, bruke rette rammeskinner og bytte til stålrør med tykkere vegger. Jada, de gjorde chassiset mer stivt, men da disse ufleksible bilene traff en vegg, var det ingen gi. Ingen av styrken ble absorbert av bilen - føreren tok mesteparten av støt.

Allerede før Earnhardts død i 2001 prøvde løpespor å finne løsninger på dette problemet. Spor i det nordøstlige USA eksperimenterte med gigantiske blokker med industrigrepostforing på veggene. Enda viktigere var at bilene ble byttet. Tynnemålsstålrør brukes nå på visse deler av chassiset, og rammeskinner får en sving eller hakk, slik at de deformeres noe forutsigbart på støt.

NASCARs Car of Tomorrow, brukt i Sprint Cup racing, har skum og annet støtdempende materiale satt inn i kritiske områder av rammen. Selv om bilkjøring alltid vil være en farlig sport, har bruk av mindre stiv chassiskonstruksjon, myk veggteknologi og hode- og nakkestøtningssystemer kraftig redusert påvirkningskrefter på styrter.

For mer informasjon om sikkerhetsinnretninger for biler, racing og andre relaterte emner, følg lenkene på neste side.

-

Sikkerhet Ride Down

Volvo har utviklet en annen støtdempende teknologi for bruk i små biler. Førersetet er montert på det som i utgangspunktet er en slede på en skinne, med støtdempere foran. I en støt glir hele "sleden" (sete og fører inkludert) fremover opptil 8 tommer, og støtdemperne bokstavelig talt gjør jobben sin og absorberer støtets støt. Samtidig glir rattet og en del av instrumentbrettet fremover for å gi plass til sjåføren. Kombinert med en frontkrøllesone og muligens en kollisjonspute, kan dette systemet redusere kreftene som virker på føreren i en frontkollisjon [kilde: Ford Motor Company].

Relaterte artikler

• Hvordan krasjetesting fungerer
• Hvorfor er det fortsatt nødvendig å krasje testkjøretøyer?
• Har krasjetester noen gang brukt levende (eller døde) menneskelige beboere?
• Hvordan krefter, makt, dreiemoment og energi fungerer
• Hvordan kollisjonsputer fungerer
• Hvordan anti-låsebremser fungerer
• Hvordan bilbelter fungerer
• Hvordan smartbilen fungerer
• Hvordan NASCAR racerbiler fungerer
• Slik fungerer NASCAR sikkerhet

Flere gode lenker

• Circle Track Magazine
• Material
• NASCAR

kilder

• Akins, Ellen. "Sikkerhet i små biler: Volvos konsept med sikkerhetsturer." Ford Motor Company. 12. januar 2005. (1. august 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bob. "Sikkerhet på lager for biler - et forfriskende kurs." Sirkelbane. (1. august 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Maskindesign. "Kommer krasjsonen sammen? FEA forteller." 6. november 2003. (31. juli 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Materielle verdener. "Effektene av krøllesoner: krasjer i veggen." (1. august 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Smart USA. "Et hardt skall med et mykt interiør." (1. august 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Sikkerhet." (31. juli 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Det tyske patent- og varemerkekontoret. "Béla Barényi." (31. juli 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html