Bilsäkerhet har kommit långt under de senaste decennierna, och en av de mest effektiva innovationerna är krympzonen . Även känd som en krosszon , skrynkliga zoner är områden på ett fordon som är utformade för att deformeras och skrynklas vid en kollision. Detta absorberar en del av energin från stöten och förhindrar att den överförs till de åkande.
Att hålla människor säkra i bilolyckor är förstås inte så enkelt som att få hela fordonet att skrynkla ihop sig. Ingenjörer måste ta hänsyn till många faktorer för att utforma säkrare bilar, inklusive fordonsstorlek och vikt, ramstyvhet och de påfrestningar som bilen sannolikt kommer att utsättas för vid en krock. Till exempel utsätts racerbilar för mycket allvarligare påkörningar än gatubilar, och stadsjeepar kraschar ofta med mer kraft än små bilar.
Vi ska ta reda på hur skrynkelzoner omfördelar krafterna som är inblandade i en krasch, vilka skrynkelzoner är gjorda av och lära oss om några andra avancerade säkerhetssystem som testas just nu. Vi kommer också att ta reda på hur skrynkelzoner har införlivats i racerbilar och varför ett antal dödsfall i racing kunde ha förhindrats om sporten hade anammat dessa säkerhetsfunktioner tidigare. Vi ska till och med ta en titt på skrynkliga zoner som är utformade för att absorbera den massiva påverkan av en tågkollision.
Läs nästa sida för att ta reda på vilka krafter som är involverade i en kollision och för att lära dig hur en väldesignad skrynkelzon kan minimera passagerarnas skador.
Vad finns i en Crumple Zone?Det specifika med crumple zone-designer är vanligtvis proprietär information som biltillverkarna är ovilliga att avslöja. De kan variera kraftigt beroende på fordonets storlek och vikt. Designers måste hitta en balans mellan för mycket slagtålighet och för lite slagtålighet. Enkla konstruktioner kan inkludera ramsegment byggda för att böjas i vissa områden eller kollapsa på sig själva. Mer avancerade konstruktioner kan använda en mängd olika metaller och andra material som är noggrant konstruerade för att absorbera så mycket kinetisk energi som möjligt. Högpresterande bilar använder ofta en honeycomb-design, som ger styvhet under normala förhållanden, men kan kollapsa och skrynklas i en krock.
Innehåll
Närhelst en bil är inblandad i en krock, är intensiva kinetiska krafter på väg. En given mängd kraft är närvarande vid en krasch. De faktiska siffrorna varierar beroende på bilens hastighet och massa och hastigheten och massan på vad den än träffar. Fysiker mäter denna kraft som acceleration -- även när man går från en hög hastighet till en lägre hastighet kallas varje förändring i hastighet över tiden vetenskapligt som acceleration. För att undvika förvirring kommer vi att kalla kraschacceleration som retardation .
Crumple zones uppnår två säkerhetsmål. De minskar den initiala kraften från kraschen och de omfördelar kraften innan den når fordonets passagerare.
Det bästa sättet att minska den initiala kraften i en krasch med en given mängd massa och hastighet är att bromsa inbromsningen. Du har själv sett den här effekten om du har varit tvungen att bromsa av någon anledning. Krafterna man upplever vid ett nödstopp är mycket större än när man gradvis saktar ner för ett stoppljus. Vid en kollision kan bromsning av inbromsningen med några tiondels sekund skapa en drastisk minskning av den inblandade kraften. Kraft är en enkel ekvation:
Att halvera retardationen halverar också kraften. Därför kommer en ändring av retardationstiden från 0,2 sekunder till 0,8 sekunder att resultera i en minskning av den totala kraften med 75 procent.
Skrynkliga zoner åstadkommer detta genom att skapa en buffertzon runt bilens omkrets. Vissa delar av en bil är i sig styva och motståndskraftiga mot deformering, som kupén och motorn. Om de stela delarna träffar något, kommer de att bromsa in mycket snabbt, vilket resulterar i mycket kraft. Att omge delarna med skrynkliga zoner gör att de mindre styva materialen kan ta den första stöten. Bilen börjar bromsa så snart skrynkelzonen börjar skrynklas, vilket förlänger retardationen med några extra tiondelar av en sekund.
Skrynkliga zoner hjälper också till att omfördela kraften från stöten. All kraft måste gå någonstans -- målet är att skicka bort den från de åkande. Tänk på kraften som är inblandad i en krasch som en kraftbudget. Allt som händer med bilen under en kollision och varje person inuti bilen vid tidpunkten för kollisionen lägger ner en del av kraften. Om bilen träffar ett icke-stationärt föremål, som en parkerad bil, överförs en viss kraft till det föremålet. Om bilen träffar något med ett blickande slag och snurrar eller rullar, läggs mycket av kraften på att snurra och rulla. Om delar av bilen flyger av går ännu mer kraft åt. Viktigast av allt, skador på själva bilen spenderar kraft. Att böja delar av ramen, krossa kroppspaneler, krossa glas -- alla dessa åtgärder kräver energi. Tänk på hur mycket kraft som krävs för att böja stålramen på en bil. Den mängden kraft läggs på att böja ramen, så den överförs aldrig till de åkande.
Crumple zones är baserade på det konceptet. Delar av bilen är byggda med speciella strukturer inuti dem som är designade för att skadas, skrynklas, krossas och gå sönder. Vi kommer att förklara själva strukturerna inom kort, men den grundläggande idén är att det krävs kraft för att skada dem. Skrynkliga zoner använder så mycket kraft som möjligt så att andra delar av bilen och de åkande inte drabbas av effekterna.
Så varför inte göra hela bilen till en gigantisk skrynklig zon? Och om du behöver utrymme för en skrynkelzon för att absorbera stötar, hur bygger du en kompakt bil med skrynkliga zoner? Vi kommer att förklara i nästa avsnitt.
Uppfinnaren av Crumple Zone
Béla Barényi var ingenjör och uppfinnare som tillbringade större delen av sin karriär med att arbeta för Daimler-Benz. Hans namn förekommer på mer än 2 500 patent. Ett av dessa patent, utfärdat 1952, förklarar hur en bil kan utformas med områden fram och bak byggda för att deformeras och absorbera kinetisk energi vid en kollision. Han använde konceptet 1959 på Mercedes-Benz W111 Fintail, den första bilen som använde skrynkelzoner [källa:tyska patent- och varumärkesbyrån].
Att absorbera och omdirigera påverkan är bra, men det är inte den enda säkerhetsfrågan som bildesigners behöver oroa sig för. Bilens passagerarutrymme måste motstå att penetreras av yttre föremål eller andra delar av bilen, och det måste hålla ihop så att de åkande inte kastas ut. Du kan inte göra en hel bil till en skrynklig zon eftersom du inte vill att människorna i den ska skrynklas också. Det är därför bilar är designade med en styv, stark ram som omsluter de åkande, med skrynkliga zoner fram och bak. Kraftminskning och omfördelning åstadkoms inuti passagerarutrymmet genom
användning av krockkuddar.
Det finns vissa delar av bilar som helt enkelt inte kan skrynkla ihop sig. Motorn är den främsta förövaren - i de flesta fordon är motorn ett stort, tungt stålblock. Inget skrynkligt där. Detsamma gäller för fordon med motorblock i aluminium. Ibland måste bilar designas om för att flytta motorn längre bak i ramen för att rymma en större skrynkelzon. Detta kan dock orsaka problem också - om motorn trycks tillbaka in i kupén till följd av en stöt kan det orsaka skador.
Bränsletankar och batteripaket, i el- eller hybridfordon, måste också skyddas från stötar för att förhindra bränder eller exponering för giftiga kemikalier. De kan utformas så att en del av ramen skyddar tanken, men den delen av ramen kan böjas bort från stöten. Till exempel, om en bil är bakre änden, böjs ramen upp, lyfter bensintanken ur vägen och absorberar en del stötar. Nyare bilar har system som stänger av bränsletillförseln till motorn vid en krock, och Tesla Roadster, en högpresterande elbil, har ett säkerhetssystem som stänger av batteripaketen och tappar all elektrisk energi från kablarna som löper i hela bilen när den känner av en nödsituation [källa:Tesla Motors].
Naturligtvis är det lätt att bygga in skrynkliga zoner i ett stort fordon med gott om utrymme att skrynkla innan kupén påverkas. Att designa skrynkliga zoner till små fordon kräver lite kreativitet. Ett bra exempel är smart fortwo, en extremt liten
och effektivt fordon. Föraren och passageraren är inneslutna i tridion säkerhetscellen, en stålram med utmärkt styvhet för sin storlek. Geometrin är utformad för att fördela stötar över hela ramen. Längst fram och bak på smart fortwo finns det som smart kallar crashboxar . Dessa är små stålstomme som kollapsar och skrynklas för att absorbera stötar. Eftersom krockboxarna är så små har andra stötdämpande funktioner använts för att komplettera dem. Till exempel kan transmissionen fungera som en stötdämpare vid en frontalkrock. Den korta hjulbasen på fortwo innebär att nästan alla slag kommer att involvera däck, hjul och fjädring. Dessa komponenter har designats för att deformeras, bryta loss eller återhämta sig, vilket hjälper till att absorbera ännu mer kinetisk energi under en kollision [källa:smart USA].
Därefter ska vi se hur skrynkelzoner hjälper till att hålla din favorit racerbilsförare vid liv.
Skrynkla zoner på tåg
Vi har pratat om den otroliga kinetiska kraften i arbetet när en bil kraschar, men föreställ dig kraften som är involverad när två tåg kolliderar. På grund av den enorma vikten av ett tåg kan en kollision skapa krafter som är dussintals eller till och med hundratals gånger större än de i en bilolycka. Ändå kan skrynkelzoner användas även under dessa extrema omständigheter. Med hjälp av 3D-datorsimuleringar kan ingenjörer bygga en skrynkelzon som kommer att deformeras stadigt och jämnt under sammanstötningen och absorberar maximal kraft som möjligt. Skrynkelzonerna placeras sedan på båda ändarna av varje vagn i ett passagerartåg. I händelse av en kollision fördelar kedjereaktionen av bilar som smäller in i varandra kraft genom alla skrynkliga zoner i tåget. Det kan absorbera tillräckligt med slagkrafter för att förhindra skador på passagerare [källa:Machine Design].
Även om du inte är ett fan av bilracing, har du förmodligen sett bilder av spektakulära krascher där bilar ramlar nerför banan, slänger delar åt alla håll när bilen bokstavligen förstörs. Men mirakulöst nog klättrar föraren ut ur det vridna vraket och går därifrån oskadd. Även om dessa krascher ser skrämmande ut, är all den spektakulära förstörelsen att spendera kinetisk energi. Det är förmodligen ingen rolig åktur för föraren, men bilen gör precis vad den var designad för att göra i den här situationen – skydda personen i förarsätet.
Det har också förekommit sällsynta tillfällen då en racerbil har träffat ett fast föremål i hög hastighet, som NASCAR-föraren Michael Waltrips krasch i Bristol 1990. Han träffade den trubbiga änden av en betongvägg i tävlingshastigheter, och bilen stannade mycket plötsligt. . Nedslaget genererade enorma krafter, men Waltrip var oskadd. Anledningen är uppenbar i att titta på resterna av hans bil den dagen. Det var totalt och totalt förstört. All den kraften gick åt till att förstöra bilen. Det är uppenbart att incidenten gick långt bortom förmågorna för någon skrynkelzon, och i själva verket var det bara en tur att ingenting trängde sig in i förarutrymmet för att skada Waltrip. Kraftomfördelning räddade hans liv.
Det finns dock en olycklig motpol till konceptet. Från 1980-talet till början av 2000-talet inträffade många racingolyckor på grund av alltför styva chassi. Den förmodligen mest kända incidenten är Dale Earnhardt Sr.s död i 2001 års Daytona 500. Kraschen verkade initialt inte vara allvarlig och bilen verkade inte lida omfattande skador; men det var just det som var problemet. En stor del av stötkraften överfördes direkt till föraren, vilket orsakade omedelbara och allvarliga skador. Den dödliga skadan var en basilär skallfraktur, en skada på området där skallen och ryggmärgen ansluter. Denna skada är dödsorsaken i många bilracingolyckor, och den uppstår när huvudet snäpper framåt vid kollisionen medan kroppen förblir fastspänd av säkerhetsbälten. Medan huvud- och nackskyddsanordningar har sänkt förekomsten av basilära skallfrakturer, har minskande stötkrafter på föraren också spelat en stor roll.
Flera andra välkända förare dödades under denna period, såväl som mindre kända förare i NASCAR-klasser med modifierade och sena modeller som tävlade på banor i hela USA. Anledningen till ökningen av antalet dödsolyckor var helt enkelt strävan efter högre prestanda. Bildesigners och besättningar sökte bättre hantering genom att skapa ett styvare chassi. Detta inkluderade att lägga till komponenter till ramen, använda raka ramskenor och byta till stålrör med tjockare väggar. Visst gjorde de chassit styvare, men när dessa oflexibla bilar träffade en vägg var det inget att ge. Ingen av kraften absorberades av bilen - föraren tog det mesta av kollisionen.
Redan före Earnhardts död 2001 försökte racerbanor hitta lösningar på detta problem. Banor i nordöstra USA experimenterade med gigantiska block av industriell frigolit som kantar väggarna, ett koncept som liknar den mjuka väggteknologin som används på många superspeedways idag. Ännu viktigare, bilarna byttes ut. Tunnare stålrör används nu på vissa delar av chassit, och ramskenor har en böjning eller skåra så att de deformeras något förutsägbart vid kollisionen.
NASCARs Car of Tomorrow, som används i Sprint Cup-racing, har skum och annat stötdämpande material insatt i kritiska områden av ramen. Även om bilracing alltid kommer att vara en farlig sport, har användningen av mindre styv chassikonstruktion, mjukväggsteknik och nack- och nackskydd kraftigt minskat förarnas kollisionskrafter.
För mer information om fordonssäkerhetsanordningar, racing och andra relaterade ämnen, följ länkarna på nästa sida.
Safety Ride Down
Volvo har utvecklat en annan stötdämpande teknik för användning i små bilar. Förarstolen är monterad på vad som i grunden är en släde på en skena, med stötdämpare framför sig. Vid en kollision glider hela "släden" (säte och förare ingår) framåt upp till 8 tum, och stötdämparna gör bokstavligen sitt jobb och absorberar stöten från stöten. Samtidigt glider ratten och en del av instrumentbrädan framåt för att ge plats åt föraren. I kombination med en främre skrynkelzon och möjligen en krockkudde, kan detta system avsevärt minska krafterna som verkar på föraren vid en frontkollision [källa:Ford Motor Company].
Ursprungligen publicerad:11 augusti 2008
