Nghiên cứu an toàn cho người trên xe khi va chạm trực diện,luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô, máy kéo

10 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Ôtô thành phần tổ hợp “Con người - Ơtơ - Đường - Mơi trường” Trong q trình ôtô chuyển động tác động từ bên đường xá, môi trường, điều kiện chủ quan người, chất lượng xe hệ thống bảo vệ có ảnh hưởng định đến an tồn giao thơng đường Trước tình hình tai nạn giao thơng ngày gia tăng, vấn đề an toàn cho người va chạm quan tâm nghiên cứu để nhằm hạn chế tối đa thiệt hại người xảy tai nạn 1.1 Tình hình an tồn giao thơng Việt Nam năm qua Trong năm gần tình hình an tồn giao thơng có diễn biến phức tạp, tình trạng ùn tắc tai nạn giao thông xảy nghiêm trọng thành phố Hồ Chí Minh Hà Nội (năm 2010 tăng khoảng triệu phương tiện xe máy ô tô) Từ năm 2006 trở lại số lượng phương tiện giao thông tăng lớn với số nguyên nhân khác nên tai nạn giao thông tăng đột biến gây tổn thất lớn người tài sản Theo thống kê Ủy ban an tồn giao thơng quốc gia tình hình tai nạn giao thơng đường năm từ 2006 đến 2010 cho thấy [5]: Bảng 1.1 Tình hình tai nạn giao thơng Việt Nam từ năm 2006 đến 2010 Năm Số vụ tai nạn giao thông đường Số người chết Bị thương 2006 14318 12190 10930 2007 13111 11836 9915 2008 12163 11318 7885 11 2009 11798 11091 7654 2010 13713 11060 10306 Qua thống kê thấy số vụ tai nạn giao thông số người chết bị thương hàng năm có xu hướng giảm dần, đặc biệt năm 2010 số vụ tai nạn giao thơng lại có xu hướng tăng lên thường xảy vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng va chạm xe ôtô gây thiệt hại lớn người phương tiện Cũng theo thống kê Cục cảnh sát giao thông đường - đường sắt cho thấy số vụ va chạm hai xe chiếm tỷ lệ sau [5]: Bảng 1.2 Tỷ lệ % số vụ tai nạn hai xe Năm Số vụ tai nạn giao thơng đường Số vụ tai nạn phân tích Số vụ va chạm hai xe Tỷ lệ % 2006 14318 10266 914 8,9 2007 13111 8942 841 9,4 2008 12163 7796 709 9,1 2009 11798 7857 746 9,5 2010 13713 9229 904 9,8 Qua phân tích số liệu va chạm hai xe năm 2006 phân loại dạng va chạm cụ thể sau [5]: - Va chạm trực diện: - Va chạm đuôi xe: - Va chạm bên: 497/914 vụ chiếm 54,4% 72/914 vụ chiếm 7,9% 285/914 vụ chiếm 31,2% - Nóc gầm xe: 24/914 vụ chiếm 2,6% - Va chạm khác: 36/914 vụ chiếm 3,9% 12 Hình 1.1 Tai nạn va chạm trực diện Theo số liệu số nước Viện nghiên cứu an toàn giao thông (Insurance Institute for Highway Safety – IIHS Mỹ), Cục quản lý phương tiện giao thông liên bang (Federal Department of Motor Vehicles – Đức) v.v… sở phân tích tai nạn thực cho thấy vùng phân bố va chạm xe sau [9]: Bảng 1.3 Tỷ lệ % dạng va chạm số nước Dạng va chạm Mỹ (1998) Đức (1995) Anh(2000) Tỷ lệ % Va chạm trực diện 52,4% 56,7% 67,1% 60,3% Va chạm đuôi xe 3,4% 9,6% 5,2% 4,9% Va chạm bên 28,7% 24,2% 21,4% 18,5% Nóc gầm xe 3,7% 2,4% 1,5% 6,8% Va chạm khác 11,8% 7,1% 4,8% 9,5% Tổng số 100% 100% 100% 100% 13 80,00% Va chạm trực diện Va chạm đuôi xe 70,00% Va chạm bên 60,00% Nóc gầm xe Va chạm khác 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Mü(1998) §øc(1995) Anh(2000) NhËt(2002) ViƯt Nam(2006) Hình 1.2 Biều đồ tỷ lệ % phân bố va chạm Việt Nam số nước khác Qua thống kê va chạm Việt Nam số nước công nghiệp phát triển ta thấy có khoảng 50% đến 60% số vụ va chạm khu vực đầu xe Do va chạm trực diện rõ ràng trường hợp xảy nhiều nguy hiểm cần quan tâm nghiên cứu Hiện nay, Việt Nam tình hình tai nạn giao thông trở thành vấn đề xúc tồn xã hội quan tâm, có nhiều ngun nhân tình trạng lên số nguyên nhân chủ yếu sau : - Chưa có chiến lược phát triển giao thông đường nên phối hợp Bộ, ngành quản lý nhập khẩu, sản xuất lắp ráp ô tô, xe máy thiếu đồng dẫn đến số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh Một số lượng lớn xe tơ có thời hạn sử dụng kéo dài qui định lưu hành 14 - Kết cấu hạ tầng giao thơng cịn yếu kém, chưa đáp ứng nhu cầu giao thông Một số tuyến đường nâng cấp mở rộng, đường tốt, xe chạy tốc độ cao, tổ chức giao thông chưa hợp lý, chủ yếu giao thơng hỗn hợp, có nhiều giao cắt đồng mức gây xung đột Tại đô thị tình trạng ách tắc thường xảy nút giao thông trọng điểm Ý thức chấp hành luật giao thông khả điều khiển phương tiện người tham gia giao thông chưa cao - Công tác kiểm định an tồn kỹ thuật phương tiện giao thơng chế hoạt động cịn nhiều bất cập nên có ảnh hưởng đến chất lượng kiểm định phương tiện Mặt khác, với loại xe sản xuất lắp ráp Việt Nam bộc lộ số nhược điểm trình sử dụng khả điều khiển, chống ồn rung, độ êm dịu chuyển động v.v…đặc biệt độ bền khung vỏ xe khả hoạt động thiết bị đảm bảo an toàn cho người va chạm Ngoài nguyên nhân trên, thấy tai nạn giao thơng ô tô tổng hợp yếu tố: môi trường bên ngồi, người lái, chất lượng kỹ thuật ơtơ Tại Việt Nam qua thống kê theo tỷ lệ % cho thấy [5]: - Do người lái : - Chất lượng kỹ thuật ôtô : 74  78%  14% - Mơi trường bên ngồi (đường xá, thời tiết) : 12  16% Trong yếu tố nêu yếu tố người lái yếu tố lớn nhất, yếu tố môi trường chủ yếu phụ thuộc vào phát triển kinh tế quốc gia Khi điều kiện hạ tầng sở tốt, yếu tố có tác dụng hai mặt: cho phép nâng cao chất lượng vận tải lại gia tăng tai nạn giao thông Yếu tố chất lượng kỹ thuật ô tô yếu tố chiếm tỷ lệ nhỏ nhất, song lại yếu tố cần trợ giúp nhà thiết kế, chế tạo tơ yếu tố cần thiết điều kiện môi trường cải thiện Trong yếu tố chất lượng kỹ thuật ô tô có 15 phần khách quan phần chủ quan Nhân tố chủ quan người điều khiển phương tiện, người bảo dưỡng kiểm tra Nhân tố khách quan nhân tố kỹ thuật liên quan đến an tồn giao thơng hư hỏng hệ thống phanh, hệ thống lái, hệ truyền lực v.v…Tóm lại nghiên cứu tai nạn giao thơng theo quan điểm hệ thống “Con người – Ơ tơ – Đường – Mơi trường” phân tích nguy tai nạn theo thời gian hình 1.3 để từ xác định giải pháp cần thiết nhằm giảm tối đa số vụ tai nạn giao thông Hư hỏng phương tiện/Thiệt hại người Các biện pháp an tồn - Dây an tồn - Túi khí - Bố trí ghế ngồi hợp lý - Tay nắm bảo hiểm Tình trạng tai nạn Tình trạng nguy hiểm Điều kiện ban đầu - Trình độ người lái - Trọng tải xe - Chất lượng phanh lái hệ thống truyền lực Khả điều khiển - Thời gian phản xạ lái xe - Thời gian đáp ứng xe - Chiều rộng đường xe chạy Nguyên nhân - Sai lầm phán đốn tình - Phương tiện khơng đảm bảo an tồn - Thời tiết - Hạ tầng giao thông - Mật độ giao thông Hình 1.3 Nguy tai nạn có liên quan đến hệ thống “Con người – Ơ tơ – Đường – Mơi trường” 16 1.2 Những nghiên cứu an tồn cho ngƣời Thế giới Việt Nam 1.2.1 Những cơng trình nghiên cứu Thế giới Số lượng xe lưu hành, kể xe cũ ngày tăng, nên va chạm xe an tồn cho người ln vấn đề thời nhiều nhà nghiên cứu quan tâm kể lý thuyết thực nghiệm Các nghiên cứu an toàn cho người va chạm đề cập nhiều khía cạnh theo mục đích nghiên cứu khác 1.2.1.1 Những nghiên cứu lý thuyết Hiện Thế giới cơng trình nghiên cứu hội thảo quốc tế công nghệ ôtô, vấn đề an toàn bị động người xe va chạm đặc biệt quan tâm tập trung vào xu hướng sau : * Các tiêu chuẩn an toàn cho người va chạm Châu Âu (EURO – SID) Mỹ (US – SID) [9] * Các nghiên cứu động học động lực học người va chạm trực diện thông qua yếu tố gia tốc đầu, thân người; dịch chuyển ngực, đầu gối; lực tác động vào cổ, xương chậu v.v theo thời gian, ảnh hưởng yếu tố đến tình trạng chấn thương khả giới hạn mà người chịu đựng với báo Yoshikatsu Kisanuki, Shigeru Sakuma (Toyota Motor Corporation); Murielle Verver; Jack Van Hoof (TNO Automotive Netherlands); Jesse Ruan, Priya Prusad (Ford Motor Company USA) [12], [13] v.v * Khi xảy va chạm thiết bị an tồn túi khí dây an tồn đóng vai trị định đến an tồn khả sống sót người xe Vì có nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu vấn đề Trong viết mình, tác giả Ching-Yao Chan xây dựng mơ hình phương trình tốn học để thiết kế hệ thống túi khí Tác giả đưa tiêu chuẩn hoạt động 17 cảm biến túi khí va chạm trực diện theo nguyên lý “5inches - 30 ms” từ áp dụng cho hệ thống cảm biến khác với loại cảm biến khí điện tử, tác giả đề cập đến xu hướng chế tạo, bố trí hệ thống cảm biến xe để nhận biết xác va chạm điều khiển hoạt động túi khí Bên cạnh đó, việc kết hợp hoạt động túi khí dây an tồn để đảm bảo hiệu hệ thống bảo vệ người tai nạn xảy Alan J.Watts, Dale R.Atkinson, Corey J.Hennessy đề cập đến viết họ [7], [8] * Với việc áp dụng chương trình phần mềm đại PAM SAFE, LS - DYNA nghiên cứu mô tác động va chạm đến người có sử dụng túi khí, dây an tồn ứng xử người trình va chạm trực diện va chạm sau, mức độ chấn thương với trường hợp va chạm khác tác giả K.H.Yang, A.I King (Wayne State University USA); Hiroyuki Tadano, Naoki Niii (Isuzu Motors Limited); C.Sarron (DGA France); M.Lorenzo (Montell USA,Inc) v.v quan tâm nghiên cứu đồng thời tác giả đưa tiêu chuẩn chấn thương độ an tồn bị động túi khí Các nghiên cứu sở quan trọng để nhà sản xuất tìm biện pháp nhằm nâng cao khả hoạt động hệ thống an toàn cho người trường hợp va chạm trực diện [12], [15] 1.2.1.2 Những nghiên cứu thực nghiệm * Những nghiên cứu mang tính định hướng cho thử nghiệm là: xây dựng quy trình phương pháp thực nghiệm an toàn va chạm cho người va chạm trực diện va chạm bên dựa tiêu chuẩn Mỹ Châu âu nhằm tái tạo lại trình va chạm người gần sát với thực tế cho kết xác nhất, vấn đề đề cập đến báo K.Aekbote, S.Sundarajan, J.A.Prater (Ford Motor Company), David 18 Winkelbaner (MGA Research Corporation), J.Clinckemaillie (PSI; France) [12], [14] v.v * Hiện có hai dạng thực nghiệm va chạm chủ yếu cho người: - Dạng thứ thử nghiệm giá trượt với ghế ngồi người giả lắp giá, có sử dụng dây an tồn Mục đích thử nghiệm để xác định ứng xử người giả va chạm thông qua giá trị vận tốc, gia tốc dịch chuyển phận thể người đầu, cổ, chân, ngực v.v từ đánh giá mức độ chấn thương nguy hiểm cho người va chạm trực diện số liệu sở để thiết kế hệ thống an tồn xe [16] Hình 1.4 Giá thử nghiệm va chạm - Dạng thứ hai thử nghiệm va chạm xe có bố trí người giả với đầy đủ thiết bị an toàn dây an tồn túi khí, thử nghiệm thực tốc độ va chạm độ lệch va chạm khác Với thử nghiệm đánh giá mức độ chấn thương an toàn người xác đánh giá hiệu hoạt động hệ thống an toàn 19 xe Đây sở quan trọng để nhà sản xuất ô tô lựa chọn giải pháp nâng cao khả hoạt động hệ thống an toàn hoàn thiện tiêu chuẩn an toàn cho người va chạm nghiên cứu Y.J.Shin, Y.G.Choi, S.H.Song (Sungwoo Corp.Institute of Technology), Murielle Verver, Jack Van Hoof (TNO Automotive Netherlands) [10], [12] v.v Hình 1.5 Va chạm xe có người giả * Người giả sử dụng cho thử nghiệm mô giống người thực đặc điểm khối lượng, trọng tâm mơmen qn tính phận thể Từ năm 1972 người giả “Hybrid II” theo tiêu chuẩn Mỹ FMVSS208 sử dụng rộng rãi với 11 điểm đo thường số dạng: - Nam giới trọng lượng 75 kg cao 1,74m - Nam giới trọng lượng 102 kg cao 1,87m - Phụ nữ trọng lượng 47 kg cao 1,5m - Trẻ em chia theo nhóm tuổi 64 buộc chặt vào ghế ngồi giả định khơng có dịch chuyển tương ghế ngồi (hoặc xe) Đồng thời giả định trường hợp xấu phần dây an tồn hoạt động khơng hiệu Nguyên nhân thường chùng rão ban đầu chùng rão trình sử dụng dây an tồn, khả kẹp chặt khóa dây an tồn Dây an tồn đại đơi lắp thiết bị đặc biệt để tránh tượng nhiên xem xét loại dây an tồn thơng thường sử dụng ô tô Chúng ta xét đến mơ hình đầu thân người có khối lượng m (hình 3.1), mơ hình nối khớp lề với ghế ngồi vị trí hơng biểu diễn cho phần thể phía hông người lái Để đơn giản phân tích, giả thiết đầu người lái liên kết cố định với thân người trọng tâm người nằm vị trí khoảng cách từ hông đến đỉnh đầu Thân đầu người vị trí ban đầu nghiêng góc γ so với phương thẳng đứng tính từ thời điểm ban đầu t = tai nạn xảy Mặt khác, vị trí khớp lề thân người với ghế ngồi có biến thiên tốc độ khơng Điều có số phần tử “mềm” đầu xe vỏ trước, bên cạnh, nắp capô, bađơsốc bị nén ép trước kết gia tốc va chạm phần tử gia tốc va chạm xe Chỉ đến tác động va chạm ảnh hưởng đến động bánh xe bị đẩy phía sau khoang chắn bánh xe gia tốc va chạm xe đạt đến lớn Trong vị trí khớp lề thân người ghế ngồi giảm tốc độ dừng lại trọng tâm thân đầu người vần tiếp tục di chuyển phớa trc 65 Vô lăng Trọng tâm ng-ời lái h Tâm chốt quay H-ớng chuyển động Hỡnh 3.1 Mơ hình thể người khảo sát va chạm trực diện [11] Nếu phân tích xác chuyển động người sau thời điểm bắt đầu va chạm t = 0, thấy thân đầu người dịch chuyển từ vị trí nghiêng ban đầu đến vị trí thẳng đứng cao trước lao vào vôlăng phận ngăn cản chuyển động thể người nguyên nhân gây chấn thương nguy hiểm cho người lái Như có thay đổi lượng va chạm sau thời điểm t = 0, nhiên để đơn giản khảo sát bỏ qua số dạng tiêu hao lượng có giá trị nhỏ trình va chạm lực cản khơng khí, lực ma sát vv… Cơ thể người ngồi chuyển động tịnh tiến phía trước cịn có chuyển động quay quanh khớp lề Chuyển động quay hấp thụ phần lượng (năng lượng để thân người quay quanh trục bất kỳ) Tuy nhiên lượng quay tương đối nhỏ nên bỏ qua phân tích Để xây dựng mơ hình tránh vấn đề phức tạp, giả thiết quỹ đạo chuyển động trọng tâm người lái va chạm gần đường thẳng với chiều dài L trước đập vào vô lăng là: L = h (β+γ) (đơn vị tính mét) (3.1) 66 Trong β γ đo radian với radian = 57,3o Trọng tâm ng-ời lái Vô lăng h Vo Vo h L=h( Hình 3.2 Mơ hình đơn giản hóa hình 3.1 đảm bảo đặc tính quan trọng [11] Từ phân tích kết luận thời điểm t = tức thời điểm bắt đầu va chạm người lái khối lượng m có vận tốc Vo với vận tốc xe giữ tốc độ đầu đập vào vôlăng Nếu xe dừng lại đột ngột thời điểm t = va chạm xảy thời điểm t= khoảng dịch chuyển h(+) = v vận tốc o (3.2) Cần ý phương trình (3.2) khoảng dịch chuyển chiều dài quỹ đạo cong góc (β+γ) đo radian (1 radian = 57,3o), h đo mét Vo đo m/s khoảng Trong ví dụ điển hình với h = 0,6 m; γ = 30o (0,542 radian), β = 45o (0,785 radian) Vo = 30km/h (8,33m/s) thời gian để đầu người lái va đập vào vôlăng là: t= 0,6(0,524 + 0,785) = 0,094s 8,33 67 Kết cho thấy không đủ thời gian cho người lái có phản ứng tránh nguy hiểm Hơn nêu trước đó, vận tốc đầu người lái thời điểm va chạm gấp hai lần vận tốc trọng tâm người lái ví dụ phần đầu người lái có bán kính gấp đơi Như vậy, trọng tâm người lái có vận tốc 8,33 m/s đầu người lái đập vào vơ lăng với vận tốc 16,66 m/s (60 km/h) Bây xem xét điều kiện va chạm thay đổi vận tốc xe giảm tức thời thời điểm t = xuống 20 km/h (5,56 m/s) sau tiếp tục giữ 20 km/h đầu người lái va đập vào vơlăng Có thể thấy trọng tâm người lái dịch chuyển phía trước sau thời điểm t = với vận tốc (30 - 20) = 10 km/h = 2,78 m/s Vận tốc vận tốc tương đối trọng tâm người lái so với xe Thời gian đầu người lái va đập vào vôlăng là: t= 0,6(0,524 + 0,785) = 0,283s 2,78 vận tốc đầu người lái va đập 20 km/h (5,56 m/s) Điều cho thấy mức độ chấn thương đầu người lái giảm đáng kể so với xe bị dừng đột ngột Xét trương hợp gia tốc d từ thời điểm bắt đầu va chạm Nếu quan sát xe thấy trọng tâm người lái chuyển động nhanh dần với gia tốc d (m/s2) theo quỹ đạo trịn có bán kính h vận tốc tương đối ban đầu so với xe không từ thời điểm bắt đầu va chạm t = Tại thời điểm t bất kỳ, vận tốc tương đối trọng tâm người lái d x t (m/s) khoảng dịch chuyển tương đối trọng tâm người lái so với xe (xem gia tốc xe đều): 68 vTB.t = dt (3.3) Khoảng dịch chuyển trọng tâm người lái đầu va đập vào vơlăng (theo hình 3.1 3.2) h(β+γ) Từ phương trình (3.1) (3.3) ta xác định thời gian va chạm là: 2h     d t = (3.4) Vận tốc tương đối trọng tâm người lái so với xe thời điểm va chạm là: h d     d x t = (3.5) đầu người lái đập vào vôlăng với tốc độ gấp hai lần tốc độ tính theo cơng thức (3.5) Nếu gia tốc d đủ lớn xe dừng lại trước đầu người lái đập vào vô lăng Trong trường hợp tốc độ trọng tâm người lái thời điểm va chạm vận tốc ban đầu Vo thời gian va chạm là: h     V t* = (3.6) Nói cách khác trường hợp có hiệu giống dừng xe lại mà xem xét đầu phần Đây trường hợp d vượt giá trị V2 2h     Chúng ta xem xét ví dụ sau với h = 0,6m; γ = 30o (0,542 radian), β = 45o (0,785 radian); Vo = 30km/h (8,33m/s) d = 30m/s2 Chúng ta cần phải kiểm tra xem d có vượt giá trị giới hạn không: 69 V2 2h     8,332 =  44 m/s2 0,6 0,785  0,524 Ta thấy d nhỏ giá trị giới hạn đầu người lái va vào vôlăng trước xe dừng lại Thời gian đầu người lái va vào vôlăng là: t = 0,6 0,785  0,524 = 0,229 s 30 Vận tốc tương đối trọng tâm người lái so với xe là: d x t = 0,6 30 0,785  0,524 = 6,86 m/s Tốc độ đầu người lái 13,73 m/s (49 km/h) Nếu gia tốc vượt 44 m/s2 tốc độ đầu người lái đạt tới 16,67 m/s (60 km/h) 3.2 Trụ cửa trƣớc Trụ cửa trước (trụ vách ngăn buồng lái, trụ A) phận thiếu khoang hành khách thiết kế đặc biệt để an toàn cho người Tiêu chuẩn biến dạng đóng vai trị phụ Tuy nhiên bước chuyển điểm nút vách ngăn buồng lái - nắp đầu xe - trụ cửa trước cần thiết kế với độ cứng cao để lượng truyền từ va chạm trực diện đến khung kính chắn gió bị tiêu tán hết Nếu khơng cột chéo cửa trước bị nén lên phía làm méo khung cửa, số trường hợp xuất uốn dọc xe phía trụ B Thậm chí sau va chạm nghiêm trọng cửa trước khơng mở Mặt cắt ngang trụ cửa trước cần thiết kế đủ độ bền chống uốn độ cứng, trụ cửa trước cần liên kết hợp lý với phần khác vỏ xe điểm nguy hiểm 70 Hình 3.3 Trụ cửa trước bị đẩy lên phía va chạm trực diện Tiêu chuẩn Châu Âu ECE 32/00 33/00 quy định cửa xe cần phải đóng kín thử nghiệm va chạm trực diện thẳng tốc độ 48km/h vào vật cản cứng góc 0o theo tồn chiều rộng xe Sau thử nghiệm cánh cửa mở tay Tiêu chuẩn FMVSS 212 (Mỹ) quy định kính chắn gió khơng cần phải tháo khỏi khung kính sau va chạm trực diện [11] 3.3 Vách ngăn buồng lái Để bảo vệ chân người không va vào bánh xe bánh xe xơ phía sau thời điểm va chạm, với xe chỗ ngồi vách ngăn buồng lái tăng cường mặt giằng chéo dầm dọc dầm ngang Thiết kế không đặt vấn đề hàng đầu hấp thụ lượng dạng chắn bảo vệ Với xe từ đến chỗ vách ngăn buồng lái có hình dạng cong đặc biệt với thép mỏng tăng cường cục số vị trí, mép gấp gân dập đồng thời liên kết hàn cứng với dầm dọc sàn xe đảm bảo độ cứng uốn xoắn cao để bảo vệ chân người va chạm trực diện 71 3.4 Ba sốc Các nghiên cứu Viện nghiên cứu an toàn giao thông Mỹ (IIHS) cho thấy bađơsốc hấp thụ lượng hạn chế đáng kể biến dạng phần đầu xe tăng an toàn cho người va chạm tốc độ thấp Tiêu chuẩn FMVSS 215 (năm 1973) quy định xe khơng bị hư hỏng va chạm (8km/h với va chạm trực diện; 5km/h với va chạm sau) Các quy định va chạm trực diện có thay đổi với tốc độ thấp (va chạm toàn bađơsốc 4km/h; va chạm vào góc bađơsốc 2,4km/h) với yêu cầu thiết bị tín hiệu phải hoạt động bình thường ; cửa xe phải đóng mở bình thường ; hệ thống treo, lái, phanh phải hoạt động bình thường giới hạn điều chỉnh ; hư hỏng bađơsốc phần tử kết nối với chấp nhận Những quy định nêu TCVN 2004 Ban kỹ thuật TCVN/TC 22 ban hành năm 2004 Tiêu chuẩn ECE42 Châu Âu quy định vỏ xe khơng hư hỏng sau thử nghiệm va chạm toàn chiều dài bađơsốc tốc độ + 0,25km/h va chạm góc bađơsốc tốc độ 2,5km/h Các nước Châu Âu thống tiêu chuẩn EG 70/221 chiều cao bađơsốc trước với tất xe cao 445mm (vị trí chiều ngang xe) so với mặt đất Tiêu chuẩn xác định khách hành để độ cao nằm độ cao trung bình đầu gối Mỹ Nhật khơng có tiêu chuẩn vấn đề lý kỹ thuật riêng [9] Cũng theo tiêu chuẩn EG 70/221 chiều cao lớn bađơsốc sau xe khơng tải 55cm Mục đích để tăng an tồn cho xe va chạm từ phía sau (chống tượng chồng lên nhau) [9] 3.5 Bố trí động kết cấu đầu xe 72 Hình dạng mặt ngồi vát trịn xem dạng mặt ngồi phổ biến tạo kiểu dáng đầu đuôi xe Qua phân tích thử nghiệm cho thấy hình dạng bên ngồi có ảnh hưởng lớn đến biến dạng đầu xe an toàn người va chạm trực diện Với hình dạng mặt ngồi vát trịn va chạm vào vật cản gây biến dạng lớn cho kết cấu đầu xe Có thể thấy dạng vát tròn đầu xe làm tăng biến dạng dọc theo khu vực góc đầu xe nên làm thẳng khơng vát trịn khu vực giằng ngang trước đầu xe, thiết kế có lợi cho khả chịu tải dầm dọc chiều dài sử dụng đầu xe kéo dài thêm 35 mm so với kiểu đầu xe vát trịn Hình 3.4 Ảnh hưởng hình dạng mặt đến biến dạng đầu xe [9] Nhiều nhà chế tạo thiết kế kết cấu đầu xe với động bố trí dọc để va chạm trực diện tồn chiều rộng xe dịng lượng truyền đến không bị ngăn chặn vách ngăn buồng lái lại hướng xuống truyền phía sàn khoang hành khách Biến dạng điều chỉnh tốt truyền xuống dòng lượng va chạm động sử dụng cho mục đích Có thể áp dụng giải pháp đổi hướng dịng lượng tác động sử dụng phận tăng cường tính tốn với kết cấu khung sàn khoang hành khách dịng lượng truyền không thiết 73 phải hấp thụ khung lớn có độ cứng cao, điều góp phần giảm đáng kể mức độ chấn thương nguy hiểm hành khách xe Với va chạm trực diện phần lớn trường hợp va chạm lệch nên có phần đầu xe bị hư hỏng động không bị tác động bị ảnh hưởng Điều có hai lý do: thứ tình nguy hiểm người lái thường cố gắng tránh va chạm với xe khác, thứ hai xảy va chạm xe với nhiều chướng ngại (cây, cột) nhỏ so với chiều rộng xe Vì biến dạng lớn động bị tiêu hao phần kết cấu đầu xe nên người ngồi xe vùng chịu tác động chịu nguy hiểm nghiêm trọng tốc độ va chạm lớn Kết cấu đầu xe phải thực việc phân bố lực va chạm Các lực va chạm tốc độ cao cần phân chia qua nhiều khoang liên tiếp phân bố qua hệ thống giằng kết cấu đầu xe với bố trí tổng thể hợp lý ngăn cản biến dạng cục lớn Để khoang hành khách đảm bảo khơng gian sống sót sử dụng liên kết tăng cứng vật liệu mềm đệm bên khoang hành khách để tăng hiệu an tồn 74 Hình 3.5 Va chạm lệch hai xe Nếu động bố trí ngang va chạm trực diện gây mômen xung lực thân động Thân máy quay xảy với giá lắp động phận khác bị biến dạng Nếu điều phù hợp để hấp thụ lượng va chạm góp phần chuyển đổi phần động thành biến dạng 3.6 Dầm dọc khung xe Kết cấu đầu xe định dạng với hai dầm dọc chạy dọc theo toàn chiều dài xe Phần dầm dọc đầu xe khơng tạo hình dạng bên ngồi đầu xe mà cịn có chức hấp thụ lượng có biến dạng Qua nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy lượng va chạm hấp thụ khoảng 70% đến 75% dầm dọc, 20% đến 22% vỏ xe khoang chắn bánh xe, 3% đến 10% cho phận khác Vì muốn đảm bảo đặc tính biến dạng tốt khu vực đầu xe an toàn cho người va chạm cần phải quan tâm đến đặc tính biến dạng dầm dọc dịng lực dầm dọc có ảnh hưởng định đến biến dạng kết cấu [9], [10], [11] Sự phân bố lượng tác động gây biến dạng dầm dọc chia ba giai đoạn chủ yếu Tốc độ va chạm từ 20 đến 25km/h (tai nạn thành phố) coi sở để đánh giá mức độ an tồn cho người xe (hình 3.3): Giá lắp động giằng Lực F Đường biến dạng S Vách ngăn 75 Hình 3.6 Các giai đoạn hư hỏng dầm dọc quan hệ lực – biến dạng lý tưởng B0 Hấp thụ toàn lượng tác động bađơsốc thiết bị giảm chấn; có biến dạng đàn hồi phận thiết kế phần tử đàn hồi; người xe đảm bảo an toàn B1 Phân tán toàn lượng tác động qua biến dạng dẻo bađơsốc, dầm dọc phần tử hấp thụ lượng khác; biến dạng dầm dọc lớn tới khu vực giá lắp động giằng, người xe bị chấn thương dây an tồn hệ thống túi khí hoạt động tốt chấn thương khơng nghiêm trọng B2 Biến dạng phát triển tới vách ngăn khoang hành khách với động cơ, biến dạng không chấp nhận được, người xe chịu nguy hiểm chấn thương nghiêm trọng 76 B3 Tương tự trường hợp B2 biến dạng vượt vách ngăn phần khác khoang hành khách, người xe khơng có khả sống sót Các kỹ sư thiết kế cần phải tập trung hoàn toàn nghiên cứu vào phân bố lượng tác động hợp lý qua giai đoạn biến dạng có xét đến hình dạng kết cấu tính chất vật liệu Chỉ có làm đạt đặc tính biến dạng tốt an tồn cho người va chạm Đặc tính biến dạng tốt biến dạng lớn đến phận giới hạn cho phép kết cấu Khoang hành khách biến dạng khơng bị uốn cong mặt cắt ngang khoang hành khách không thay đổi tác dụng ứng suất sườn bên xe Đặc tính biến dạng dầm dọc thể số quan hệ sau: * Quan hệ lực - biến dạng : Nó ảnh hưởng đến gia tốc va chạm lực tác động đến người xe Bởi cần phải thích ứng với tiêu chuẩn an toàn cho loại xe Sau tác động va chạm lực dầm dọc đầu xe tăng vọt tức thời đến giá trị lớn (lực nén ban đầu) sau giảm giá trị trung bình (lực uốn dọc) gây biến dạng Từ giá trị trung bình lực thay đổi lượng hấp thụ người thiết kế cần cố gắng đạt giá trị lực uốn dọc trung bình lớn Giả thiết sở tiêu hao lượng tối ưu lực tác động phải hướng với đường biến dạng Một quan hệ cho phép dầm dọc biến dạng dẻo với mức độ tiêu tán lượng không đổi theo chiều dài khoảng biến dạng 77 E FA FF F m S Năng l-ợng va chạm Lực cực đại ban đầu Lực gây biến dạng nén Lực tác động Khối l-ợng Đ-ờng biÕn d¹ng BiÕn d¹ng n däc Hình 3.7 Khối lượng riêng hấp thụ lượng EMS dầm dọc * Khối lượng riêng hấp thụ lượng : Để lượng hấp thụ cho biến dạng khối lượng kết cấu bị biến dạng Một khối lượng riêng hấp thụ lượng cao kết việc sử dụng vật liệu phù hợp cho kết cấu * Quan hệ lượng - biến dạng : Năng lượng gây biến dạng đại lượng để đánh giá độ cứng dầm dọc đạt dựa quan hệ lực - biến dạng Độ dốc lớn đường biểu đồ cho thấy độ cứng cao kết cấu phân tích Thực tế cho thấy chiều dài hấp thụ lượng dầm dọc phụ thuộc vào tốc độ va chạm Năng lượng va chạm tăng khoảng 12 KJ/m tăng tốc độ thêm 10km/h [9] Mục tiêu kết cấu đầu xe tối ưu hấp thụ lượng biến dạng mức lớn nhất, dầm dọc cần phải chịu lực nén cực đại ban đầu (F A) lực nén trung bình gây biến dạng (FF) đồng thời tồn chiều dài phần đầu dầm phải sử dụng để chịu lực nén (dầm không bị uốn cong ổn định) Hiện dầm dọc thường chế tạo phương pháp hàn điểm thép giảm đáng kể lực tác động lên sườn bên dầm khả 78 chịu lực dầm phụ thuộc vào khoảng cách điểm hàn Hình dạng thay đổi tiết diện dầm ln có ảnh hưởng đến khả chịu nén truyền lượng va chạm Quá trình nén dùng để đánh giá chuyển đổi lượng tác động, phụ thuộc vào dạng mặt cắt (mặt cắt hình vng tốt nhất) khơng phụ thuộc nhiều vào kích thước mặt cắt Lực nén sườn dầm thường tiêu hao mặt cắt khoảng cách cần thiết dầm để lực nén giảm ngắn Biến dạng sườn dầm khu vực thay đổi mặt cắt thường lớn có độ cứng thấp Chiều dày mặt cắt đóng vai trị quan trọng để hấp thụ lượng va chạm, kích thước mặt cắt có ảnh hưởng khơng lớn Nhưng điều khơng có nghĩa chế tạo mặt cắt ngang có diện tích nhỏ mà cần có biện pháp liên kết hợp lý kiểm soát lực tác động [16] 3.7 Nắp capô xe Khả nắp capô hấp thụ lượng khơng lớn dễ bị uốn dọc chịu nén Nhiều nhà sản xuất xe cố gắng hạn chế uốn dọc cách tạo nếp gấp gân dọc mặt Khi xem xét va chạm tốc độ cao thấy xuất số lượn sóng lực tác động đủ lớn từ đầu nắp capô đến tận điểm nút cuối, khu vực nắp thường không bị biến dạng Theo tiêu chuẩn Mỹ FMVSS 113, nắp capơ gắn phía sau cần phải có chống cuối nắp chống đầu nắp (dùng để dựng lên mở nắp) [9]