Hur smuliga zoner fungerar

Smuliga zoner är utformade för att absorbera och omfördela kraften i en kollision. Se fler bilsäkerhetsbilder. Gula hundproduktioner / Getty Images

Bilsäkerhet har kommit långt under de senaste decennierna, och en av de mest effektiva innovationerna är crumple zon. Även känd som en krosszon, crumple zoner är områden i ett fordon som är utformade för att deformeras och krascha i en kollision. Detta absorberar en del av stötens energi, vilket förhindrar att den överförs till passagerarna.

Naturligtvis är det inte så enkelt att hålla människor säkra i bilolyckor som att göra hela fordonet krossat. Ingenjörer måste ta hänsyn till många faktorer vid utformningen av säkrare bilar, inklusive fordonsstorlek och vikt, ramstyvhet och spänningar som bilen troligen kommer att utsättas för i en krasch. Exempelvis upplever racerbilar mycket svårare effekter än gata, och SUV: er kraschar ofta med mer kraft än små bilar.

Vi ska ta reda på hur crumplezoner omfördelar styrkorna som är involverade i en krasch, vilka crumplezoner är gjorda av och lära oss om några andra avancerade säkerhetssystem som testas just nu. Vi kommer också att ta reda på hur crumple-zoner har införlivats i racerbilar, och varför ett antal tävlingsdödar kunde ha förhindrats om sporten hade antagit dessa säkerhetsfunktioner förr. Vi tittar till och med på sönderfallszoner som är utformade för att absorbera den enorma effekten av en tågkollision.

Läs nästa sida för att ta reda på krafter som är involverade i en kollision och för att lära sig hur en väl utformad veckzon kan minimera personskador..

Vad är i en smulig zon?

Specifikationerna för crumple zondesign är vanligtvis proprietär information som biltillverkare är ovilliga att avslöja. De kan variera mycket beroende på fordonets storlek och vikt. Formgivare måste finna en balans mellan för mycket slagmotstånd och för lite slagmotstånd. Enkla mönster 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 noggrant konstruerats för att absorbera så mycket kinetisk energi som möjligt. Högpresterande bilar använder ofta en bikakedesign, som erbjuder styvhet under normala förhållanden, men kan kollapsa och krascha i en krasch.

Innehåll

1. Effektkraft
2. Designkompromisser
3. Förhindra dödsolyckor i bilracing

Dessa bilar har ställts på kollisionstestet vid en forskningsanläggning för bilsäkerhet i Wolfsburg, Tyskland. Lägg märke till hur veckzonerna verkar ha absorberat större delen av påverkan. Peter Ginter / Getty Images

När en bil är involverad i en krasch, är intensiva kinetiska krafter på arbete. En viss mängd kraft är närvarande under varje krasch. De verkliga siffrorna varierar beroende på bilens hastighet och massa och hastigheten och massan på vad den träffar. Fysiker mäter denna kraft som acceleration -- även när man går från en hög hastighet till en lägre hastighet kallas alla förändringar i hastigheten över tid vetenskapligt som acceleration. För att undvika förvirring hänvisar vi till kraschacceleration som retardation.

Smuliga zoner uppnår två säkerhetsmål. De minskar den ursprungliga kraften i kraschen och de distribuerar styrkan innan den når fordonets passagerare.

Det bästa sättet att minska den initiala kraften i en krasch med en viss mängd massa och hastighet är att bromsa retardationen. Du har sett denna effekt för dig själv om du av någon anledning behövt smälla på bromsarna. De krafter som du upplever i ett nödstopp är mycket större än när du gradvis saknar ner för ett stoppljus. I en kollision kan en bromsning av retardationen med ens några tiondelar av en sekund skapa en drastisk minskning av den involverade kraften. Kraft är en enkel ekvation:

Kraft = massa * acceleration

Genom att skära ned retardationen i halva skärs också kraften i halva. Om du ändrar retardationstiden från .2 sekunder till .8 sekunder kommer det därför att leda till en minskning av total kraft med 75 procent.

Smuliga zoner åstadkommer detta genom att skapa en buffertzon runt omkretsen av bilen. Vissa delar av en bil är i sig styva och motståndskraftiga mot deformering, till exempel passagerarutrymmet och motorn. Om dessa styva delar träffar något, kommer de att retardera mycket snabbt, vilket resulterar i mycket kraft. Omger de delar med crumple zoner gör det möjligt för de mindre styva materialen att inleda inverkan. Bilen börjar decelerera så snart som crumple-zonen börjar krumma och förlänga retardationen över några extra tiondelar av en sekund.

Smuliga zoner hjälper också till att omfördela slagkraften. All styrka måste gå någonstans - målet är att skicka den bort från ockupanterna. Tänk på styrkan som är inblandad i en krasch som en styrkebudget. Allt som händer med bilen under en stötar och varje person inuti bilen vid anslaget tillbringar en del av kraften. Om bilen träffar ett icke-stationärt föremål, som en parkerad bil, överförs någon kraft till det objektet. Om bilen träffar något med ett blickande slag och snurrar eller rullar, spenderas mycket av kraften på att snurra och rulla. Om delar av bilen flyger av går ännu mer kraft åt. Viktigast av allt är att skador på bilen själv spenderar kraft. Böjande delar av ramen, krossade kroppspaneler, krossande glas - alla dessa åtgärder kräver energi. Tänk på hur mycket kraft som behövs för att böja stålramen i en bil. Den mängden kraft spenderas på att böja ramen, så den överförs aldrig till de ockuperande.

Smuliga zoner är baserade på det konceptet. Delar av bilen är byggda med specialkonstruktioner inuti dem som är konstruerade för att skadas, krossas, krossas och bryts. Vi kommer att förklara själva strukturerna inom kort, men den grundläggande idén är att det tar kraft för att skada dem. Smuliga zoner spenderar så mycket kraft som möjligt så att andra delar av bilen såväl som passagerarna inte drabbas av effekterna.

Så varför inte göra hela bilen till en gigantisk crumplezon? Och om du behöver utrymme för en krosszon för att absorbera stötar, hur bygger du en kompaktbil med crumplezoner? Vi förklarar i nästa avsnitt.

-

Uppfinnaren av Crumple Zone

Béla Barényi var en ingenjör och uppfinnare som tillbringade större delen av sin karriär för att arbeta för Daimler-Benz. Hans namn visas på mer än 2500 patent. Ett av dessa patent, som utfärdades 1952, förklarar hur en bil kan utformas med områden fram och bak byggda för att deformera och absorbera kinetisk energi i en påverkan. Han satte konceptet att använda 1959 på Mercedes-Benz W111 Fintail, den första bilen som använde krumpzoner [källa: German Patent and Trade Mark Office].

Denna BMW har uppenbarligen drabbats av en allvarlig påverkan och verkar mycket skadad. Ingen av skadorna var emellertid på kupén - den främre krullningszonen gjorde sitt jobb. Tim Graham / Getty Images

Absorberande och omdirigerande påverkan är stor, men det är inte det enda säkerhetsfrågan som bildesigners behöver oroa sig för. Passagerarutrymmet i bilen måste stå emot att tränga igenom utanför föremål eller andra delar av bilen, och det måste hålla ihop så att passagerarna inte kastas ut. Du kan inte göra en hel bil till en krusningszon eftersom du inte vill att människorna i den ska krumpas också. Det är därför bilar är utformade med en stel, stark ram som omsluter passagerarna, med krummiga zoner fram och bak. Kraftsreduktion och omfördelning åstadkoms i kupén genom passagerarutrymmet

användning av krockkuddar.

Det finns vissa delar av bilar som helt enkelt inte kan krascha. Motorn är den huvudsakliga gärningsmannen - i de flesta fordon är motorn ett stort, tungt stålblock. Ingen skrynkling där. Detsamma gäller för fordon med aluminiummotorblock. Ibland måste bilar designas om för att flytta motorn längre bak i ramen för att rymma en större krummningszon. Detta kan emellertid också orsaka problem - om motorn skjuts tillbaka in i kupén som en följd av stöten kan den orsaka skador.

-Bränsletankar och batteripaket i elektriska eller hybridfordon måste också skyddas mot 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 bakåt, böjs ramen upp, lyfter bensintanken ur vägen och absorberar en del stötar. Nyare bilar har system som stänger av bränsletillförseln till motorn under en krasch, och Tesla Roadster, en högpresterande elbil, har ett säkerhetssystem som stänger av batteripaketen och tappar all elektrisk energi från kablarna som kör hela bilen när det känner av en nödsituation [källa: Tesla Motors].

Naturligtvis är det lätt att bygga in krosszoner i ett stort fordon med gott om utrymme att krascha innan passagerarutrymmet påverkas. Att designa crumplezoner i små fordon kräver lite kreativitet. Ett bra exempel är den smarta fortwo, en extremt liten

och effektivt fordon. Föraren och passageraren är inneslutna i tridions säkerhetscellen, en stålram med utmärkt styvhet för sin storlek. Geometrien är utformad för att distribuera stötar över hela ramen. På smarta fortwo-framsidan och baksidan finns det smarta samtal kraschlådor. Dessa är små stålramar som kollapsar och kramar för att absorbera stötar. Eftersom kraschboxarna är så små har andra slagabsorberande funktioner använts för att komplettera dem. Transmissionen kan till exempel fungera som en stötdämpare i händelse av en frontkollision. Fortbos korta hjulbas betyder att nästan alla stötar kommer att involvera däck, hjul och fjädring. Dessa komponenter har utformats för att deformera, bryta bort eller återfalla, vilket hjälper till att absorbera ännu mer kinetisk energi under en påverkan [källa: smart USA].

Därefter ska vi se hur crumplezoner hjälper till att hålla din favorit racerbilförare vid liv.

-

Smuliga zoner i tåg

Vi har pratat om den otroliga kinetiska kraften på jobbet när en bil kraschar, men föreställ oss den styrka som är involverad när två tåg kolliderar. På grund av tågets enorma vikt kan en kollision skapa styrkor som är dussintals eller till och med hundratals gånger större än de i en bilolycka. Ändå kan crumplezoner användas även under dessa extrema omständigheter. Med hjälp av 3D-datorsimuleringar kan ingenjörer bygga en crumplezon som deformeras stadigt och jämnt under stöten och absorberar den maximala kraften som möjligt. Krullningszonerna placeras sedan i båda ändarna av varje bil i ett persontåg. I händelse av en kollision distribuerar kedjereaktionen hos bilar som smällar in i varandra kraft genom alla krusningszonerna i tåget. Det kan absorbera tillräckligt av slagkrafterna för att förhindra personskador [källa: Machine Design].

Vissa kraschar, som den här som involverar Formel One-föraren Robert Kubica, ser spektakulära och skrämmande ut. I själva verket räddade förstörelsen av bilen troligt Kubicas liv. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Även om du inte är en fan av biltävlingar, har du förmodligen sett bilder av spektakulära kraschar där bilar trumlar ner på banan och slänger delar i alla riktningar eftersom bilen bokstavligen förstörs. Ändå på underligt sätt klättrar föraren ut ur det vridna vraket och går oskadad bort. Medan dessa kraschar ser skrämmande ut är all den spektakulära förstörelsen att spendera kinetisk energi. Det är förmodligen inte en rolig resa för föraren, men bilen gör exakt vad den var designad för att göra i denna situation - skydda personen i förarsätet.

Det har också förekommit sällsynta tillfällen då en tävlingsbil har träffat ett fast föremål i hög hastighet, till exempel NASCAR-föraren Michael Waltrips krasch vid Bristol 1990. Han träffade den trubbiga änden av en betongvägg i tävlingshastighet, och bilen stoppade väldigt plötsligt . Påverkan genererade enorma krafter, men Waltrip var oskadd. Anledningen är uppenbar när man tittade på resterna av hans bil den dagen. Det förstördes fullständigt och fullständigt. All den styrkan spenderades på förstörelsen av bilen. Det är uppenbart att händelsen gick långt utöver förmågan i någon krosszon, och i själva verket var det helt enkelt en fråga om tur att ingenting intrång i förarutrymmet för att skada Waltrip. Force omfördelning räddade hans liv.

Efterdyningarna av kraschen som dödade Dale Earnhardt, sr. Hans bil, den svarta # 3, verkar inte ha skadats hårt. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Det finns dock en olycklig kontrapunkt till konceptet. Från 1980-talet till början av 2000-talet fanns det många racingdödsfall på grund av alltför stel chassi. Den förmodligen mest kända händelsen är Dale Earnhardt sr. Dödsfallet under Daytona 500 2001. Kraschen verkade initialt inte vara allvarlig och bilen verkade inte drabbas av omfattande skador; men det var exakt problemet. En stor del av slagkraften överfördes direkt till föraren, vilket orsakade omedelbara och allvarliga skador. Den dödliga skadan var en basilar skallbrott, en skada i området där skallen och ryggmärgen ansluts. Denna skada är dödsorsaken i många bilsportolyckor, och den inträffar när huvudet knäpps framåt vid stöten medan kroppen förblir fasthållen av säkerhetsbälten. Medan huvud- och nackskyddsanordningar har sänkt förekomsten av basilar i skallebrott, har minskande slagkrafter på föraren också spelat en viktig roll.

Flera andra välkända förare dödades under denna period, såväl som mindre kända förare i NASCAR-modifierade och sena modeller som tävlade på banor i hela USA. Anledningen till ökningen av dödliga krascher var helt enkelt strävan efter högre prestanda. Bilsignaler och besättningar sökte bättre hantering genom att skapa ett mer styvt chassi. Detta inkluderade att lägga till komponenter till ramen, använda raka ramskenor och byta till stålrör med tjockare väggar. Visst gjorde de chassit mer styvt, men när dessa böjliga bilar träffade en vägg fanns det inget ge. Ingen av kraften absorberades av bilen - föraren tog större delen av stöten.

Redan före Earnhardts död 2001 försökte rasbanor hitta lösningar på detta problem. Spår i nordöstra USA experimenterade med gigantiska block av industrirockskum som fodrade väggarna, ett liknande koncept som den mjuka väggteknologin som används på många superspeedways idag. Ännu viktigare ändrades bilarna. Tunnmätare stålrör används nu på vissa delar av chassit, och ramskenor får en böjning eller skåra så att de deformeras något förutsägbart på stöten.

NASCARs Car of Tomorrow, som används i Sprint Cup-racing, har skum och annat slagabsorberande material insatt i kritiska områden i ramen. Även om biltävlingar alltid kommer att vara en farlig sport, har användningen av mindre styv chassikonstruktion, mjuk väggteknik och huvud- och nackskyddssystem kraftigt minskat kraschens slagkrafter på förarna.

För mer information om bilsäkerhetsanordningar, racing och andra relaterade ämnen, följ länkarna på nästa sida.

-

Säkerhet åka ner

Volvo har utvecklat en annan slagabsorberande teknik för användning i små bilar. Förarsätet är monterat på vad som i princip är en släde på en skena, med stötdämpare framför sig. I en stötar glider hela "släden" (plats och förare med) framåt upp till 8 tum, och stötdämparna gör bokstavligen sitt jobb och absorberar stötarna. Samtidigt glider ratten och en del av instrumentpanelen framåt för att ge plats för föraren. Kombinerat med en frontkrimpzon och eventuellt en krockkudde, kan detta system kraftigt minska krafterna som verkar på föraren i en frontkollision [källa: Ford Motor Company].

Relaterade artiklar

• Hur Crash Testing fungerar
• Varför är det fortfarande nödvändigt att krascha testfordon?
• Har kraschtester någonsin använt levande (eller döda) mänskliga personer?
• Hur kraft, kraft, moment och energi fungerar
• Hur krockkuddar fungerar
• Hur Anti-Lock Bromsar fungerar
• Hur bilbälten fungerar
• Så fungerar smartbilen
• Hur NASCAR racerbilar fungerar
• Så fungerar NASCAR-säkerhet

Fler bra länkar

• Circle Track Magazine
• Material
• NASCAR

källor

• Akins, Ellen. "Säkerhet i små bilar: Volvos säkerhet Ride Down-koncept." Ford Motor Company. 12 jan 2005. (1 aug. 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bob. "Lagerbilsäkerhet - en uppfriskande kurs." Circle Track. (1 augusti 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Maskinkonstruktion. "Kommer kraschzonen att krascha? FEA berättar." 6 november 2003. (31 juli 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Materiella världar. "Effekterna av veckzoner: kraschar i väggen." (1 augusti 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Smart USA. "Ett hårt skal med en mjuk inredning." (1 augusti 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Säkerhet." (31 juli 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Det tyska patent- och varumärkeskontoret. "Béla Barényi." (31 juli 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html