CA.. systémy a bezpečné sezení v automobilu

Tags: Automotive | CAD | CAE | CAM

Sedadla a bezpečnostní pásy

Nils Bohlin (1920–2002) jako první pochopil působení sil na posádku automobilu v okamžiku jeho nárazu na pevnou překážku. Tento geniální konstruktér automobilky VOLVO vymyslel prostředek zvaný bezpečnostní pás, který spojuje člověka s automobilem. Při nárazu ho pevně přidržuje na sedadle a zabraňuje, aby se zranil při nekontrolovaném volném pohybu v kabině nebo aby při nehodách s komplikovanějším pohybem vozu vypadl z kabiny. Stalo se to na konci padesátých let, přesně 13. srpna 1959, odkdy je Volvo PV544 prvním automobilem na světě, který byl standardně vybaven tříbodovým bezpečnostním pásem. Hlavní výchozí myšlenkou Bohlina bylo, že pás musí absorbovat síly ve správné oblasti těla – napříč bedry a přes hrudník, kde je lidské tělo nejpevnější. Současně se musí dát snadno zapínat a nastavovat, nejlépe jednou rukou. Nejdůležitější součástí návrhu, který vypracoval Nils Bohlin, bylo, že pás se skládal z příčného bederního popruhu a ramenního hrudního popruhu. Pás se zapínal do zámku na středovém tunelu vozidla vedle sedadla, aby se vytvořila geometrie pásu ve tvaru písmene „V" se dvěma místy u podlaze vozu. Důležité bylo, aby se pás pod zatížením neposouval a neuvolňoval. Ten samý princip se používá dodnes [1].

O několik let později, v roce 1967, značka Volvo prezentovala na mezinárodní konferenci USA zásadní zprávu „28.000 Accident Report". Tato zpráva byla vyhodnocením údajů ze všech nehod automobilů Volvo ve Švédsku během jednoho roku.

Zpráva jasně potvrdila, že bezpečnostní pás zachraňuje lidské životy a snižuje riziko zranění o 50 až 60 procent [1]. Svět si konečně začal uvědomovat význam bezpečnostních pásů. Od roku 1967 byla i v bývalé ČSSR zavedena povinnost používání bezpečnostních pásů na předních sedadlech mimo obec a tak bezpečnostní pásy zdomácněly i v našich automobilech.

Sedadla

Velmi důležitým prvkem úzce spjatým se záchrannými pásy jsou sedadla. Sedadla by měla zajistit ergonomické sezení, dobré boční vedení a sezení by nemělo být únavné.

Když se podíváme do minulosti, reprezentantem lidového vozu v našem regionu byla Škoda 1000 MB. Sedadla neměla žádné výjimečné tvarování a delší sezení na nich bylo únavné. Sedadla se dala posouvat v podélném směru a dal se nastavovat sklon sedáku poměrně jednoduchým, ale nepraktickým způsobem. Úplně jinou kvalitou byla anatomická sedadla Škody 110 R Coupé s výškově nastavitelnými opěrkami hlavy. Sedadla zabezpečovala bezpečný posez, dobré boční vedení a opěrky ochraňovaly krční páteř. Bezpečnostní kritéria měla za následek, že opěrky hlavy na předních sedadlech zdomácněly ve všech třídách automobilů.

Všimněme si, že v interiéru nechybí bezpečnostní pásy. Ze začátku byly trochu komplikované, bránily nám ve volném pohybu při sezení a následně překážely při jejich odepnutí, ale zachraňovaly to nejcennější – životy. V polovině osmdesátých let byl tento problém odstraněn tzv. samonavíjecími bezpečnostními pásy.

Bezpečnostní pásy

Princip virtuální demonstrace činnosti navíjecího mechanismu samonavíjecího bezpečnostního pásu a princip činnosti blokování pásu v případě změny rychlosti automobilu v současnosti není možný bez 3D CAD modelu zařízení (obr. 3). Podobně je to i s modelem principu činnosti předepínání bezpečnostních pásů. Úkolem předpínačů bezpečnostních pásů je eliminovat dopředný pohyb cestujícího v okamžiku nárazu. Použitím předpínače dochází ke snížení hodnoty špičkového zpomalení při nárazu. Je zřejmé, že tento systém zvyšuje bezpečnost posádky automobilu.

Rozvoj strojírenských technologií a elektroniky

Sedadla se stala v průběhu několika let sofistikovaným mechatronickým výrobkem. To umožnila miniaturizace elektrických pohonů a jejich mikroprocesorové řízení. Dnešní sedadlo v automobilu vyšší střední třídy je plně elektronicky ovládané. Elektricky lze ovládat nejen posuv v podélném směru, ale i výškové nastavení, náklon sedáku, sklon opěradla, nastavení opěrky hlavy, bederní opěrky a také přední stehenní části sedáku. Přední sedadla mají i paměť pro jednotlivé uživatele vozidla, která si pamatuje všechna konkrétní nastavení sedadla i nastavení zpětných zrcátek, pokud se za volantem vozu střídá více řidičů. Stále více se přemísťujeme na větší vzdálenosti. Pohodlné sezení má příznivý vliv na eliminaci únavy řidiče a tím i na bezpečnost posádky.

Opěrky hlavy

Dalším z prvků pasívní bezpečnosti jsou opěrky hlavy. Zabraňují nekontrolovatelnému záklonu hlavy, ke kterému dochází při nárazu automobilu na překážku, resp. při nárazu do automobilu zezadu. Nejnověji se vyvíjejí tzv. aktivní opěrky hlavy, které regulují vysunutí opěrní části hlavy ve směru dopředného pohybu. Tím se snižuje síla „zpětného rázu hlavy" a s ním spojeného nebezpečného záklonu hlavy, což chrání krční páteř. Existují různé mechanismy naklopení, resp. vysunutí opěrky. Aktivní opěrka hlavy snižuje ohybový moment na krční páteř až o 45 % (obr. 5) [3].

Vozy prémiového segmentu AUDI A8, VW Phaeton, Mercedes třídy S, BMW řady 7 si dávají na sezení velmi záležet. Sedadla jsou pohodlná se všemi výdobytky techniky.

CAD (Computer Aided Design) a návrh sedadel

Vzhledem k tomu, že dnes probíhá celý vývoj, návrh a výroba automobilu s pomocí CAD/CAM systémů, neminul tento trend ani odvětví návrhu a výroby autosedadel. V prvé řadě se tento systém osvědčil z hlediska rychlé modifikace, tvarových inovací a vizualizace barevných řešení sedadel. Nesmíme zapomenout na virtuální ergonomické testování sedadel (obr. 7). Celý návrh a vývoj se odvíjí od ergonomických kritérií sezení pasažéra v automobilu. CAD systém CATIA V5 v modulu Human Builder má možnost výběru figuríny zvané Manikin s předem definovanými antropometrickými parametry. Na základě rozměrů automobilu se vyplní požadované hodnoty (definující vnitřní prostor karosérie), které Manikina napolohují do sedu podle ergonomických kritérií (obr. 7).

Návrh tvaru sedadla metodou Reverse Engineering v Imagine & Shape CATIA V5

Na základě antropometrických vlastností figuríny navrhneme délku a sklon sedáku a opěradla. Za pomůcku tvarového řešení jsme si vzali jednotlivé pohledy automobilu AUDI A8 a fotografie sedadla tohoto automobilu (obr. 6, 7). Skici jednotlivých pohledů byly importovány do prostředí CATIA v modulu Sketch Tracer.

V modulu Imagine & Shape byly vytvarovány sedák a opěrák k poloze pasažéra a také na základě jednotlivých předlohových pohledů.

Postup jednotlivých kroků intuitivního tvarování sedadla je na obr. 8.

Tato metoda nám trochu připomíná „historku", která kolovala o návrhu legendárního soutěžního automobilu LANCIA Stratos HF stejně legendárního jezdce Sandra Munariho. Tento jezdec byl s tímto automobilem tak silně spjatý, že některé jazyky říkaly, že automobil vznikl tak, že Munariho posadili do anatomického sedadla a kolem něj dotvarovali automobil. S nadsázkou řečeno, „tak nějak vznikají i dnešní sedadla".

Po tvarování sedadla do finální podoby se mapují textury materiálů a sedadlo lze vizualizovat (obr. 9).

Flexibilita návrhu v CAD umožňuje sedadlo dále tvarovat, resp. vytvářet jeho inovace na základě požadavků designérů, resp. zákazníků. Samozřejmě optimalizace probíhá „za účasti" virtuální figuríny Manikin. Na obrázku 10 jsou vytvořeny inovativní varianty sedadel i s usazenými Manikiny.

Airbag – doplněk bezpečnostních pásů

Airbag byl vynalezen v roce 1952 Johnem W. Hetrickem a o rok později si jej nechal patentovat. Do sériové výroby airbag zavedla značka Chevrolet v roce 1972. V 90. letech zaznamenaly airbagy obrovský boom. Volvo 850 z roku 1991 bylo prvním vozem s airbagem ve standardní výbavě. Je třeba zdůraznit, že dnešní airbagy pracují v součinnosti s bezpečnostními pásy, proto je velmi důležité se vždy ve vozidle připoutat! Bez připoutání mají airbagy omezenou účinnost [3].

Airbag je vak, který se při srážce vozidla během několika milisekund naplňuje plynem. Ochrání tak posádku vozu před poraněním o tvrdé části interiéru. Při aktivaci airbagu dojde k porušení krytu airbagu na předem určených místech. U řidiče se doba nafouknutí airbagu pohybuje v rozmezí 28–30 milisekund. 150 ms po nárazu dochází k úniku plynu z airbagů, čímž se opět uvolní prostor před cestujícími.

Simulace nárazu na pevnou překážku v simulačním programu Dead or Alive?

Při vývoji zádržných systémů jsou jedním z výchozích kritérií biomechanické limity lidského těla. Předmětem studia biomechanických limitů je mechanismus poranění a mechanická odolnost lidského těla. Zádržné systémy musí pracovat tak, aby nezpůsobily poranění lidského těla v důsledku překročení mezních hodnot biomechanických limitů. Senzory na testovacích figurínách sledují při nárazových zkouškách důležité fyzikální veličiny. Především zrychlení a sílu při nárazu. Meze biomechanických limitů, které je lidské tělo schopno vydržet bez poškození, se stanoví na základě poznatků získaných analýzou dopravních nehod a vědeckým výzkumem. Sledují se vybrané veličiny, např. špičkové zrychlení hlavy HIC (head injury criterium) a zrychlení trupu, v souvislosti se vzniklými zraněními. K hodnocení zranění při nehodových událostech se používají stupnice závažnosti úrazu. Jednou ze stupnic závažnosti úrazu je AIS (= Abbreviated Injury Scale) [6, 7].

Firma Fitzpatrick Engineering se zabývá vývojem simulačního softwaru crash testů [8]. Na následujících obrázcích bude poukázáno na vliv zádržných systémů na přežití řidiče. Simulace jsou převedeny v demo verzi programu Dead or Alive? zmíněné firmy [8].

Vstupní veličiny pro definování testu

• Rychlost vozidla: 55 km/h
• Výška řidiče: 183 cm
• Hmotnost řidiče: 78 kg
• Typ vozidla: Sedan

V každé simulaci jsou porovnávány dva použité zádržné systémy, resp. 2 různé kombinace. Vpravo je zobrazena poloha figuríny na konci simulace nárazu na pevnou překážku při použití srovnávaných systémů. Vlevo jsou grafy s průběhem dvou veličin. Horní graf znázorňuje průběh zrychlení hlavy figuríny během nárazu – HIC v jednotkách SI (= Severity index). Dolní graf znázorňuje průběh zrychlení trupu během nárazu na pevnou překážku. Modrá křivka v obou grafech popisuje děj příslušející figuríně na obrázku vpravo nahoře. Černá křivka v obou grafech popisuje děj příslušející figuríně na obrázku vpravo dole. Na pozadí obou grafů je stínování vyjadřující závažnost zranění, které odpovídá stupnici AIS [4, 8].

Na následujícím obrázku můžeme vidět parametry zranění hlavy a hrudníku řidiče připoutaného a nepřipoutaného.

Nepřipoutaný vs. připoutaný řidič

Náraz na pevnou překážku v rychlosti 55 km/h by u nepřipoutaného řidiče způsobil těžké poranění hlavy. Podle AIS by šlo o zranění neslučitelné se životem. U řidiče připoutaného hodnota zrychlení hlavy a míra závažnosti zranění by byla nízká. Podobně by to bylo i s poraněním hrudní oblasti (obr. 12).

Řidič nepřipoutaný vs. řidič nepřipoutaný s airbagem

Toto je velmi obvyklý stav, kdy se řidiči spoléhají pouze na airbagy. Z něho je vidět, že při rychlosti 55 km/h se dá na airbagy spolehnout, i když by došlo k lehkému poranění hrudníku. Ve vyšších rychlostech by to však již tak nemuselo být (obr. 13).

Řidič připoutaný vs. připoutaný s airbagem

V obou případech by byla míra závažnosti poranění malá. V případě připoutání v kombinaci s airbagem jsou níže špičková zpomalení obou biomechanických kritérií (obr. 14).

Na následujících obrázcích jsou znázorněny situace v mezních polohách během nárazu na pevnou překážku. Obr. 15 znázorňuje vliv zvýšení rychlosti na kritickou polohu řidiče, v tomto případě se jedná o hodnoty rychlosti 55 km/h a 90 km/h. Na obr. 16 je srovnání krajních poloh řidiče připoutaného a připoutaného s airbagem při rychlosti 55 km/h.

Za vším jsou CA.. systémy

Toto tvrzení by se mohlo zdát mnohým laikům opovážlivé. Pravda však je, že každý jeden komponent automobilu potřebuje nástroj, s pomocí kterého bude vyroben. Ať už jsou to formy na lisování plechů nebo formy na vstřikování plastů. Každá fáze návrhu zahrnuje v sobě vizualizaci, čili kus virtuální reality. Dokážeme prezentovat něco, co ve skutečnosti ještě vyrobeno není, umíme zjistit mínění trhu, zda by byl o výrobek zájem. Další problematikou je analýza a testování virtuálních modelů. Vidíme, že i relativně jednoduché 2D zobrazení procesu nárazu na překážku v softwaru Dead or Alive? v sobě zahrnuje sofistikovaný program, který pomáhá analyzovat a vizualizovat tento proces i stanovit míru a závažnost poranění. Nemluvě o analýzách metodou konečných prvků a třírozměrných Crash-testů. A mohli bychom pokračovat s CAM, CNC obráběním, řízením robotů a dalšími CA.. technologiemi používanými při návrhu a výrobě automobilů.

Článek byl vypracován v rámci řešení grantových úkolů VEGA 1/0022/10, VEGA 1/0313/11 a realizací projektu Centrum výzkumu řízení technických, environmentálních a humánních rizik pro trvalý rozvoj produkce a výrobků ve strojírenství – na základě podpory operačního programu Výzkum a vývoj financovaný z Evropského fondu regionálního rozvoje.

Literatura:

[1] VOLVO, O značke VOLVO, Správy a udalosti, [cited 28. 11. 2010], seen on: <http://www.volvocars.com/sk/top/about/news-events/pages/default.aspx?itemid=8>
[2] How Seatbelts Work, [cited 18. 2. 2011], seen on: <http://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/seatbelt3.htm>
[3] autolexicon.net, Váš technický slovník, Aktívna opierka hlavy, Airbag [cited 18. 2. 2011], seen on: <http://cs.autolexicon.net/>
[4] Kučera, J.: Normativní požadavky na činnost zádržných systémů vozidel, Diploma Thesis, Institute of Forensic Engineering, Brno University of Technology, Brno 2010, [cited 28. 1. 2011], seen on: <http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=28682>
[5] Car Service, Airbag a Vaša bezpečnosť, [cited 18. 11. 2010], seen on: <http://www.cars-service.sk/index.php/bezpecnost/87-airbag-a-vasa-bezpecnost>
[6] Vlk, F. Stavba motorových vozidel, Brno 2003, ISBN 80-238-8757-2
[7] Vlk, F. Karoserie motorových vozidel: Ergonomika. Biomechanika. Struktura. Pasivní bezpečnost. Kolize. Materiály, Brno 2000, ISBN 80-238-5277-9
[8] Fitzpatrick Engineering, Crash Simulation, Driver Education, & Auto Safety Specialists, Dead or Alive?, Indiana, USA, 1993–2008, [cited 18. 2. 2011], seen on: <http://www.fitzpatrickengineering.org/>
[9] Svetlík, J., Daneshjo, N.: Prehľadová štúdia CAx technológií, in: TRANSFER 2008, Trenčín: Digital Graphic 2008, ISBN 9788080753573
[10] Fedorko, G., Molnár, V.: Catia základy projektovania, ES/AMS, TU Košice 2006, ISBN 80-8073-648-0
[11] Kopas, M., Pauliková, A.: Orientujete sa bezpečne v dopravnej a manipulačnej technike?, in: Ai Magazine, roč. 3, č. 3, Žilina 2010, ISSN 1337-7612