Dlaczego kolumna kierownicy podczas zderzenia celowo ulega zgnieceniu?

W razie zderzenia kolumna kierownicy celowo się zapada; celowe złamanie jednego elementu to jeden z geniuszowych posunięć inżynieryjnych, które chronią kierowcę przed urazami klatki piersiowej.
W razie zderzenia kolumna kierownicy celowo się zapada; celowe złamanie jednego elementu to jeden z geniuszowych posunięć inżynieryjnych, które chronią kierowcę przed urazami klatki piersiowej.

Udostępnij tę stronę

Kolumna kierownicy, gdy w momencie zderzenia przekroczony zostanie zaprojektowany próg siły, kontrolowanie się załamuje i pochłania energię uderzenia; dzięki temu koło kierownicy nie jest wypychane w stronę kierowcy, a ryzyko urazu klatki piersiowej znacznie się zmniejsza. Brzmi dziwnie, prawda? Jak celowe złamanie części może być bezpieczeństwem? Właśnie to dokładnie wyjaśnię w tym artykule.

Najważniejsze informacje

  • Łamane kolumny kierownicy są obowiązkowe w USA od końca lat 60..
  • Łamane kolumny mogą pochłonąć w zderzeniu obciążenie około 15 kN; sztywne kolumny nie pochłaniają żadnej energii.
  • Poduszka powietrzna musi się napełnić, zanim kolumna zakończy skok zgniotu.
  • Nowoczesne kolumny mogą oferować dwu- lub trzystopniowy zgniot zależnie od prędkości pojazdu, masy kierowcy i stanu pasów.

Era sztywnej kolumny: Wał, który przebił kierowcę na wylot

Najpierw spójrzmy na złe dawne czasy, bo właśnie tam zaczyna się cała historia. W wczesnych samochodach kolumna kierownicy była jednym długim i sztywnym stalowym wałem łączącym koło kierownicy z przekładnią kierowniczą poniżej. Ani sprężyny, ani przegubu, po prostu prosta sztywna stal. W normalnej jeździe spełniała swoją rolę, oczywiście.

Ale co się działo przy zderzeniu? Gdy przód się zgniotł, ten sztywny wał był wpychany do wnętrza pojazdu bez przerywania siły. Ponieważ koło kierownicy było połączone z wałem kierownicy, wjeżdżało jak włócznia w klatkę piersiową kierowcy. Sytuacja jest tak poważna, że w literaturze używa się słowa "impale", czyli przebicie na wylot. To dokładnie była jedna z najczęstszych przyczyn śmiertelnych urazów przy silnych zderzeniach czołowych. I kiedy inżynierowie powiedzieli "skoro ten wał nie może się ruszać, zróbmy go ruchomym", narodziła się rewolucyjna koncepcja w zakresie bezpieczeństwa biernego.

Jak działa mechanizm zgniotu? Fizyka i zasady projektowania

Teraz przejdźmy do sedna. Podstawowa logika łamanej kolumny kierownicy jest następująca: kolumna pozostaje sztywna do osiągnięcia określonego progu siły, a po jego przekroczeniu celowo się skraca. Dzięki temu energia zderzenia jest zużywana na odkształcenie kolumny, a nie na ciało kierowcy. Pomyśl o równowadze pchania i ciągnięcia, którą znasz z lekcji fizyki: jeśli rozłożysz tę samą energię na dłuższej drodze, siła szczytowa spada. Kolumna zapewnia tę drogę poprzez zgniot, a energia przekształca się w odkształcenie mechaniczne.

Rura w rurze i stalowe kulki

Pierwsze projekty działały zgodnie z zasadą "rura w rurze" (tube-in-tube): płaszcz zewnętrzny składał się z dwóch rur wsuniętych jedna w drugą, a przy zderzeniu wewnętrzna przesuwała się teleskopowo w zewnętrzną, skracając kolumnę. W popularnej wersji między dwoma płaszczami umieszcza się stalowe kulki, które są utrzymywane mocną żywicą bezpieczeństwa. Gdy żywica osiągnie określone ciśnienie, pęka, kulki się uwalniają i wewnętrzny płaszcz zaczyna się przesuwać. W skrócie: opór kolumny powiązano z wytrzymałością kleju - według mnie to niezwykle eleganckie rozwiązanie.

W innym podejściu, w kolumnach typu rury rozprężnej, element tarcia zwany "collapse ring" określa siłę tarcia między korpusem kolumny a główną rurą. Lekkie pochylenie i stopień w pierścieniu kierują, gdzie i jak rura ulegnie deformacji w miarę postępu zgniotu. Zgniot nie jest więc przypadkowym zmiażdżeniem, lecz procesem zarządzanym krok po kroku.

Kto ustala próg: sworzeń ścinający, taśmy i pirotechniczne zapłonniki

Kto więc mówi kolumnie, kiedy powinna się zgnieść? Odpowiedź: projekt. Metody aktywacji dzielą się zasadniczo na trzy grupy:

  • Sworzeń ścinający (shear pin): mechaniczny sworzeń, który pęka po osiągnięciu określonej siły; po zerwaniu wał zostaje uwolniony i górny wał może przesunąć się po dolnym.
  • Kontrolowana deformacja: element metalowy celowo odkształcający się przy określonym nacisku; taśma biegnąca wzdłuż korpusu i plastycznie się wciskająca działa jako element pochłaniający energię.
  • Urządzenie pirotechniczne: mały ładunek odrzutowy, który natychmiast uwalnia mechanizm; powszechny w nowoczesnych pojazdach.

Szczególnie spodobała mi się jedna zasada patentowa: ciśnienie zniszczenia rury zgniatalnej powinno być zaprojektowane jako niższe od ciśnienia zniszczenia koła kierowniczego. Dlaczego? Ponieważ jeśli w zderzeniu to kolumna będzie pierwszym miejscem, które ulegnie zniszczeniu, koło kierownicy pozostanie całe, a energia zostanie pochłonięta dokładnie tam, gdzie tego chcemy - w kolumnie. Świadome umieszczenie słabego ogniwa we właściwym miejscu - w tym tkwi piękko inżynierii.

Zgniot adaptacyjny: każde zderzenie jest inne

Nowoczesne systemy nie są nawet jednostopniowe. Niektóre projekty oferują dwa lub trzy poziomy obciążenia: minimalny, średni i maksymalny. Wybór poziomu dokonuje się na podstawie danych z czujników mierzących prędkość pojazdu, wagę kierowcy, pozycję fotela oraz to, czy pas jest zapięty. Dla kierowcy drobnej budowy lub z zapiętym pasem włącza się niski poziom obciążenia, natomiast dla kierowcy cięższego lub bez pasa albo przy zderzeniu z dużą prędkością wybierany jest wysoki poziom obciążenia. Kolumna jest więc dostosowywana do Ciebie zderzenie po zderzeniu. To oznacza, że bezpieczeństwo bierne staje się niemal spersonalizowane.

Właśnie w tej równowadze tkwi trudna część projektu: jeśli opór jest zbyt mały, kolumna może zgnieść się samoczynnie podczas normalnej jazdy - przy momentach obrotowych, które wywierasz na zakrętach. Jeśli opór jest zbyt duży, w zderzeniu nie zostanie pochłonięta wystarczająca ilość energii i siła znów wróci do Ciebie. Między tymi dwoma skrajnościami inżynierowie przechodzą po cienkiej linie.

Synchronizacja z poduszką powietrzną i pasem bezpieczeństwa: gra zespołowa

Direksiyon kolonu milisaniye milisaniye hesaplanmış bir koreografiyle çöker, çünkü hava yastığıyla uyumsuzluk sizi korumak yerine içine fırlatır.

Kolumna kierownicy nigdy nie pracuje samotnie. Podczas zderzenia, w ułamkach sekund, trzy zabezpieczenia wchodzą do akcji niemal jednocześnie, jakby wykonały je w jednym pędzie. Gdy tylko jednostka sterująca poduszki wykryje zderzenie, uruchamia napinacz pasa bezpieczeństwa, mocując Cię w fotelu, i jednocześnie napełnia poduszkę w kierownicy.

Timing jest krytyczny: poduszka musi być napompowana, zanim kolumna zakończy skok zgniotu. Dzięki temu gdy jesteś gwałtownie wyrzucany w kierunku kierownicy, między Tobą a nią wchodzi w pełni napompowana poduszka i Twoja klatka piersiowa uderza w miękką powierzchnię, a nie w gniece się koło. Jeśli odwrócisz kolejność, poduszka może wypchnąć Cię w stronę zgniecionego koła - efekt dokładnie odwrotny.

Co więcej, ta synchronizacja jest tak subtelna, że położenie i odkształcenie kolumny może bezpośrednio wpływać na wydajność poduszki powietrznej. Przy silnych zderzeniach czołowych nadmierny ruch kolumny wiązał się z przejściem głowy manekina przez poduszkę powietrzną i bezpośrednim uderzeniem w kierownicę; czyli niekontrolowane lub nadmierne zapadanie się może zmniejszać skuteczność poduszki. Nie jest tak, że im więcej zapadania się w każdych warunkach, tym lepiej - liczy się kontrolowane zapadanie się.

Jest jeszcze kwestia siły zderzenia: nadwozia nowoczesnych pojazdów projektuje się tak, aby zachować integralność kabin pasażerskich przy prędkości uderzenia do około 64 km/h. Przy wyższych prędkościach - na przykład przy zderzeniu czołowym ze sztywną ścianą przy 80 km/h - wyniki manekinów pokazują, że szanse przeżycia są bardzo niskie. Kolumna to komponent, który wykonuje swoją pracę w granicach nadwozia; niestety nie potrafi uchylić praw fizyki.

Historia: Od Chevroleta z 1967 roku do dziś

Ten pomysł ma historię godną muzeum. W Chevroletach modelu 1967 widzimy kierownicę pochłaniającą energię; w tamtym okresie proponowano różne projekty, takie jak nożyce, tłok i sprężyna. Struktura typu "mesh", czyli siatka/pierścień zastosowana w Chevy II, pochłaniała energię spowalniając uderzenie. Wkrótce potem, pod koniec lat 60., kolapsowalne kolumny kierownicy stały się w USA obowiązkowe - krok uznawany za przełom w historii bezpieczeństwa biernego.

Efekt był też wymierny: według danych obecność składanych kolumn kierownicy we wszystkich pojazdach mogłaby zapobiec około 1300 zgonom i 23000 obrażeniom rocznie. Wielkość tej liczby pokazuje moim zdaniem, ile życia może uratować wałek, który na pierwszy rzut oka wydaje się nieistotny.

Czy dziś sytuacja wygląda tak samo? Tak, i rozwinęła się jeszcze bardziej: nowoczesne kolumny wciąż zachowują zdolność zapadania się i pochłaniania energii, a do tego dodano adaptacyjne stopnie i integrację z czujnikami. Mechaniczna prostota pierwszych projektów przekształciła się w systemy sterowane pirotechnicznie i elektronicznie; zasada podstawowa - kontrolowane zapadanie się po przekroczeniu progu - nie zmieniła się wcale.

Po zderzeniu: Czy zapadniętą kolumnę można naprawić?

A teraz zapytajmy: czy jeśli po wypadku kierownica nadal wygląda sztywno i równo, to wszystko jest w porządku? Niestety nie. Jeśli kolumna zapadła się podczas zderzenia, mechanizm pochłaniania energii jest jednorazowego użytku - jeśli zadziałał raz, nie zapewni już takiej samej ochrony. Dlatego wielu producentów zaleca sprawdzenie i zmierzenie kolumny po zderzeniu; niektórzy producenci wymagają wymiany kolumny, jeśli mechanizm pochłaniania energiał telah zapadł się.

Co więcej, ponieważ system może być sterowany komputerowo, w przypadku usterki zapisywane są kody błędów, które trzeba odczytać urządzeniem diagnostycznym. Czyli kolumna nie jest już czysto mechaniczną częścią, lecz komponentem powiązanym z siecią bezpieczeństwa pojazdu. Jeśli przy zderzeniu o dużej sile kolumna się nie zapadnie, siła skierowana na kierowcę może doprowadzić do poważnych obrażeń - dlatego stwierdzenie "dobrze wygląda, to znaczy że wszystko w porządku" to niebezpieczne uproszczenie.

Często zadawane pytania

Czy przy poduszkach powietrznych zapadanie się kolumny jest nadal konieczne?

Tak, jest konieczne. Choć to pytanie było dyskutowane zarówno na forach, jak i w literaturze eksperckiej, odpowiedź jest jasna: poduszka powietrzna to system, który może zacząć spieniać się w ciągu sekundy i nadmuchuje się tylko raz. Kolumna natomiast pochłania siłę przez cały czas trwania zderzenia. Współczesne kolumny również zachowują zdolność zapadania się i pochłaniania energii; poduszka powietrzna nie zastępuje tej zdolności, lecz współpracuje z nią.

Jaki jest próg zapadania się?

Trudno podać jedną konkretną liczbę, ponieważ próg zależy od konstrukcji. W pojedynczym źródle mówi się o progu około 11 000 niutonów (około 2500 lbf), natomiast w pracach naukowych wskazuje się, że kolumny zapadane mogą pochłonąć w zderzeniu obciążenie około 15 kN. Te dwie liczby mierzą różne rzeczy: jedna to próg siły uruchamiający zapadanie się, druga to całkowita nośność kolumny. Dlatego odpowiedź na pytanie „przy ilu niutonach się zapada" zależy od pojazdu i konstrukcji.

Czy każde auto ma kolumnę zapadaną?

W pojazdach na rynkach są one niemal standardem, ponieważ obowiązek istnieje od końca lat 60. Mimo to wiadomo, że dawniej niektóre modele ekonomiczne wciąż stosowały sztywne kolumny; obecnie ten stan rzeczy w dużej mierze odszedł do przeszłości, ale w pojazdach używanych, zwłaszcza w starszych modelach, warto sprawdzić ten szczegół.

Słowo końcowe: Część, która wydaje się słaba, w rzeczywistości jest bohaterem

Historia kolumny kierownicy moim zdaniem sama w sobie oddaje istotę filozofii bezpieczeństwa biernego: energia nie znika, tylko zostaje przeniesiona. Kolumna została zaprojektowana tak, aby tę energię pochłonęło jej własne ciało zamiast twojej klatki piersiowej. A więc możliwość oparcia się o kierownicę po zderzeniu i powiedzenia „dobrze, że kolumna się zapadła" zawdzięczamy jednemu z najcichszych i najskuteczniejszych sukcesów inżynierii. Gdy następnym razem skręcisz kierownicą, przypomnij sobie, że ta zwykła wyglądająca sztyca pod twoimi rękami niesie w sobie plan przygotowany dla ciebie. Czy patrząc na listę wyposażenia bezpieczeństwa jakiegoś pojazdu, zwróciłeś kiedyś uwagę na kolumnę kierownicy? Spróbuj - gdy zobaczysz tam wyrażenie „kolumna pochłaniająca energię", już będziesz wiedzieć, co ono oznacza.

Źródła