Srážka vlaku s autem
8. 6. 2012
Automobil se stal běžnou součástí našich životů. Avšak jen za rok 2011 bylo na území České republiky zaznamenáno zhruba sedmdesát pět tisíc dopravních nehod. Ke zvýšení bezpečnosti automobilů slouží takzvané crash testy. U nás se těmito zkouškami zabývají lidé z Českého vysokého učení technického v Praze. Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství na Dopravní fakultě ve spolupráci s Výzkumným ústavem kolejových vozidel připravil zvláštní experiment – nechal srazit vlak s autem.
Automobil se stal běžnou součástí našich životů. Zatímco pro někoho je auto životní styl nebo dokonce další domácí mazlíček, pro jiné je nutným zlem. Jen za rok 2011 bylo na území České republiky zaznamenáno zhruba sedmdesát pět tisíc dopravních nehod. Hlavní město Praha má na svém kontě šestnáct a půl tisíce nehod, při kterých škoda převýšila jednu miliardu korun.
Policisté v Praze šetřili dopravní nehodu průměrně každou půl hodinu. Každý desátý den tady při nehodě zemřel člověk. Snížit riziko nehody by měly další nové bezpečnostní systémy. Automobilové společnosti proto vyvíjejí dokonalejší brzdy, či systémy varující před neúmyslným vybočením z jízdního pruhu.
Ve vývoji jsou i systémy pro noční vidění. Kromě airbagů pro posádku vozidla už existují i airbagy pro chodce. Ke zvýšení bezpečnosti automobilů slouží i takzvané crash testy. Testy organizace Euro-NCAP informují o tom, jak si které auto vede v ochraně posádky i chodců. U nás se těmito zkouškami zabývají lidé z Českého vysokého učení technického v Praze. Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství na Dopravní fakultě připravil zvláštní experiment.
prof. Ing. Jan Kovanda, CSc., Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství, Dopravní fakulta ČVUT: Takže my využíváme spolupráci s průmyslem, s průmyslovými podniky, s výzkumnými ústavy a v tomhle případě s Výzkumným ústavem kolejových vozidel, který nám umožnil zúčastnit se jejich testu deformačních vlastností čelní partie kolejového vozidla. A my toho testu využíváme a dáme si do toho prostředí testu, do těch zátěžných podmínek, které tam vzniknou, náš subjekt, který nás zajímá, což je v tomhle případě osobní automobil.
Nové osobní automobily musí podstoupit schvalovací zkoušky, které simulují náraz auta s autem. Teprve pak mohou jít do výroby. Experiment, který připravují studenti ČVUT, bude ale simulovat srážku auta s tramvají. Do vozu však rozhodně nenarazí tramvajová souprava, ale jen její čelník připevněný na železniční vůz. Ve zkušebním areálu Výzkumného ústavu kolejových vozidel v Cerhenicích proběhne srážek hned několik. První bude srážka čelníku tramvaje s železničním vozem, který má místo předních nárazníků takzvaný impaktor.
Ing. Zdeněk Malkovský, generální ředitel VÚKV: Ten impaktor slouží k tomu, abychom mohli ověřit vlastnosti zkoušeného vzorku. Tímto vzorkem tady je čelník, vyvíjený čelník tramvaje. Jindy to může být celá kabina. Parametry toho impaktoru nejsou předepsány, ale na základě našich výpočtů, našich simulací, jsme ho dělali tak, aby odpovídal požadavkům normy alespoň částečně na silniční cisternu a zároveň byl velice tuhý tak, abychom zajistili opakovatelnost zkoušek.
Stejný zkušební vůz s impaktorem se pak spustí z kopce a nechá narazit do osobního automobilu. Data získaná při obou srážkách, tedy impaktoru s čelníkem a impaktoru s automobilem, se pak srovnají. Vznikne obraz o deformačních zónách i o následcích nehody.
V poslední nárazové zkoušce se střetne čelník přímo s automobilem. Průběh nárazové zkoušky budou snímat senzory, které se připevňují přímo na karoserii automobilu. Akcelerometr tak změří zrychlení. V našem případě budou použity akcelerometry trojosé, což znamená, že mohou při nárazu zaznamenávat zrychlení ve třech směrech.
Radek Dvořáček, student Dopravní fakulty ČVUT: Systém toho akcelerometru je takový, že vevnitř se změní nějaké mechanické poměry, a tím my získáme nějaký ten elektrický signál, který potom budeme vyhodnocovat.
Tenzometry změří napětí. Během nárazu drátek snímače mění tvar stejně, jako materiál, na kterém je připevněn. Mění se tak i jeho odpor, ze kterého se zjišťuje napětí v konstrukci. Snímače se propojí se systémem CompactRIO. Tato počítačová soustava, která snímá v reálném čase, byla naprogramována speciálně pro tuto nárazovou zkoušku.
Hana Najzarová, studentka Dopravní fakulty ČVUT: Vlastně až to auto narazí, tak abychom nezaznamenávali celou dobu, tak při tom nárazu my zmáčkneme knoflík a vlastně tady se nám spustí trigger a od té doby se nám budou tady do tabulky zaznamenávat data a ty potom uložíme na CompactRIO, které bude v autě. Z toho to potom stáhneme do počítače a pak už se můžou ty data vyhodnocovat.
Z naměřeného mechanického napětí a zrychlení se zjišťují síly, které se během nárazu šíří karoserií. Tak je možné určit, zda posádku automobilu náraz skutečně ohrozí. Průběh deformace se také zaznamenává pomocí vysokorychlostních kamer, které umožňují vidět srážku i ve velmi zpomaleném záběru. Na čelník tramvaje se mezitím v Cerhenicích lepí cílové terče a měřítko.
Ing. Roman Ježdík, výpočtář, pevnost vozidel VÚKV: Jelikož mám definované měřítko, tak vím, že určitý počet pixelů toho kterého záběru odpovídá potom třeba jednomu centimetru a můžu si přepočítat vlastně součet pixelů na velikost deformace toho nosníku.
Zkouška se zaznamenává také na infrakamery, které snímají pohyb čidel umístěných na testovaných částech. Tato čidla pak dodávají údaje o rychlosti a dráze deformace. Z těchto dat se spočítá energie, kterou pohltí čelník během nárazu. Pomocí záznamů se také ověřuje počítačový model crash testu, který vzniká ještě před samotnou srážkou. Cílem zkoušky je ověřit tento model a doladit jeho parametry podle naměřených hodnot.
Mario Talarico, student Universitá della Calabria a v programu Erasmus student ČVUT: Tady máme počítačovou simulaci nárazu a pak máme reálnou situaci, crash test a můžeme porovnat výsledky. To je velmi důležité, protože pomocí modelu můžeme zlepšit strukturu auta, tak aby bylo bezpečnější.
První náraz je před námi. Aby proběhl v rychlosti pěti kilometrů v hodině, spouští se testovací vůz z předem určeného vyvýšeného místa. Vůz, který naráží do čelníku tramvaje, má hmotnost osmdesáti tun. Ve velínu se spouští měření, podle kterého bude možné stanovit, kolik energie čelník během nárazu pohltil.
Ing. Zdeněk Malkovský, generální ředitel VÚKV: Po prvním nárazu, symetrickém nárazu, došlo k nesymetrické deformaci čelníku.
Tento jev je typický pro kompozitové prvky. Inženýři obvykle výpočtem stanoví určité vlastnosti, které jsou naprosto symetrické.
Ing. Zdeněk Malkovský, generální ředitel VÚKV: Reálný výrobní proces pak tuto symetrii nedokáže úplně dobře provést, a proto došlo k této nesymetrické deformaci. Nicméně odpovídá to přibližně našim výpočtům a nedošlo k tak velké deformaci, jako při té rychlosti nárazu osmdesáti tunovým vagónem jsme očekávali.
Vzápětí byl proveden druhý test, a to v rychlosti sedmi kilometrů v hodině. Teď už zbývá umístit na koleje osobní automobil s posádkou. V Cerhenicích probíhají poslední přípravné práce. Důležité budou účinky nárazu pro obě testovací figuríny, které mají také v těle akcelerometry, takže z výsledků měření bude možné vypočítat pravděpodobnost jejich přežití.
Kromě toho se budou testovat i vlastnosti speciální opěrky hlavy. Opěrka byla vyrobená a připravená na ČVUT a měla by sloužit dětem ve věku od deseti do dvanácti let – tedy právě těm, které už nemohou používat dětskou autosedačku.
Ing. Hedvika Kovandová, Ph.D., Dopravní fakulta ČVUT: Tento test je vlastně první takovou pilotní zkouškou účinnosti tohoto technického řešení. Takže jsme zvědaví na výsledek naměřeného zrychlení na hlavě figuríny, jestli bude mít pozitivní vliv či nikoliv při bočním nárazu.
Všechny nárazové zkoušky jsou hodnoceny podle takzvaných biomechanických kritérií. Tato měřítka a omezení pro jednotlivé lidské tkáně a orgány byla stanovena na základě mnoha pokusů se zvířaty a mrtvými lidskými těly. Testovala se například citlivost různých orgánů na rázové vlny vzniklé při srážce. Příkladem biomechanického kritéria může být také nehoda, která se stávala u starších modelů aut. Řidič při čelní srážce narazil do zámku volantu a často si zlomil stehenní kost.
prof. Ing. Jan Kovanda, CSc., Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství ČVUT: Takže výzkum tohoto problému by mohl vypadat tak, že bychom si vzali nějaké vzorky kostí. Zjistili si síly, při kterých dojde k fraktuře té kosti, a pak bychom si stanovili nějakou korelační křivku, která by říkala, jaká je pravděpodobnost, že kost praskne při nějaké působící síle. No a pak si stanovíme nějakou tu hladinu přípustnosti, řekněme, třeba deset procent přípustnosti fraktur nám dá nějakou sílu. Řeknu, třeba odhadnu šest kilonewtonů. Takže si stanovíme jednoduché kritérium, že při axiálním zatížení stehenní kosti při čelním nárazu automobilu smí působit síla maximálně šest kilonewtonů.
Při nárazové zkoušce se pak do testovací figuríny umístí snímač síly, který bude měřit, jestli síla dosáhne stanovené hodnoty, tedy biomechanického kritéria poranění. Pokud tuto hodnotu nepřekročí, proběhl test úspěšně. Zároveň se podle experimentů konstruují samotné figuríny tak, aby reakcím těla při nehodě odpovídaly co nejvíce. První figurína vznikla už v roce 1945 a jmenovala se Sierra Sam. Sam byl tehdy použit pro americké letectvo při zkouškách katapultování z letadla.
Oficiálním standardem se ale testovací figuríny staly až v roce 1997. Dnes máme figuríny určené speciálně pro čelní náraz nebo pro boční náraz. Běžně se také používají figuríny dětí nejrůznějšího věku, či figuríny těhotných žen. Naše figuríny mají snímače umístěné v hrudníku a v hlavě. Během testu se bude hodnotit hlavně poranění hlavy a mozkových tkání.
prof. Ing. Jan Kovanda, CSc., Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství ČVUT: Výzkum mechanismu poranění, které se nazývá difúzní poranění mozku, kdy dochází vlastně k přerušení spojení mezi nervovými buňkami, mezi neurony, je velmi zajímavou oblastí, protože tam probíhá nějaká rázová vlna, která poškodí ta jednotlivá spojení a toto difúzní poranění je úplně dominantní poranění z hlediska úmrtnosti v dopravě.
Další nárazová zkouška je připravena. Tentokrát narazí zkušební vůz s impaktorem do osobního automobilu. Náraz bude probíhat za stejných podmínek jako nárazy s čelníkem – to proto, aby se mohla porovnat naměřená data. Ve velínu už jsou připraveni. Měření je spuštěno.
Jak to vypadá, první náraz automobil nerozdrtil. Vůz se tedy může obrátit nepoškozenou stranou do směru dalšího nárazu. Poslední zkouška by měla přiblížit srážku tramvaje s osobním autem nejvěrněji. Tentokrát bude rychlost při nárazu patnáct kilometrů v hodině.
prof. Ing. Jan Kovanda, CSc., Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství ČVUT: Lidé obecně mají tendenci jakoby přeceňovat nárazové rychlosti dopravních nehod obecně. Samozřejmě, když někdo vidí nějakou krizovou situaci před svým vozidlem a jede stokilometrovou rychlostí, tak začne brzdit a rychlost, ta skutečná nárazová rychlost, ta nárazová rychlost, kdy se ty objekty střetnou, je vždy nižší.
Schvalovací testy vozidel se běžně provádějí v rychlosti 56 kilometrů za hodinu. Nezávislá organizace Euro-NCAP provádí své testy při rychlosti 64 kilometrů za hodinu. Tyto nárazy ale simulují srážku automobilu s druhým autem. Srážka s kolejovým vozidlem probíhá většinou v rychlostech nižších. Kolejová vozidla, jako je právě tramvaj, mají ale daleko vyšší hmotnost. Tu simuluje osmdesátitunový zkušební vůz, na který se právě montuje čelník tramvaje.
prof. Ing. Jan Kovanda, CSc., Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství ČVUT: Pokud se podíváme na první výsledky, které máme k dispozici, které jednak byly naměřené a jednak pomocí takové první kontroly, prvního ohledání toho automobilu, tak je třeba říct, že jak ten čelník tak ten automobil se zachovaly velmi dobře. Ten čelník si zachoval svoji strukturu. Mechanické vlastnosti zůstaly zachovány. Ty síly se distribuovaly poměrně rovnoměrně, takže i automobil je deformován velmi přijatelným způsobem a zdá se, že tak, jak jsou navrženy tyto dva prvky, tak vytvářejí poměrně kompatibilní systém a je poměrně překvapivé, že ty deformace, distribuce sil, jsou srovnatelné, což je vlastně cíl, který bychom rádi u takovýchto automobilů a u kolizních stavů, které mohou nastat, dosáhli.
Výpočetní modely vznikaly také ve Výzkumném ústavu kolejových vozidel. Nejprve se testovaly použité materiály. Díky tomu se získaly charakteristiky, podle kterých se model tvořil. Nárazová zkouška pak slouží k ověření modelu, tedy k jakémusi potvrzení simulovaných dat a k jejich dalšímu upravení.
Ing. Zdeněk Malkovský, generální ředitel VÚKV: S takto validovaným modelem, výpočetním, kolegové, co dělají výpočty, pak ví, jaké materiálové konstanty použili, jakou rychlost výpočetního kroku a tak dál. Budou moct provádět výpočty dalších výrobků.
Teď čeká odborníky z Výzkumného ústavu kolejových vozidel a studenty Dopravní fakulty ČVUT dlouhé vyhodnocování. Ještě chvíli potrvá, než budou moci odhadnout, jak by to s jejich figurínami dopadlo. V Čechách podle statistik počet nehod, při kterých se srazí automobil s tramvají, neustále vzrůstá. Jen v Praze vyráží denně do provozu 350 tramvajových souprav. Viníky těchto kolizí jsou ale většinou řidiči aut, kteří nedají tramvaji přednost při odbočování vpravo. Snad jednou odborníci objeví i způsob, jak změnit myšlení řidičů samotných.
Autor: Kateřina Borecká