Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования
1.1. Анализ дизайна бамперов легковых автомобилей малого класса на различных исторических этапах развития автомобилестроения 9
1.2. Установление взаимосвязи функции и дизайна бамперов с материалами и технологией их изготовления . 17
1.3. Цель работы и постановка задачи исследования 18
2. Выявление классифитсационных признаков и создание классификации автомобильных бамперов 20
2.1. Конструктивные типы бамперов 20
2.2. Бампер как защитное устройство 30
2.3. Бампер как аэродинамический элемент кузова 47
2.4. Бампер как «интегрированный узел» автомобильного кузова 52
2.5. Создание классификации бамперов легковых автомобилей малого класса 55
2.6. Выводы по главе 2. 57
3. Конструктивные особенности, материалы и технологии изготовления автомобильных бамперов 60
3.1. Критерии, определяющие конструкцию бампера 60
3.2. Нормативные и потребительские требования к конструкции автомобильного бампера 64
3.3. Материалы и технологии для производства автомобильных бамперов 66
3.4. Выводы по главе 3 70
4. Экспертная оценка значимости функций и дизайна бамперов 72
4.1. Подготовка материалов для экспертной оценки 72
4.2. Обработка результатов экспертной оценки 74
4.3. Выводы по главе 4 80
5. Метод системного проектирования бамперов легковых автомобилей 81
5.1. Формулирование задач и определение алгоритма проектирования бампера . 81
5.2. Применение метода системного проектирования на практике 86
5.3. Выводы по главе 5 89
6. Разработка дизайна бамперов из полимерных материалов для экспериментальных и серийных автомобилей «Москвич» 91
6.1 Проектирование бамперов из полимерных материалов для автомобилей марки «Москвич» (АЗЛК) 92
6.2 Испытания опытных образцов автомобиля «Москвич-2141»
на удар 96
6.3. Разработка аэродинамических элементов автомобиля «Москвич-2141» 98
6.4. Практические результата применения метода системного проектирования 103
Выводы по главе 6 106
Общие выводы 107
Список использованных источников 109
Приложение I. Документы о внедрении работы 115
9.1 .Акты о внедрении методики проектирования бамперов легковых автомобилей. 116
9.2.Авторские свидетельства на промышленные образцы бамперов 120
Приложение II. Список экспертов по оценке функциональных свойств и дизайна бамперов легковых автомобилей
малого класса
10.1 .Список экспертов
- Установление взаимосвязи функции и дизайна бамперов с материалами и технологией их изготовления
- Бампер как аэродинамический элемент кузова
- Материалы и технологии для производства автомобильных бамперов
- Формулирование задач и определение алгоритма проектирования бампера
Введение к работе
з
Актуальность работы.
Автомобиль как средство транспорта обладает не только огромными преимуществами, но и является средством повышенной опасности. Ежегодно на дорогах всех стран мира под колесами автомобилей погибает 1.2 миллиона человек, до 50 миллионов человек получают увечья. Поэтому создание безопасных конструкций автомобиля является актуальной задачей.
В отечественной практике до последнего времени проблеме безопасности конструкции уделялось недостаточно внимания. Внедрение новых компонентов безопасной конструкции, новых материалов и технологий существенно отстает от зарубежных производителей. Применительно к дизайну кузова, наиболее значимыми являются передний и задний бамперы или детали кузова их заменяющие, поскольку они первыми входят в контакт с препятствием или с пешеходом. В исследованиях отечественных и зарубежных авторов бампер рассматривается либо как самостоятельный защитный элемент конструкции вне системы «кузов-автомобиль», либо исследуются отдельные аспекты дизайна вне комплекса функций, материала и технологии. В настоящей работе дизайн, конструкция и функциональные качества бампера исследуются во взаимосвязи с эволюцией конструкции кузова легковых автомобилей, совершенствованием материалов и технологий производства, предлагается метод решения задач практического проектирования. Большой вклад в разработку научно-технической задачи комплексного проектирования бамперов внесли Покровский Ю.Ю., Ремнев КС, Степанов И.С, Ломакин В.В., Долматовский Ю.А., Балабин И.В., Рябчинский А.И., Аппель Н., Крамер Ф., Карунин А.Л., Рабинович Б.А. и др. На необходимость комплексного подхода к решению названной задачи указывает большое разнообразие конструкций и форм бамперов и постоянная эволюция не только дизайна, а также материалов, технологии и функциональных свойств бамперов.
Выявление зависимости функции и дизайна бамперов легковых автомобилей малого класса от материалов и технологий их изготовления является актуальной нучно-технической задачей.
Цель работы -
Разработка системы проектирования бамперов легковых автомобилей малого класса с использованием полимерных материалов, обеспечивающих заданные свойства.
Задачи исследования:
Провести анализ дизайна бампера легковых автомобилей малого класса и его элементов на различных исторических этапах развития автомобилестроения.
Провести анализ функциональных свойств бамперов в системе «кузов-автомобиль» для легковых автомобилей малого класса.
Провести анализ материалов и технологий, применяемых для производства бамперов легковых автомобилей малого класса.
Установить взаимосвязи функции и дизайна бамперов с материалами и технологиями их производства.
Определить классификационные признаки бамперов и классифицировать бамперы как важный элемент кузова.
Разработать системный подход к проектированию бамперов, отвечающих требованиям пассивной безопасности, аэродинамики и дизайна, и применить его на практике для создания бампера с заданными качествами на основе использования полимерных материалов.
Научная новизна:
Определены основополагающие параметры проектирования бамперов, обеспечивающие наиболее полную реализацию его функции и дизайн.
Определены классификационные признаки бамперов, создана классификация бамперов легковых автомобилей малого класса, характеризующаяся изменением функциональных свойств, материалов и технологий.
Установлена хронологическая закономерность эволюции дизайна бамперов легковых автомобилей малого класса в зависимости от изменения функций, материалов и технологий их изготовления, включающая три основных этапа развития дизайна бамперов.
Выявлены три группы функциональных задач проектирования бамперов:
по безопасности конструкции;
по аэродинамике;
по проектному решению дизайна бамперов. Практическая значимость результатов работы.
Разработан метод проектирования бамперов легковых автомобилей малого класса, включающий три группы задач, обеспечивающих функциональные свойства бамперов.
Метод проектирования применен в разработке дизайн-проектов экспериментальных и серийных автомобилей марки «Москвич» (АЗЛК), «Арбат» (АЗЛК), «Тетра» и «Курара» (СКБ «МАМИ»), ЗАО «СПМОТОРС».
Разработанные дизайн - проекты защищены Свидетельствами на промышленные образцы №10632 «Легковой автомобиль», № 13618 «Комплект буферов легкового автомобиля», № 16850 «Комплект пластмассовых буферов для транспортного средства», № 22034 «Комплект пластмассовых буферов для транспортного средства».
Практические достижения отмечены бронзовой ((1984 г.) и серебряной (1988 г.) медалями ВДНХ СССР.
Личный вклад автора состоит в обобщении теоретических и экспериментальных исследований и положенных в основу системы проектирования бамперов, выполненных самостоятельно; практических разработок, выполненных совместно с сотрудниками Центра художественного конструирования АЗЛК. Автор является разработчиком дизайн-концепции и дизайн-проектов новых образцов автомобилей «Москвич», «Арбат», «Тетра», «Кура-
6 pa», участвовал в аэродинамические исследованиях, в тестировании и испытаниях новых автомобилей и подготовке серийного производства.
Достоверность научных положений и результатов исследования.
Теоретические положения обобщенной оценки функций и дизайна бамперов автомобилей малого класса базируются на современных представлениях о механизме поглощения кинетической энергии удара при дорожно-транспортных происшествиях (ДТП), медицинских данных последствий ДТП для пассажиров автомобиля и пешеходов, на типах получаемых повреждений и взаимосвязью свойств бамперов с физическими свойствами автомобильного кузова. Применены методики экспертной оценки и статистической обработки данных. В работе использованы вычислительные методы и графические программы.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции «Информация и Технология» МГУПИ (Москва, 2009г.), на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение-2009» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2009г.). Промышленные изделия, выполненные с использованием материалов диссертации, представлялись на выставках и автосалонах: в Москве, Брно; Лейпциге; Париже; Барселоне; Пекине; Дамаске; Измире; Белграде; Салониках.
Автор является консультантом по вопросам дизайна и постоянным автором в газете «Авторевю».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах по перечню ВАК, получено 4 Свидетельства на промышленный образец: №№ 10632, 13618, 16850, 22034.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии из 79 наименований. Объем работы составляет 121 страниц машинописного текста, включая 97 рисунков, 4 таблицы и 6 приложений.
Установление взаимосвязи функции и дизайна бамперов с материалами и технологией их изготовления
Несмотря на свою конструктивную простоту бамперы из «интегрального» пенополиуретана использовались в основном на экспериментальных безопасных автомобилях и практического применения в серийном производстве не получили. Причина: полиуретановая «подушка» не обеспечивала необходимое поглощение энергии удара и имела недостаточную механическую прочность в условиях повседневной эксплуатации (см. рис.11,12). В 1973 году корпорация Дженерал Моторс провела испытания системы стальных бамперов с облицовкой из вспененного материала.
Результат удара на скорости всего 8км/ч не смог удовлетворить стандартам по безопасности. Кроме того, возникли технологические проблемы с окраской такого бампера.[43], с.20. Тем ни менее полученный опыт впоследствии позволил широко использовать технологию «интегрального» пенополиуретана для изготовления безопасных деталей интерьера.
Крупногабаритный узел из полимерных материалов
Необходимость выполнения национальных и международных предписаний по безопасности конструкции вынуждали автопроизводителей искать пути решения безопасности автомобиля при одновременном снижении производственных затрат. Таким решением является применение композиционных материалов. Европейские производители применили композиционные материалы на основе полипропилена и полиэфиров, армированных стекловолокном. На первых порах использовались «препреги» - полуфабрикат, состоящий из стекломата, пропитанного соответствующим полимером и цветными пигментами. В процессе прессования и нагрева происходит полимеризация и придание соответствующих формы и размеров будущей детали. Такая технология позволяла изготавливать крупногабаритные детали, объединяющие бампер и облицовку радиатора. При этом детали не отличались высоким качеством и точностью размеров (рис. 22). Технологический цикл составлял несколько минут. Рис 22. Автомобиль Ситроен Виза - один из первых серийных автомобилей с бамперами из «препрега».1978 г.
Технология прессования применялась для недорогих автомобилей и вскоре была заменена более совершенными технологиями литья под давлением (в том числе и упрочненных композитных материалов). Альтернативой «препрегам» является поликарбонат, отличающийся высокой прочностью, ударной вязкостью и технологичностью. Применение поликарбоната марки «Lexan» производства компании General Electric позволило значительно усовершенствовать и усложнить конструкцию деталей передка автомобиля, соединив воедино бампер, облицовку радиатора, ободки фар и передний спой-лер.
Отливка из поликарбоната получала высококачественную лицевую поверхность, высокую геометрическую точность. Благодаря технологичности материала в процессе отливки формовались элементы усиления, внутренние ребра и элементы крепления. Кроме того, детали из поликарбоната могли ок 29 рашиваться как в массе, так и подвергаться последующей отделке или окраске [32]. Главные недостатки поликарбоната — высокая цена и жесткость, что и сдерживает его широкое применение для наружных деталей кузова. В целях снижения производственных затрат вместо поликарбоната во второй половине 90-х стали применять полипропилен, упрочненный дисперсным стекловолокном. Технология производства крупногабаритных деталей из полипропилена близка к технологии литья под давлением. Сегодня полипропилен наиболее распространенный материал для производства бамперов и других крупногабаритных панелей кузова (см. рис. 23). Детали из полипропилена имеют необходимую прочность, упругость, стабильность размеров, прочность при низких температурах, а также могут окрашиваться вместе с кузовом. «Интегрированный узел» из полимерных материалов.
По мере развития технологий копозиционных материалов и ужесточения требований пассивной безопасности к конструкции автомобиля существенно меняется дизайн кузова автомобиля. Последнее время наметилась тенденция совмещения бампера с решеткой радиатора. Все чаще конструкторы и дизайнеры используют так называемый фронтэнд (Front-end), представляющий собой отдельные модули, в которые вмонтированы не только поглощающие удар элементы, но и светотехника, детали системы охлаждения, климатической установки, датчики парковки и ускорения и др. Такие конструкции значительно облегчают производственные процессы и снижают себестоимость производства. В эксплуатации при повреждении небольшого участка приходится менять сразу весь фронтэнд, что обходится весьма дорого. [24](с.132).
Необходимость выполнения различных положений и требований, совершенствование требований аэродинамики, снижение производственных затрат и жесткая конкуренция автопроизводителей привели к укрупнению деталей и узлов кузова, к уменьшению их количества. Это наиболее явилось в объединении в единые узлы некогда многочисленных отдельных деталей передка и задка кузова. Такой узел можно назвать «интегрированным». Эта тенденция характерна для новейших моделей автомобилей, особенно в малом классе (классы А, В и С по европейской классификации). Интегрированный узел, изготовленный из композиционного материала, выполняет функцию бампера, защитного элемента для пешехода (передняя часть капота и панели передка), облицовки радиатора, функцию аэродинамических устройств, а также роль переходных поверхностей между перечисленными элементами. Столь крупногабаритная и сложная по форме деталь, отвечающая одновременно множеству требований, может быть изготовлена только из полимерных материалов. Лучший по совокупности своих качеств материал для «интегрированных узлов» на сегодняшний день - мелкоячеистый полиуретан (рис.24). На рисунке видно, что бампер как самостоятельный элемент кузова утратил свое функциональное значение и превратился в часть декоративной панели, прикрывающей силовые и конструктивные детали кузова.
Первым шагом на пути создания безопасной конструкции кузова автомобиля явилась разработка «безопасного» бампера, призванного поглощать энергию удара и, тем самым, защитить кузов от повреждений в случае столкновения автомобиля с препятствием.
Бурный рост числа автомобилей на дорогах Европы и США, рост числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП) с тяжкими последствиями, характерные для начала 70-х годов, вынудил соответствующие органы ряда стран обратить особое внимание на совершенствование конструкции автомобиля в целях существенного повышения его пассивной безопасности и защиты пассажиров в случае ДТП. С этой целью был принят ряд законоположений, на основании требований которых должна разрабатываться конструкция автомобиля. В начале 70-х годов реализация этих требований представлялась крайне сложной. «Применение ударопоглощающих бамперов трудно выполнимо, так как в течение уже многих лет бампер имеет только декоративное назначение, Однаїсо увеличение плотности движения и тесноты на стоянках возрождают старое назначение бампера — амортизировать толчки».[5]. Эта работа потребовала длительного времени, дорогостоящих экспериментальных исследований, а также подбора и разработки новых материалов и технологий. Затраты в целом для всей автомобильной промышленности на разработку безопасных конструкций специалисты США оценивают в 8-10% от себестоимости автомобиля. [5].
Первые эксперименты были направлены на разработку передних и задних бамперов, способных амортизировать в случае столкновения, тем самым защищая кузов автомобиля от существенных повреждений. Конструктивные решения безопасных бамперов отличались большим разнообразием. Но все они вели к значительному увеличению массы и габаритов автомобиля. Так, безопасный автомобиль компании Форд, рассчитанный на столкновение с неподвижным препятствием на скорости V=80 км/ч, имел специальную раму с гофрированной передней частью. Длина автомобиля достигала 5588мм, а вес 2720кг ! При испытаниях на столкновение обеспечить безопасность пассажиров автомобиль не смог, не все манекены «выжили». [41].
Бампер как аэродинамический элемент кузова
Одним из важных аспектов дизайна автомобильного кузова, наряду с пассивной безопасностью, являются аэродинамические качества формы кузова. Аэродинамические силы оказывают значительное влияние на безопасность движения. Автомобиль движется с различной скоростью в постоянно меняющемся воздушном пространстве, поэтому устойчивость и управляемость автомобилей зависит от их аэродинамических характеристик. Аэродинамические нагрузки, действующая на автомобиль даже при относительно небольшой скорости 50 км/ч, ухудшают топливную экономичность.[36]. Свыше половины расходуемого автомобилем топлива уходит на преодоление сопротивления воздуха. Коэффициент аэродинамического сопротивления один из ключевых моментов в сложном алгоритме экономии топлива.[48]. Лобовая площадь, конструкция решеток радиатора, величина и направление потоков воздуха через радиатор непосредственно связаны с аэродинамическими свойствами автомобиля и становятся все более важными при существующей тенденции использования силовых установок и дополнительного оборудования.
Эксперт по аэродинамике фирмы Daimler-Benz AG Ганс Готц так оценивает значение аэродинамических качеств автомобильного кузова: «Загрязнение поверхности кузова, скопление грязи и пыли на заднем окне и на наружных зеркалах, вентиляция интерьера кузова и, что особенно важно, устойчивость автомобиля на высоких скоростях - все зависит от формы кузова». [36].
Если аэродинамический шум напрямую зависит от «гладкости» поверхности кузова (рамки дверей, уплотнители стекол, разъемы дверей и т.д.) и выступающих деталей (наружные зеркала, щетки стеклоочистителей, ручки дверей и т.п.), то остальные аэродинамические качества в большой степени зависят от формы передней и задней части кузова.
Проблемой совершенствования аэродинамических качеств производители автомобилей занимаются давно. Главной целью создателей первых «аэродинамичных» автомобилей была скорость. Поэтому практически до середины XX века все эксперименты в области аэродинамики концентрировались в сфере автомобильного спорта (рис.47, 50).
При разработке автомобильного кузова необходимо учитывать, что законы аэродинамики автомобиля во многом отличаются от законов обтекания летательных аппаратов и судов. Это связано в первую очередь с тем, что дорожное полотно является экраном и основной поток обтекает автомобиль сверху и по бокам. Рис.48. Ханомаг 2-10 ПС. 1928 г.
На рис.48 малолитражный автомобиль Ханомаг 2-10 ПС, конструкторам которого удалось придать автомобилю сравнительно высокие аэродинамические качества за счет закрытых колес и обтекаемой передней части кузова, Несмотря на примитивную форму кузова этот автомобиль заметно отличался от аналогов своего времени. Форма передней и задней части кузова оказывает огромное влияние на аэродинамические качества. Сегодня бампер не только защищает автомобиль от удара, он стал неотъемлемой деталью, обеспечивающей аэродинамику автомобиля. Его элементы выполняют функцию спойлеров, обеспечивающих прижимную силу и препятствующих образованию вихрей.[24].
С одной стороны форма переднего бампера, облицовки радиатора, наклон капота и форма задней части кузова определяют ламинарное обтекание, точку отрыва спутной струи. С другой стороны форма бампера влияет на характер воздушных потоков под автомобилем, что связано с прижимной силой и, соответственно, устойчивостью автомобиля на высоких скоростях движения, т.е. активной безопасностью. Отдельные попытки перенести опыт из области спорта в серийное производство «гражданских» автомобилей практического успеха не имели. Среди отечественных экспериментальных работ следует отметить автомобиль НАМИ 013, разработанный по идеям и под руководством Ю.А.Долматовского в 1947 г. (рис. 49). Автомобиль имел непривычную аэродинамическую форму с оригинальными пропорциями и мощ балками бамперов. Создатели этого автомобиля большое внимание уделили проблемам активной безопасности и экономичности.
Топливный кризис, разразившийся во второй половине XX века, и все более обостряющаяся экологическая обстановка в экономически развитых странах потребовали от производителей автомобилей кардинальных мер по снижению расхода топлива. Наряду со снижением массы автомобиля и совершенствования конструкции двигательных установок значительную роль в снижении расхода топлива играет аэродинамика автомобиля. Исследования фирмы Фольксваген показали, что совершенствование аэродинамических качеств кузова приносит большую пользу, чем снижение массы автомобиля. В среднем снижение величины аэродинамического сопротивления (Сх) на каждые 3.5% приводит к экономии 1% топлива.[50], стр. 5.Успешной работе по совершенствованию аэродинамических качеств легковых автомобилей способствовало строительство специальных «автомобильных» аэродинамических труб в исследовательских центрах автомобильных компаний и ведущих дизайнерских студиях.
Идеальная аэродинамическая форма не позволяет создать реальный автомобиль с необходимыми компоновочными и потребительскими свойствами. Кроме того, невозможно сохранить определенный фирменный стиль, что очень важно с точки зрения маркетинга. Работа дизайн-ателье «Пининфарина» теоретический доказывала, что возможно создание дизайна кузова с аэродинамическим качеством Сх = 0,16, в то время как серийные автомобили того времени имели Сх = 0,38 и выше (рис. 51). Коэффициент Сх, характеризующий аэродинамические качества формы кузова рассчитывается по следующей формуле : где FCB - сила сопротивления воздуха, S - площадь поперечного сечения автомобиля в м2 V2 - квадрат скорости автомобиля в м/сек, 0,625 - коэффициент плотности воздуха. Поскольку форма передней части автомобиля оказывает значительное влияние на общую аэродинамику и величину коэффициента Сх, роль бампера также велика. Важное значение имеет форма «интегральных узлов» современных автомобилей, объединяющих в себе как собственно бампер, так и аэродинамические элементы: нижний спойлер, боковые отводы, решетка радиатора и другие элементы передней части кузова. Рациональное решение «интегрального узла» обеспечивает дополнительную прижимную силу, достаточное количество воздуха для охлаждения радиаторов двигателя, кондиционера и других агрегатов автомобиля.
Бампер современного автомобиля стал элементом формы, некой декоративной оболочкой, закрывающей силовые элементы и внутренние детали конструкции кузова. Еще одной проблемой защитных устройств является необходимость перекрытия зоны контакта для автомобилей разной высоты при ДТП, то есть минимальные геометрические размеры бамперов также должны соответствовать нормативным документам [11, 12].
Необходимость «декорировать» силовую конструкцию передней и задней частей кузова естественным образом привела к поиску дизайнерских решений, к обеспечению целосто-скульптурного решения формы кузова.
Выполнить эту задачу методами конструирования из металла и на базе традиционных технологий оказалось невозможно. Многодельность передней и задней частей кузова, пластически сложная форма и необходимость совмещать иные обязательные функции (размещение фар, фонарей, решеток радиатора, аэродинамических элементов т.д.) потребовали применения материалов и технологий, позволяющих получить крупногабаритные детали со сложной и качественной поверхностью.
Материалы и технологии для производства автомобильных бамперов
На основе анализа развития дизайна и конструкции автомобильных бамперов с момента изобретения автомобиля до наших дней можно сделать следующие выводы: 1. Функциональное назначение бампера менялось вследствие развития конструкции автомобиля и технологических возможностей производства.
В процессе эволюции бампер из защитного устройства превратился в элемент дизайна кузова и выполняет декоративно - вспомогательную роль, совмещая несколько функций.
В современном автомобиле бамперы служат в основном лишь защитой от повреждений фар и задних фонарей при парковке и выполняют эти функции на скорости 3-4 км/ч. Бампер современного легкового автомобиля представляет собой скорее элемент дизайна, а не инженерную конструкцию.
Бампер не в состоянии как-либо защитить автомобиль, масса которого обычно колеблется в пределах 1300-2000 кг. Между тем ясно, что энергия удара не может исчезнуть, а должна быть поглощена элементами кузова на возможно большем удалении от пассажирского салона. В связи с этим нельзя игнорировать защитные свойства бампера, каковы бы они ни были.
Применение более сложных конструкций бамперов с амортизаторами позволило бы увеличить безопасную относительную скорость до 36 км/ч. Однако, такая конструкция потребовала бы существенного увеличения массы и внешних габаритов автомобиля. Учитывая, что подобные столкновения происходят, в основном, при парковке и маневрах на малых скоростях, подобное усложнение и удорожание конструкции нельзя признать целесообразным. Кроме того, применение бамперов значительной массы, особенно, наполненных жидкостью, отрицательно скажется на эксплуатационных качествах автомобиля [24] (186).
Целью дальнейшего исследования является определение оптимальной конструкции бамперов автомобиля малого класса, обеспечивающей выполнение комплекса требований пассивной безопасности, аэродинамики, технологичности производства, экономической целесообразности и свободы дизайнерского решения. Глава 3. Конструктивные особенности, материалы и технологии изготовления автомобильных бамперов 3.1. Критерии, определяющие конструкцию бамперов Виды столкновений при ДТП
Выбор конструкции и, как следствие, дизайна бамперов автомобиля требует анализа типа столкновения автомобиля с препятствием и характера деформаций, которые будут определять защитные свойства бампера.
Один из наиболее частых и тяжелых видов ДТП - столкновение транспортных средств, которые, в свою очередь, классифицируются на лобовые, боковые и задние. В каждом из перечисленных видов столкновений молено выделить удары прямые, эксцентричные и косые (рис.56) . Самым тяжелым является наезд автомобиля на неподвижное препятствие (барьер). По данным Корнельской лаборатории аэронавтики (США) на долю лобовых столкновений приходится 56,5% от общего числа ДТП; наезд сзади — 7,8%; 43,9% от числа лобовых ударов приходится на взаимное столкновение автомобилей, 12,% на столкновения одиночных автомобилей. 50% лобовых ударов происходит при скорости ниже 65 км/ч. По тяжести травм, которые получают пассажиры, лобовые столкновения автомобиля разделяются на : легкие (при скорости менее 15 км/ч); средней тяжести (при скорости 15-40 км/ч); тяжелые (при скорости более 40 км/ч). Автомобильные ДТП рекомендуется классифицировать по двум диапазонам скоростей: до 50 км/ч - диапазон выносливости пострадавших; до 100 км/ч - диапазон выживания пострадавших. Столкновение автомобилей с другими автомобилями составляют почти 60% всех ДТП как в городе, так и при движении по загородным дорогам.[24] (с.100-101).
Для современных автомобилей требование безопасности в отношении пешеходов является важным критерием оценки безопасности конструкции. Оценка степени безопасности конструкции производится в результате краш-тестов, выполняемых по специальным методикам, определенным национальными стандартами и международными нормами (методика EuroNCAP).
Применительно к дизайну кузова «дружественная» к пешеходу форма определяется прежде всего отсутствием острых кромок и углов, определенной величиной скруглений и выступов, углами наклона поверхностей, с которыми может контактировать пешеход в случае ДТП, твердость поверхности в зоне контакта и т.д. Эти требования и ограничения содержатся в соответствующих нормативных документах [11,12 ].
Внешние повреждения автомобиля. При определении степени серьезности аварии обычно используют величину деформации кузова. В конкретных условиях удара энергия, затрачиваемая на деформацию, является функцией скорости. К важнейшим факто 62 рам, влияющих на деформацию наружных частей автомобиля, относятся: начальная скорость удара, вид ДТП; зона удара или та часть автомобиля, на которую приходится удар; направление удара; жесткость ударяемого предмета (автомобиль - стена; автомобиль - автомобиль; автомобиль - столб; автомобиль - человек) геометрия и размеры предмета; конструкция кузова автомобиля. Многие из перечисленных факторов взаимосвязаны, и все они должны быть учтены при оценке деформации наружных частей автомобиля с целью определения силы удара.
Столкновение автомобиля происходит в течение десятых, а иногда и сотых долей секунды. Конструкция и скорость — вот основные факторы, влияющие на величину разрушения (деформации) и его время. Время поглощения кинетической энергии деформацией рассматриваемого элемента конструкции можно распределить следующим образом: смятие бампера - 0,01; фар - 0,02; радиатора - 0,003; капота - 0,005; вентилятора - 0,0003; сдвиг двигателя - 0,008; дальнейшая деформация кузова с перемещением двигателя - 0,03 секунды. Общее время деформации - 0,0588 с для скорости соударения около 50 км/ч. Автомобилю с меньшей массой или движущемуся с меньшей скоростью придется поглотить большую часть энергии, чем та, которой он обладал к моменту столкновения. Как правило, эта энергия превращается в работу деформации корпуса автомобиля и его узлов. Сила удара при столкновении может быть уменьшена, если автомобиль или его детали в результате удара перемещаются на возможно большее расстояние.[24](с. 112).
По существу, чем продолжительней период замедления автомобиля, тем меньше инерционные нагрузки и, следовательно, меньше усилия, воздействующие на предмет. Если в конструкции передней части кузова использовать материалы, обладающие повышенной ударной энергоемкостью, как, например, различные сотовые структуры, гидравлические амортизаторы, или хрупкие алюминиевые трубы, то защитные свойства кузова при лобовом ударе существенно возрастут. [24](с.П8). Ограниченные возможности поглощения энергии удара бампером требуют сосредоточить основное внима
Формулирование задач и определение алгоритма проектирования бампера
Важной частью разработки бамперов для автомобиля «Москвич-2141» явилась «аэродинамическая составляющая». Ведущие западные фирмы давно занимались аэродинамическими исследованиями и располагали специальными автомобильными аэродинамическими комплексами. Поэтому изучение зарубежных автомобилей-аналогов представляло значительный практический интерес. Аналогичные работы, к сожалению, со значительным опозданием, проводились и на отечественных предприятиях, в частности, на АЗЛК при создании автомобиля мод.2141.
Передний бампер играет активную роль в формировании воздушного потока в передней части кузова, тем самым влияет на общие аэродинамические характеристики кузова. В дизайне это выражается в оформлении ниж 99 ней части передка, объединенной непосредственно с бампером, в образовании так называемого переднего спойлера. Передний спойлер направляет значительную часть набегающего воздушного потока по бокам автомобиля и оказывает сильное влияние на индуктивное сопротивление (прижимную силу), действующую на переднюю часть автомобиля. Таким образом, размер и форма переднего бампера могут существенно влиять на величину коэффициента Сх.[36], [48]. Дизайн заднего бампера может оказывать существенное влияние на загрязнение заднего стекла, задних сигнальных фонарей и номерного знака, что сказывается на безопасности движения.
Первый этап состоял из «визуальной» оценки аэродинамической формы, базирующейся на информации из литературных источниках и на анализе зарубежных автомобилей-аналогов. На первом этапе прорабатывались варианты спойлеров и расположение отверстий для прохода воздуха к агрегатам автомобиля. На втором этапе изготавливались модели автомобиля в М 1:5 из пластилина и проводились оценочные испытания в аэродинамической трубе МГУ. Невысокое качество поверхности пластилиновых макетов и несовершенство методик испытаний автомобильной техники позволили получить лишь общие характеристики аэродинамических качеств проектируемого автомобиля. В то время в СССР отсутствовали аэродинамические трубы, пригодные для испытаний и доводки полноразмерных макетов и автомобилей. По этой причине поэлементная доводка аэродинамики на масштабных макетах не проводилась. Изменение элементов на масштабной модели оценивается в пределах погрешности измерений. На основании «умозрительной» оценки передний бампер оснастили нижним спойлером, на боковых частях организовали большие отверстия для подвода воздуха к тормозам (рис.85).
Позднее была предоставлена возможность провести полномасштабные аэродинамические исследования опытного образца автомобиля «Москвич 2141» в аэродинамической трубе Парижского университета в г. Сен-Сир (Франция) (рис.90).
В ходе этих исследований проводилась доводка формы кузова, бамперов, заднего спойлера и днища автомобиля. Проводилось исследование процесса обтекания автомобиля с разными вариантами бамперов и споилеров с помощью визуализации потоков (рис.90). Выяснилось, что длина переднего свеса и форма передней части автомобиля кардинально меняют первоначальные представления о переднем бампере как аэродинамическом элементе. Спойлер в нижней части бампера оказался не только бесполезен, но и нарушал организацию воздушных потоков под автомобилем, вызывая повышенное давление и уменьшение прижимной силы в передней части кузова, что негативно сказывается на управляемости переднеприводного автомобиля. Кроме того, большие «окна» в боковых частях переднего бампера оказались в зоне разряжения, т.е. бесполезны. На рис.91 показаны фрагменты аэродинамических испытаний опытного образца мод.2141 и доводки переднего и заднего бамперов и спойлера двери багажника.
В ходе доводки аэродинамических качеств автомобиля «Москвич-2141» удалось улучшить коэффициент Сх на 12 %, снизив его значение с 0,36 до 0,32. Передний бампер полностью лишился нижнего спойлера и приобрел форму «днища лодки». Задний бампер с нижним спойлером устанавливался на все серийные автомобили этой марки. Наличие спойлера обеспечивало практически нулевое забрызгивание задних фонарей и стекла. В результате проведенных исследований форма переднего бампера и облицовки радиатора претерпела принципиальные изменения, позволившие существенно улучшить охлаждение двигателя и уменьшить подъемную силу переднее части кузова.
Полученные результаты были воплощены в рабочей документации на автомобиль и реализованы на практике в серийном производстве автомобиля «Москвич-2141».
Дизайн бамперов, спойлеров и автомобиля в целом был защищен рядом свидетельств на промышленный образец. В серийном производстве бамперы изготавливались из поликарбоната «Хепоу СІЛ 00». Внешний вид бамперов серийного автомобиля «Москвич-2141» приведен на рис.92, 93.
При разработке автомобиля «Москвич-2141» впервые в отечественной практике были проведены всесторонние исследования аэродинамических качеств формы кузова предсерийного автомобиля, а результаты этих исследований реализованы в серийном производстве. На основании полученных результатов был разработан комплект «аэродинамических аксессуаров» в качестве дополнительного оборудования, продаваемого через торговую сеть (рис.94). Комплект состоял из большого спойлера двери задка, колпаков колес и иной облицовки радиатора.
