Zona di accartocciamento - Crumple zone

Un crash test illustra come una zona di deformazione assorbe energia da un impatto.
Attenuatore di impatto per camion per la manutenzione stradale, Auckland , Nuova Zelanda
Gamma mostrata in blu del treno della serie E217 delle ferrovie del Giappone orientale (JR East). La cabina di guida è una zona di schiacciamento/piegamento).
La zona di deformazione sulla parte anteriore di queste vetture ha assorbito l'impatto di una collisione frontale sfalsata.

Le zone di schiacciamento , le zone di schiacciamento o le zone di collisione sono una caratteristica di sicurezza strutturale utilizzata nei veicoli, principalmente nelle automobili, per aumentare il tempo durante il quale si verifica un cambiamento di velocità (e di conseguenza momento ) dall'impatto durante una collisione da una deformazione controllata ; negli ultimi anni è stata incorporata anche nei treni e nei vagoni ferroviari.

Le zone di deformazione sono progettate per aumentare il tempo durante il quale la forza totale della variazione di quantità di moto viene applicata a un occupante, poiché la forza media applicata agli occupanti è inversamente proporzionale al tempo in cui viene applicata.

dove è la forza , è il tempo, è la massa e è la velocità del corpo. Nelle unità SI , la forza viene misurata in newton , il tempo in secondi, la massa in chilogrammi , la velocità in metri al secondo e l' impulso risultante viene misurato in newton secondi (N⋅s).

Tipicamente, le zone di deformazione si trovano nella parte anteriore del veicolo, per assorbire l'impatto di una collisione frontale , ma possono essere trovate anche su altre parti del veicolo. Secondo uno studio del British Motor Insurance Repair Research Center su dove si verifica il danno da impatto sul veicolo, il 65% è stato un impatto anteriore, il 25% un impatto posteriore, il 5% sul lato sinistro e il 5% sul lato destro. Alcune auto da corsa utilizzano alluminio, nido d'ape in composito/fibra di carbonio o schiuma ad assorbimento di energia per formare un attenuatore di impatto che dissipa l'energia dell'urto utilizzando un volume molto più piccolo e un peso inferiore rispetto alle zone di deformazione delle auto da strada. In alcuni paesi sono stati introdotti anche attenuatori di impatto sui veicoli per la manutenzione delle autostrade.

Il 10 settembre 2009, i programmi ABC News Good Morning America e World News hanno mostrato un crash test dell'US Insurance Institute for Highway Safety di una Chevrolet Malibu del 2009 in uno scontro frontale sfalsato con una berlina Chevrolet Bel Air del 1959 . Ha dimostrato in modo drammatico l'efficacia del design moderno per la sicurezza delle auto rispetto al design degli anni '50, in particolare delle celle di sicurezza rigide dei passeggeri e delle zone di deformazione.

Storia dello sviluppo iniziale

Il concetto di zona di assorbimento è stato originariamente inventato e brevettato da ungherese Mercedes-Benz ingegnere Béla Barényi nel 1937, prima ha lavorato per Mercedes-Benz e in una forma più sviluppata nel 1952. Il 1953 Mercedes-Benz "Ponton" è stata una parziale attuazione della sua idee, avendo una forte piattaforma profonda per formare una cellula di sicurezza parziale, brevettata nel 1941.

Il brevetto Mercedes-Benz numero 854157, concesso nel 1952, descrive la caratteristica decisiva della sicurezza passiva. Barényi ha messo in dubbio l'opinione che aveva prevalso fino ad allora che un'auto sicura dovesse essere rigida. Ha diviso la carrozzeria in tre sezioni: l'abitacolo rigido indeformabile e le zone di stropicciamento nella parte anteriore e posteriore.

La prima carrozzeria Mercedes-Benz sviluppata utilizzando il brevetto è stata la Mercedes W111 "Tail Fin" berlina del 1959 . La cellula di sicurezza e le zone di deformazione sono state ottenute principalmente dal disegno dei longheroni: questi erano diritti al centro del veicolo e formavano una gabbia di sicurezza rigida con i pannelli della carrozzeria, i supporti anteriore e posteriore erano curvi in ​​modo da deformarsi nella caso di incidente, assorbendo parte dell'energia di collisione.

Uno sviluppo più recente è stato che questi elementi longitudinali curvi devono essere indeboliti da nervature verticali e laterali per formare strutture di deformazione telescopiche "crash can" o "crush tube".

Funzione

Zona di deformazione posteriore attivata
Sezione trasversale per mostrare la diversa resistenza del metallo in una Saab 9000 . La cellula di sicurezza è in metallo più resistente (rosso) rispetto alle zone di deformazione (giallo).
Mazda 121 (ribattezzata Ford Fiesta ) auto per crash test del British Transport Research Laboratory .
Volkswagen Polo dopo un crash test frontale completo contro una parete deformabile al Transport Research Laboratory
Zona di deformazione anteriore attivata VW Vento / Jetta
Una Toyota Camry dopo un impatto frontale con un albero. Gli airbag sono stati dispiegati.

Le zone di deformazione funzionano gestendo l'energia d'urto e aumentando il tempo durante il quale si verifica la decelerazione degli occupanti del veicolo, prevenendo anche l'intrusione o la deformazione dell'abitacolo. Questo protegge meglio gli occupanti dell'auto dalle lesioni. Ciò si ottiene mediante l'indebolimento controllato delle parti sacrificali esterne dell'auto, rafforzando e aumentando la rigidità della parte interna del corpo dell'auto, trasformando l'abitacolo in una "cella di sicurezza", utilizzando più travi di rinforzo e una maggiore resistenza acciai. L'energia d'impatto che raggiunge la "cella di sicurezza" viene distribuita su un'area il più ampia possibile per ridurne la deformazione. Volvo ha introdotto la zona di deformazione laterale con l'introduzione del SIPS ( Side Impact Protection System ) all'inizio degli anni '90.

Quando un veicolo e tutto il suo contenuto, inclusi passeggeri e bagagli, viaggiano ad alta velocità, hanno inerzia / momento , il che significa che continueranno ad avanzare con quella direzione e velocità (prima legge del moto di Newton). In caso di decelerazione improvvisa di un veicolo a telaio rigido a causa dell'impatto, il contenuto del veicolo non trattenuto continuerà ad avanzare alla velocità precedente per inerzia e urterà l'interno del veicolo con una forza equivalente a molte volte il loro peso normale per gravità. Lo scopo delle zone di deformazione è rallentare la collisione per aumentare il tempo durante il quale gli occupanti decelerano in modo da diminuire la forza di picco impartita agli occupanti in un dato tempo.

Le cinture di sicurezza trattengono i passeggeri in modo che non volino attraverso il parabrezza, sono nella posizione corretta per l'airbag e aumentano anche il tempo di decelerazione degli occupanti. Le cinture di sicurezza assorbono anche l'energia inerziale del passeggero essendo progettate per allungarsi durante un impatto, sempre per aumentare il tempo durante il quale un occupante decelera. In breve: un passeggero il cui corpo viene decelerato più lentamente a causa della zona di deformazione (e di altri dispositivi) per un tempo più lungo sopravvive molto più spesso di un passeggero il cui corpo urta indirettamente una carrozzeria metallica dura e non danneggiata che si è quasi arrestata istantaneamente. È come la differenza tra sbattere qualcuno contro un muro a testa in giù (fratturandogli il cranio) e di spalla (lesionandosi leggermente la carne) è che il braccio, essendo più morbido, ha dieci volte più tempo per rallentare la sua velocità, cedendo un po' alla volta. tempo, rispetto al cranio duro, che non è a contatto con la parete finché non deve affrontare pressioni elevatissime. L'allungamento delle cinture di sicurezza mentre trattengono gli occupanti durante un urto, significa che è necessario sostituirle se un veicolo viene riparato e rimesso sulla strada dopo una collisione. Dovrebbero anche essere sostituiti se le loro condizioni sono peggiorate, ad esempio a causa di sfilacciature o difetti meccanici o di montaggio della cinghia. In Nuova Zelanda è ufficialmente obbligatorio sostituire le cinture di sicurezza usurate con avvolgitore ad inerzia solo con cinture di tipo "webbing grabber" che hanno meno gioco e sono più efficaci sulle auto più vecchie. Le auto più recenti hanno cinture di sicurezza pretensionate attivate elettronicamente che sono programmate per funzionare con l'attivazione dell'airbag. L'acquisto di cinture di sicurezza usate non è una buona idea anche nei paesi in cui è legale farlo, perché potrebbero essere già state allungate in un evento di impatto e potrebbero non proteggere i loro nuovi utenti come dovrebbero.

L'impatto finale dopo che il corpo di un passeggero colpisce l'interno dell'auto, l'airbag o le cinture di sicurezza è quello degli organi interni che colpiscono la gabbia toracica o il cranio a causa della loro inerzia. La forza di questo impatto è il modo in cui molti incidenti automobilistici causano lesioni invalidanti o potenzialmente letali. Altri modi sono il danno scheletrico e la perdita di sangue, a causa di vasi sanguigni lacerati, o il danno causato da osso fratturato tagliente a organi e/o vasi sanguigni. La sequenza di tecnologie di riduzione della velocità - zona deformabile - cintura di sicurezza - airbag - interni imbottiti/deformabili - è progettata per funzionare insieme come un sistema per ridurre la forza di picco dell'impatto sull'esterno del corpo del passeggero allungando il tempo durante il quale questa forza viene impartita. In una collisione, rallentare la decelerazione del corpo umano anche di pochi decimi di secondo riduce drasticamente la forza di picco impartita.

Una Ford Escort del mercato statunitense che è stata coinvolta in uno scontro frontale sfalsato con uno Sport Utility Vehicle - che mostra il punto di impatto sollevato - mancando la zona di deformazione dell'auto.

Un equivoco sulle zone di deformazione a volte espresso è che riducono la sicurezza per gli occupanti del veicolo consentendo al corpo di crollare, rischiando quindi di schiacciare gli occupanti. Infatti, le zone di accartocciamento si trovano tipicamente davanti e dietro il corpo principale dell'auto (che forma una rigida "cella di sicurezza"), compattandosi all'interno dello spazio del vano motore o del bagagliaio. I veicoli moderni che utilizzano quelle che vengono comunemente chiamate "zone di deformazione" forniscono una protezione di gran lunga superiore per i loro occupanti in severi test contro altri veicoli con zone di deformazione e oggetti statici solidi rispetto ai modelli più vecchi o ai SUV che utilizzano un telaio separato e non hanno zone di deformazione.

Tendono a peggiorare quando coinvolti in incidenti con SUV senza zone di deformazione perché la maggior parte dell'energia dell'impatto viene assorbita dal veicolo con la zona di deformazione, tuttavia, anche per gli occupanti dell'auto "peggiore", questo spesso è comunque un miglioramento, poiché il risultato di due veicoli senza zone di deformazione che si scontrano sarà di solito più pericoloso per gli occupanti di entrambi i veicoli rispetto a una collisione almeno in parte tamponata.

Un altro equivoco sulle zone di deformazione che a volte viene espresso è che assorbono l'energia di un incidente in modo che meno energia venga trasferita agli occupanti, quando in realtà la forza totale impartita a un occupante è determinata esclusivamente dalla loro massa e dalla loro accelerazione (o nella caso di urto, decelerazione) perché Forza = massa x accelerazione, e zone di deformazione, airbag e qualsiasi altra caratteristica di sicurezza non modificano né la massa di un occupante, né la variazione totale di velocità (accelerazione/decelerazione) del occupanti. Invece, l'intera premessa di queste caratteristiche di sicurezza è quella di distribuire la forza totale impartita agli occupanti su un periodo di tempo più lungo in modo che la forza massima impartita sia inferiore, riducendo la probabilità di lesioni.

Un altro problema è "l'incompatibilità di impatto" in cui i "punti duri" delle estremità delle guide del telaio dei SUV sono più alti dei "punti duri" delle auto, facendo sì che il SUV "ignori" il vano motore dell'auto. Per affrontare questo problema, i SUV/fuoristrada più recenti incorporano strutture sotto il paraurti anteriore progettate per impegnare le zone di deformazione delle auto di altezza inferiore. Traverse di sicurezza anteriori ribassate della Volvo XC70 mostrate qui Comunicato stampa Volvo su questa caratteristica: "Traversa inferiore che aiuta a proteggere le vetture più basse: il sottotelaio della sospensione anteriore nella nuova Volvo XC60 è integrato con una traversa inferiore posizionata all'altezza del il raggio in un'auto convenzionale. La traversa inferiore colpisce la struttura protettiva dell'auto in arrivo, attivando la sua zona di deformazione come previsto, in modo che gli occupanti possano ricevere il massimo livello di protezione".

Assorbimento degli urti a bassa velocità

La parte anteriore del paraurti è progettata per resistere a collisioni a bassa velocità, ad esempio come nei dossi da parcheggio per evitare danni permanenti al veicolo. Ciò è ottenuto da elementi elastici, come il grembiule anteriore. In alcuni veicoli, il paraurti è riempito con schiuma o sostanze elastiche simili. Questo aspetto del design ha ricevuto maggiore attenzione negli ultimi anni poiché la valutazione degli incidenti NCAP ha aggiunto l'impatto dei pedoni al suo regime di test. Anche la riduzione delle strutture di supporto rigide nelle aree di impatto pedonale è stata posta come obiettivo progettuale.

In caso di collisioni meno gravi (fino a circa 20 km / h), il design del paraurti e del pannello esterno dovrebbe garantire che la zona di deformazione e la struttura portante del veicolo vengano danneggiate il meno possibile e che le riparazioni possano essere effettuate fuori il più a buon mercato possibile. A tale scopo, per il montaggio dei paraurti vengono utilizzati i cosiddetti tubi di arresto o crash box. I crashtube sono costituiti da un profilo cavo in acciaio, che trasforma l'energia incidente arrotolando il profilo.

Simulazione di incidente modellata al computer

VW POLO prima simulazione di incidente d'auto frontale completa di successo (ESI 1986).
Visualizzazione di come un'auto si deforma in un incidente asimmetrico utilizzando l'analisi degli elementi finiti.
EuroNCAP FRONTAL IMPACT (veicoli con guida a sinistra).
Il crash test anteriore della Lotus Evora mostra la struttura di schiacciamento del telaio in alluminio, l'altezza delle traverse laterali rigide del telaio anteriore e la traversa anteriore rigida.

All'inizio degli anni '80, utilizzando la tecnologia sviluppata per l' industria aerospaziale e nucleare , i produttori di automobili tedeschi hanno avviato complessi studi di simulazione di incidenti informatici , utilizzando metodi agli elementi finiti che simulano il comportamento in caso di incidente di singoli componenti della carrozzeria, assemblaggi di componenti e un quarto e mezzo di auto al corpo in fase bianca (BIW) . Questi esperimenti sono culminati in un progetto congiunto della Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), un conglomerato di tutte e sette le case automobilistiche tedesche (Audi, BMW, Ford, Mercedes-Benz, Opel (GM), Porsche e Volkswagen), che ha testato la applicabilità di due codici di simulazione di incidenti commerciali emergenti. Questi codici di simulazione hanno ricreato un impatto frontale di una struttura completa di un'autovettura (Haug 1986) e sono stati completati su un computer durante la notte. Ora che il tempo di risposta tra due richieste di lavoro consecutive (esecuzioni al computer) non superava un giorno, gli ingegneri sono stati in grado di apportare miglioramenti efficienti e progressivi al comportamento in caso di incidente della struttura della carrozzeria analizzata. La spinta per una migliore resistenza agli incidenti in Europa ha subito un'accelerazione dagli anni '90 in poi, con l'avvento dell'Euro NCAP nel 1997 , con il coinvolgimento dell'esperienza in materia di sicurezza delle corse automobilistiche di Formula Uno .

"Slitte" all'interno di celle di sicurezza

Il veicolo sperimentale di sicurezza Pininfarina Nido del 2004 individua le zone di deformazione all'interno della cellula di sopravvivenza. Quelle zone di deformazione interne decelerano una cella di sopravvivenza montata su slitta. Volvo ha anche sviluppato questa idea per l'uso in auto piccole. Il sedile del conducente è montato su quella che è fondamentalmente una "slitta" su un binario, con ammortizzatori davanti. In un impatto, l'intera "slitta" del sedile di guida e del conducente allacciato, scorre in avanti fino a 8 pollici e gli ammortizzatori dissipano l'energia di picco dell'impatto, allungando il tempo di decelerazione per il conducente. Contemporaneamente, il volante e la plancia lato guida scivolano in avanti per fare spazio al guidatore, che viene proiettato in avanti allungando la cintura di sicurezza. In combinazione con una zona di deformazione anteriore e un airbag, questo sistema potrebbe ridurre notevolmente le forze che agiscono sul guidatore in caso di impatto frontale.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno