Pedeorelha | Hoe kreukelzones werken

Yurii Mongol
0
2207
37

Kreukelzones zijn ontworpen om de kracht van een aanrijding te absorberen en te herverdelen. Zie meer foto's van autoveiligheid. Yellow Dog Productions / Getty Images

Autoveiligheid heeft de afgelopen decennia een lange weg afgelegd, en een van de meest effectieve innovaties is de kreukelzone. Ook wel bekend als een crush zone, kreukelzones zijn delen van een voertuig die zijn ontworpen om bij een botsing te vervormen en te kreuken. Dit absorbeert een deel van de energie van de botsing, waardoor deze niet wordt overgedragen op de inzittenden.

Mensen beschermen bij auto-ongelukken is natuurlijk niet zo eenvoudig als het hele voertuig laten kreuken. Ingenieurs moeten veel factoren in overweging nemen bij het ontwerpen van veiligere auto's, waaronder de grootte en het gewicht van het voertuig, de stijfheid van het frame en de spanningen waaraan de auto bij een ongeval waarschijnlijk zal worden blootgesteld. Raceauto's ondervinden bijvoorbeeld veel zwaardere botsingen dan straatauto's, en SUV's botsen vaak met meer kracht dan kleine auto's.

We gaan ontdekken hoe kreukelzones de krachten die bij een botsing betrokken zijn, herverdelen, uit welke kreukelzones bestaat en leren over enkele andere geavanceerde veiligheidssystemen die momenteel worden getest. We zullen ook ontdekken hoe kreukelzones in raceauto's zijn verwerkt en waarom een aantal race-dodelijke slachtoffers had kunnen worden voorkomen als de sport deze veiligheidsvoorzieningen eerder had overgenomen. We gaan zelfs kijken naar kreukelzones die zijn ontworpen om de enorme impact van een treinbotsing op te vangen.

Lees de volgende pagina om erachter te komen welke krachten bij een botsing betrokken zijn en om te leren hoe een goed ontworpen kreukelzone letsel bij inzittenden kan minimaliseren..

Wat zit er in een kreukelzone?

De specifieke kenmerken van kreukelzones zijn meestal eigendomsinformatie die autofabrikanten niet graag onthullen. Ze kunnen sterk variëren, afhankelijk van de grootte en het gewicht van het voertuig. Ontwerpers moeten een balans vinden tussen te veel slagvastheid en te weinig slagvastheid. Eenvoudige ontwerpen kunnen framesegmenten bevatten die zijn gebouwd om in bepaalde gebieden te buigen of op zichzelf in te klappen. Meer geavanceerde ontwerpen kunnen een verscheidenheid aan metalen en andere materialen gebruiken die zorgvuldig zijn ontworpen om zoveel mogelijk kinetische energie te absorberen. Auto's met hoge prestaties gebruiken vaak een honingraatontwerp, dat onder normale omstandigheden stijfheid biedt, maar bij een botsing kan instorten en kreuken.

Inhoud

Kracht van impact
Ontwerp compromissen
Doden voorkomen bij autoracen

Deze auto's zijn aan de botsingstest onderworpen in een onderzoeksfaciliteit voor autoveiligheid in Wolfsburg, Duitsland. Merk op hoe de kreukelzones de meeste impact lijken te hebben geabsorbeerd. Peter Ginter / Getty Images

Elke keer dat een auto bij een ongeval betrokken is, zijn er intense kinetische krachten aan het werk. Bij een crash is een bepaalde hoeveelheid kracht aanwezig. De werkelijke cijfers variëren op basis van de snelheid en massa van de auto en de snelheid en massa van wat hij ook raakt. Natuurkundigen meten deze kracht als versnelling -- zelfs bij het overschakelen van een hoge snelheid naar een lagere snelheid, wordt elke verandering in snelheid in de loop van de tijd wetenschappelijk versnelling genoemd. Om verwarring te voorkomen, noemen we crashacceleratie vertraging.

Met kreukelzones worden twee veiligheidsdoelen bereikt. Ze verminderen de aanvankelijke kracht van de botsing en herverdelen de kracht voordat deze de inzittenden van het voertuig bereikt.

De beste manier om de aanvankelijke kracht bij een botsing met een bepaalde hoeveelheid massa en snelheid te verminderen, is door de vertraging te vertragen. Je hebt dit effect zelf gezien als je om wat voor reden dan ook op de rem moest trappen. De krachten die je ervaart bij een noodstop zijn veel groter dan wanneer je geleidelijk vertraagt voor een stoplicht. Bij een botsing kan het vertragen van de vertraging met zelfs enkele tienden van een seconde een drastische vermindering van de betrokken kracht veroorzaken. Force is een simpele vergelijking:

Kracht = massa * versnelling

Door de vertraging te halveren, wordt ook de kracht gehalveerd. Daarom zal het veranderen van de deceleratietijd van 0,2 seconden naar 0,8 seconden resulteren in een vermindering van 75 procent van de totale kracht.

Kreukelzones bereiken dit door een bufferzone rond de omtrek van de auto te creëren. Bepaalde onderdelen van een auto zijn inherent stijf en bestand tegen vervorming, zoals het passagierscompartiment en de motor. Als die stijve onderdelen ergens tegenaan slaan, zullen ze heel snel vertragen, wat resulteert in veel kracht. Door die delen met kreukelzones te omgeven, kunnen de minder stijve materialen de eerste impact opvangen. De auto begint te vertragen zodra de kreukelzone begint te verfrommelen, waardoor de vertraging met een paar tienden van een seconde langer duurt.

Kreukelzones helpen ook om de kracht van de impact te herverdelen. Alle kracht moet ergens heen gaan - het doel is om het weg te sturen van de inzittenden. Beschouw de kracht die bij een crash betrokken is, als een troepenbudget. Alles wat er met de auto gebeurt tijdens een botsing en elke persoon in de auto op het moment van de botsing, besteedt een deel van de kracht. Als de auto een niet-stilstaand object raakt, zoals een geparkeerde auto, wordt er enige kracht op dat object overgebracht. Als de auto met een vluchtige slag iets raakt en draait of rolt, wordt een groot deel van de kracht besteed aan het draaien en rollen. Als onderdelen van de auto wegvliegen, wordt er nog meer kracht uitgeoefend. Het belangrijkste is dat schade aan de auto zelf kracht uitgeeft. Het buigen van delen van het frame, het breken van carrosseriepanelen, het breken van glas - al deze handelingen vereisen energie. Bedenk hoeveel kracht er nodig is om het stalen frame van een auto te buigen. Die hoeveelheid kracht wordt besteed aan het buigen van het frame, dus het wordt nooit overgebracht op de inzittenden.

Kreukelzones zijn gebaseerd op dat concept. Onderdelen van de auto zijn gebouwd met speciale structuren erin die zijn ontworpen om te worden beschadigd, verfrommeld, geplet en gebroken. We zullen de structuren zelf kort uitleggen, maar het fundamentele idee is dat er kracht nodig is om ze te beschadigen. In kreukelzones wordt zoveel mogelijk kracht uitgeoefend, zodat andere delen van de auto en de inzittenden er niet onder lijden.

Dus waarom zou je niet van de hele auto één gigantische kreukelzone maken? En als je ruimte nodig hebt voor een kreukelzone om impact te absorberen, hoe bouw je dan een compacte auto met kreukelzones? We zullen het in de volgende sectie uitleggen.

De uitvinder van de kreukelzone

Béla Barényi was een ingenieur en uitvinder die het grootste deel van zijn carrière bij Daimler-Benz werkte. Zijn naam komt voor op meer dan 2.500 patenten. Een van die patenten, uitgegeven in 1952, legt uit hoe een auto kan worden ontworpen met gebieden aan de voor- en achterkant die zijn gebouwd om te vervormen en kinetische energie te absorberen bij een botsing. Hij gebruikte het concept in 1959 voor de Mercedes-Benz W111 Fintail, de eerste auto die kreukelzones gebruikte [bron: Duits octrooi- en merkenbureau].

Deze BMW heeft duidelijk een zware klap gehad en lijkt zwaar beschadigd. De schade was echter niet aan het passagierscompartiment - de kreukelzone aan de voorkant deed zijn werk. Tim Graham / Getty-afbeeldingen

Het absorberen en omleiden van de impact is geweldig, maar het is niet het enige veiligheidsprobleem waar auto-ontwerpers zich zorgen over moeten maken. Het passagierscompartiment van de auto moet bestand zijn tegen het binnendringen van voorwerpen van buitenaf of andere delen van de auto, en het moet bij elkaar blijven zodat de inzittenden niet naar buiten worden gegooid. Je kunt niet van een hele auto een kreukelzone maken omdat je niet wilt dat de mensen erin ook kreukelen. Daarom zijn auto's ontworpen met een stijf, sterk frame dat de inzittenden omsluit, met kreukelzones voor en achter. Krachtvermindering en -herverdeling wordt bereikt in het passagierscompartiment via de

gebruik van airbags.

Er zijn enkele onderdelen van auto's die gewoon niet kunnen kreuken. De motor is de belangrijkste overtreder - in de meeste voertuigen is de motor een groot, zwaar blok staal. Geen kreukels daar. Hetzelfde geldt voor voertuigen met aluminium motorblokken. Soms moeten auto's opnieuw worden ontworpen om de motor verder naar achteren in het frame te plaatsen om een grotere kreukelzone op te vangen. Dit kan echter ook problemen veroorzaken - als de motor als gevolg van een botsing terug in het passagierscompartiment wordt geduwd, kan dit verwondingen veroorzaken.

-Brandstoftanks en accu's, in elektrische of hybride voertuigen, moeten ook worden beschermd tegen schokken om brand of blootstelling aan giftige chemicaliën te voorkomen. Ze kunnen zo worden ontworpen dat een deel van het frame de tank beschermt, maar dat deel van het frame kan wegbuigen van de impact. Als een auto bijvoorbeeld van achteren is, buigt het frame omhoog, tilt de benzinetank uit de weg en absorbeert een botsing. Nieuwere auto's hebben systemen die de brandstoftoevoer naar de motor afsnijden tijdens een botsing, en de Tesla Roadster, een krachtige elektrische auto, heeft een veiligheidssysteem dat de accupacks uitschakelt en alle elektrische energie afvoert van de kabels die door de auto lopen wanneer het voelt een noodgeval [bron: Tesla Motors].

Het is natuurlijk gemakkelijk om kreukelzones in te bouwen in een groot voertuig met voldoende ruimte om te kreukelen voordat het passagierscompartiment wordt geraakt. Het vergt enige creativiteit om kreukelzones in kleine voertuigen te ontwerpen. Een goed voorbeeld is de smart fortwo, een extreem kleine

en efficiënt voertuig. De bestuurder en passagier zijn opgesloten in de tridion-veiligheidskooi, een stalen frame met een uitstekende stijfheid voor zijn afmetingen. De geometrie is ontworpen om schokken over het hele frame te verdelen. Aan de voor- en achterkant van de smart fortwo staan wat slimme oproepen crash dozen. Dit zijn kleine stalen raamwerken die instorten en kreuken om schokken op te vangen. Omdat de crashboxen zo klein zijn, zijn er andere schokabsorberende eigenschappen gebruikt om ze aan te vullen. De transmissie kan bijvoorbeeld als schokdemper fungeren bij een front-end aanrijding. De korte wielbasis van de fortwo betekent dat bijna elke botsing de banden, wielen en ophanging betreft. Deze componenten zijn ontworpen om te vervormen, los te breken of terug te kaatsen, waardoor nog meer kinetische energie wordt geabsorbeerd tijdens een botsing [bron: smart USA].

Vervolgens zullen we zien hoe kreukelzones helpen om je favoriete coureur in leven te houden.

Verfrommel zones op treinen

We hebben het gehad over de ongelooflijke kinetische kracht die aan het werk is wanneer een auto crasht, maar stel je de kracht voor wanneer twee treinen botsen. Door het immense gewicht van een trein, kan een botsing krachten creëren die tientallen of zelfs honderden keren groter zijn dan die bij een auto-ongeluk. Toch kunnen kreukelzones zelfs onder deze extreme omstandigheden worden gebruikt. Met behulp van 3D-computersimulaties kunnen ingenieurs een kreukelzone bouwen die tijdens een botsing gestaag en gelijkmatig vervormt en de maximaal mogelijke kracht absorbeert. De kreukelzones worden vervolgens aan beide uiteinden van elke auto in een passagierstrein geplaatst. Bij een aanrijding verdeelt de kettingreactie van tegen elkaar beukende auto's de kracht over alle kreukelzones in de trein. Dat zou genoeg van de impactkrachten kunnen absorberen om verwondingen bij passagiers te voorkomen [bron: Machine Design].

Sommige crashes, zoals deze met Formule 1-coureur Robert Kubica, zien er spectaculair en gruwelijk uit. In feite heeft de vernietiging van de auto waarschijnlijk Kubica's leven gered. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Zelfs als je geen fan bent van autoraces, heb je waarschijnlijk beelden gezien van spectaculaire crashes waarbij auto's over de baan tuimelen en onderdelen in alle richtingen slingeren terwijl de auto letterlijk wordt vernietigd. Maar wonderbaarlijk genoeg klimt de chauffeur uit het verwrongen wrak en loopt ongedeerd weg. Hoewel deze crashes er gruwelijk uitzien, kost al die spectaculaire vernietiging kinetische energie. Het is waarschijnlijk geen leuke rit voor de bestuurder, maar de auto doet precies waarvoor hij is ontworpen in deze situatie: de persoon op de bestuurdersstoel beschermen.

Er zijn ook zeldzame gevallen geweest waarin een raceauto met hoge snelheid een vast voorwerp raakte, zoals de crash van NASCAR-coureur Michael Waltrip in Bristol in 1990. Hij raakte het stompe uiteinde van een betonnen muur met racesnelheden en de auto stopte heel plotseling. . De impact veroorzaakte enorme krachten, maar Waltrip bleef ongedeerd. De reden blijkt duidelijk uit het kijken naar de overblijfselen van zijn auto op die dag. Het was volledig en volkomen verwoest. Al dat geweld werd besteed aan de vernietiging van de auto. Het incident ging duidelijk veel verder dan de mogelijkheden van een kreukelzone, en in feite was het gewoon een kwestie van geluk dat niets het bestuurderscompartiment binnendrong om Waltrip te verwonden. Herverdeling van geweld heeft zijn leven gered.

De nasleep van de crash waarbij Dale Earnhardt, Sr. omkwam. Zijn auto, de zwarte # 3, lijkt niet zwaar beschadigd te zijn. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Er is echter een ongelukkig contrapunt aan het concept. Van de jaren tachtig tot het begin van de jaren 2000 waren er talloze dodelijke ongevallen in de race vanwege een te stijf chassis. Waarschijnlijk het meest bekende incident is de dood van Dale Earnhardt Sr. in de Daytona 500 van 2001. De crash leek aanvankelijk niet ernstig te zijn en de auto leek geen grote schade op te lopen; dat was echter precies het probleem. Een groot deel van de impactkracht werd rechtstreeks op de bestuurder overgebracht, waardoor direct en ernstig letsel ontstond. De fatale verwonding was een schedelbasisfractuur, een verwonding aan het gebied waar de schedel en het ruggenmerg samenkomen. Dit letsel is de doodsoorzaak bij veel auto-race-ongelukken en treedt op wanneer het hoofd bij een botsing naar voren springt terwijl het lichaam wordt vastgehouden door veiligheidsgordels. Hoewel hoofd- en nekbeveiligingssystemen de incidentie van schedelbasisfracturen hebben verminderd, heeft het verminderen van de impactkrachten op de bestuurder ook een belangrijke rol gespeeld.

Verschillende andere bekende coureurs kwamen om tijdens deze periode, evenals minder bekende coureurs in NASCAR-klassen met gemodificeerde en late modellen die racen op circuits in de Verenigde Staten. De reden achter de toename van het aantal dodelijke ongevallen was simpelweg het streven naar betere prestaties. Auto-ontwerpers en bemanningen zochten naar een betere wegligging door een stijver chassis te creëren. Dit omvatte het toevoegen van componenten aan het frame, het gebruik van rechte framerails en het overschakelen naar stalen buizen met dikkere wanden. Natuurlijk maakten ze het chassis stijver, maar toen deze onbuigzame auto's tegen een muur botsten, was er geen sprake van. Geen van de kracht werd geabsorbeerd door de auto - de bestuurder nam de meeste impact op zich.

Zelfs vóór de dood van Earnhardt in 2001 probeerden racecircuits oplossingen te vinden voor dit probleem. Tracks in het noordoosten van de Verenigde Staten experimenteerden met gigantische blokken industrieel piepschuim langs de muren, een soortgelijk concept als de zachte muurtechnologie die tegenwoordig op veel supersnelle wegen wordt gebruikt. Wat nog belangrijker was, de auto's werden veranderd. Op bepaalde delen van het chassis worden nu dunnere stalen buizen gebruikt en de framerails krijgen een bocht of inkeping zodat ze enigszins voorspelbaar vervormen bij een botsing.

NASCAR's Car of Tomorrow, gebruikt in Sprint Cup-races, heeft schuim en ander schokabsorberend materiaal dat in kritieke delen van het frame is ingebracht. Hoewel autoracen altijd een gevaarlijke sport zal zijn, heeft het gebruik van een minder stijve chassisconstructie, zachte wandtechnologie en hoofd- en nekbeveiligingssystemen de botskrachten op bestuurders aanzienlijk verminderd..

Volg de links op de volgende pagina voor meer informatie over veiligheidsvoorzieningen voor auto's, racen en andere gerelateerde onderwerpen.

Safety Ride Down

Volvo heeft een andere schokabsorberende technologie ontwikkeld voor gebruik in kleine auto's. De bestuurdersstoel is gemonteerd op wat in feite een slee op een rail is, met schokdempers ervoor. Bij een botsing schuift de hele "slee" (stoel en bestuurder inbegrepen) tot 20 cm naar voren en de schokdempers doen letterlijk hun werk en absorberen de schok van de botsing. Tegelijkertijd schuiven het stuur en een deel van het dashboard naar voren om plaats te maken voor de bestuurder. In combinatie met een kreukelzone aan de voorkant en mogelijk een airbag, zou dit systeem de krachten die op de bestuurder inwerken bij een front-end botsing aanzienlijk kunnen verminderen [bron: Ford Motor Company].