40 Ruch ciaáa czáowieka w samochodzie podczas wypadku

WSKAħNIK OCENY HIC SAMOCHODU OSOBOWEGO W ASPEKCIE
BEZPIECZEēSTWA RUCHU DROGOWEGO
Dagmara KARBOWNICZEK1, Kazimierz LEJDA2,
Ruch ciaáa czáowieka w samochodzie podczas wypadku drogowego zaleĪy od sztywnoĞci
nadwozia i zasiĊgu strefy odksztaácenia jego konstrukcji oraz skutecznoĞci dziaáania
systemów ochronnych [7,8]. Celem opracowania jest porównanie wartoĞci wskaĨnika obraĪeĔ
gáowy HIC (Head Injury Criterion) w starszych i nowszych samochodach osobowych. UwagĊ
zwrócono na powiązanie wpáywu roku produkcji samochodu na wartoĞü wskaĨnika. UĪyto
odpowiednich narzĊdzi statystycznych dla potwierdzenia postawionej tezy. Uzyskano
informacjĊ, jak zmienia siĊ wartoĞü HIC w kolejnych nowszych wersjach samochodów
osobowych.
1. WSTĉP
Dziaáania mające na celu poprawĊ bezpieczeĔstwa pasaĪera podczas wypadku drogowego są
realizowane w kolejnych etapach doskonalenia samochodów, czyli wraz z wprowadzaniem na
rynek nowych modeli. Podczas oceny skutecznoĞci wpáywu wprowadzanych zmian na
bezpieczeĔstwo pasaĪerów podczas wypadku drogowego, wyróĪnia siĊ nastĊpujące miary i
wskaĨniki [9]:
- wartoĞci ekstremalne przyspieszenia gáowy amax,
- wskaĨnik obraĪeĔ gáowy HIC,
- deformacja nadwozia jako Ĩródáo zagroĪeĔ dla osób jadących.
ObraĪenia gáowy naleĪą do najczĊstszych urazów wystĊpujących podczas zderzenia.
Kryterium oceny obraĪeĔ gáowy znane pod nazwą HIC ( Head Injury Criterion) lub HPC (Head
Performance Criterion) zostaáo ustalone w postaci [1,2]:
t
HIC
max[
2
1
a t dt ]2,5 t 2 t1 ³
t2 t1 t1
(1)
gdzie: t1-t2- przedziaá czasu, w którym dochodzi do obraĪeĔ gáowy,
a(t)- wypadkowe przyspieszenie gáowy mierzone w trzech wzajemnie prostopadáych kierunkach
(sumowane geometrycznie)
W dyrektywie FMVSS 208 (Federal Motor Vehicle Safety Standars) amerykaĔskiej
organizacji NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), zajmującej siĊ
problematyką bezpieczeĔstwa ruchu drogowego, ustalono wartoĞü graniczną HIC36 =1000 w czasie
t = 36 ms (dla manekinów reprezentujących dorosáego czáowieka i 6-letnie dziecko). Zatem, jeĪeli
wartoĞü HIC przekroczy 1000, istnieje niebezpieczeĔstwo utraty Īycia [1,2].ObniĪanie siĊ wartoĞci
wskaĨnika HIC jest rezultatem doskonalenia konstrukcji pojazdów.
Interesującym zagadnieniem jest doskonalenie urządzeĔ ochrony osób jadących poprzez
wprowadzanie nowych materiaáów i rozwiązaĔ konstrukcyjnych. Przeprowadzona analiza w
artykule dotyczy problemu, w jakim stopniu doskonalenie konstrukcji samochodów osobowych
wpáywa na wartoĞü wskaĨnika obraĪeĔ gáowy HIC.
1
2
mgr inĪ. Dagmara Karbowniczek; doktorantka
prof. dr hab. inĪ. Kazimierz Lejda; Politechnika Rzeszowska, Katedra Silników Spalinowych i Transportu
40
2. KRYTERIA WYBORU SAMOCHODÓW DO OCENY WARTOĝCI WSKAħNIKA
OBRAĩEē GàOWY
Porównano wartoĞci wskaĨnika obraĪeĔ gáowy HIC w starszych i nowszych samochodach
osobowych. Samochody podzielono na trzy przedziaáy wiekowe: 1995-1999, 2000-2004, 20052010 oraz trzy przedziaáy masowe: 1000-1300 kg, 1300-1600 kg, 1600-1900 kg. Brano pod uwagĊ
masĊ caákowitą samochodów oraz ten sam segment handlowy.
Punktem wyjĞcia w prowadzonej analizie byáa identyfikacja wyników testów zderzeniowych
przeprowadzonych przez AmerykaĔską AdministracjĊ BezpieczeĔstwa Ruchu Drogowego
(NHTSA), której baza z dokáadnymi wynikami przeprowadzanych testów zderzeniowych jest
ogólnie dostĊpna [9]. SpoĞród kilku tysiĊcy wyników testów zderzeniowych wyszukano testy
zderzenia czoáowego offsetowego3 dla samochodów z wybranych przedziaáów masowych
(znaleziono 734 testów zderzeniowych), nastĊpnie spoĞród tych testów wybrano te, które byáy
przeprowadzone przy tych samych warunkach, tzn.:
ƒ zderzenie czoáowe offsetowe,
ƒ prĊdkoĞü uderzenia 56 km/h,
ƒ zderzenie ze sztywną barierą,
ƒ takie samo wyposaĪenie w elementy bezpieczeĔstwa biernego (trzypunktowe pasy
bezpieczeĔstwa, poduszka gazowa kierowcy),
ƒ taki sam manekin (Hybryd III 50-centylowy4).
Liczba testów jaką udaáo siĊ wyszukaü, to dla samochodów z przedziaáu: 1000-1300 kg – 91 testów;
1300-1600 kg – 118 testów; 1600-1900 kg – 149 testów. Marki samochodów, które pojawiáy siĊ w
wyszukanych testach, to: Toyota, Ford, Volkswagen, Honda, Nissan, Mercedes, Kia, Lexus, Volvo,
Subaru, Suzuki, Renault.
3. ANALIZA ZMIAN WARTOĝCI WSKAħNIKA OBRAĩEē GàOWY HIC W
STARSZYCH I NOWSZYCH SAMOCHODACH OSOBOWYCH
Dla samochodów osobowych z przedziaáów masowych: 1000-1300 kg, 1300-1600 kg, 16001900 kg, wyznaczono histogram rozkáadu wartoĞci wskaĨnika obraĪeĔ gáowy HIC (rys. 1 ÷ 3).
Widoczne na rysunkach sáupki pokazują, jaka wartoĞü wskaĨnika HIC wystĊpuje z najwiĊkszym
prawdopodobieĔstwem w samochodach odnoĞnie wybranych przedziaáów wiekowych.
PrawdopodobieĔstwo obliczono zgonie ze wzorem (2) [3,4]:
L ow
¦ L ow
P
(2)
gdzie:
Low - liczba wystąpienia okreĞlonej wartoĞci HIC w testach zderzeniowych samochodów z
okreĞlonego przedziaáu wiekowego.
0,7
prwdopodobieĔstwo
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
100-199
200-299
samochody 1995-1999
300-399
400-499
500-599
HIC
600-699
samochody 2000-2004
700-799
800-899
900-1000
samochody 2005-2010
Rys 1. Histogram rozkáadu wartoĞci HIC; przedziaá masowy 1000-1300 kg
3
zderzenie offsetowe – uderzenie w przedmiot staáy odksztaácalny, przyjmujący energiĊ uderzenia (w wyniku nastĊpuje
przesuniĊcie poprzeczne wzdáuĪnej osi pojazdu
4
centyl – wskaĨnik rozwoju fizycznego czáowieka
41
p ra w d o p o d o b ie Ĕ s t w o
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
100-199
200-299
300-399
samochody1995-1999
400-499 500-599
HIC
600-699
samochody 2000-2004
700-799
800-899 900-1000
samochody 2005-2010
Rys 2. Histogram rozkáadu wartoĞci HIC; przedziaá masowy 1300-1600 kg
p raw d o p o d o b ieĔ stw o
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
100-199
200-299
samochody1995-1999
300-399
400-499
500-599 600-699
HIC
samochody 2000-2004
700-799
800-899 900-1000
samochody 2005-2010
Rys 3. Histogram rozkáadu wartoĞci HIC; przedziaá masowy 1600-1900 kg
Analiza przedstawionych histogramów wskazuje, Īe niĪsze wartoĞci wskaĨnika obraĪeĔ
gáowy HIC wystĊpują z najwiĊkszym prawdopodobieĔstwem w nowszych samochodach
osobowych. Rozkáad prawdopodobieĔstwa wystąpienia danej wartoĞci HIC dla samochodów z lat
1995-2010 wykazuje cechy rozkáadu normalnego (wykonano test zgodnoĞci Koámogorowa), co
pozwoliáo na wyznaczenie [3,4,5,6] :
ƒ
linii trendu,
ƒ
wspóáczynnika determinacji,
ƒ
wspóáczynnika zbieĪnoĞci.
1000
R2 = 0,43
800
ij2=0,57
HIC
600
400
200
0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
lata
Rys 4. Linia trendu wskaĨnika HIC dla samochodów o masie 1000-1300 kg
42
1000
R2 = 0,37
ij2=0,63
800
HIC
600
400
200
0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
lata
Rys 5. Linia trendu wskaĨnika HIC dla samochodów o masie 1300-1600 kg
1000
R2 = 0,37
ij2=0,63
800
HIC
600
400
200
0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
lata
Rys 6. Linia trendu wskaĨnika HIC dla samochodów o masie 1600-1900 kg
Linia trendu wskaĨnika HIC dla samochodów osobowych wyprodukowanych w latach 19952010 ma tendencjĊ spadkową dla wszystkich analizowanych przedziaáów masowych.
Obliczony wspóáczynnik determinacji R2=0,37 i R2=0,43 wskazuje, Īe wartoĞü wskaĨnika
HIC wynika z roku produkcji samochodu: w 37 % dla samochodów o masie 1300-1600 kg i 16001900 kg oraz 43% dla samochodów o masie 1000-1300 kg.
Wspóáczynnik determinacji R2 wyraĪony jest wzorem o postaci:
n
1
R2
^
¦ (Y y )
2
i
i 1
n
¦(y
i
y)
(3)
2
i 1
Y yi
bxi a
Y
n
¦
b
i 1
(4)
e
(5)
·
·§
§
¨ xi x ¸¨ y i y ¸
¹
¹©
©
n
¦
i 1
§
·
¨ xi x ¸
©
¹
a
2
y b x
gdzie:
x – Ğrednia arytmetyczna wartoĞci xi (wartoĞü HIC) z n obserwacji,
y – Ğrednia arytmetyczna wartoĞci yi ( rok produkcji samochodu) z n obserwacji,
43
(6)
(7)
xi , yi wartoĞci odpowiednio cech X i Y dla obserwacji i ( i = 1, 2, ……n),
^
Y – funkcja regresji (matematyczna funkcja bĊdąca przybliĪeniem faktycznej zaleĪnoĞci miĊdzy
zmiennymi),
e – reszta ( odchylenie od prawidáowoĞci opisywanej przez funkcjĊ regresji),
n – liczba obserwacji.
Powiązany z wspóáczynnikiem determinacji jest wspóáczynnik zbieĪnoĞci. Wspóáczynnik
zbieĪnoĞci M 2 okreĞla, jaka czĊĞü zmiennoĞci zmiennej objaĞnianej nie zostaáa wyjaĞniona przez
model, a wiĊc opisuje tĊ czĊĞü zmiennoĞci zmiennej objaĞnianej, która wynika z innych czynników
niĪ uwzglĊdnione w modelu. Wspóáczynnik zbieĪnoĞci przyjmuje wartoĞci z przedziaáu [0;1].
Dopasowanie modelu jest tym lepsze, im wartoĞü jest bliĪsza zeru.
M2
1 R2
(8)
ZmiennoĞü wartoĞci wskaĨnika obraĪeĔ gáowy HIC nie zostaáa wyjaĞniona przez model (czyli nie
wynika z roku produkcji samochodu) w 57 % dla samochodów o masie 1000-1300 kg i w 63% dla
samochodów o masie 1300-1600 kg oraz 1600-1900 kg.
PODSUMOWANIE
Widoczne jest zmniejszenie wartoĞci wskaĨnika obraĪeĔ gáowy HIC w nowszych
samochodach osobowych wraz z pojawianiem siĊ coraz wiĊkszej iloĞci elementów konstrukcji,
których zadaniem jest rozproszenie energii uderzenia. Elementy takie, poprzez swoją
zaprogramowaną deformacjĊ, zamieniają energiĊ kinetyczną zderzenia na pracĊ siá deformacji.
Skuteczniejsze rozpraszanie energii powoduje, Īe na osoby znajdujące siĊ w przedziale pasaĪerskim
dziaáają mniejsze przeciąĪenia, czego efektem jest zmniejszenie wartoĞci ekstremalnego
przyspieszenia gáowy oraz wskaĨnika HIC.
Otrzymane wartoĞci wspóáczynnika determinacji wskazują, iĪ rok produkcji samochodu, czyli
stopieĔ i jakoĞü wyposaĪenia w energocháonne elementy konstrukcji, wpáywa na wartoĞü wskaĨnika
HIC, aczkolwiek w wiĊkszym stopniu widoczny jest ten wpáyw w samochodach o mniejszej masie
caákowitej.
OkreĞlenie wspóáczynnika zbieĪnoĞci pozwoliáo równieĪ na ustalenie, Īe rok produkcji
samochodu osobowego wpáywa na wartoĞü HIC. WartoĞü tego wskaĨnika zaleĪy w wiĊkszym
stopniu w samochodach klasy niĪszej Ğredniej aniĪeli w samochodach klasy Ğredniej.
LITERATURA:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Diupero T., Emil Wolski E.: Kryteria odpornoĞci biomechanicznej czáowieka w badaniach
zderzeniowych pojazdów (czĊĞü I). ITS, Kwartalnik BRD nr 2/1999 r.
Diupero T., Emil Wolski E.: Kryteria odpornoĞci biomechanicznej czáowieka w badaniach
zderzeniowych pojazdów (czĊĞü II). ITS, Kwartalnik BRD nr 3/1999 r.
GreĔ J.: Statystyka matematyczna- modele i zadania. PWN, Warszawa 1974r.
Sadowski W.: Statystyka matematyczna. PWE, Warszawa 1969r.
Sadowski W.:Elementy ekonometrii programowania matematycznego. PWN, Warszawa
1980 r.
Sadowski W.: Maáa encyklopedia statystyki. PWE, Warszawa 1976 r.
Wicher J.: BezpieczeĔstwo samochodów i ruchu drogowego. WKà, Warszawa 2004.
ZieliĔski A.: Konstrukcja nadwozi samochodów osobowych i pochodnych. WKà, Warszawa
2008.
http://wwwnrd.nhtsa.dot.gov/database/aspx/vehdb/queryvehicle.aspx
44
HIC EVALUATION INDICATOR OF PASSENGER CAR
IN THE ASPECTS OF ROAD SAFETY
The movement of the human body in the car during the traffic accident depends on the
rigidity of the body and within zone the deformation the design and effectiveness of
protective systems [7,8].
The aim of this paper is to compare the indicator value head injuries HIC (Head Injury
Criterion) in older and newer passenger cars. Attention has been paid to the link between the
impact of year of manufacture car in the value of the indicator. Was used appropriate
statistical tools to confirm the bet thesis. Information obtained as the value of the HIC in the
next newer passenger cars.
45