Autoveiligheid heeft de afgelopen decennia een lange weg afgelegd en een van de meest effectieve innovaties is de kreukelzone . Ook bekend als een crush zone , zijn kreukelzones gebieden van een voertuig die zijn ontworpen om te vervormen en te kreukelen bij een botsing. Dit absorbeert een deel van de energie van de botsing en voorkomt dat deze wordt doorgegeven aan de inzittenden.
Natuurlijk is het beschermen van mensen bij auto-ongelukken niet zo eenvoudig als het hele voertuig kreukelen. Ingenieurs moeten veel factoren in overweging nemen bij het ontwerpen van veiligere auto's, waaronder de grootte en het gewicht van het voertuig, de framestijfheid en de spanningen waaraan de auto waarschijnlijk wordt blootgesteld bij een crash. Raceauto's worden bijvoorbeeld veel zwaarder getroffen dan straatauto's, en SUV's crashen vaak met meer kracht dan kleine auto's.
We gaan uitzoeken hoe kreukelzones de krachten herverdelen die betrokken zijn bij een crash, waar kreukelzones van gemaakt zijn en leren over een paar andere geavanceerde veiligheidssystemen die nu getest worden. We zullen ook ontdekken hoe kreukelzones zijn ingebouwd in raceauto's en waarom een aantal dodelijke slachtoffers in de racerij voorkomen hadden kunnen worden als de sport deze veiligheidsvoorzieningen eerder had ingevoerd. We bekijken zelfs de kreukelzones die zijn ontworpen om de enorme impact van een treinbotsing op te vangen.
Lees de volgende pagina voor meer informatie over de krachten die bij een aanrijding betrokken zijn en om te leren hoe een goed ontworpen kreukelzone letsel bij de inzittenden tot een minimum kan beperken.
Wat zit er in een kreukelzone?De bijzonderheden van ontwerpen voor kreukelzones zijn meestal eigendomsinformatie die autofabrikanten niet graag prijsgeven. 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 te vallen. Meer geavanceerde ontwerpen kunnen een verscheidenheid aan metalen en andere materialen gebruiken die zorgvuldig zijn ontworpen om zoveel mogelijk kinetische energie te absorberen. High-performance auto's maken vaak gebruik van een honingraatontwerp, dat onder normale omstandigheden stijfheid biedt, maar bij een crash kan bezwijken en verkreukelen.
Inhoud
Wanneer een auto betrokken is bij een ongeval, zijn er intense kinetische krachten aan het werk. Een bepaalde hoeveelheid kracht is aanwezig tijdens een crash. De werkelijke aantallen variëren op basis van de snelheid en massa van de auto en de snelheid en massa van wat het ook raakt. Natuurkundigen meten deze kracht als versnelling -- zelfs bij het verplaatsen 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, zullen we naar crashversnelling verwijzen als vertraging .
Kreukelzones bereiken twee veiligheidsdoelen. Ze verminderen de aanvankelijke kracht van de botsing en verdelen de kracht voordat deze de inzittenden van het voertuig bereikt.
De beste manier om de initiële kracht bij een crash 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 je rem moest trappen. De krachten die je ervaart bij een noodstop zijn veel groter dan wanneer je langzaam afremt voor een stoplicht. Bij een botsing kan het vertragen van de vertraging met zelfs maar een paar tienden van een seconde een drastische vermindering van de betrokken kracht opleveren. Kracht is een eenvoudige vergelijking:
Door de vertraging te halveren, wordt ook de kracht gehalveerd. Daarom zal het veranderen van de vertragingstijd 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 van nature stijf en bestand tegen vervorming, zoals het passagierscompartiment en de motor. Als die stijve delen iets raken, vertragen ze heel snel, wat resulteert in veel kracht. Door die delen te omringen met kreukelzones, kunnen de minder stijve materialen de eerste impact opvangen. De auto begint te vertragen zodra de kreukelzone begint te kreukelen, waardoor de vertraging nog een paar tienden van een seconde langer wordt.
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. Zie de kracht die betrokken is bij een crash als een krachtbudget. 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-stationair object raakt, zoals een geparkeerde auto, wordt er enige kracht op dat object overgedragen. Als de auto iets raakt met een flitsende slag en draait of rolt, wordt veel van de kracht besteed aan het draaien en rollen. Als delen van de auto wegvliegen, wordt er nog meer kracht gebruikt. Het belangrijkste is dat schade aan de auto zelf veel kracht kost. Het buigen van delen van het frame, het breken van carrosseriepanelen, het verbrijzelen van glas - al deze acties 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, zodat het nooit wordt doorgegeven aan de inzittenden.
Op dat concept zijn kreukelzones gebaseerd. Delen van de auto zijn gebouwd met speciale structuren erin die zijn ontworpen om te worden beschadigd, verkreukeld, verpletterd 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 de gevolgen niet ondervinden.
Dus waarom niet van de hele auto een gigantische kreukelzone maken? En als je ruimte nodig hebt voor een kreukelzone om impact op te vangen, hoe bouw je dan een compacte auto met kreukelzones? We zullen het in het volgende gedeelte uitleggen.
De uitvinder van de kreukelzone
Béla Barényi was een ingenieur en uitvinder die het grootste deel van zijn carrière voor Daimler-Benz werkte. Zijn naam komt voor op meer dan 2500 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 ontworpen om te vervormen en kinetische energie te absorberen bij een botsing. Hij paste het concept in 1959 toe op de Mercedes-Benz W111 Fintail, de eerste auto die kreukelzones gebruikte [bron:Duits octrooi- en merkenbureau].
Het absorberen en omleiden van impact is geweldig, maar het is niet het enige veiligheidsprobleem waar auto-ontwerpers zich zorgen over moeten maken. Het passagierscompartiment van de auto moet weerstand kunnen bieden aan het binnendringen van voorwerpen van buitenaf of andere delen van de auto, en het moet bij elkaar blijven zodat de inzittenden er niet uit worden gegooid. Je kunt van een hele auto geen 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 sommige delen van auto's die gewoon niet kunnen kreukelen. De motor is de belangrijkste boosdoener - 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 terug in het frame te plaatsen om een grotere kreukelzone op te vangen. Dit kan echter ook problemen veroorzaken - als de motor door een botsing terug in het passagierscompartiment wordt geduwd, kan dit letsel veroorzaken.
Brandstoftanks en batterijpakketten, in elektrische of hybride voertuigen, moeten ook worden beschermd tegen schokken om brand of blootstelling aan giftige chemicaliën te voorkomen. Ze kunnen zo zijn 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 achterop rijdt, buigt het frame omhoog, waardoor de benzinetank uit de weg wordt gehesen en enige impact wordt opgevangen. Nieuwere auto's hebben systemen die de brandstoftoevoer naar de motor afsluiten tijdens een crash, en de Tesla Roadster, een krachtige elektrische auto, heeft een veiligheidssysteem dat de accu's 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 ontwerpen van kreukelzones in kleine voertuigen vergt wat creativiteit. Een goed voorbeeld is de smart fortwo, een extreem kleine
en efficiënt voertuig. De bestuurder en passagier zijn ingesloten in de tridion-veiligheidskooi, een stalen frame met uitstekende stijfheid voor zijn afmetingen. De geometrie is ontworpen om de impact over het hele frame te verdelen. Aan de voor- en achterkant van de smart fortwo bevinden zich wat smart crashboxen noemt . Dit zijn kleine stalen raamwerken die instorten en verkreukelen om schokken op te vangen. Omdat de crashboxen zo klein zijn, zijn er andere schokabsorberende eigenschappen gebruikt om ze aan te vullen. Zo kan de transmissie fungeren als schokdemper bij een frontale aanrijding. De korte wielbasis van de fortwo betekent dat bij bijna elke impact de banden, wielen en ophanging betrokken zijn. 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:slimme VS].
Vervolgens zullen we zien hoe kreukelzones helpen om je favoriete autocoureur in leven te houden.
Kreukelzones in 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 veroorzaken die tientallen of zelfs honderden keren groter zijn dan die bij een auto-ongeluk. Toch kunnen zelfs onder deze extreme omstandigheden kreukelzones 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 wagon in een reizigerstrein geplaatst. Bij een botsing verdeelt de kettingreactie van auto's die tegen elkaar botsen de kracht over alle kreukelzones in de trein. Dat zou genoeg van de impactkrachten kunnen absorberen om verwondingen aan passagiers te voorkomen [bron:Machine Design].
Zelfs als je geen fan bent van autoracen, heb je waarschijnlijk beelden gezien van spectaculaire crashes waarbij auto's van de baan tuimelen en onderdelen alle kanten opslingeren terwijl de auto letterlijk wordt vernietigd. Maar wonder boven wonder klimt de bestuurder 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 object heeft geraakt, 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 genereerde enorme krachten, maar Waltrip was ongedeerd. De reden is duidelijk bij het bekijken van de overblijfselen van zijn auto op die dag. Het werd volledig en volkomen vernietigd. Al die kracht werd besteed aan de vernietiging van de auto. Het is duidelijk dat het incident de mogelijkheden van elke kreukelzone ver te boven ging, en in feite was het gewoon een kwestie van geluk dat er niets in het bestuurderscompartiment binnendrong om Waltrip te verwonden. Geforceerde herverdeling heeft zijn leven gered.
Er is echter een ongelukkig contrapunt aan het concept. Van de jaren tachtig tot het begin van de jaren 2000 waren er talloze dodelijke slachtoffers tijdens het racen als gevolg van 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 en de auto leek geen grote schade te hebben opgelopen; dat was echter precies het probleem. Een groot deel van de kracht van de impact werd rechtstreeks op de bestuurder overgebracht, met onmiddellijke en ernstige verwondingen tot gevolg. De dodelijke verwonding was een schedelbasisfractuur, een verwonding aan het gebied waar de schedel en het ruggenmerg op elkaar aansluiten. Deze verwonding is de doodsoorzaak bij veel autorace-ongevallen en treedt op wanneer het hoofd naar voren springt bij een botsing terwijl het lichaam wordt vastgehouden door veiligheidsgordels. Terwijl hoofd- en neksteunen 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-gemodificeerde en late modellenklassen die racen op circuits in de Verenigde Staten. De reden achter de toename van dodelijke ongevallen was simpelweg het streven naar betere prestaties. Auto-ontwerpers en -teams zochten 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 overstappen op stalen buizen met dikkere wanden. Natuurlijk hebben ze het chassis stijver gemaakt, maar toen deze onbuigzame auto's een muur raakten, was er geen sprake van. Geen van de krachten werd door de auto geabsorbeerd -- de bestuurder nam het grootste deel van de impact op zich.
Zelfs vóór Earnhardts dood in 2001 probeerden racecircuits oplossingen voor dit probleem te vinden. 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 superspeedways wordt gebruikt. Belangrijker nog, de auto's werden veranderd. Dunnere stalen buizen worden nu gebruikt op bepaalde delen van het chassis en 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 in kritieke delen van het frame. Hoewel autoracen altijd een gevaarlijke sport zal zijn, heeft het gebruik van een minder stijve chassisconstructie, zachte wandtechnologie en hoofd- en neksteunsystemen de botskrachten op de coureurs aanzienlijk verminderd.
Volg de links op de volgende pagina voor meer informatie over veiligheidsapparatuur voor auto's, racen en andere gerelateerde onderwerpen.
Veiligheidsrit naar beneden
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 8 inch naar voren en de schokdempers doen letterlijk hun werk en absorberen de schok van de impact. 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 frontale botsing aanzienlijk kunnen verminderen [bron:Ford Motor Company].
Oorspronkelijk gepubliceerd:11 aug. 2008
