Ngày nay, các nỗ lực an toàn tập trung vào khả năng tránh va chạm. Trong thập kỷ qua, các nhà sản xuất ô tô đã bổ sung nhiều tính năng để giúp người lái tránh khỏi sự cố, chẳng hạn như hệ thống chống bó cứng phanh, thiết bị kiểm soát lực kéo và đèn chạy ban ngày. Ngoài ra, các xe được trang bị một loạt các hệ thống hạn chế tác động của va chạm như cột lái hấp thụ năng lượng, dây đai ba điểm, túi khí phía trước và bên hông. Các kỹ sư an toàn thiết kế và sản xuất các cấu trúc thân xe để chịu được tải trọng. Ngoại thất cung cấp hệ số kéo khí động học thấp. Nội thất cung cấp không gian đầy đủ để thoải mái. Thân xe cùng với hệ thống treo được thiết kế để giảm thiểu rung động trên đường và chuyển động khí động học cho người ngồi trong xe. Ngoài ra, cấu trúc xe được thiết kế để đảm bảo tính toàn vẹn của nó và bảo vệ đầy đủ trong các vụ tai nạn giúp ngưới ngồi trong xe có thể sống sót nếu va chạm xảy ra. Cấu trúc ô tô đã phát triển trong mười thập kỷ qua để đáp ứng nhu cầu. Trong số những hạn chế là vật liệu và khả năng cung cấp năng lượng, quy định an toàn, kinh tế, cạnh tranh, công nghệ kỹ thuật và khả năng sản xuất. Cấu trúc thân xe hiện tại và xe tải nhẹ bao gồm hai loại: cấu trúc thân trên khung hoặc cấu trúc thân xe.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Vụ tử vong do xe cơ giới đầu tiên xảy ra tại New York vào năm 1889 đã khởi đầu cho nghiên cứu về an toàn ô tô Trong hơn một thế kỷ qua, an toàn người sử dụng đã trở thành yếu tố thiết kế quan trọng trong tất cả các tiêu chí hoạt động của phương tiện giao thông Các nhà sản xuất sớm nhận thức được nhu cầu bảo vệ người dùng, trước khi công chúng chấp nhận ô tô như một phương tiện di chuyển hiệu quả.
Va chạm xe thường xảy ra do các điều kiện vận hành bất thường, dẫn đến tác động mạnh lên cấu trúc xe khi va chạm với phương tiện khác hoặc chướng ngại vật Khi lực tác động vượt quá khả năng hấp thụ năng lượng của xe, người ngồi trong xe có nguy cơ bị thương hoặc tử vong Do đó, việc trang bị các thiết bị cần thiết và đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn cho ô tô là vô cùng quan trọng.
Mục tiêu đề tài
Sau khi hoàn thành bài có thể:
• Trình bày được các tiêu chuẩn đánh giá tính năng an toàn ô tô khi va chạm
• Trình bày được xếp hạng an toàn theo tiêu chuẩn IIHS, ECE R94
• Trình bày được cơ sở lý thuyết va chạm ô tô
• Phân tích được động lực học va chạm ô tô
Nội dung đề tài
• Các tiêu chuẩn đánh giá tính năng an toàn ô tô khi va chạm
• Xếp hạng an toàn theo tiêu chuẩn IIHS, ECE R94
• Cơ sở lý thuyết va chạm ô tô
• Động lực học va chạm ô tô
• Viết báo cáo tiểu luận
Phương pháp nghiên cứu
• Tham khảo một số sách về ô tô
• Tìm hiểu thông tin từ những trang website về ô tô
Kết cấu bài tiểu luận
• Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VA CHẠM Ô TÔ
• Chương 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VA CHẠM Ô TÔ
Tổng quan va chạm ô tô
Ngày nay, nỗ lực an toàn trong ô tô chủ yếu tập trung vào khả năng tránh va chạm Trong thập kỷ qua, các nhà sản xuất đã tích hợp nhiều tính năng hỗ trợ người lái, bao gồm hệ thống chống bó cứng phanh, kiểm soát lực kéo và đèn chạy ban ngày Bên cạnh đó, xe cũng được trang bị các hệ thống giảm thiểu tác động va chạm như cột lái hấp thụ năng lượng, dây đai ba điểm và túi khí phía trước cũng như bên hông.
Các kỹ sư an toàn thiết kế và sản xuất cấu trúc thân xe với khả năng chịu tải trọng cao, đồng thời tối ưu hóa ngoại thất để đạt hệ số kéo khí động học thấp Nội thất được thiết kế rộng rãi, mang lại sự thoải mái cho người ngồi Thân xe và hệ thống treo được cải tiến nhằm giảm thiểu rung động và chuyển động khí động học, giúp hành khách trải nghiệm êm ái Quan trọng hơn, cấu trúc xe được thiết kế để đảm bảo tính toàn vẹn và bảo vệ người ngồi trong trường hợp xảy ra tai nạn, tăng khả năng sống sót cho họ.
Cấu trúc ô tô đã trải qua sự phát triển đáng kể trong mười thập kỷ qua để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Những thách thức bao gồm vật liệu, nguồn năng lượng, quy định an toàn, yếu tố kinh tế, cạnh tranh, công nghệ kỹ thuật và khả năng sản xuất Hiện nay, cấu trúc thân xe và xe tải nhẹ chủ yếu được chia thành hai loại: cấu trúc thân trên khung và cấu trúc thân xe.
Cấu trúc khung thân trên khung của xe khách hoặc xe thể thao đa dụng bao gồm thân xe, khung và tấm kim loại phía trước, trong đó thân xe cung cấp độ cứng và giảm thiểu chấn thương khi va chạm Khung xe hỗ trợ các hệ thống truyền động, treo và phụ kiện, trong khi khung và tấm kim loại phía trước hấp thụ năng lượng va chạm qua biến dạng dẻo Thân xe được gắn vào khung bằng các bộ phận giảm xóc, giúp cách ly rung động tần số cao Hình 2.1 minh họa cấu trúc này trên một chiếc xe điển hình.
Hình 2.1: Cấu trúc thân trên khung
Các cấu khung thân, như được thể hiện trong hình 2.2, chủ yếu được sử dụng trong các xe chở khách Những chiếc xe này tích hợp thân, khung và tấm kim loại phía trước thành một bộ phận duy nhất, được chế tạo từ tấm kim loại và lắp ráp bằng phương pháp hàn điểm hoặc các phương pháp buộc chặt khác Cấu trúc thân xe này, còn gọi là thân không khung hoặc khung thân đơn vị, giúp tăng cường độ cứng của xe và giảm trọng lượng.
Hình 2.2: Cấu trúc khung thân
Thép là vật liệu chủ yếu trong cấu trúc xe, cho phép sản xuất hàng triệu đơn vị trong suốt bảy thập kỷ Yêu cầu cơ bản cho vật liệu thân xe bao gồm khả năng định hình tốt, chống ăn mòn và khả năng tái chế Ngoài ra, vật liệu cần có độ bền và khả năng chịu tải để hấp thụ năng lượng va chạm, đồng thời đảm bảo không gian sống sót cho người lái trong trường hợp tai nạn Cấu trúc thân xe cũng phải nhẹ để giảm tiêu thụ nhiên liệu Trong sáu thập kỷ qua, phần lớn thân xe được sản xuất từ các bộ phận thép dập, trong khi chỉ một số ít thân xe đặc biệt được làm từ vật liệu composite bằng nhôm.
Sự va chạm xe và an toàn người sử dụng là yếu tố thiết kế quan trọng trong ngành ô tô Ban đầu, thân xe được làm từ gỗ với mục tiêu hạn chế biến dạng trong va chạm Qua thời gian, cấu trúc thân xe đã phát triển để hấp thụ năng lượng va chạm bằng cách định hình dẻo Hiện nay, thân xe chủ yếu được sản xuất từ thép dập và lắp ráp bằng kỹ thuật buộc chặt Các nhà thiết kế tạo ra các khu vực bảo vệ người bằng cách duy trì tính toàn vẹn của khoang lái và kiểm soát xung giảm tốc va chạm dưới giới hạn dung sai của con người Một xung giảm tốc va chạm với thời gian cực đại và phân rã dần dần giúp bảo vệ hành khách tốt hơn Do đó, cấu trúc cơ giới được tối ưu hóa có khả năng hấp thụ năng lượng va chạm qua các biến dạng kiểm soát, đồng thời duy trì không gian đủ để quản lý năng lượng va chạm còn lại, giảm thiểu tải trọng cho người ngồi trên xe.
Va chạm xe thường xảy ra khi xe va chạm với chướng ngại vật di chuyển hoặc vật thể đứng yên như cây cối, cột điện hoặc cầu Các chuyên gia an toàn phân loại vụ va chạm thành các loại như va chạm trực diện, bên hông, phía sau và lật xe Tốc độ va chạm có thể khác nhau, từ vài phần của giây đến vài giây, ví dụ như khi xe đâm vào cây Những yếu tố này đặt ra những thách thức trong thiết kế cấu trúc xe nhằm đáp ứng các yêu cầu an toàn cho mọi tình huống va chạm Việc giả lập, dàn dựng và phân tích các vụ tai nạn xe cơ giới cung cấp thông tin quan trọng về hiệu suất an toàn của xe.
Mô phỏng và phân tích tai nạn xe cơ giới cung cấp thông tin quan trọng về hiệu suất an toàn của xe, nhưng không đủ định lượng cho thiết kế xe, như xung giảm tốc và động học của người ngồi Do đó, kỹ sư thiết kế cần kết hợp thử nghiệm tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm với các đánh giá mô phỏng và phân tích kết quả để đạt mục tiêu an toàn Hiện nay, tai nạn xe cộ được phân loại thành bốn chế độ: tai nạn phía trước, bên, phía sau và lật xe.
Cấu trúc của xe cần phải có độ cứng cao để chống lại sự uốn cong và xoắn, đồng thời giảm thiểu rung động tần số cao ở phía trước để tăng cường khả năng giảm xóc Ngoài ra, cấu trúc cũng phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết.
Cấu trúc phía trước của xe cần phải cứng cáp nhưng vẫn có khả năng biến dạng để hấp thụ động năng từ va chạm, đặc biệt là với các vật thể hẹp như cây cối Các vùng nhàu nát được thiết kế nhằm ngăn chặn sự tác động vào khoang hành khách Tuy nhiên, việc thiết kế đầu xe ngắn để đảm bảo tính thẩm mỹ là một thách thức lớn đối với các kỹ sư.
- Cấu trúc phía sau có thể biến dạng để duy trì tính toàn vẹn của khoang hành khách phía sau và bảo vệ bình xăng
- Cấu trúc bên và cửa được thiết kế phù hợp để giảm thiểu sự tác động bên và ngăn chặn cửa mở do tải trọng va chạm
- Cấu trúc mái mạnh mẽ để bảo vệ khoang hành khách khi lật
Các hệ thống an toàn được thiết kế hợp lý và hoạt động đồng bộ với cấu trúc của xe, nhằm tối ưu hóa sự bảo vệ cho hành khách và tài xế, đồng thời phù hợp với nội thất của xe.
Nhiệm vụ của kỹ sư thiết kế cấu trúc va chạm là đặc biệt, khác biệt với nhà phân tích cấu trúc truyền thống Các nhà thiết kế không chỉ sử dụng phân tích đàn hồi để thiết kế các cấu trúc chịu tải trọng, mà còn phải đảm bảo rằng cấu trúc ô tô có khả năng biến dạng dẻo trong thời gian ngắn (mili giây) để hấp thụ năng lượng va chạm một cách hiệu quả Bên cạnh đó, cấu trúc cần phải nhẹ và có khả năng sản xuất hàng loạt một cách kinh tế.
Kỹ sư an toàn trong thiết kế ô tô đảm bảo không gian an toàn cho người lái và hành khách, kiểm soát mọi sự giảm tốc có thể xảy ra Mục tiêu chính là giảm thiểu tác hại cho người sử dụng xe Để đạt được điều này, các nhà thiết kế thường kết hợp các biện pháp tránh va chạm và các biện pháp khắc phục sự cố hiệu quả.
Trong những năm gần đây, yêu cầu thiết kế xe đã gia tăng đáng kể nhằm đáp ứng các quy định an toàn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí sản xuất Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ toán học để đánh giá va chạm, vượt xa các tính toán vật liệu đơn giản Hiện nay, sự kết hợp của các công cụ phân tích thường được sử dụng trong đánh giá va chạm, từ các mô hình tham số gộp đơn giản với ít bậc tự do đến các mô hình phần tử hữu hạn chi tiết với hàng triệu bậc tự do.
Tiêu chuẩn đánh giá an toàn EURO NCAP
Euro NCAP là tổ chức phi lợi nhuận độc lập, chuyên thử nghiệm và đánh giá độ an toàn của ô tô.
Euro NCAP sử dụng hình nộm trang bị cảm biến để ghi nhận tổn thương tiềm ẩn cho hành khách trong xe khi xảy ra va chạm Các thử nghiệm được thực hiện riêng cho người lớn và trẻ em, với các hình nộm có kích thước khác nhau.
Bài kiểm tra va chạm trực diện đánh giá khả năng an toàn của xe khi đâm vào chướng ngại vật với tốc độ 50km/h Euro NCAP sẽ đo lường khả năng bảo vệ hành khách thông qua các thiết bị an toàn như túi khí, dây an toàn và độ bền cấu trúc của xe.
2.2.1 Kiểm tra va chạm trực diện theo tiêu chuẩn Euro NCAP Ở bài kiểm tra này, chiếc xe sẽ được di chuyển với vận tốc 64km/h và đâm vào một chướng ngại vật có chiều dài là 1m, bề rộng 0,54m Tuy nhiền, chiếc xe không đâm trực diện vào toàn bộ chướng ngại vật mà chỉ va chạm với 40% chiều rộng của xe Bề mặt của chướng ngại vật được làm bằng nhôm, không phẳng hoàn toàn mà thiết kế theo hình dạng tổ ong Bề mặt nhôm này cũng có khả năng biến dạng, méo mó Thiết kế này mô phỏng sự va chạm của xe vào một chiếc xe khác hoặc một chướng ngại vật có kích thước tương đương
Hình 2.3: Thử nghiệm va chạm trực diện theo tiêu chuẩn EURO NCAP
Sự tương tác giữa người lái và nội thất phía trước của xe là nguyên nhân chính dẫn đến chấn thương nghiêm trọng hoặc tử vong trong trường hợp va chạm trực diện Khi xảy ra va chạm, phần đầu xe co giãn lại, làm giảm khoảng cách an toàn giữa người lái và phần trước xe, trong khi hành khách vẫn bị văng về phía trước do quán tính, mặc dù có dây bảo hiểm Cơ thể người lái và hành khách sẽ va chạm mạnh vào nội thất xe, đặc biệt là tay và chân của người lái khi tương tác với vô lăng và các bàn đạp Với thiết kế hiện đại của hầu hết các dòng xe, việc tránh khỏi tình trạng này là rất khó khăn.
Hình 2.4: Thử nghiệm chạm vào với 40% chiều rộng của xe
Euro NCAP khuyến khích các nhà sản xuất ô tô thiết kế nội thất không lấn sâu vào không gian bên trong và điều chỉnh vị trí của các bàn đạp Mục tiêu là đảm bảo khoảng cách an toàn nhất cho người lái trong trường hợp xảy ra tai nạn.
2.2.2 Va chạm với xe khác Ở bài kiểm tra này, một chiếc xe mô phỏng sẽ di chuyển với vận tốc 50km/h và đâm vào phía hông của chiếc xe được thử nghiệm Va chạm sẽ được thực hiện ở bền phía người lái và có người nộm ở bền trong Chiếc xe mô phỏng có bề rộng 1,5m, dày 0,5m và bề mặt nhôm cấu trúc tổ ong như bài kiểm tra đầu tiền
Hình 2.5: Thử nghiệm va chạm với xe khác theo tiêu chuẩn Euro NCAP
Mặc dù bài kiểm tra này không thể đánh giá chính xác mức độ chấn thương trong mọi tình huống, Euro NCAP khẳng định rằng túi khí hông sẽ cung cấp sự bảo vệ tốt hơn cho hành khách trong trường hợp xảy ra tai nạn Túi khí hông giúp giảm lực va chạm của hành khách vào thân xe và tạo ra khoảng cách an toàn giữa hành khách và bề mặt va chạm.
2.2.3 Khả năng bảo vệ người đi bộ
Euro NCAP chú trọng không chỉ đến sự an toàn của hành khách trong xe mà còn cả người đi bộ Việc trang bị đầy đủ các thiết bị an toàn trên xe sẽ giúp bảo vệ người đi bộ hiệu quả hơn.
Hình 2.6: Thử nghiệm khả năng bảo vệ người đi bộ theo tiêu chuẩn Euro NCAP
Hệ thống phanh tự động thứ ba đã được áp dụng từ năm 2016, sau khi Euro NCAP thực hiện ba bài đánh giá tác động lên người đi bộ mà không có hệ thống này Để đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh tự động, Euro NCAP chia thành hai bài thử nghiệm: một là người giả di chuyển qua lại trước xe thử nghiệm, và hai là trẻ em giả xuất hiện đột ngột giữa các xe đỗ Đặc biệt, không phải tất cả các hệ thống phanh tự động đều hoạt động hiệu quả, và Euro NCAP chỉ chấm điểm cho những mẫu xe có khả năng tránh va chạm trong các bài thử nghiệm.
Hầu hết các xe ô tô bán ra tại Úc đều được đánh giá an toàn thông qua Chương trình đánh giá ô tô Mới của Úc (ANCAP), bao gồm cả tính năng an toàn chủ động và bị động Chương trình này kiểm tra độ an toàn cho người đi bộ và đánh giá hiệu suất của xe trong các tình huống va chạm với trẻ nhỏ và người lớn tại các khu vực như mặt trước, nắp ca-pô và kính lái.
Cấu tạo vùng hấp thụ xung lực và cấu trúc biến dạng tự do là công nghệ đơn giản giúp giảm chấn thương cho người đi bộ Nhiều nhà sản xuất đã phát triển giải pháp tiên tiến hơn như nắp ca-pô chủ động, có khả năng nâng nắp ca-pô lên vài milimet khi phát hiện người đi bộ chạm vào cản trước Điều này tạo ra khoảng trống lớn hơn giữa động cơ và đệm, giảm nguy cơ gây thương tích cho người đi bộ.
Các nhà sản xuất ô tô Đức đã phát triển túi khí ẩn trong trụ A, giúp giảm thiểu chấn thương hiệu quả hơn so với các giải pháp trước đây Hệ thống này được ước tính có khả năng giảm tới 80% thương tích cho người đi bộ trong trường hợp tai nạn Nhiều hãng xe như Volvo, Mercedes và Ford đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này.
Hình 2.7: Các túi khí được giấu trong trụ A
Công nghệ xe hơi mới có khả năng cứu sống người đi bộ, tuy nhiên, người lái xe vẫn cần phải lái xe cẩn thận để giảm thiểu nguy cơ va chạm.
Công nghệ lái bán tự động đang ngày càng phổ biến trong ngành ô tô, cùng với hệ thống phanh khẩn cấp tự động (AEB), giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn cho người đi bộ và va chạm với các phương tiện khác.
Xếp hạng an toàn theo tiêu chuẩn IIHS
IIHS, viết tắt của The Insurance Institute for Highway Safety, là một tổ chức độc lập và phi lợi nhuận tại Hoa Kỳ, được thành lập vào năm 1959 Tổ chức này tập trung vào việc đánh giá và giảm thiểu tổn thất về tử vong, thương tích và thiệt hại tài sản do các vụ va chạm và tai nạn xe hơi gây ra.
Hình 2.10: Chương trình đánh giá IIHS
Tổ chức IIHS là một nhóm phi lợi nhuận nhằm ngăn ngừa thiệt hại về người và tài sản do tai nạn Mục tiêu lớn này dẫn đến việc họ tập trung vào các thử nghiệm đánh giá độ bền của xe trong các vụ va chạm và tác động đến người lái.
Theo nghiên cứu của IIHS, tai nạn vẫn có thể xảy ra ngay cả khi người lái xe và xe đều đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn Khoảng một phần tư các vụ tai nạn là do những nguyên nhân nhỏ, nhưng chúng có thể dẫn đến thương tích nghiêm trọng hoặc tử vong Do đó, bài kiểm tra của IIHS bao gồm nhiều yêu cầu nhỏ để đảm bảo xe xử lý tốt IIHS đã phân tích và đánh giá tác động của các tính năng an toàn, giúp người mua xe đưa ra lựa chọn thông minh IIHS không chỉ là nguồn thông tin công cộng trong nước mà còn là cơ sở đánh giá đáng tin cậy toàn cầu.
IIHS thử nghiệm nhiều loại xe, bao gồm xe gia đình, xe cỡ nhỏ, xe trung bình, SUV và xe bán tải, dựa trên các tiêu chí như kiểm tra va chạm chồng chéo, tác động phụ, tai nạn phía sau, tác động của trần, tai nạn phía trước và đánh giá an toàn của hành khách.
IIHS đánh giá khả năng va chạm của xe thông qua sáu bài kiểm tra, bao gồm va chạm xe nhỏ từ phía trước, va chạm bên trái và phải, độ cứng vững của trần xe, đệm đầu và ghế ngồi Để xếp hạng phòng ngừa va chạm phía trước, Viện kiểm tra tốc độ thấp và trung bình của các phương tiện có hệ thống phanh tự động Ngoài ra, IIHS cũng đánh giá hệ thống đèn pha và phần cứng ghế trẻ em (LATCH) Mỗi bài kiểm tra được thực hiện với xe mua từ đại lý, giống như một người tiêu dùng bình thường, và nếu thử nghiệm được yêu cầu bởi nhà sản xuất, họ sẽ hoàn tiền cho IIHS.
2.3.1 Thử nghiệm va chạm trực diện
Tai nạn trực diện là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trong giao thông Để cải thiện an toàn, nhiều tiến bộ đã được thực hiện, chủ yếu nhờ vào chương trình thử nghiệm va chạm của Cục Quản lý An toàn Giao thông Quốc lộ (NHTSA) từ cuối những năm 1970 và các đánh giá tai nạn của IIHS.
IIHS thực hiện ba loại thử nghiệm va chạm trực diện, bao gồm thử nghiệm va chạm vừa phải (trước đây gọi là thử nghiệm bù phía trước), thử nghiệm va chạm nhỏ phía lái xe và thử nghiệm va chạm nhỏ phía hành khách.
Hình 2.11: Va chạm vừa Hình 2.12: Va cham nhỏ Hình 2.13: Va chạm nhỏ phải từ phía trước bên lái bên phụ
Trong thử nghiệm va chạm vừa phải từ phía trước, một chiếc xe di chuyển với tốc độ 40 dặm/giờ đã đâm vào một rào chắn nhôm tổ ong cao 60 cm Hình nộm đại diện cho một người đàn ông có kích thước trung bình được đặt ở ghế lái, và 40% tổng chiều rộng của chiếc xe đã va chạm với rào chắn ở phía người lái.
Trong bài kiểm tra va chạm nhỏ phía trước bên lái, một chiếc xe di chuyển với tốc độ 40 dặm/giờ đã va chạm vào hàng rào cứng cao 1,8 m Hình nộm đại diện cho một người đàn ông có kích thước trung bình được đặt ở ghế lái, và 25% tổng chiều rộng của chiếc xe đã đâm vào rào chắn ở phía người lái.
Các vụ va chạm nhỏ phía trước bên lái thường gây ảnh hưởng đến các cạnh bên ngoài của xe, nơi không được bảo vệ tốt Lực va chạm tác động trực tiếp vào bánh trước và hệ thống treo, dẫn đến hiện tượng bánh xe bị đẩy lùi, làm tăng nguy cơ xâm nhập vào khoang hành khách và gây ra chấn thương nghiêm trọng cho chân và bàn chân.
Các nhà sản xuất ô tô đã cải thiện cấu trúc xe và túi khí để đáp ứng với thử nghiệm va chạm nhỏ phía trước bên lái, giúp hầu hết các phương tiện hiện nay đạt xếp hạng tốt Tuy nhiên, nghiên cứu của IIHS cho thấy những cải tiến này không luôn được áp dụng cho phía hành khách Sự khác biệt giữa hai bên của xe đã dẫn đến việc IIHS phát triển thử nghiệm va chạm nhỏ phía hành khách và bắt đầu công bố xếp hạng cho phía hành khách từ năm 2017.
Bài kiểm tra an toàn phía hành khách tương tự như bài kiểm tra cho người lái, với điểm khác biệt là chiếc xe không đè lên hàng rào bên phải Đặc biệt, trong thử nghiệm va chạm nhỏ cho phía hành khách, có hai hình nộm được sử dụng: một ở ghế lái và một ở ghế hành khách.
Các kỹ sư đánh giá ba yếu tố chính để xác định độ an toàn của xe trong các bài kiểm tra va chạm phía trước, bao gồm hiệu suất cấu trúc, mức độ tổn hại và chuyển động của hình nộm.
Để đánh giá hiệu suất kết cấu của xe, kỹ sư đo lường mức độ xâm nhập vào khoang hành khách tại các vị trí quan trọng sau tai nạn Số lượng và mô hình xâm nhập cho thấy khả năng quản lý năng lượng va chạm của khu vực nghiền phía trước và độ bền của lồng an toàn.
Các cảm biến trong hình nộm giúp xác định khả năng tài xế hoặc hành khách bị chấn thương trong tai nạn Tổn hại được ghi nhận từ các cảm biến ở đầu, cổ, ngực, chân và bàn chân cho thấy mức độ căng thẳng trên từng bộ phận cơ thể, từ đó đánh giá nguy cơ chấn thương.
Tiêu chuẩn ECE R94
Tiêu chuẩn ECE R94 của Ủy ban Kinh tế Châu Âu quy định mức độ tổn thương của con người trong va chạm trực diện Xe thí nghiệm sẽ va chạm vào một chướng ngại vật cố định, cứng, với diện tích va chạm lần lượt là 40% và 100% chiều rộng của xe Khu vực thử nghiệm cần đủ lớn để chứa đường chạy, hàng rào và thiết bị kỹ thuật Khoảng cách từ xe đến vật cản phải đảm bảo thời gian cho xe đạt tốc độ thử nghiệm 50 km/h, trên mặt đường nằm ngang và bằng phẳng.
ECE R-94 Phê duyệt Phương tiện Bảo vệ Hành khách trong Trường hợp Tác động Trực diện
Quy định ECE R-94, được công bố bởi Ủy ban Kinh tế Châu Âu (ECE), thiết lập các nguyên tắc phê duyệt phương tiện nhằm bảo vệ hành khách trong các vụ va chạm trực diện Quy chuẩn kỹ thuật này đảm bảo sự thống nhất trong việc phê duyệt các phương tiện nhằm tối ưu hóa an toàn cho hành khách trong trường hợp xảy ra va chạm.
Hình 2.17: Túi khí bung ra khi xe va chạm
Quy định áp dụng cho xe hạng M2,5 với khối lượng tối đa 1 tấn, bao gồm xe bốn bánh có ít nhất tám chỗ ngồi và không có người lái Các loại xe khác có thể được chấp thuận theo yêu cầu của nhà sản xuất Hệ thống bảo vệ đề cập đến trang thiết bị nội thất nhằm bảo vệ hành khách và đảm bảo tuân thủ quy định Các hệ thống này có thể khác nhau về công nghệ, hình học và vật liệu Khoang hành khách được xác định là khu vực có trần, sàn, tường, cửa, kính và mặt phẳng khoang trước, khoang sau Đơn đề nghị phê duyệt kiểu loại xe bảo vệ hành khách trên hàng ghế trước trong trường hợp va chạm do nhà sản xuất hoặc đại diện ủy quyền thực hiện Hồ sơ kỹ thuật cần bao gồm chi tiết về kết cấu, kích thước, bản vẽ, thông tin về khối lượng mặt đường không tải, bản vẽ nội thất khoang hành khách và hình ảnh thể hiện xe từ nhiều góc độ.
EUROLAB cung cấp dịch vụ phê duyệt trong thử nghiệm ô tô để bảo vệ hành khách trong các vụ va chạm trực diện theo tiêu chuẩn ECE R-94 Các dịch vụ này giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng kiểm tra, đảm bảo hiệu quả và cung cấp dịch vụ an toàn, nhanh chóng, không bị gián đoạn cho khách hàng.
Bảng 2.1: Thông số tổn thương tác động lên hình nộm theo tiêu chuẩn ECE R94
Dựa vào bảng thông số, chúng ta có thể đánh giá mức độ tổn thương ở vùng đầu, ngực, đùi và cẳng chân của hành khách trong trường hợp xảy ra tai nạn.
Không gian an toàn trong tiêu chuẩn ECE R66
Không gian an toàn trong xe là khu vực tự do cho tất cả hành khách và tài xế Tiêu chuẩn này yêu cầu rằng trong và sau khi thử nghiệm, cấu trúc khung xương của ô tô khách phải đạt độ cứng và cường độ nhất định để đảm bảo an toàn.
- Sự chuyển vị bất kỳ bộ phận nào khung xương không được xâm nhập vào không gian an toàn
- Bất kỳ bộ phận nào trong không gian an toàn đều không cho phép lồi ra bên ngoài kết cấu khung xương sau biến dạng
Sự va chạm có thể gây ảnh hưởng và tổn thương nghiêm trọng đến con người, do đó, việc đánh giá tính an toàn trong các tình huống va chạm là rất quan trọng Điều này giúp xác định xem kết cấu khung xương của xe có đảm bảo độ bền vững và chắc chắn hay không.
Hình 2.18: (a) Mặt cắt ngang, (b) Mặt cắt dọc
Tiêu chuẩn ECE R66 (Quy định 66 của Ủy ban Kinh tế Châu Âu) quy định việc kiểm tra an toàn kết cấu khung xương xe trong điều kiện lật nghiêng Phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn này được cập nhật vào cuối tháng 2 năm 2006 Theo đó, khoảng cách giữa mặt phẳng lật của xe và mặt phẳng va chạm là 800 mm Xe sẽ đứng yên trên mặt phẳng lật và nghiêng từ từ với vận tốc góc tối đa không quá 50 /s (0,087 rad/s) cho đến khi bắt đầu lật đổ.
Cơ sở lý thuyết Va chạm
Va chạm là hiện tượng tiếp xúc đột ngột giữa các vật rắn, dẫn đến sự thay đổi các đặc tính cơ học của chúng Trong quá trình va chạm, vận tốc của các điểm trên các vật rắn sẽ thay đổi một cách hữu hạn trong khoảng thời gian rất ngắn.
Khi va chạm trực diện với chướng ngại vật, kết cấu đầu xe biến dạng, giảm không gian an toàn cho người lái Đồng thời, tài xế và hành khách bị văng về phía trước theo quán tính, dẫn đến va đập mạnh vào nội thất phía trước Đây là một vấn đề khó tránh khỏi với thiết kế của hầu hết các dòng xe hiện nay.
2.6.1 Quan hệ chuyển động của hai xe khi va chạm
Giả sử cho hai xe chuyển động trên một trục tọa độ OX
• v1 là vận tốc của xe 1
• v2 là vận tốc của xe 2
• P là vận tốc tương đối của hai xe trước va chạm
• P’ là vận tốc tương đối của hai xe sau va chạm
Hình 2.20: Hai xe chuyển động trên trục tọa độ Ox
Khi hai xe chuyển động xảy ra va chạm các trường hợp xảy ra được thể hiện trong bảng 2.2
Bảng 2.2: Các trường hợp xảy ra va chạm đúng tâm
Khi hai xe chuyển động va chạm với nhau, một năng lượng gọi là năng lượng va chạm sẽ xuất hiện, phụ thuộc vào tốc độ va chạm, cấu trúc khung xương và vật liệu chế tạo của xe Ở vận tốc không đổi, năng lượng va chạm đạt tối đa khi khung xương và vật liệu của xe hoàn toàn cứng Tuy nhiên, trong thực tế, trong quá trình va chạm, sự biến dạng của cấu trúc và vật liệu sẽ hấp thụ một phần năng lượng, được gọi là năng lượng hấp thụ.
Gọi t là thời điểm hai xe bắt đầu va chạm, t’ là thời điểm kết thúc biến dạng của vật liệu và khung xương của hai xe
Theo định luật 3 Newton thì lực tác động lên xe 1 bằng với lực tác động lên xe 2,
F là lực tác động lên xe 1 và xe 2 trong khoảng thời gian từ t đến t’ Khi đó xung lực sẽ sinh ra và được xác định như sau:
• I là xung lực tuyến tính Độ biến thiên động lượng của một chất điểm thì bằng xung lượng của hợp lực tác dụng lên chất điểm đó:
Phát biểu này tương đương với định luật 2 Newton, cho thấy rằng xung lực truyền cho chất điểm tương ứng với động lượng từ tác nhân bên ngoài Việc áp dụng nguyên tắc xung tuyến tính và momen động lượng cho mỗi xe trước và sau va chạm là cần thiết để hiểu rõ hơn về sự chuyển động của chúng.
• v1, v2: lần lượt là vận tốc ban đầu của xe 1 và xe 2
• v’1, v’2: lần lượt là vận tốc sau va chạm của xe 1 và xe 2
Chỉ xét 2 xe chuyển động trên cùng một trục và va chạm đúng tâm trong khoảng thời gian va chạm t:
Phương trình có thể được viết lại:
Từ các phương trình trên ta có thể viết lại như sau:
2.6.2 Định lí Kelvin về va chạm tổng hợp và năng lượng hấp thụ
Định lý Kelvin, được thể hiện trong biểu thức (2.8), khẳng định rằng năng lượng hấp thụ trong quá trình va chạm tỷ lệ thuận với tổng xung lực sinh ra và một nửa tổng vận tốc tương đối trước và sau va chạm.
Lưu ý rằng P và P’ thì luôn dương Biểu thức được viết như sau:
• Với P là vận tốc tương đối trước va chạm của 2 xe
• Với P’ là vận tốc tương đối sau va chạm của 2 xe
Giá trị của e tiến gần 1 trong va chạm đàn hồi hoàn toàn, khi không có sự mất mát năng lượng, trong khi đó e tiến gần 0 đối với va chạm mà hai xe không tách rời.
Từ phương trình (2.2) và phương trình (2.3) có thể được viết lại như sau:
Ta viết lại I như sau:
(2.14) me là hệ số khối lượng của hệ thống:
Thay thế P’ = eP và I vào phương trình 2.8 ta được:
∆E đại diện cho tổng năng lượng va chạm giữa hai xe, trong khi ∆E’ là năng lượng mà kết cấu và vật liệu chế tạo của hai xe hấp thụ trong quá trình va chạm.
2.6.3 Va chạm không đúng tâm
Giả sử cho hai xe chuyển động và va chạm lệch tâm nhau Được thể hiện ở hình 2.21
Hình 2.21: Va chạm không đúng tâm
• v1 là vận tốc của xe 1
Xe 2 có vận tốc v2, di chuyển ngược chiều so với vận tốc v1 của xe 1 Hai xe va chạm không đúng tâm, dẫn đến việc cả hai xe đều bị biến dạng và sau va chạm, chúng chuyển động với cùng một vận tốc.
Hình 2.22: Mô hình toán học va chạm / động lực học xe 6-DOF
Trong mô hình xe nguyên chiếc, thân xe được mô phỏng với khối lượng m và có nhiều dạng chuyển động như tịnh tiến theo trục x, z, và quanh trục y, cũng như chuyển động lăn quanh trục x và chuyển động ngáp trong va chạm lệch pha Cản xe được biểu thị bằng khối lượng m b k S c f, r, với các bánh xe trước, sau, bên phải và bên trái được hiển thị tương ứng Hệ thống ASC và ABS được đồng mô phỏng với hệ thống treo thông thường và mô hình bánh xe đơn giản, trong khi các khối lượng không giãn không được xem xét Mô hình này giả định xe di chuyển trên đường nhựa phẳng, bỏ qua chuyển động thẳng đứng của lốp Cấu trúc phía trước xe bao gồm bốn lò xo phi tuyến tính với độ cứng k sul, l f, l r, l ha, tương ứng với khoảng cách giữa tâm cản và lò xo phía trước Trong tình huống va chạm bù trừ, xe va chạm với xe khác, mô hình này có 13 DOF, thể hiện các chuyển động dọc, lăn và ngáp cho mỗi thân xe, cùng với chuyển động quay của cản không bị tác động Cản của mỗi xe được coi là hai bộ phận khối lượng không thể định hình, với phần bị va chạm chỉ có chuyển động tịnh tiến, trong khi phần không bị va chạm có cả chuyển động quay và tịnh tiến.
Hình 2.23: (a) Xe trước khi va chạm (bù lại tác động trực diện)
(b) Mô hình xe sau khi va chạm (bù lại tác động trực diện)
Xe b không có hệ thống điều khiển và phanh thông thường không được sử dụng khi xảy ra va chạm Hình 2.24a và 2.24b minh họa sự biến dạng của đầu xe trong giai đoạn đầu và kết thúc của va chạm giữa hai xe.
Hình 2.24: (a) Các mô hình toán học ở giai đoạn đầu của tác động
Các phương trình chuyển động trong mô hình toán học được phát triển nhằm nghiên cứu và dự đoán phản ứng động trong tình huống va chạm trực diện giữa hai phương tiện Hình 2.25 và 2.26 mô tả sự biến dạng của lò xo phía trước khi xe di chuyển xung quanh trung tâm trọng lực (CG) của nó, cũng như sự chuyển động quanh điểm va chạm của hai xe Phương trình chuyển động của hai mô hình xe được thể hiện như sau: m a ẍ a + (F suRa + F slRa ).cosγ a + (F suLa + F slLa ).cosϕ a + F bfRa + F bfLa + F brRa + F brLa.
= 0 m b ẍ b + (F suRb + F slRb ).cosγ b + (F suLb +F slLb ).cosϕ b + F bfRb + F bfLb + F brRb + F brLb
= 0 m a z̈ a + F SfRa + F SfLa + F SrRa + F SrLa = 0 m a z̈ b + F SfRb + F SfLb + F SrRb + F SrLb = 0
Iyya.θ¨a − (FSfRa + FSfLa).lfa + (FSrRa + FSrLa).lra + (FsuRa.cosγa + FsuLa⋅cosϕa).d1a − (FslRa.cosγa + FslLa.cosϕa).d2a − (FbfRa + FbfLa + FbrRa + FbrLa).(za + ha) = 0
Iyya.θ¨b − (FSfRb + FSfLb).lfb + (FSrRb + FSrLb).lrb + (FsuRb.cosγb + FsuLb.cosϕb).d1b − (FslRb.cosγb + FslLb.cosϕb).d2b − (FbfRb + FbfLb + FbrRb + FbrLb).(zb + hb) = 0
Izza.̈a + (FsuRa + FslRa).cosγ1a.aoa − (FsuLa + FslLa).aia − (FsuRa + FslRa).sinγ1a.(laa − xa) + (FbfRa + FbrRa).boa − (FbfLa + FbrLa).bia + (Ff′fRa + Ff′fLa).(lba − xa) + (Ff′rRa + Ff′rLa).(la + lba − xa) = 0.
The equation presented includes various forces and their interactions, represented as Izzb.ϕ̈b, and factors involving the cosine and sine of angle γ1b It accounts for the contributions of different forces acting on both right and left sides, such as FsuRb, FslRb, FbfRb, and FbrRb, along with their respective positions and distances like aob, aib, and lab The terms also reflect the influence of additional forces, Ff′fRb and Ff′fLb, in relation to the distance lbb, while considering the variable xb This comprehensive expression captures the dynamic relationships and forces at play within the system.
Ixxa.ψ̈a + (FSfLa + FSrLa).bia − (FSfRa + FSrRa).boa − (Ff′fRa + Ff′fLa + Ff′rRa + Ff′rLa).(za+ha) – FsuRa.sinγ1a.e1a + FslRa.sinγ1a.e2a = 0
Ixxb.ψ̈b + (FSfLb + FSrLb).bib − (FSfRb + FSrRb).bob − (Ff′fRb + Ff′fLb + Ff′rRb + Ff′rLb).(zb + hb) − FsuRb.sinγ1b.e1b + FslRb.sinγ1b.e2b = 0
Izzba.ϕ̈ba − (FsuRa + FslRa).cosγa.loa.cosϕba − (FsuRa + FslRa).sinγa.loa.sinϕba = 0
Izzbb.ϕ̈bb − (FsuRb + FslRb).cosγb.lob.cosϕbb − (FsuRb + FslRb).sinγb.lob.sinϕbb = 0 mc ẍc + (FsuRb + FslRb).cosγb + (FsuLb + FslLb).cosϕb − (FsuRa + FslRa).cosγa − (FsuLa +
Hình 2.25: Hình vẽ minh họa biến dạng phần đầu xe do va chạm của xe
(nét đứt trước khi sang bóng, nét liền sau khi sang bóng)
Hình 2.26: Hình vẽ minh họa biến dạng phần đầu xe do xe ngáp
(nét đứt trước khi ngáp, nét liền sau khi ngáp)
Khoảng cách giữa trọng tâm (CG) và lực lò xo trên (F s) cũng như lực lò xo dưới (F b) của mỗi xe được ký hiệu là F s, F b, F z, F f, cd 1, d 2 Các khoảng cách này có thể được tính toán dựa trên Hình 2.25 với các công thức: d1a = sin, d1b = sin, d2a = sin, d2b = sin.
- Lực áp dụng trên mô hình xe
Trên thân xe, có nhiều loại lực tác động, bao gồm lực nghiền nát cấu trúc phía trước F s, lực từ hệ thống treo do chuyển động F s, lực phanh F b và lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường F f′ Để mô phỏng các bộ phận của cấu trúc phần đầu xe, các đặc tính của lò xo biến dạng tuyến tính nhiều đoạn được xem xét Mô hình nhiều thân (ADAMS) sử dụng lò xo phi tuyến tính được trích xuất để thể hiện các đặc điểm của lò xo theo từng đoạn Lực của các lò xo phía trước được tính toán dựa trên mối quan hệ giữa lực và độ võng của lò xo phi tuyến, như mô tả trong hình 2.28.
