Mi történik, ha beborul? | 1. rész

Mielőtt az olvasó azt gondolná, hogy a BusWorld blog meteorológiával kezdett el foglalkozni, megnyugtatok mindenkit, hogy maradunk a buszoknál. Az utóbbi időben az új autóbuszok ismertetésénél gyakran említésre kerül, hogy a jármű teljesíti a tetőszilárdságra, borulásbiztonságra vonatkozó előírásokat. Írásomban erről a témáról lesz szó; megnézzük, hogy mit követel meg a direktíva, milyen módszerekkel lehet a buszokat minősíteni, elemezzük a borulási folyamatot és egy konkrét számítási példa is bemutatásra kerül.

 Borítás lejtőn. Forrás: internet

Bevezetés

A szomorú baleseti statisztikák sajnos jelzik, hogy kiküszöbölhetetlenek a balesetek bekövetkezéséhez vezető műszaki és emberi hibák, s ez szükségessé teszi a jármű olyan kialakítását, amely a vezető és az utasok számára a túlélés esélyét növeli, a sérülések valószínűségét csökkenti. Az erre irányuló műszaki intézkedéseket összefoglalva passzív biztonságnak nevezik, utalva arra, hogy akkor fejtik ki hatásukat, amikor az ember és a jármű a kialakult baleseti szituációban beavatkozásra képtelen. A passzív biztonság körébe tartoznak azok a megoldások, amelyek a balesetet szenvedett (ütközött, felborult) járműben ülők számára a túléléshez szükséges védett teret biztosítják.

Az autóbuszok baleseti statisztikáit vizsgálva megállapítható, hogy a leggyakoribb baleseti típus a homlokütközés, míg a legveszélyesebb baleseti típusnak a felborulásos baleset bizonyult, amely a balesetkor bekövetkező nagyszámú és igen súlyos sérüléssel tűnik ki. Személyautóval összehasonlítva egy autóbusznál bekövetkező baleset következményeiben kiterjedtebb, hatásában katasztrofális méreteket ölthet. [1]

A borulásbiztonsági kutatások története

Hazánkban az autóbuszok passzív biztonságával kapcsolatos kérdésekre az Ikarus 200-as típuscsaládjának megjelenése irányította rá a figyelmet. Az ablakfelületek százalékos arányának növekedése és a súlycsökkentés igénye magával vonta az ablakoszlopok méretének csökkenését.

Bár az elvégzett vizsgálatok (statikus tetőterhelés, statikus borulási vizsgálat, dinamikus borulási vizsgálat) az Ikarus 250-es vázszerkezetének megfelelőségét látszottak igazolni, azonban több, igen súlyos kimenetelű baleset újra felhívta a figyelmet a vázszerkezeti szilárdság kérdésére. Az utasvédelem javítását célzó rendszeres kutatómunka 1974-ben kezdődött el, amikor a szakemberek megbízást kaptak a tetőszilárdság egyértelmű, objektív követelményrendszerének és vizsgálati módszereinek kidolgozására.

Drasztikus mértékben deformálódott autóbusz tetőszerkezet.

Forrás: forum.index.hu/Régi magyar rendszámok/35744-es hozzászólás

Az előírás-tervezetet, amely két fő területre – tetőszilárdság és ülések szilárdsága – összpontosult az ENSZ EGB GRSA 1974-es őszi ülésszakán is előterjesztették, bár a nyugati államok képviselői nem tulajdonítottak kellő fontosságot a témának.

Közben az Ikarus gyárban elkészültek a vázszerkezet megerősítésének a tervei és 1975-ben újabb borítási vizsgálatot végeztek. Az Angliában időközben bekövetkezett katasztrófa hatására azonban – melynél egy borulás során 32 rendőr vesztette életét – az angol hatóságok is próbáltak tenni az utasbiztonság növelése érdekében, így csatlakoztak a magyar javaslathoz. [10, 12]

A magyar, angol és svéd borítási kísérletek alapján további módosításokat végeztek a tervezeten, így született meg az ENSZ-EGB keretén belül folyó több mint egy évtizedes vita és kutatómunka után 1986-ban a 66-os előírás, amely rögzíti a nagy befogadóképességű járművek szilárdságára vonatkozó követelményeket és vizsgálati módszereket.[1,2] Magyarország ebben a témakörben, a szó legnemesebb értelmében úttörő munkát végzett, élenjáró szerepet töltött be. A téma kiemelkedő képviselői: Molnár Csaba, Matolcsy Mátyás, Vincze-Pap Sándor, Véssey Tamás, Pintér Károly, Voith András.

Az EGB előírásokról általában

Európában az egyes országok meghatározott feltételekhez kötik a gépjárművek közúti forgalomba bocsátását. Az rendszer lényege, hogy a csatlakozó országok az ugyanazon gépjárművekkel, alkatrészekkel és tartozékokkal szemben – azonos módon végzett vizsgálatok alapján – azonos követelményeket támasztanak, és az így megfelelő gépjárművek, alkatrészek vagy tartozékok forgalomba bocsátását engedélyezik, függetlenül attól, hogy a vizsgálatokat saját országuk, vagy az egyezményhez és az adott előíráshoz csatlakozó más ország felhatalmazott szerve végezte, illetőleg annak hatósága hagyta jóvá.

A minőségi vizsgálatok alapvetően két nagy csoportra oszthatók. Az egyikben a jármű tulajdonságai kerülnek górcső alá, a másik csoportban a beépített (alkalmazott) alkatrészek és tartozékok megfelelőségét ellenőrzik. Minden egyes előírás pontosan tartalmazza, hogy a gépjárműnek, illetőleg az adott alkatrésznek vagy tartozéknak milyen követelménynek kell megfelelnie, ezeket hogyan kell megvizsgálni, a kielégítő terméket hogyan kell megjelölni.[3]

Az autóipar szakadatlan fejlődése, az új technikai-műszaki eredmények és a vizsgálatok-ellenőrzések korszerű módszerei miatt újabb és újabb előírások látnak napvilágot, a régiek módosítása, kiegészítése elkerülhetetlen, ezért a folyamat ma is tart. A módosítások ugyanazt a számot kapják, mint ami az eredeti előírás száma volt, azonban 01., 02., 03., …stb. módosítási alszámmal jelölik a legfrissebb változtatást. A 66-os utasítás esetében ma az EGB 66.02 az aktuális.

Az EGB 66-os utasítás

(Egységes feltételek autóbuszok – nagy befogadó képességű személyszállító járművek – jóváhagyására felépítményük szilárdsága szempontjából)

A végső formájában elfogadott standard baleseti szituáció – a korábbi 3/4-es lejtőn történő borítást támogató eredeti magyar javaslattal szemben – egy közös magyar-angol kompromisszumos módszer lett: 800 mm magasságból az üzemkész állapotú üres autóbuszt <5 fok/s kezdő szögsebességgel vízszintes, kemény (beton) felületre kell borítani. Ez a borulási szituáció a valóságban ritkán fordul elő, de bárhol és bármikor reprodukálható és az egyes autóbusztípusok viselkedése egymással összevethető.

Az előírás azt mondja ki követelménynek, hogy ezen borulás (borítás) alatt vagy után:

– egy jól definiált túlélési térnek sértetlennek kell maradnia, azaz a jármű egyetlen elmozdult része, szerkezeti eleme se hatolhat be a meghatározott túlélési térbe, továbbá

– a túlélési tér egyik része se nyúlhat ki a deformálódott felépítményből.

A fenti követelmény vonatkozik az egész járműre, beleértve valamennyi szerkezeti részét. Csuklós jármű esetében a jármű mindegyik részének ki kell elégítenie a fenti követelményeket. Ha az autóbusz biztosítja a megkövetelt túlélési teret, akkor az autóbuszt az illetékes hatóság tetőszilárdság szempontjából jóváhagyja. [3]

A túlélési tér definíciója

A túlélési tér az utastéren belül azt a részt jelenti, amelyet meghatároz az alábbi ábrán definiált alakú és méretű keresztirányú függőleges méretellenőrző síklap egyenes vonalban előre mozgatása oly módon, hogy az az R pontokon haladjon át, a leghátsó külső ülés R pontjától mindegyik közbenső ülés R pontján keresztül a legelső külső ülés R pontjáig. Feltételezzük, hogy az R pont:

          – 500 mm-re van az utasok lábai alatti padlószint felett                  – 300 mm-re a jármű belső oldalfelületétől              – 100 mm-re a háttámla előtt a szélső ülések középvonalában.

 A túlélési tér definíciója. Ábra:[3]

Vizsgálati módszerek

Az előírás a komplett autóbusz standard borítási vizsgálatán túl további módszereket enged meg a jóváhagyáshoz szükséges bizonyítás eszközeként, így a szilárdsági követelmény teljesülése igazolható bármelyik módszerrel:

     a) komplett jármű borításos vizsgálatával;

     b) karosszéria-szakaszok borításos vizsgálatával;

     c) karosszéria-szakaszok ingás ütővizsgálatával;

     d) számításos eljárással.

A négyfajta vizsgálati módszer elfogadásakor a lényegi meggondolás az volt, hogy mindegyik helyettesítő eljárás (b, c, d módszer) visszavezethető kell legyen a komplett jármű borításos vizsgálatára, ezért a kapott eredmények kompatibilisek, összemérhetőek, sőt lehetőleg egybeesők kell hogy legyenek bármelyik módszert választja is az adott vizsgálóállomás. [3]

Annak idején, a 66-os előírás kidolgozásakor a számításos módszert azért vették fel a lehetséges jóváhagyási vizsgálatok közé, mert az “egyszerű és olcsó”. Kis autóbuszgyártók, karosszálók, akik évente néhány tíz, vagy akár csak néhány száz autóbuszt gyártanak, de ezen belül több típust, nem engedhetik meg maguknak a komplett autóbusz borításvizsgálatát.

 A számításos módszernek a gyakorlatban két nagyon eltérő változata honosodott meg:

– szegmensek (keretek) laboratóriumi kvázi-statikus vizsgálati eredményeit, képlékeny csuklók energiaelnyelését alapul vevő számítási módszerek

  – a komplett borítási folyamatot dinamikusan szimuláló programokkal végzett vizsgálatok, elemzések.

Komplett jármű borulásos vizsgálata

Ez a vizsgálati eljárás az alap baleseti helyzetet, a borulást szimulálja.

A járműnek nem kell teljesen kész állapotban lennie, mégis az elkészült járműre jellemzőnek kell lennie, a gyártó üzem által közölt  üres gördülőtömeg, súlypont és tömegeloszlás tekintetében. Az ütköző felület betonból vagy egyéb merev anyagból készüljön.

A járművet billentő dobogóra kell állítani, ahonnan egyik oldalára leborítjuk az alábbi ábrán lévő elrendezés szerint, ahol fontos paraméter:

– magasságkülönbség a billentősík és a vízszintes alsó sík között amelyen az ütközés történik, ne legyen kisebb 800 mm-nél

– a billentés forgástengelye párhuzamos legyen a jármű hossztengelyével [3]

Geometriai elrendezés komplett autóbusz borítási kísérletéhez. Ábra: [12]

Az Előírás kritikája

Mint fentebb említettem a 66-os előírás hosszas viták, eszmecserék utáni kompromisszum eredménye, és mint ilyen számos – nem alaptalan – kritikát kapott és kap ma is. Ugyanakkor fontos megjegyezni, hogy ez az egyik legbonyolultabb – ha nem a legbonyolultabb – előírás a lehetséges jóváhagyó vizsgálatok szempontjából.

Néhány kritikai észrevétel:

1. 0,8 m-es borítási magasság esetén az Előírás követelményeit a magas építésű autóbuszok akkor is kielégíthetik, ha a felépítményük mellöv feletti része elhanyagolhatóan kis szilárdságú, de ugyanakkor a mellöv alatti rész kellően szilárd.
   

2. az előírásban definiált negyedik módszerhez, a számításhoz használt számítógépes programok és algoritmusok megfelelőségét a jóváhagyó hatóságok nem tudják megítélni
   

3. szükség lenne az előírás kiterjesztésére midi és emeletes autóbuszokra is. Ezekkel kapcsolatban szükség lehet a túlélési tér átgondolására és megvizsgálandó az is, hogy a 800 mm-es mélység megfelelő-e ezen két járműfajtára.
   

4. az ingás ütővizsgálat mennyire helyesen és elfogadhatóan reprezentálja a komplett borítási folyamatot, ezen kísérletek eredménye valóban alapja lehet-e egy autóbusz jóváhagyásának.

A vázszerkezet mechanikai követelményei

A vázszerkezeti szilárdság követelményeinek meghatározásakor – minthogy jelen esetben kizárólag passzív biztonsági szempontból vizsgáljuk a kérdést, – természetesen nem az üzemi igénybevételekből, hanem egy baleset során fellépő, egyszeri, nagy igénybevételből kell kiindulni. A fent említett követelmények szerint a vázszerkezetnek biztosítania kell a túlélés lehetőségét a bennülők számára, azaz a túlélési teret. Ehhez szükség van egy minimális szilárdságra. Ugyanakkor a túl merev szerkezet igen nagy lassulásokat eredményezne az ütközés folyamán, ami a bennülők részére végzetes következményekkel járhat. Ezért meg kell keresni a szilárdsági jellemzők azon optimumát, ahol a vázszerkezet még el tudja látni a túlélési tér védelmét, de ugyanakkor a lehető legnagyobb deformáció mellett elviselhető értéken tartja a jármű lassulását.

Tehát a baleseti méretezés célja kettős:

– bizonyos képlékeny deformációkat megengedni a szerkezetben a dinamikus hatások csökkentése érdekében. Ez más oldalról az ütközési energia elnyelését jelenti, de irányított, vagy legalábbis kézben tartott deformációk mellett

– bizonyos szerkezeti szilárdság megkövetelése és biztosítása az ütközés egész folyamata alatt a túlélési tér, a szerkezeti integritás érdekében

Módszerek a merevség növelésére

Egy autóbuszváz kritikus pontjainak megerősítése elvégezhető speciális sarokelemekkel, csomólemezekkel, a szelvény méretének növelésével, terebélyesítésével, ha van rendelkezésre álló szabad tér. Ha szabad tér nincs, akkor a szelvény külső méretének megváltoztatása nélkül kell megoldani a feladatot. Ekkor a lehetséges változatok elsősorban a szelvény betétezése, vagy a profil falvastagságának növelése.

További lehetőség a műgyantával történő vázerősítés. Ennek lényege, hogy egy adott üreges szelvény adott képlékeny csuklójának energiaelnyelési képességét lényegesen meg lehet növelni összenyomhatatlan (nem zsugorodó, korróziógátló, kétkomponensű) műgyantával történő feltöltéssel. A növekedés nagyságrendileg 20% a hajlítóerő és 30% az energiaelnyelő képesség szempontjából. A módszer alkalmazható már elkészült vázszerkezetek utólagos, gyors és olcsó megerősítésére is. [13]

A képlékeny csuklók

Megfigyelt tény, hogy – főleg vékonyfalú csövekből, profilokból épített autóbusz vázszerkezetek esetében – a balesetek során kialakult deformációk a képlékeny csuklók kialakulásával és működésével jellemezhetők.[5,6,7]

A képlékeny csuklók kezelése egyik sarkalatos pontja a tetőszilárdsági számításoknak. Képlékeny csuklónak nevezzük egy rúd típusú elem (hossza többszöröse keresztmetszeti méreteinek) azon rövid, kis kiterjedésű részét, amelyre helyi stabilitásvesztéssel nagymértékű képlékeny alakváltozás koncentrálódik. Ennek eredményeképpen a rúd eredeti hossztengelye (középvonala) jelentősen megváltozik és a rúd részei – amelyeket a képlékeny csukló választ el egymástól – egymáshoz képest jelentős elmozdulásokat végeznek.

Az egyszerű, állandó keresztmetszetű rudakon, egyszerű terhelési állapot (nyomás, hajlítás) hatására kialakult csuklókat elemi képlékeny csuklóknak nevezzük. Az elemi csuklóknak két változatát különböztetjük meg:

– rotációs csuklók, amelyek azt eredményezik, hogy a rúd – amelyen a képlékeny csukló kialakul -, egyik része elfordul a másikhoz képest. Klasszikus példája az autóbusz ablakoszlopokon kialakuló csukló.

– lineáris csuklók, amelyeknél a két rúd-rész tengelyvonala nem változtatja meg állását, hanem a két rúd-rész közeledik egymáshoz. Autóbuszok homlokütközésekor gyakran lehet vele találkozni.

A bonyolultabb rúdszerkezetekben, rendszerint több rúd találkozásánál, összetett terhelési állapot hatására alakulnak ki az összetett képlékeny csuklók. Ezen csuklókat illetve ezek helyét képlékeny zónának is nevezik.

A felborulásos balesetek adatai alapján megállapíthatjuk, hogy a képlékeny csuklók az ablak- és ajtóoszlopokon alakulhatnak ki a mellöv és a tetőél környezetében, továbbá biztonsági keretek esetében a kereszttartó bekötésnél a padló síkja felett. Következésképpen a képlékeny csuklók viselkedésének és főbb tulajdonságainak az ismerete elsődleges fontosságú a jármű felépítmény viselkedése és energiaelnyelő képessége szempontjából.

A képlékeny csukló egy M(φ) nyomaték-szögelfordulás karakterisztikával jellemezhető, amely általános alakja igen sok kísérleti tapasztalat, mérés alapján határozható meg. A mérési pontokra függvény is illeszthető.

A csuklókarakterisztika egyenletének kimérése laboratóriumban rendszerint kvázi statikus körülmények között történik. Az ütközések, balesetek során az alakváltozások ennél jóval nagyobb sebességgel, dinamikusan zajlanak le, s ezt a hatást figyelembe kell venni a csuklókarakterisztikák értékelésénél. Mind a külföldi, mind a hazai kutatások azt bizonyították, hogy a dinamikus hatás a csuklókarakterisztika “felkeményedését” eredményezi. Ez a felkeményedés az M(φ) csuklónyomatékra vonatkoztatva 5-20 % között mozog a merevségektől, tömegarányoktól függően.[5,6,7]

Egy komplett autóbuszt (8-12 m hosszú, 2-2,5 m széles, 2-3 m magas szerkezet) tekintve a kialakuló képlékeny csuklók és zónák száma nagy, jellemzően 24-100 között mozog.[13]

A cikksorozat második részében a standard borulás időbeli folyamatával, valamint energiamérlegével foglalkozunk és bepillantást nyerhetünk az Autókut módszerbe is.

Irodalomjegyzék:

[1]   Deák János-Dr. Véssey Tamás: Gépjárművek passzív biztonsága        KÖTUKI 33. sz. kiadványa, 1979.

[2]   Autóbuszok utasbiztonsági követelményei               Közúti Közlekedési Tudományos Kutató Intézet témajelentése; 1978, 1984, 1986, 1988

[3]   ENSZ-EGB 66.sz. Előírás

[4]  Dr. Molnár Csaba -Pintér Károly: Autóbusz tetőszilárdság számítógépes szimulációja                XXI. Autóbusz Szakértői Tanácskozás

[5]  Dr. Matolcsy Mátyás: Felépítményszilárdság számításának néhány alapvető kérdése a nemzetközi jóváhagyás szempontjából. Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 1993. 6-7.szám

[6] Dr. Matolcsy Mátyás-Dr.Molnár Csaba: Képlékeny csuklók működése autóbusz  vázakban karambolok esetén

[7] Dr. Molnár Csaba-Takács Ferenc-Tóth György: Képlékeny csukló szimulációja a SYSTUS végeselem programmal. Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 1993. 2. szám

[8] Dr. Matolcsy M. – Dr. Molnár Cs.: Autóbusz borítási kísérlet, mint folyamat és ennek energiamérlege. Járművek, 1999, 7-8. szám

[9] Matolcsy Mátyás: Autóbusz borítóvizsgálat szimulációjának feltételei. Járművek, 2000. 7-8. szám

[10] Matolcsy Mátyás: Standard baleset, mint a jóváhagyó vizsgálatok alapja. Járművek 2001. 6-7. szám

[11] Az Ikarus 365 típusú autóbusz felépítményének szilárdsági ellenőrzése számítással           AUTÓKUT, 1989

[12] Horváth Norbert: Vázszerkezeti csőelemek plasztikus alakváltozásának vizsgálata, különös tekintettel az autóbusz borulás közbeni viselkedésére. Diplomamunka, 1997

[13]  Vincze-Pap Sándor: Autóbuszok ütközésállósági vizsgálatai és vizsgálati módszerei, különös tekintettel a borulásbiztonságra, a vázszerkezetek képlékeny csuklóira és zónáira, Ph.D dolgozat, 2008

[14] Vincze-Pap Sándor – Horváth Norbert – Csiszár András – Szász Attila: Autóbuszok passzív biztonsági vizsgálata számítógéppel. 33. Nemzetközi Autóbusz Szakértői Tanácskozás, 2002.

[15] Vizsgálati értesítő az Ikarus 386 típusú autóbusz tetőszilárdságának ENSZ EGB 66. előírás szerinti ellenőrzéséről. AUTOKUT, munkaszám: 95.0019.02, jelentés száma: VS-022/95

[16] Vizsgálati jelentés. A Karosa C 734.20 típusú távolsági autóbusz ENSZ EGB 66-os számú előírása szerinti borítóvizsgálata. Autókut, 1989. Vizsgálati értesítő száma: V-262-77/89. Munkaszám: 89.503.01-14

#műszakicikk #borulásvizsgálatbusz #buszborítás #busz #autóbusz