Mi történik, ha beborul? | 2. rész

A cikksorozat második részében a standard borítási folyamat szakaszait, annak energiamérlegét, az ingás vizsgálat problémáit, valamint az Autókut módszert tekintjük át.

 Ik365-ös autóbusz borítási vizsgálata. Fotó: [13]

 > > > 1. rész < < <

A borulás, mint folyamat

A standard borítási vizsgálat egy időben lejátszódó, ütközéssel kombinált dinamikus mozgásfolyamat, amelynek főbb fázisai a következők:

a) Kiindulási helyzet (t0 = 0) Instabil helyzet, az autóbusz a két egyoldali kerekén “áll” úgy, hogy súlypontja a kerekeken ébredő függőleges támasztóerők síkjában van. Az egész folyamat során a súlypont ekkor van a legmagasabb pozícióban. Az autóbusz még semmiféle mozgást nem végez, nem borul, szögsebessége, szöggyorsulása nulla.

 b) Merevtest-szerű forgás (0 < t < t1) a borulás szakasza. A forgás tengelye a kerekek talppontján átmenő egyenes (01) A gravitáció hatására növekvő szöggyorsulás és szögsebesség jellemzi ezt a forgó mozgást, mivel a súlypont köríven mozog és magassága csökken. A támasztóerők a kerék talppontokban hatnak. A mozgásnak ebben a szakaszában az alsó és felső rész merevtest szerűen együtt forog, megkülönböztetésüknek még nincs értelme.

c) Tetőél felütközése (t = t1) A tetőhosszsarok mentén bizonyos helyi, lokális deformáció keletkezik, és az 01 pont mellett itt, az 02 pontban is megjelenik, felépül egy támasztóerő. A hosszsarok mozgása megáll, a környezetében lévő tömeg mozgása nagyon rövid idő alatt lefékeződik. Ebben az időpontban megszűnik az autóbusz merevtest-szerű forgása, tömegeinek ilyen jellegűen determinált együttmozgása.

d) Szerkezeti deformáció első szakasza (t1 < t < t2) amelyben a képlékeny csuklók működni kezdenek, ennek következtében a felépítmény jelentős torzulást szenved. Már nem érvényes a merevtest szerű forgómozgás, a jelenség leírható két forgástengely körüli “összekapcsolt” forgással:

– az alsó rész merev szerkezeti egységként továbbra is az 01 forgáspont körül forog, súlypontjának magassága tovább csökken.

– a felső rész megszűnik merevtest-szerűen viselkedni, torzul, deformálódik. Ennek a résznek a súlypont magassága is csökken ebben a fázisban.

e) Mellöv felütközése (t = t2) Ha a felépítmény nem volt olyan merev, hogy a szerkezeti torzulás, a képlékeny csuklók működése korábban befejeződjön, a mellöv is talajt ér, felütközik, mozgása megáll. Ekkor a mellövnél (03) is megjelenik egy új támasztóerő, ezzel egyidőben azonban 01-nél a támasztás megszűnik, a kerekek szabaddá válnak, elhagyják a talajt.

f) Szerkezeti deformáció második szakasza (t2< t< t3) A képlékeny csuklók tovább dolgoznak, a felépítmény torzulása folytatódik. A mozgás jellege alapvetően megváltozik:

– az alsó merev rész az 03 forgáspont körül tovább forog (súlypontja emelkedik), támasztóerők az 03 forgáspontban, illetve a felépítményhez történő kapcsolódás pontjaiban ébrednek

– a felső rész mozgását alapvetően a képlékeny csuklók működése, a nagymértékű képlékeny alakváltozások határozzák meg, már nem jellemezhető egyszerű forgással. Súlypontjának helyzete érdemlegesen nem változik. Támasztóerők az 02 és 03 pontokban ébrednek, míg a saját tömegerején kívül a csatlakozási pontokon keresztül az alsó résztől is “kap” dinamikus tömegerőket. Mivel ezen tömegerőknek van vízszintes komponense, amit csak a felépítmény-talaj közötti súrlódóerő tud “megtámasztani”, bekövetkezhet az autóbusz megcsúszása ebben a fázisban.

g) Szerkezeti deformáció maximuma (t = t3) A képlékeny csuklók ellenállásával – és más hatásokkal – szemben a tömegerők és reakcióerejük már nem képesek további deformációkat, torzulásokat létrehozni, a képlékeny csuklók működése leáll. Ebben az időpontban érzékelhető a maximális szerkezeti torzulás, amely mind maradó, mind rugalmas alakváltozások eredményeként jön létre. Az előírás szerint ebben az időpontban, ebben a helyzetben kell a túlélési tér sértetlenségét bizonyítani. Ez az állapot, pozíció a mozgás szempontjából instabil, nem egyensúlyi, az alsó rész súlypontja magasabban van az egyensúlyi állapotnál.

h) A szerkezeti deformáció vége (t = t4) A maximális szerkezeti deformáció egy része rugalmas, ami a szerkezetben felhúzott rugóként működik, a rugalmas alakváltozások “kirugóznak” és a t4 időponttól nincs további szerkezeti torzulás. A t4 időpontban, vagy azt követően a felépítmény torzulása, a túlélési tér veszélyezettsége kisebb, mint t3-ban.

 i) Az autóbusz további mozgásai (t > t4) Ebben a fázisban már nincs szerkezeti alakváltozás, a torzult felépítményű autóbusz ismét merevtest-szerüen viselkedik. Lényegében egy lengő forgómozgást végez 03 középpont körül mindaddig, amíg az egyensúlyi állapot be nem áll. A borulásnak, a mozgásnak ez a fázisa – a jóváhagyás szempontjából – már nem tartozik a vizsgálandó, szimulálandó folyamatba. A teljes folyamat azonban e nélkül a fázis nélkül nem írható le, nem magyarázható.

 j) Végállapot (t = t5) A torzult autóbusz és minden egysége mozdulatlanul nyugszik az árok betonján. [8,9]

 A standard borítás időbeli lefolyása. Ábra: [8]

Itt szeretnénk még egyszer hangsúlyozni, hogy ez a teljes folyamat nem mindig játszódik le szükségszerűen. Ha a képlékeny csuklók ellenállása, felkeményedése kellően nagy ahhoz, hogy az alakváltozási folyamatokat a dinamikus erőhatásokkal szemben megállítsák, akkor a folyamat már megállhat a szerkezeti deformáció első szakaszában is.

Miközben a fentiekkel globálisan leírtuk a standard borulási folyamatot, egy lényeges kérdést még nem érintettünk. Az autóbuszban vannak nagy, koncentrált tömegű, abszolút merev egységek, mint például a hajtómű, futóművek, hűtő, akkumulátor, üzemanyagtartály, légkondicionáló egység, stb. Ezek rendszerint rugalmasan, néha lengéscsillapítva csatlakoznak az autóbusz vázszerkezetéhez, diszkrét pontokban vannak “felfüggesztve”. Ezek a nagy tömegek a borulás első fázisában – a merevtest szerű forgás során – együtt mozognak az összes többi tömeggel. Amikor a tetőhosszsarok ütközik a talajon, a különböző tömegrészek együttmozgása “fellazul”, az említett koncentrált tömegek tömegerejük révén a felfüggesztő rugók ellenében az autóbuszhoz képest is “elmozdulnak”, a vázszerkezethez viszonyítva lassabban fékeződnek le, mozgásuk a környező tömegrészekhez képest eltérő időpontban fejeződik be, áll le. [8,9]

A borulás során felemésztett teljes energia kiszámítása

Ezen a ponton kanyarodjunk vissza az előíráshoz, amely azt is definiálja, hogy a borulás során elnyelt energiát hogyan kell kiszámolni.

A teljes energia számolása során a következő feltételezéseket kell kikötnünk (lásd ábra)

1. a karosszéria keresztmetszet alakja derékszögű négyszög

2. a felfüggesztő rendszer mereven van rögzítve   

3. a karosszériaszakasz mozgásáról feltételezik, hogy az az A pont körüli tiszta forgás.

A standard borítás geometriája. Ábra: [3]

Abban az esetben ha a súlypont esését (h) grafikus eljárással határozzák meg, akkor a teljes energia a következő

E = 0,75 * M * g * h [Nm]

A teljes energia kiszámítható a következőképpen is:

ahol                 M –  a jármű üres gördülőtömege [kg]                       g  –  9.8 [m/s2]             W – a jármű teljes szélessége [m]                   Hs -az üres jármű súlypontjának magassága [m[                   H –  a jármű magassága [m]

Néhány autóbusz tömeg- és geometriai méretei, valamint a felemésztendő energiák.

A képletben látható kifejezés a geometria viszonyokból könnyen levezethető, egyedüli furcsaság a 0,75-ös szorzótényező. Ugyanis a 66-os előírás most azzal a durva közelítéssel él, hogy a potenciális energia első részének a 75%-át emésztik fel a képlékeny csuklók, ez az energiahányad fordítódik a felépítmény torzulására, ez veszélyezteti a túlélési teret, s a maradék 25% “szóródik szét” egyéb, az előírásban nem részletezett munkavégzésekre, energia elnyelésekre. Az elgondolás alapvetően helyes, hiszen a helyzeti- majd mozgási energiának biztosan kevesebb, mint 100 %-át emésztik fel a képlékeny csuklók. Amint a következő fejezetben látni fogjuk az energia egy része súrlódás, talajtömörítés, hő- és hanghatások által távozik; viszont, hogy ez a hányad pontosan 25% lenne, erről lehet vitatkozni.

Az előírás tartalmaz egy másik durva közelítést, amikor feltételezi, hogy a tetőhosszsarok felütközésével megszűnik a további energiaközlés, energia-bevitel a szerkezetbe. A képlékeny csuklók működésével az autóbusz súlypontja tovább süllyed – egészen a mellöv felütközéséig – így további potenciális energia alakul mozgási energiává és “támadja meg” a felépítményt. Ez az “energiatöbblet” az autóbusz magasságától, kialakításától függ, a számítások során tekintetbe kell(ene) venni.

A folyamat energia mérlege/komponensei

Helyzeti energia (Ep) Az autóbusz egész tömegének, és/vagy részeinek (alváz és felépítmény), illetve nagy tömegegységeinek (motor, futómű, stb.) súlypont magassága által definiálható energia. Nem abszolút, nem a vizsgálattól független érték, mert alapvetően függ az autóbusz geometriájától (pl. magassági jellemzőitől) főegység elrendezésétől (pl. padló alatti fekvő motor, vagy álló motor, stb.) a borítás során elszenvedett szerkezeti deformációjától, stb. A helyzeti energiának az instabil kiindulási helyzetben a legnagyobb, és a stabil végállapotban nulla az értéke.

Mozgási energia (Ek) A borítási folyamat során, autóbusz mozgó (forgó) tömegeinek (egész autóbusz, két fő rész, tömegegységek, stb.) a pillanatnyi sebesség (szögsebesség) által meghatározott energiája.

Képlékeny csuklók munkavégzése (Wph) A működésbe lépő képlékeny csuklók – amelyek révén a felépítmény torzulása bekövetkezik – energiát emésztenek, nyelnek el mechanikai (alakváltozási) munka formájában. Ilyen energiaelnyelés a szerkezeti deformáció első és második szakaszában történik.

Lokális deformációs munka (Wl) A borulás során az ütközések, helyi dinamikus hatások okozhatnak olyan helyi alakváltozásokat, amelyek ugyan a karosszéria egészének torzulása, a túlélési tér veszélyeztetése szempontjából másodlagosak, elhanyagolhatóak, az energiaelnyelés szempontjából azonban nem. Nézzük néhány jellegzetes esetét ennek az energiaelnyelésnek:

– Amikor a tetőhosszsarok ütközik a talajjal, ott egy helyi horpadásos deformáció következik be. Érdemes felhívni a figyelmet arra, hogy ezt az energiaelnyelést ma másodlagosnak tekintjük, nem a tervezett, számított energiaelnyelésnél, hanem az energia szóródásnál (veszteségnél) vesszük figyelembe, de elképzelhető, hogy a jövőben a tetőhosszsarok – az oszlopok (keretek) merevítésével – a túlélési teret védő, igen hatásos energiaelnyelő zónaként alakítható ki.

– a mellöv felütközésekor is létrejönnek helyi alakváltozások;

– a koncentrált, nagy tömegű főegységek dinamikus tömegerői a felfüggesztési pontok környezetében maradó alakváltozásokat, töréseket okozhatnak, ami szintén energiaelnyeléssel jár.

Súrlódási munka (Ws) A szerkezeti deformáció első szakaszában a tetőhosszsarok megcsúszik a talajon és ez súrlódási munka formájában energiát emészt fel. Ugyancsak bekövetkezhet csúszás a szerkezeti deformáció második szakaszában. Itt kell megemlíteni azokat a belső szerkezeti súrlódásokat is, amelyek a dinamikus lengőmozgások csillapítása szempontjából igen fontosak.

Talaj által elnyelt energia (Wg) Mind a tetőhosszsarok, mind a mellöv ütközésekor a talaj is elnyel bizonyos energiát a benyomódása és a talajban gerjesztett lengések formájában.

Egyéb szóródott energia (Wo) Ide sorolható az autóbusz szerkezeti elemek lengései, rezgései által elnyelt energia csakúgy, mint a nagy tömegű egységek rugalmas (csillapított) felfüggesztéseinek energia-emésztése. És itt vehetjük egyelőre számításba azokat az energia komponenseket, amelyekre ma még nem fordítunk különösebb figyelmet.

A borulás különböző fázisaiban az egyes energia komponensek eltérően változnak.[8,9]

Problémák az ingás módszer alkalmazásában

Az Autókut-ban összehasonlításra került az Ik365-ös típus borulásbiztonsága, a teljes autóbusz borításával (alap standard eljárás), vázszegmensek ingás vizsgálatával és vázszegmensek statikus laboratóriumi vizsgálatával. Az eredmény igencsak meglepő volt: valós borítóvizsgálat eredményéhez (amely szerint az autóbusz tetőszilárdsága megfelelő) képest a statikus vizsgálat szigorúbb ellenőrzést jelent, az ingás vizsgálatok alapján viszont nem megfelelő minősítést kapna a jármű!

Az ingás minősítő módszert az alapmódszerhez (a komplett jármű vizsgálatához) hasonlítva:

a) A vázszegmensek kitámasztása, kimerevítése nem egyértelműen meghatározott, ami döntően és jelentősen befolyásolja a mérhető energiaelnyelést.

b) A vázszegmens hosszsíkjához viszonyítva az ütközés irányának változása pontosan ellentétes irányú, mint komplett jármű borításakor.

c) Az inga felfogása, felfüggesztő eleme, tömegéből adódó becsapódási sebessége olyan nehezen számítható tényezők, amelyek szintén csökkentő hatással vannak a vizsgált szerkezeti elem számított energiaelnyelésére.

d) Az ingás ütővizsgálat során elnyelt energia a kiindulási energiamennyiségnek átlagosan csupán 60-65 %-a volt, ugyanis az indulási emelési (helyzeti) energia mintegy 35-40 %-a kikerülte az alakváltozási munkát mérő vizsgálati rendszert és hő-, zaj-, ill. elsősorban rezgési energia formájában eltávozott.

Alakváltozásra az inga kiindulási (helyzeti) energiájának nem pontosan meghatározható hányada fordítódik, az inga által közölt energia jelentős része, az egyedi megtámasztáson keresztül, a rendszer definiálatlan nyitottsága miatt kikerül a rendszerből.

Megállapításra került, hogy acél zártszelvényekből és lemezekből felépített terebélyes szerkezetek pontos energiaelnyelési képességének meghatározására az ingás vizsgálat nem alkalmas, ezért ez a vizsgálati eljárás 2005 óta már nincs a módosított előírás vizsgálati módszerei között. [13]

Az Autókut módszer

Az Autókut-ban fejlesztették ki a vázmodulok statikus laboratóriumi vizsgálatán alapuló iterációs számítási módszert, amit AUTÓKUT módszernek neveztek el, s amellyel becslést lehet adni az összetett szerkezetre jellemző borulásszilárdság mértékére.

A módszer két fázisának ismertetése előtt tekintsük át az autóbusz váz borulás közbeni viselkedését. Az autóbusz vázszerkezet  leggyakoribb és legpraktikusabb modellezési módja a keretekből való építkezés. A keretek azonban a borítási vizsgálat során nem egymástól függetlenül deformálódnak, hanem egymással kölcsönhatásban állnak. Ezt a kölcsönhatást a keretek között lévő szerkezetek – oldalfalak, tető, padlószerkezet, stb. – biztosítják. A “gyengébb” keretet a szomszédos “erős” keretek nem engedik jobban deformálódni, mint ahogy ők deformálódnak. A padló sarkok, a merev tetőél hosszsarok egyenes marad, amiből a gyengébb keretek sarokpontjai sem tudnak kilépni. A keretek kölcsönhatása – legalább is a deformációs folyamat elején, annak első fázisában – arányos a felépítmény keretek közötti részének csavarómerevségével. Minél nagyobb a csavarómerevség, annál erősebb a kölcsönhatás. [9]

Az Autókut módszer első fázisában autóbusz vázszerkezetét több (általában 4-8) keresztszegmensre bontják, azok erő-elmozdulás illetve energiaelnyelő tulajdonságait laboratóriumi statikus vizsgálatokkal határozzák meg.

A terhelést a valós borító vizsgálatkor bekövetkező felütközési szögben, merev lappal a tetőélen támadva fejtik ki. Ezzel jól nyomon követhetően, ellenőrizhetően, reprodukálhatóan lehet a nagy alakváltozással járó deformációs folyamatot kézben tartani, az adott keresztszegmens képlékeny csuklóinak energiaelnyelési karakterisztikáját megmérni.

 Ik 365 típusú autóbusz duplázott homlokfali keresztszegmensének laboratóriumi hajlító vizsgálata. Kép: [13]

A gyártási technológiának jelentős befolyása van a vázszegmensek keresztirányú merevségére, a stabilitásvesztési folyamat anyag- és gyártástechnológia függő is. Ezen módszer egyik előnyét és megbízhatóságát az adja, hogy itt a valós gyártástechnológiával készült vázszegmenseket vizsgálatára kerül sor.

A módszer második fele az iterációs számítás, amely bemenő paraméterként magában foglalja az oldaloszlopok képlékeny csuklóinak helyzetét és a laborvizsgálattal kapott nemlineáris erő-deformáció karakterisztikákat. Az iterációs számítás biztosítja a tetőél pontok egy egyenesen maradását – amely a valós borító vizsgálat alaptulajdonsága – és biztosítja a deformáció-energiaelnyelés összefüggés folyamatos kontrollját.

Az összetett szerkezetre így kapott eredmény konzervatív módon alulról közelíti a megkövetelt borulásszilárdság mértékét, a dinamikus boruláskor fellépő valós deformációktól nagyobb oldaloszlop deformációkat ad eredményül. [13]

A cikksorozat harmadik részében a szimulációval foglalkozunk.

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 #borításvizsgálatbusz #borulás #borítás #buszborítás #busz #autóbusz #buszborulás