1 MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 Universitatea Transilvania din Brasov Scoala Doctorala Interdisciplinara Facultatea: Inginerie Mecanică Ing. Țolea Bogdan Adrian Cercetări privind impactul dintre autovehicul și pieton Research regarding vehicle-pedestrian impact Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Csaba ANTONYA BRASOV, 2017 MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE
87
Embed
Universitatea din Craiova - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2017/Tolea... · 1.4.3 Sistem de siguranță pasivă – Airbag-ul destinat pietonilor
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE
UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
Universitatea Transilvania din Brasov
Scoala Doctorala Interdisciplinara
Facultatea: Inginerie Mecanică
Ing. Țolea Bogdan Adrian
Cercetări privind impactul dintre autovehicul și
pieton
Research regarding vehicle-pedestrian impact
Conducător ştiinţific
Prof.dr.ing. Csaba ANTONYA
BRASOV, 2017
MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE
2
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
Appendix 6 - Technical speicification of the cammera Fujifilm X-T1 183 -
Appendix 7 – Diagrams obtained through simulation obtaiened from chapter
7
184 -
Abstract (romana/engleza) 221 -
CV 222 -
9
Introducere
În zonele urbane pietonii reprezintă participanții la trafic cu cea mai ridicată pondere, și
totodată sunt cei mai expuși riscului de accidente rutiere, prin faptul că aceștia nu sunt protejați
în cazul unei coliziuni cu un autovehicul de niciun dispozitiv de protecție.
Scopul acestei lucrări este de a determina parametrii geometrici ai profilului frontal ai
autovehiculului care influențează gradul de vătămare al pietonilor în urma coliziunilor cu
autovehiculele, precum și evidențierea posibilităților de reducere a vătămărilor grave prin
mijloace de siguranță pasivă. Siguranța pasivă privind coliziunea autovehiculelor cu pietonii este
limitată, unul din cele mai importante aspecte ale acesteia fiind reprezentat de designul/forma
caroseriei autovehiculelor.
Siguranța pietonilor reprezintă un aspect important la nivel național prin prisma faptului
că România este țara cu cei mai mulți pietoni decedați în urma accidentelor rutiere per milion de
locuitori, din Uniunea Europeană (European-Comission 2015).
Astfel, tema aleasă reprezintă un aspect de importanță majoră privind siguranța circulației
pe drumurile publice.
Principalele obiective ale tezei de doctorat sunt următoarele:
Dezvoltarea unui mers de calcul în vederea determinării distanțelor de proiectare a
pietonului în funcție de viteza de coliziune, în cazul în care coliziunea are loc în
timpul de reacție a conducătorului auto, iar frânarea autovehiculului se face cu
întârzierea aferentă acestui timp de reacție. Acest tip de coliziune are loc de obicei
în condiții de vizibilitate reduse, când pietonul este vizualizat de conducătorul
auto prea târziu. Acest mers de calcul s-a realizat pe un interval de viteze
cuprinse între 30 și 55 km/h.
Determinarea vizibilității pietonilor pe timp de noapte, respectiv a vitezelor de
evitare a acestora în aceste condiții. Vizibilitatea reprezintă distanța până la care
un obiect poate fii reperat (DEX 2016) . Această analiză este necesară deoarece în
România, datorită infrastructurii defectuoase, există drumuri neiluminate sau în
care iluminatul stradal nu funcționează, iar pietonii circulă pe carosabil fără să fie
conștienți de riscul la care se expun.
Determinarea cinematicii impactului autovehicul-pieton și a parametrilor viteză și
accelerație la nivelul centrului de greutate al capului, respectiv al toracelui
pietonului.
Evaluarea gradului de vătămare al pietonului în timpul coliziunii, prin prisma
criteriilor de vătămare
Dezvoltarea, elaborarea și validarea unui model matematic operativ, capabil să
determine parametrii viteză și deplasare a autovehiculului, respectiv a pietonului
în timpul coliziunii
Determinarea parametrilor geometrici ai profilului frontal ai autoturismului care
influențează accelerațiile apărute la nivelul capului pietonului în timpul coliziunii,
și totodată proiectarea unor profiluri frontale ”prietenoase” pe baza acestor
parametrii, pe clase de autovehicule.
Pentru a atinge obiectivele trasate, structura tezei este următoarea:
În primul capitol este prezentat stadiul actual al cercetărilor privind impacturile
dintre autovehicule și pietoni.
În cel de-al doilea capitol s-a prezentat studiul teoretic privind coliziunea dintre
autovehicule și pieton, aspect ce cuprinde cinematica pietonului în timpul
coliziunii, determinarea distanțelor de proiectare a pietonului în urma coliziunii cu
10
frânare, dezvoltarea principiului de calcul privind proiectarea pietonului în cazul
coliziunilor fără frânare, precum și determinarea distanțelor de vizibilitate a
pietonilor în condiții nocturne.
Capitolul trei cuprinde un studiu experimental realizat în vederea determinării
vizibilității pietonilor în funcție de culoarea articolelor vestimentare, în condiții
nocturne.
În cadrul capitolului patru este prezentat modelul teoretic dezvoltat pentru analiza
fazei de impact dintre autovehicule și pietoni.
În capitolul cinci sunt prezentate principalele etape parcurse în cadrul cercetării
experimentale.
Capitolul șase cuprinde modul de achiziție, prelucrare și analiză a datelor
experimentale obținute, precum și analiza comparativă a modelului teoretic cu
datele experimentale.
În capitolul șapte este prezentată metodologia de determinare a parametrilor
geometrici determinanți ai profilului frontal ai autovehiculului care influențează
accelerațiile la nivelul capului pietonului. Totodată, pe baza acestor parametri, s-a
realizat proiectarea și testarea unor profiluri frontale ”prietenoase” pietonilor,
pentru fiecare clasă de autovehicule.
Ultimul capitol cuprinde concluziile trase în urma realizării lucrării, evidențierea
contribuțiilor personale și trasarea direcțiilor viitoare de cercetare.
11
1. Stadiul actual al cercetărilor privind impacturile dintre
autovehicule și pietoni
1.1. Impactul autovehicul – pieton – descriere generală Accidentul rutier reprezintă un incident care constă în coliziunea a cel puțin două
vehicule, sau a unui vehicul cu un pieton, biciclist, ori alte obstrucții staționare (ex: copac, stâlp
etc.), din care rezultă rănirea, moartea unor persoane, sau producerea unor pagube materiale
(NSC 1996).
Conform OUG nr 195/2002 actualizată prin OUG 63/2006 accidentul rutier întrunește
simultan următoarele aspecte (Codul-Rutier 2002):
Implicarea a cel puțin unui vehicul aflat în mișcare.
Producerea lui a avut loc datorită încălcării unei reguli de circulație.
Conduce la vătămări corporale sau produce pagube materiale.
Are loc pe un drum public.
1.1.1. Definirea accidentelor de tip autovehicul-pieton
Pietonii pot suferi accidente în moduri foarte diferite spre deosebire de autovehicule,
fiind capabili să se accidenteze fără implicarea celorlalți participanți la trafic. Aceștia pot, de
exemplu, să se împiedice de o denivelare sau să se lovească de diferite obstacole.
Cu toate acestea, cele mai comune accidente în care sunt implicați pietonii sunt acelea cu
autovehicule.
Așadar se poate defini accidentul de tip autovehicul-pieton ca orice contact fizic ce apare
între un pieton si un autovehicul aflat în mișcare sau în repaus (Burg 2013).
1.1.2. Clasificarea accidentelor de tip autovehicul-pieton
Ravani (1981) și Brooks (1987) clasifică accidentele de tip autovehicul pieton, în funcție
de cinematica pietonului din timpul coliziunii, în 5 categorii (Brooks 1987, Ravani 1981, Simms
2009):
A. Coliziune prin ”înfășurare”
B. Coliziune în care pietonul este proiectat în fața autovehiculului
C. Coliziune în care pietonul cade în lateralul autovehiculului
D. Coliziune în urma căreia pietonul se lovește de plafonul autovehiculului
ajungând în poziție finală în spatele acestuia
E. Coliziune în urma căreia pietonul ajunge în spatele autovehiculului fără a
intra în contact cu plafonul acestuia.
1.2. Statistica accidentelor în care sunt implicați pietoni Comisia Europeana a adoptat un program ambițios de siguranță rutieră, care are scopul
de a reduce decesele rutiere în Europa între 2011 și 2020. Programul stabilește o combinație de
inițiative, la nivel european și național, cu accent pe îmbunătățirea siguranței vehiculelor,
siguranța infrastructurii rutiere și comportamentul conducătorilor auto.
În anul 2013, pietonii uciși în timpul accidentelor rutiere au avut o pondere de circa 22%.
Numărul pietonilor uciși în cadrul UE a scăzut cu doar 11% în comparație cu descreșterea
mortalității de 18% din 2010 până în 2013.
Cea mai mare pondere a deceselor provenite din accidentele de tip autovehicul pieton
sunt în țari emergente, precum România, Letonia, Polonia respectiv Lituania, unde mai mult de
1/3 din totalitatea deceselor provenite din accidentele rutiere sunt pietoni(European-Comission
2015).
Conform statisticilor furnizate de Comisia Europeană, evoluția deceselor pietonilor
implicați în accidente rutiere în România în comparație cu media UE este prezentată în Fig. 1.1.
12
Fig. 1.1 Evoluția deceselor pietonilor implicați în accidente rutiere din România în comparație cu media UE (CARE 2015)
Se poate constata că numărul de pietoni decedați în accidentele rutiere este într-o
continua scădere in ultimii ani, dar cu toate acestea este mult peste media UE (de aproape 4 ori
mai mare). Acest lucru se datorează îmbunătățirii infrastructurii, si totodată creșterea nivelului de
siguranță oferit de autovehiculele moderne.
Fig. 1.2 Numărul de pietoni decedați per milion de locuitori(European-Comission 2015)
În ciuda scăderii numărului deceselor provenite din accidentele rutiere din ultimii ani,
România este plasată pe primul loc în UE, cu cel mai mare număr de decese la un milion de
locuitori. România s-a aflat pe primul loc din UE la acest capitol și în anii 2010, 2011 și 2012.
Coloana roșie reprezintă numărul de pietoni decedați per milion de locuitori în România, iar cea
de culoare verde reprezintă media UE a celor 27 de țări introduse(Fig. 1.2). Se poate observa că
țara noastră are cea mai mare valoare, de aproximativ 36,2, cu mult peste media UE (11.4).
În România un parametru important privind accidentele cu pietoni este reprezentat de
condițiile de vizibilitate în care a avut loc accidentul. Din Fig. 1.3 se poate observa că 50% din
coliziunile dintre autovehicule și pietoni au avut loc în condiții nocturne, din care în 26% din
accidente iluminatul stradal era inexistent sau nu funcționa.
Fig. 1.3 Condițiile de vizibilitate în momentul în care a avut loc accidente soldate cu decese ale pietonilor în România (CARE
2015)
13
1.3. Criterii privind estimarea gradului de vătămare al pietonilor Este cunoscut faptul că pietonii sunt cei mai expuși participanți la trafic, iar riscul
acestora de a fi răniți sau chiar uciși în cazul unei coliziuni cu un autovehicul este mult mai mare
în comparație cu cel al conducătorilor auto.
Pentru a se putea estima gradul de vătămare al corpului uman, s-au introdus diferite scări
de evaluare a gradului de vătămare pe diferite zone ale corpului.
1.3.1. Scara de evaluare AIS1
Această scara de măsurare a nivelului de vătămare datează din 1971, fiind introdusă de
către AAAM2. Intenția inițială a fost aceea de a asocia diferite vătămări în funcție de diferiți
parametri (disiparea energiei, periclitarea vieții, paralizie, tratament periodic, etc.). După 5 ani
apare primul catalog bazat pe codificarea gradului de vătămare, care conținea aproximativ 500
de tipuri de vătămări cu severități diferite, codate de la 1 la 6, unde 1 reprezenta o vătămare
ușoară, în timp ce 6 avea o semnificație de vătămare foarte severă. De-a lungul timpului, acest
catalog a fost revizuit de 5 ori (1980, 1985, 1990, 2005 și 2008) (Davison, Munro, and Straub
2004, Stevenson 2001).
Faptul că victimele accidentelor mor ca urmare a mai multor leziuni, deși leziunile
individuale nu ar fi fost fatale, a fost introdus scorul maxim AIS (MAIS3) și ISS4. MAIS indică
valoarea maximă AIS din multitudinea valorilor aferente leziunilor individuale, în timp ce ISS
este definită ca suma pătratelor celor mai mari valori AIS pentru fiecare din cele trei regiuni cu
răni mai severe ale corpului (Burg 2013).
Pentru o codificare completă utilizând scara AIS, s-a dezvoltat un cod din 7 cifre
prezentat în Tabelul 1.1(AAAM) : Tabelul 1.1 Codificarea completă cu ajutorul scării AIS
A B CD EF G
1- Cap 1 - Toată zona 02 - Abraziunea pielii 0 - Fără leziuni
8- Extremitățile inferioare 50 - Fără specificații 6 - Fatal
7- Extremitățile superioare 60 - Penetrare 9 - Fără informații
Numărul aferent
gradului de vătămare
Vătămările sunt
descrise printr-un
cod format din
doua cifre, începând
cu 02
Regiunea corpuluiTipul de structura
anatomică
Structura anatomică
specifică - de
exemplu pe tot
corpul
Gradul de
vătămare pe o
anumită zona din
corp și structura
anatomică
În situația în care 3 din zonele evaluate au valoarea AIS 6, atunci valoarea totală ISS ia
valoarea de 75, fiind valoarea maximă de pe această scară.
NISS5 reprezintă o versiune modificată a scării ISS, în care se însumează pătratele celor
mai mari 3 valori AIS, indiferent de regiunea corpului. La fel ca în cazul ISS, dacă 3 din valorile
AIS au valoarea 6, atunci NISS ia valoarea maximă de 75.
ISS este mult mai utilizat pentru evaluarea severității leziunilor, în timp ce NISS s-a
dovedit a fi superior în predicția vătămărilor care pot apărea în urma accidentelor, precum și
durata de spitalizare(Narayan 2015).
1.3.2. Estimarea nivelului de vătămare la nivelul capului
1.3.2.1 Criteriul HIC6
Leziunile la nivelul capului reprezintă o cauză majoră a deceselor pietonilor (Haibo
2013). Pentru a cuantifica leziunile care pot apărea la nivelul creierului, s-au propus diferite
1 AIS – Abbreviated Injury Scale 2 AAAM - Association for the Advancement of Automotive Medicine 3 MAIS – Maximum Abbreviated Injury Scale 4 ISS - Injury Severity Score 5 NISS - New Injury Severity Score 6 HIC – Head Injury Criteria
14
metode menite să măsoare parametrii cinematici, respectiv dinamici. Una din cele mai populare
metode menite să determine nivelul de toleranță a capului la impact este HIC. Acest criteriu de
vătămare a fost utilizat de mai bine de 20 de ani în America de Nord ca o metodă de predicție a
nivelului de vătămare ce apare la nivelul capului în timpul unei coliziuni. Valoarea HIC este
calculată cu ajutorul accelerației liniare a centrului de masă a capului unui Dispozitiv
Antropometric de Testare (DAT)7(Hutchinson 1998, Gabauer 2008, Trusca 2015).
Prasad și Mertz au dezvoltat ulterior HIRC8 utilizând date obținute în urma testelor
efectuate pe cadavre(Prasad 1985).
Cu ajutorul HIRC, s-a constatat că o valoare a nivelului HIC de 1400 este asociată cu un
procentaj de 50% a unei leziuni care apare la nivelul creierului ce periclitează viața, în timp ce
valoarea de 1000 conduce la un procentaj de 18% pentru același tip de leziune. Aceste valori
sunt valabile doar în condițiile în care timpul pe care se efectuează calculul HIC nu depășește
intervalul de 15 ms(Hutchinson 1998).
Valoarea HIC se determină prin integrarea accelerației rezultante determinată în g, unde g
reprezintă accelerația gravitațională (9.81 m/s2), în funcție de intervalul de timp stabilit. Astfel
formula de calcul pentru HIC este:
))(])(1
([2,1max)( 12
5.2
2
112
max ttdttatt
tttHIC
t
t
res
,
1.1
222
resa zyx aaa , 1.2
unde avem:
[t1, t2]– intervalul de timp pe care se face analiza. Acesta poate sa fie 15 ms sau 36 ms,
ares – accelerația rezultantă [g],
ax, ay, az – componentele accelerațiilor pe fiecare axă [g].
Valorile componentelor accelerațiilor (ax, ay, az) sunt filtrate în concordanță cu filtrele
CFC9 1000. Pentru a specifica valorile de intrare în concordanță cu ECE-R80, valorile măsurate
la nivelul capului (ax, ay, az) sunt filtrate cu ajutorul filtrelor CFC 600(WGDPVS 2008).
În cercetarea experimentală, pentru a analiza cât mai precis nivelul de vătămare care
apare la nivelul capului, trebuie luați în considerare diferiți factori care pot influența acest
parametru cum ar fi: similitudinea dintre dispozitivul antropometric de testare și corpul uman,
structura craniului acestor dispozitive în comparație cu craniul uman, precum și dimensiunile
craniului.
Formula factorului de scalare este următoarea:
,)(
)(5.1
2
L
EHIC
1.3
unde:
λE – factorul de scalare al materialului,
λL – factorul de scalare al lungimii capului.
Cu toate că bazele de date privind rigiditatea scheletului capului sunt limitate, s-a constat
că odată cu micșorarea dimensiunilor ocupantului, scalarea geometrică va avea o prognoză cu o
toleranță mai ridicată, în timp ce scalarea materialului va avea o prognoză cu o toleranță mai
scăzută.
Acest criteriu de evaluare are anumite limitări privind nivelul de vătămare ce apare la
nivelul capului datorită faptului că accelerația unghiulară a capului este neglijată (Ilie 2015).
1.3.2.2. Criteriul de performanță HIC(d)
Un alt criteriu de evaluare a leziunilor apărute la nivelul capului care derivă din HIC este
HIC(d), numit si criteriul de performanță al capului. Acesta reprezintă ponderea standardizată a
integralei corespondente accelerației la nivelul capului determinată cu ajutorul valorii HIC pe
intervalul de 36 ms. Astfel s-a obținut formula HIC(d) după cum urmează (Kleinberger 1998):
7 DAT- Dispozitiv Antropomorfic de Testare 8 HIRC- Head Injury Risk Curve 9 CFC – Channel Frequency Class
15
166.4,HIC360.75446HIC(d) 1.4
unde:
HIC36 -valoarea HIC pe intervalul de 36 ms.
1.3.2.3. Criteriul de evaluare al duratei de contact al capului (HCD10)(WGDPVS 2008)
Pentru a determina valoarea forței rezultante la contact, este necesară determinarea
intervalelor de timp în care are loc contactul. Astfel formula forței rezultante este: ,)()()( 222
zzyyxx FamFamFamF 1.5
având:
m – masa capului [kg],
ai - accelerația la nivelul capului [m/s2],
Fi – Forța la nivelul superior al gâtului în direcția i [N].
1.3.2.4. Criteriul de vătămare la nivelul Tibiei (TI11)
Acest criteriu de vătămare a fost introdus de către Mertz în 1984 și reprezintă o funcție care
depinde de sarcina de încovoiere, respectiv de sarcina axială care acționează asupra centrului
tibiei în momentul coliziunii(Wellbourne 1998, Mo 2012). ,
cc M
M
F
FTI 1.6
unde:
F- forța axială de comprimare [kN],
M- momentul rezultant de încovoiere [Nm],
Fc- forța axială de comprimare critică[kN],
Mc- momentul de încovoiere critic[Nm].
Studiul realizat de Welbourne (Wellbourne 1998) a concluzionat că acest criteriu este în
mare măsură ineficient ca evaluare a riscului de rănire a membrelor inferioare, în special la
nivelul gleznei. Valoarea acestui criteriu de vătămare este de cele mai multe ori mai mare decât
valoarea normală, datorită geometriei neobișnuite a tibiei, care induce un moment în jurul axei
Y, proporțional cu forța axială ce apare la nivelul tibiei.
Ulterior s-a introdus o revizuire a TI (RTI12), bazată pe aceeași ecuație, dar cu valorile
critice revizuite ale momentului de încovoiere, respectiv al forței axiale. Aceste valori modificate
au la bază teste experimentale din care s-au putut extrage date concludente privind valorile
critice ale momentelor și forțelor. Astfel Kuppa, utilizând datele experimentale ale altor autori, a
concluzionat că valorile critice pentru forța axială este de 12kN în timp ce pentru momentul
critic de încovoiere valoarea este de 240 Nm (TG25 2007).
Determinarea momentului rezultant de încovoiere este o sarcină dificilă, astfel s-a realizat
un model cu ajutorul Simulink, un modul al programului Matlab. Sistemul multi-corp dezvoltat
este compus din patru elemente reprezentând șoldul, femurul, tibia și piciorul, inter-conectate cu
3 cuple de rotație. Acest model este prezentat în Fig. 1.4.
10 HCD – Head Contact Duration 11 TI- Tibia Index 12 RTI – Revised Tibia Index
16
Fig. 1.4. Schema modelului dezvoltat în Simulink (Tolea 2015a)
Modelul are un comportament similar cu membrul inferior al sistemului multi-corp din
programul de specialitate PC-Crash. O analiză comparativă între modelul realizat în Simulink și
membrul inferior al sistemului multi-corp din PC-Crash este prezentată în Fig. 1.5.
Fig. 1.5 Comportamentul similar între modelul realizat în Simulink și modelul disponibil din PC-Crash(Tolea 2015a)
Introducând ca date de intrare forța de contact la diferite intervale de timp care acționează
în centrul de masă al tibiei, s-a putut obține valoarea momentului maxim de încovoiere ce apare
la nivelul tibiei printr-o diagramă reprezentată în Fig. 1.6.
Fig. 1.6 Diagrama momentului încovoietor
Astfel, cu ajutorul acestui model, se poate determina momentul de încovoiere al tibiei,
reprezentând un parametru esențial în vederea calculului RTI(Tolea 2015a).
17
1.4. Elemente de siguranță pasivă în contextul securității
pietonilor
1.4.1. Teste experimentale privind evaluarea siguranței pietonilor
Pentru evaluarea siguranței circulației, la începutul anilor ’70 s-a înființat EEVC
(European Experimental Vehicles Comittee), pentru ca ulterior să își schimbe denumirea în
European Enhanced Vehicle-safety Comittee (în 1997).
Acest comitet își desfășoară activitatea pe grupe de lucru, iar cele mai importante grupe
privind siguranța pietonilor sunt(Toganel 2008):
WG13 01 – Date privind accidentele rutiere.
WG 03 – Nivelul de toleranță al corpului uman.
WG 04 – Biomecanica corpului uman.
WG 10 – Protecția pietonilor.
WG 17 – Siguranța pietonilor.
În urma cercetărilor realizate de grupurile 10 respectiv 17, s-au stabilit câteva teste
experimentale pentru a evalua siguranța pietonilor. Astfel, până la momentul actual, testele
privind siguranța pietonilor sunt așa numitele teste ale componentelor și nu teste la scară 1:1.
Aceste teste privind siguranța pietonilor sunt (EEVCWG17 2003, Kalliske 2001) :
Testul cu un impactor de tip cap (copil și adult),
Testul cu un impactor de tip șold,
Testul cu un impactor de tip picior.
Cele trei teste sunt sintetizate în Fig. 1.7, fiind totodată criteriile privind siguranța
pietonilor pentru omologarea autoturismelor în UE conform directivei 2003/102/CE, dar cu
cerințe mai ridicate.
Aceste teste ale componentelor au ca scop reproducerea zonelor critice dintr-un accident
(ex. lovitura capului pietonului pe o zonă a autovehiculului) (Kuehn 2005).
Fig. 1.7 Testele propuse de EEVC WG 10 pentru protecția pietonilor (EEVC)
Teste similare de testare a capului sunt efectuate de NHTSA în SUA, respectiv Euro
NCAP pe teritoriul Europei (Egertz 2011).
Siguranța pietonilor de-a lungul anilor s-a îmbunătățit, dar încă rămâne la un nivel
nesatisfăcător(Yun 2013).
1.4.1.1. Testul privind siguranța pietonilor utilizându-se impactorul de tip cap
Procedura privind testarea capului realizată de EEVC WG10 se bazează pe proiectarea
impactorului de tip cap în zbor liber, în vederea testării zonei dorite de pe profilul frontal al
autoturismului. Acest impactor are o masă de 4.8 kg, spre deosebire de testele realizate de
NHTSA14, respectiv ISO care utilizează un impactor de 4.5 kg. Motivul diferenței de masă între
13 WG – Working Group 14 NHTSA – National Highway Traffic Safety Administration
18
aceste impactoare este faptul că EEVC consideră masa gâtului inclusă în impactor. Impactorul
utilizat pentru capul de copil are o masă de 2.5 kg.
Impactoarele de tip cap utilizate în teste sunt din aluminiu, fiind acoperite de un strat cu o
grosime de 12.5 mm de cauciuc menit să simuleze pielea. Diametrul impactorului trebuie să aibă
o valoare de 165 mm. În aceste impactoare sunt montate accelerometre tri-axiale necesare pentru
determinarea accelerației rezultante la nivelul capului, fiind singura metodă de evaluare a
severității leziunii în cazul impactului, prin utilizarea criteriului de vătămare HIC, dependent de
accelerație.
Nivelul de accelerație rezultantă acceptată pentru acest tip de test se află cuprinsă în
intervalul 225-275 g. Viteza cu care este proiectat impactorul este de 40 km/h la o înclinație de
65 de grade pentru capul de adult, în timp ce pentru capul de copil, unghiul de impact este de 50
de grade.
Atât pentru capul de copil cât și pentru capul de adult, nivelul criteriului HIC acceptat
este de 1000 (Stammen 2001) .
1.4.1.2. Testul privind siguranța pietonilor în cazul testului cu impactorul de
tip șold
Acest test reprezintă cel mai ”controversat” test din cadrul testelor realizate de EEVC
WG17. Reprezentanții din Italia și Franța sunt de părere ca acest test nu reflectă realitatea și nu îl
consideră necesar, iar reprezentanții germani îl privesc cu scepticism, deoarece în acest test static
nu apare frecarea între autovehicul și impactor(Lawrence 1998).
Acest test se desfășoară la o viteză cuprinsă între 20-40 km/h, iar parametrii măsurați
pentru estimarea riscului de vătămare sunt forța, care are o valoare acceptată de 5 kN, respectiv
momentul de încovoiere, cu o valoare maxima acceptată de 300 Nm(EEVCWG17 2003, GRSP
2007).
1.4.1.3. Testul privind siguranța pietonilor utilizând impactorul de tip picior
Pentru acest test, EEVC utilizează un impactor format din 2 părți menite sa simuleze
femurul și tibia, cu o masa de 9 kg, care este proiectat cu viteza de 7.5 m/s spre profilul frontal al
autovehiculului. Limita acceptată de EEVC privind deplasarea axială este de 6 mm, în timp ce
accelerația tibiei nu trebuie să depășească valoarea de 150 g. Totodată, unghiul de încovoiere
creat la nivelul genunchiului nu trebuie sa depășească valoarea de 15 de grade(EEVCWG17
2003).
Pentru aceste teste de coliziune se utilizează aceeași viteză de impact, cu toate că aceasta
influențează direct gradul de vătămare al membrelor inferioare (Matsui 2005).
O problemă care s-a pus este aceea de a înlocui tipul de impactor utilizat de EEVC cu
unul mai flexibil, deja existent pe piață care se numește Flex PLI
În urma analizei comparative a celor două tipuri de impactoare s-a ajuns la concluzia că
EEVC LFI evaluează individual încovoierea genunchiului și forța axială la care este supus, în
timp ce impactorul Flex PLI este capabil să evalueze direct elongația ligamentelor genunchiului.
De asemenea răspunsul componentelor impactorului Flex PLI corespund cu realitatea într-o
măsură mult mai mare decât impactorul utilizat de EEVC, acesta dovedindu-se a fi prea rigid în
timpul coliziunii cu autovehiculul (GTR9-1-05r1 2011, GTR9-5-13 2012).
Flex PLI a fost introdus de Euro NCAP din anul 2014, la un an mai târziu decât
JNCAP15, KNCAP16 respectiv ANCAP17 (Ariffin 2013).
Având în vedere că testele experimentale sunt costisitoare, A. KOPCZYNSKI a ajuns la
concluzia că utilizând simularea cu metoda elementului finit se poate ajunge la rezultate
satisfăcătoare privind testarea siguranței pietonilor, și totodată cu costuri mai reduse
(Kopczyński 2011).
1.4.2. Sistem de siguranță pasivă - Capota activă Capota activă reprezintă următorul pas făcut de industria auto privind siguranța
pietonilor. Acest pas a fost făcut in anul 2005, când Citroen, cu modelul C5, au introdus acest
15 JNCAP – Japan NCAP 16 KNCAP – Korea NCAP 17 ANCAP – Australian NCAP
19
element de siguranță pasivă pe autoturisme. În același an, a fost primul autoturism din istoria
Euro NCAP cu 4 stele la categoria siguranța pietonilor, reprezentând un nou început al evaluării
siguranței pasive a pietonilor (van Ratingen 2016).
Capota activă este compusă din două părți esențiale: partea compusă din senzori meniți să
detecteze când un impact va avea loc; cea de a doua componentă este compusă din dispozitive de
acționare a capotei astfel încât partea finală (cea de lângă parbriz) să se ridice în momentul
impactului. Această ridicare dezvoltă un spațiu între capotă și motor astfel încât la momentul
impactului capota să fie capabilă să absoarbă cât mai multă energie reducând riscul de vătămare
substanțial. Spațiul de ridicare a capotei variază între 70-100 mm (Fredriksson 2001, Takahashi
2013, Inomata 2009).
Principiul de declanșare al capotei active este prezentat în Fig. 1.8
Fig. 1.8 Principiul de funcționare al capotei active (Fredriksson 2001)
S-a constatat că acest element de siguranță pasivă are un rol important privind reducerea
riscului de vătămare la nivelul capului, reducând valoarea HIC cu un maxim de 90%, și cu o
valoare medie de 50% (Maki 2003b). Acest element de siguranță pasivă este într-o dezvoltare
continuă, introducându-se recent un sistem pirotehnic, activat cu praf de pușcă, care este capabil
să se declanșeze la viteze de până la 60 de km/h, în comparație cu primele generații capabile să
opereze până la viteza maximă de 40 de km/h. Cea mai mare provocare a acestei noi generații de
capote active a fost reducerea timpului de răspuns la 10 ms(Lee 2016).
1.4.3. Sistem de siguranță pasivă - Airbag-ul destinat pietonilor Un astfel de sistem a fost propus încă din anul 2001, fiind testat atât prin simulare
numerică, cât și prin test experimental de către Holding. Acest sistem cuprinde două airbag-uri la
nivelul stâlpului A. S-au efectuat teste experimentale cu diferite tipuri de airbag-uri.
În primul scenariu de testare s-a utilizat un airbag umplut cu gaz printr-o supapă, cu scurt
timp înainte ca impactul să aibă loc. Pentru această configurație s-au realizat 4 teste la 2 viteze
de coliziune diferite, primele două teste având o viteză de impact de 40 km/h utilizându-se un
DAT copil, respectiv adult. Ultimele două teste s-au realizat la viteza de 48 km/h cu aceleași
tipuri de DAT. Pentru simularea numerică s-au utilizat aceleași viteze de coliziune precum și
aceeași configurație de impact.
Pentru cel de-al doilea scenariu de testare s-au utilizat airbag-uri pirotehnice, cu un
volum de 9 litri pentru cap, fiind ulterior modificate astfel încât să permită umplerea cu ajutorul
unei surse de aer comprimat declanșată de la distanță.
În urma acestor teste experimentale, respectiv simulărilor numerice, s-a ajuns la
concluzia că aceste modificări aduse autovehiculului pot reduce nivelul de vătămare în zona
capului cu 90%, respectiv în zona toracelui cu 50%. Totodată, acest studiu ne arată că riscul
vătămărilor care periclitează viața pietonilor poate fi redus până la 100% (Holding 2001).
După mai bine de 10 ani, în anul 2012 Volvo a introdus primul airbag destinat pietonilor,
fiind compus din următoarele componente: unitatea de control airbag, limitatorul de ridicare al
capotei, mecanismul de eliberare al balamalei capotei, balamalele capotei, respectiv senzori.
Viteza necesară activării acestui sistem este cuprinsă între 20 și 50 km/h. Senzorii
poziționați în bara autoturismului transmit semnale către unitatea de control a airbag-ului, astfel
că atunci când autoturismul intră în contact cu un obiect, semnalul se schimbă. În momentul în
care acest semnal se schimbă, unitatea de control evaluează tipul de semnal, iar daca acest tip de
semnal este interpretat ca fiind obținut de la un piciorul uman, atunci airbag-ul este declanșat
(Jakobsson 2013).
În urma testelor realizate de Euro NCAP, după cum era de așteptat, Volvo a obținut
punctajul maxim în cazul testelor cu impactorul de tip cap, devenind astfel una din cele mai
”prietenoase” autovehicule în coliziunile cu pietonii.
1.5. Elemente privind siguranța activă în contextul siguranței
pietonilor
1.5.1. Sistemul bazat pe frânarea de urgență automată
Un element esențial privind siguranța activă introdus de fabricile de autovehicule este
sistemul AEB18. Acest sistem este capabil să detecteze pericolul iminent de accident, iar în
situația în care conducătorul auto nu ia măsuri de evitare a accidentului, frânează automat
autovehiculul. Această tehnologie face parte din sistemele care încearcă să evite coliziunea
(PCS19), și se întâlnește sub diferite denumiri în funcție de marca autovehiculului : City Brake
Control (Fiat), Active City Stop (Ford), City Emergency Brake (VW), City Safety (Volvo),
Brake Assistance (Mercedes) . Aceste sisteme funcționează în general la viteze sub 30 km/h și
sunt eficiente pe distanțe scurte. Dacă frâna este acționată de către conducătorul auto în timpul
frânării sau se încearcă o manevră de evitare, sistemul se dezactivează (Fildes 2015, Radu 2015,
Yuasa 2013, Schittenhelm 2013, Keller 2011).
O schemă cu elementele componente ale sistemului este prezentată în Fig. 1.10(Hayashi
2013)
Fig. 1.10 Elementele componente ale sistemului(Hayashi 2013)
18 AEB – Autonomous Emergency Braking 19 PCS- Pre Collision System
21
Un studiu realizat de Peter Vertal în care a testat sistemul AEB al unui autovehicul Volvo
V40 produs în anul 2014, a condus la concluzii privind modul de funcționare al sistemului în
privința pietonilor. Câteva dintre limitările acestui sistem sunt (Vertal 2015) :
nu reacționează dacă înălțimea pietonului este mai mică de 80 cm sau pietonul se
află întins pe șosea
intră în funcțiune doar dacă condițiile de luminozitate sunt bune
sistemul reacționează la un pieton aflat în mișcare cu o viteză maximă de 7.5 km/h
timpul de intrare în funcțiune a sistemului de frânare este mai mare decât cel
normal (0.5 secunde)
pietonul este detectat doar la un unghi maxim de 45 de grade față de direcția de
deplasare a autoturismului
sistemul nu reacționează când autovehiculul virează la stânga/dreapta, iar pietonul
se mișcă tot din aceeași parte
Cu toate acestea, în condiții de luminozitate bună, sistemul detectează pietonii indiferent
de culoarea articolelor vestimentare, și are o eficacitate de oprire de 100% până la viteze de 30
de km/h, în cazul în care deplasarea pietonului este previzibilă. În cazul în care autovehiculul
circulă cu viteză mai mare de 30 de km/h, s-a constat că acest sistem este capabil să reducă
viteza până la maximum 30 de km/h până la impact.
Majoritatea studiilor ridică problema vizibilității pietonilor pentru aceste sisteme, motiv
pentru care industria auto face eforturi mari pentru ca aceste sisteme să fie capabile să detecteze
pietonul în toate condițiile. Astfel au apărut diferite tipuri de sisteme de detecție a pietonului care
declanșează sistemul AEB.
Pentru a detecta diferite zone ale corpului Bo Wu a introdus caracteristica ”edgelet”(Wu
2005). O a doua opțiune folosită în detecția pietonilor este folosirea sistemelor cu infraroșu
(Krotosky 2007).
1.5.2. Sistemul Matrix LED
După cum s-a discutat și în subcapitolul anterior (1.3.1), detecția și vizibilitatea
pietonului joacă un rol determinant în evitarea unui accident. Astfel, Audi a introdus un sistem
de iluminare inteligent, capabil să detecteze pietonul în întuneric, și să avertizeze prin semnale
luminoase atât conducătorul auto cât și pietonul.
Astfel, acest sistem de iluminare numit Matrix LED, poate fi încadrat ca un mijloc de
siguranță activă montat pe autovehicul, prin prisma faptului că autovehiculul ia măsuri pentru
evitarea unui potențial accident cu pietonul.
În Eroare! Fără sursă de referință. este prezentat sistemul Matrix LED, disponibil pe
autovehiculele Audi, și aplicația acestuia pentru detecția pietonului(MatrixLED 2016).
1.6. Parametrii geometrici ai profilului frontal care influențează
siguranța pietonilor Cercetătorii au ajuns la concluzia de-a lungul anilor, că profilul frontal al autovehiculului
are un rol determinant privind siguranța pietonilor. De aceea, de-a lungul anilor fabricile de
autoturisme au modificat design-ul profilului frontal al autoturismului, la cererea legilor din
vigoare de la vremea respectivă. Influența profilului frontal asupra vătămării capului pietonului a
fost demonstrată atât prin studii experimentale cât și prin studii teoretice, astfel încât în aceeași
configurație de impact cu două autoturisme cu profil frontal diferit, au oferit accelerații diferite la
nivelul capului pietonului, conducând la valori diferite ale criteriului de vătămare HIC(Tolea
2015b, Soica 2009, Toganel 2009, Soica 2007).
Parametrii determinanți privind geometria profilului frontal sunt următorii:
A. Design-ul barei față a autoturismului
B. Înălțimea muchiei anterioare capotei (BLE20)
20 BLE – Bonnet Leading Edge
22
A. Design-ul barei de protecție (bara parașoc)
Un prim pas privind modificarea profilului frontal a fost făcut în anul 1985, când s-a dorit
introducerea unui plan de 45º între profilul drept al barei față a autoturismului si colțul
autoturismului, pentru a se realiza procedura de testare a piciorului pietonului. După 6 ani, acest
unghi a fost modificat la 60 de grade, unghi care s-a păstrat până în prezent.
Geometria mai multor autovehicule de pe piața Europeană, care au fost primele ca număr
de vânzări, a fost evaluată privind modul în care s-au adaptat la schimbarea unghiului creat
dintre profilul drept al barei de protecție față și colțul barei. Pentru a realiza această evaluare s-au
utilizat planurile tehnice ale acestor vehicule, și s-a urmărit ca unghiul creat de colțul barei de
protecție să fie în relație cu lățimea completă a autoturismului. De asemenea s-au comparat
modurile în care design-ul versiunilor mai vechi de autoturisme afectează colțurile laterale ale
barei și cum este afectată zona de testare cu impactorul de tip picior. Un exemplu privind
evoluția barei frontale a autoturismelor de-a lungul anilor este prezentată în Fig. 1.11(Carroll
2014).
Fig. 1.11 Evoluția profilului frontal a autoturismelor(A Carroll 2014)
Înălțimea barei de protecție influențează leziunile ce apar la nivelul membrelor inferioare,
producând fracturi la nivelul tibiei sau genunchiului. Creșterea înălțimii acesteia poate duce la
fracturi și la nivelul femurului. De obicei la viteze mai mici(20-30 km/h) apar leziuni la nivelul
genunchiului, în timp ce la viteze de peste 40 de km/h apar fracturile. Cu toate acestea, înălțimea
barei față nu influențează într-un mod determinant gravitatea leziunilor, ci suprafața de contact a
acesteia cu piciorul. Cu toate acestea, design-urile moderne tind să minimizeze proeminența
barei de protecție, astfel că a fost necesară adăugarea unor constrângeri privind adâncimea barei.
Totodată prin ”rotunjirea” profilului frontal al autoturismului, suprafața de contact cu piciorul se
diminuează reducând nivelul de vătămare. Exemplu privind design-ul barei față a autoturismelor
de-a lungul anilor, este prezentată în Fig. 1.12(JINGWEN HU 2012).
Fig. 1.12 Evoluția barei față de-a lungul anilor(JINGWEN HU 2012)
Matsui a demonstrat că bara umplută cu materiale similare buretelui are un efect
semnificativ privind reducerea riscului de fractură a tibiei atunci când piciorul pietonului este
23
lovit cu partea centrală a barei, dar în cazul coliziunilor cu extremitățile barei, efectul este mult
mai mic(Matsui 2011).
Așadar acest element al autovehiculului reprezintă un element de importanță majoră în
construcția autovehiculelor, fiind proiectate astfel încât acestea să absoarbă cât mai multă energie
în momentul impactului (Reid 2000, Cheon 1995).
B. Muchia anterioară capotei (BLE)
Studiile recente bazate pe modele umane virtuale, respectiv pe DAT, au arătat că o
înălțime redusă a BLE (<750 mm), o rază mare a BLE (>250 mm), și o înălțime suficientă a
barei față (>490 mm) ar elimina fracturile de pelvis, respectiv femur, în timpul coliziunii unui
autovehicul cu un DAT bărbat la viteze mai mici de 40 de km/h (Snedeker 2003, 2005, Matsui
1999).
Gradul de ”rotunjire” a BLE are o influență semnificativă la autovehiculele cu o înălțime
cuprinsă în intervalul 750-850 mm a BLE, în timp ce o înălțime a acestui element de peste 850
mm, ar rezulta un contact direct cu toracele pietonului.
1.7. Concluzii În urma analizei literaturii de specialitate privind stadiul actual al cercetărilor privind
siguranța pietonilor și modul în care aceasta se desfășoară s-a ajuns la următoarele concluzii:
Cu toate că în țările Europene bine dezvoltate numărul de decese provenit din
coliziunile dintre autovehicule și pietoni este în scădere, România este una din
țările care se află departe de media europeană. Principalele motive ale acestei
statistici îngrijorătoare sunt nerespectarea regulilor de circulație, atât din partea
pietonilor cât și din partea conducătorilor auto, dar și o infrastructură
defectuoasă.
Siguranța pasivă a pietonilor este strâns legată de biomecanica corpului uman.
Astfel cercetătorii au ajuns la corelații biomecanice privind nivelul de vătămare
al pietonilor în diferite tipuri de impacturi. Modul de testare a siguranței
pietonilor atât la nivel european cât și la nivel mondial, este reglementat de
anumiți parametri biomecanici, respectiv anumite criterii de vătămare.
Evoluția în timp ale sistemelor de siguranță pasivă a fost anevoioasă, astfel că
după mai bine de 10 ani de la prima propunere a sistemelor airbag pentru pietoni
acestea au fost introduse. Cu toate acestea este necesară continuarea cercetărilor
în domeniul siguranței, prin implementarea și testarea de noi metode și
dispozitive de reducere a riscurilor de vătămare a pietonilor.
În privința elementelor de siguranță activă, cel mai important element introdus a
fost sistemul de frânare automată a autoturismului la detecția pietonului,
reprezentând totodată vârful tehnologiei actuale privind siguranța circulației. Cu
toate acestea, nu este optimizat perfect, iar o caracteristică adițională ce îi poate fi
adusă este avertizarea prin semnale sonore și vizuale a pietonului ce se află în
pericol, astfel încât acesta să încerce să ia măsuri de prevenire.
Cu toate că încă nu s-a ajuns la un design al profilului frontal al autovehiculului
foarte ”prietenos” pentru pietoni, s-a constatat că nu s-au realizat foarte multe
studii privind parametrii geometrici ce influențează nivelul de vătămare al
pietonilor. Într-o mare parte a publicațiilor în care s-au analizat influența
anumitor parametrii geometrici ai profilului frontal ai autoturismului în
coliziunea cu pietonul, analiza asupra pietonului s-a făcut la nivelul membrelor
inferioare, respectiv toracelui, și nicidecum asupra capului care reprezintă o zonă
foarte expusă în timpul coliziunii. Astfel se cere o analiză aprofundată asupra
acestui aspect.
Pentru crearea și implementarea a noi sisteme de siguranță a pietonilor, este
necesară dezvoltarea de noi teste experimentale de tip autovehicul-pieton, în
24
condiții controlate, la scară 1:1, monitorizarea acestora și achiziționarea de date
necesare dezvoltării analitice a modelelor de impact pentru înțelegerea cât mai
profundă a fenomenelor dinamice.
1.8. Obiectivele tezei În vederea identificării parametrilor determinanți în timpul coliziunii de tip autovehicul-
pieton, precum și analiza gradului de vătămare al pietonului s-au formulat următoarele obiective
ale tezei de doctorat:
Analizând modelele matematice existente privind distanțele de aruncare a
pietonului, s-a ajuns la concluzia că în literatura de specialitate s-a abordat în cele
mai multe cazuri coliziunea în care autovehiculul este frânat la impactul cu
pietonul. Astfel se dorește dezvoltarea unui mers de calcul în vederea determinării
distanțelor de proiectare al pietonului în cazul în care autovehiculul nu este frânat
în momentul coliziunii. Acest tip de coliziune are loc de obicei în condiții de
vizibilitate reduse, când conducătorul auto nu are posibilitatea să vadă pietonul,
iar acesta este lovit în timpul de reacție al conducătorului auto.
Determinarea distanțelor de vizibilitate a pietonilor pe timp de noapte, respectiv a
vitezelor de evitare a acestora în aceste condiții. Această analiză este necesară
deoarece în România, datorită infrastructurii defectuoase, există drumuri
neiluminate sau în care iluminatul stradal nu funcționează, iar pietonii circulă pe
carosabil fără să fie conștienți de riscul la care se expun.
Determinarea cinematicii impactului autovehicul-pieton și a parametrilor viteză și
accelerație la nivelul centrului de greutate al capului, respectiv al toracelui
pietonului.
Analiza comportării pietonului în timpul coliziunii prin prisma criteriilor de
vătămare.
Dezvoltarea, elaborarea și validarea unui model matematic operativ, capabil să
determine parametrii cinematici determinanți în contextul siguranței pietonilor.
Determinarea parametrilor geometrici ai profilului frontal ai autoturismului care
influențează accelerațiile apărute la nivelul capului pietonului în timpul coliziunii,
și totodată proiectarea unor profiluri frontale ”prietenoase” pe baza acestor
parametrii, pe clase de autovehicule.
25
2. Studiul teoretic al coliziunilor de tip autovehicul-pieton
2.1. Considerații privind coliziunea de tip autovehicul-pieton. În analiza accidentelor de tip autovehicul-pieton, abordarea este puțin diferită față de
accidentele în care sunt implicate doar autovehicule. Acest fapt se datorează fazei de pre-impact
a pietonului, care adeseori este considerată mai puțin importantă datorită diferenței relativ mari
de viteză între pieton și autovehicul. Un alt aspect este raportul maselor dintre pieton și
automobil, conducând astfel la ideea că pietonul, în momentul coliziunii, se va deplasa pe
aceeași direcție de deplasare ca şi autoturismul.
De obicei, în cadrul reconstrucției accidentelor rutiere în care sunt implicați pietoni,
partea de coliziune, respectiv faza ulterioară coliziunii se tratează ca un întreg, cu anumite date
deja cunoscute (pozițiile finale, urmele materializate, etc.). Faza premergătoare coliziunii conține
aspecte de cele mai multe ori necunoscute și este influențată de diferiți factori. Câțiva factori
care pot conduce la un accident rutier sunt: condițiile de vizibilitate (noapte, ceață etc.), neatenția
conducătorului auto (de cele mai multe ori nu poate fi dovedită), respectiv viteza și direcția de
deplasare a pietonului (Brach 2005).
Din punct de vedere biomecanic, cinematica mișcării determină părțile corpului care sunt
vătămate pe durata coliziunii și proveniența acestora. Cinematica mișcării pietonilor pe durata
impactului este foarte complexă, iar în general sunt insuficiente dovezi disponibile în urma
accidentelor rutiere pentru a determina mișcarea pietonului. Astfel, pentru a se studia această
cinematică s-au introdus testele de coliziune, unde se utilizează DAT sau cadavre, lovite de un
autovehicul, iar mișcarea acestora este înregistrată cu ajutorul camerelor de mare (Simms 2009).
2.1.1. Cinematica pietonului în timpul coliziunii
În ceea ce privește cinematica pietonului în timpul coliziunii, cercetătorii o împart în trei
Considerându-se ca valori cunoscute timpii tp1,2,3,4 aferenți fiecărei faze, respectiv
adoptându-se un coeficient de frecare tipic între autovehicul și pieton, se pot determina vitezele
pe care le-a avut pietonul în fiecare fază a coliziunii.
Spațiul parcurs de autovehicul va fi scris ca: rvehicul tVS 1
2.50
Spațiul parcurs de pieton în fazele 1-4 este egală cu : CsSS vehiculp 2.51
unde Svehicul este spațiul parcurs de autovehicul în timpul de reacție,
Cs – distanța de la centrul de greutate al autovehiculului până în cel mai îndepărtat
reper poziționat în spatele acestuia (determinată prin măsurare),
tr – timpul de reacție al conducătorului auto.
Viteza pietonului în momentul desprinderii acestuia de pe autovehicul poate fi scrisă ca: .cos45 pp VV 2.52
Odată desprins de pe caroseria autovehiculului, pietonul se află în faza de zbor,
îndreptându-se spre sol. Considerând frecările cu aerul neglijabile, din Principiul Conservării
Energiei se deduce formula vitezei pietonului la contactul cu solul, ca fiind: .sin2
2
56 hgVV pp 2.53
Spațiul parcurs de pieton în faza de zbor se poate determina geometric, cunoscând
înălțimea de la care pietonul alunecă de pe autovehicul spre sol (h), și are relația:
.1
htg
S f
2.54
În momentul în care pietonul se lovește de sol, acesta alunecă spre poziția finală cu
decelerația: gap 5 ,
2.55
cunoscând µ ca fiind coeficientul de frecare dintre sol și pieton.
Spațiul parcurs de pieton în faza de alunecare pe sol are relația:
g
VS
p
s
2
2
6
.
2.56
Astfel spațiul total parcurs de pieton poate fi scris ca :
CstVhtgg
VS r
p
total
1
2
6 1
2 .
2.57
Acest model de calcul a fost introdus în programul de operații matematice Mathcad, cu
ajutorul căruia s-a realizat calculul distanțelor de proiectare a pietonului în funcție de viteza de
coliziune a pietonului pentru fiecare viteză din intervalul 30-55 km/h.
De asemenea, utilizând PC-Crash 10.2, s-au realizat simulările coliziunilor pe același
interval, obținându-se valori ale distanțelor de proiectare a pietonului. Cu ajutorul acestor date,
s-a realizat diagrama din Fig. 2.3.
32
Fig. 2.3. Distanțele de proiectare a pietonului în funcție de viteza de coliziune
Așadar, această diagramă(Fig. 2.3) poate fi utilizată în cazul reconstrucției
accidentelor în care sunt implicați pietoni, pentru o determinare a vitezei de coliziune cu ajutorul
distanței de proiectare măsurate, în situația în care în faza de pre-impact nu s-au materializat
urme de frânare sau derapare.
2.3. Metode de determinare a vizibilității pietonului în condiții nocturne
Faza anterioară coliziunii reprezintă faza în care apar cele mai multe necunoscute privind
reconstrucția accidentelor în care sunt implicați pietoni, și nu numai. Această fază de cele mai
multe ori se bazează pe anumite presupuneri sau, în cazul în care există, testimoniile martorilor
sau ale conducătorului auto. Astfel, vizibilitatea nocturnă reprezintă un factor esențial cu privire
la analiza fazei premergătoare coliziunii și totodată cu ajutorul căruia se pot stabili eventualele
posibilități de evitare a accidentului.
În calculul de determinare a vizibilității se iau în considerare parametrul contrastului,
respectiv reflexia obiectului(Hankey 2005).
Cei mai importanți parametri care influențează vizibilitatea nocturnă sunt prezentați în
studiul lui Hankey din 2005 ca fiind reflexia obiectului, contrastul respectiv distanța de
vizibilitate (Hankey 2005)
2.4. Concluzii Analizând aspectele privind cinematica pietonului pe parcursul coliziunii, modul de
determinare a distanțelor de proiectare a pietonului precum și vizibilitatea acestuia în diferite
condiții se pot formula următoarele concluzii:
Studiul privind determinarea distanțelor de proiectare a pietonului a început încă
de la sfârșitul anilor ’70, pentru ca ulterior pe baza acestor determinări, calculul să
devină tot mai complex, ținând cont de tot mai mulți parametri. Cu toate acestea,
acest calcul este dificil și se bazează pe parametri estimativi privind unghiul sub
care pietonul este aruncat de pe capota autovehiculului. Acest parametru este
dificil de estimat având în vedere că cinematica pietonului este foarte complexă,
de aceea o metodă mai bună de determinare a distanței de proiectare a pietonului
este prin simulare pe calculator, cu ajutorul programelor disponibile pe piață,
programe care permit vizualizarea 3D a pietonului pe parcursul desfășurării
simulării.
Metodele de determinare a vizibilității pietonului se bazează pe metoda lui Adrian
Werner, fiind cea mai precisă. Vizibilitatea pietonului depinde de mai mulți
parametrii: culoarea articolelor vestimentare, condițiile meteo, contrast, etc.
Analizând literatura de specialitate, s-a constat că nu s-au realizat foarte multe
studii privind vizibilitatea pietonului în funcție de culoarea articolelor
vestimentare, iar un studiu elaborat privind acest aspect ar fi necesar.
33
3. Determinarea distanțelor de vizibilitate a pietonului în
condiții nocturne prin teste experimentale
Pentru determinarea distanțelor de vizibilitate a pietonului s-au efectuat două tipuri de
teste experimentale, în diferite condiții de testare. În primele teste s-a dorit determinarea
distanțelor de vizibilitate a pietonului în condiții nocturne în funcție de culoarea articolelor
vestimentare, astfel încât vizibilitatea acestuia să fie completă. Pentru acesta, zona pe care s-au
efectuat măsurătorile a fost în zona toracelui, respectiv a umerilor.
A doua serie de teste experimentale, a avut ca scop determinarea distanțelor maxime de
vizibilitate a pietonului în condiții nocturne, în funcție de culoarea articolelor vestimentare.
Pentru a atinge acest obiectiv, a fost necesară efectuarea măsurătorilor pe zona membrelor
inferioare a pietonului (gamba).
3.1. Metodologia încercărilor experimentale pentru scenariul de
testare 1 (Tolea 2016b)
3.1.1. Obiectivele testului experimental
Primul studiu experimental a avut ca scop atingerea următoarelor obiective:
Determinarea contrastului, respectiv a vizibilității pietonilor în funcție de culoarea
tricoului, aflați pe partea carosabilă a unui drum public neiluminat,
Determinarea vizibilității unui pieton aflat pe un drum în aliniament,
Determinarea importanței vestei reflectorizante pe timp de noapte.
3.1.2. Desfășurarea experimentului
Pentru a atinge obiectivele trasate s-a utilizat un autovehicul echipat cu faruri de tip
Halogen, fiind poziționat la diferite distanțe de pieton. Acest scenariu de testare a cuprins două
tipuri de teste:
Autovehiculul a folosit luminile de întâlnire,
Autovehiculul a folosit luminile de drum.
Primul pas al testului experimental a fost acela de a poziționa pietonului îmbrăcat în
diferite culori la o distanța de 0.5 metri de acostamentul din partea dreaptă a drumului, în timp ce
vehiculul a fost poziționat la intervale succesive de 10 metri față de pieton, până la atingerea
distanței de 100 de metri față de acesta. Culorile utilizate în cadrul acestui experiment au fost :
galben, albastru, roșu, respectiv vestă reflectorizantă.
Din autovehicul s-au făcut fotografii cu două camere calibrate, astfel încât acestea să
poată să fie procesate cu un program specializat în rectificarea fotografiilor, conducând la
concluzii privind vizibilitatea pietonului. Această rectificare permite utilizatorului să determine
gradul de vizibilitate a pietonului prin măsurarea valorii luminanței pe zone determinate de către
utilizator.
3.1.3. Analiza și procesarea datelor
Pentru procesarea datelor s-a utilizat programul PC-Rect 4.2, un software dezvoltat de
DSD Austria, specializat pe fotogrammetrie. Introducând fotografiile în acest program s-a
determinat gradul de vizibilitate al pietonului cu ajutorul metodei Adrian Werner.
Următorul pas a fost centralizarea datelor obținute din procesarea fotografiilor ale
parametrului ∆Lu în vederea obținerii unor diagrame reprezentative ale distanțelor de vizibilitate.
Tabelele centralizate în formatul Microsoft Excel cuprind următorii parametrii:
Distanța – Distanța dintre autovehiculul din care s-au efectuat fotografiile și
pieton [m],
34
Vesta reflectorizantă – Valoarea parametrului ∆Lu (contrastului) de pe vesta
reflectorizantă[cd/m2].
Galben – Reprezintă valoarea parametrului ∆Lu obținut de pe tricoul de culoare
galbenă[cd/m2].
Roșu – Valoarea contrastului obținut pe tricoul de culoare roșie[cd/m2].
Albastru – Valoarea contrastului obținut pe tricoul de culoare albastră[cd/m2].
Negru – Valoarea parametrului ∆Lu aferent tricoului de culoare neagră [cd/m2].
Tabelul 3.1 Datele centralizate ale parametrului ∆Lu,, în funcție de culori, pentru testul în care autovehiculul a avut puse în funcțiune luminile de întâlnire
Distanța [m]
Vesta reflectorizantă
[cd/m2]
Galben [cd/m2]
Roșu [cd/m2]
Albastru[cd/m2] Negru [cd/m2]
10 1.43 0.46 0.267 0.25 0.18
20 1.2 0.31 0.265 0.235 0.09
30 1.2 0.29 0.22 0.196 0.04
40 1.2 0.25 0.2 0.14 0.03
50 1.19 0.18 0.151 0.12 0
60 1.19 0.14 0.042 0.013 0
70 1.19 0.058 0.04 0.011 0
80 1.18 0.047 0.04 0.01 0
90 1.14 0.04 0.02 0.01 0
100 1.07 0.03 0.01 0.007 0
Tabelul 3.2 Datele centralizate ale parametrului ∆Lu,, în funcție de culori, pentru testul în care autovehiculul a avut puse în
funcțiune luminile de drum
Distanța [m]
Vesta reflectorizantă
[cd/m2]
Galben [cd/m2]
Roșu [cd/m2]
Albastru [cd/m2]
Negru [cd/m2]
10 2.87 2.8 1.4 0.78 0.54
20 2.7 1.9 1.38 0.7 0.16
30 2.5 1.87 1.34 0.66 0.035
40 2 1.76 1.3 0.64 0.028
50 1.74 1.66 0.77 0.62 0.02
60 1.72 1.57 0.63 0.6 0.01
70 1.62 1.4 0.25 0.23 0
80 1.38 0.94 0.19 0.17 0
90 1.3 0.69 0.15 0.08 0
100 1.27 0.68 0.147 0.05 0
Cu ajutorul acestor tabele s-au putut realiza diagramele de vizibilitate a pietonului în
funcție de culoarea tricoului și distanța pe care acesta a avut-o față de autoturism. Prima
diagramă aferentă Tabelul 3.1 este prezentată în Fig. 3.1.
35
Fig. 3.1 Diagrama de vizibilitate a pietonului în funcție de culoarea tricoului pentru testul în care autovehiculul a avut puse în
funcțiune luminile de întâlnire
Se poate constata că vesta reflectorizantă oferă cea mai bună vizibilitate în comparație cu
celelalte culori, fiind vizibilă pe toate distanțele de testare cu o valoare a parametrului ∆Lu peste
valoarea de 1, reprezentând o vizibilitate sporită.
Vesta reflectorizantă este urmată de culoarea galbenă în ierarhia culorilor analizate, fiind
vizibilă pe intervalul 10-60 de m, ca după această distanță să își piardă vizibilitatea. Culorile roșu
respectiv albastru au un comportament asemănător, pierzându-și vizibilitatea după pragul de 50
de metri, în timp ce culoarea neagră reprezintă culoarea cu o vizibilitate extrem de scăzută, fiind
vizibilă doar în primii 20 de metri.
Cu ajutorul datelor centralizate în Tabelul 3.2, s-a realizat diagrama privind distanțele
vizibilitate a pietonilor în funcție de culoarea tricoului pentru testul în care autovehiculul a avut
pusă în funcțiune lumina de drum. Această diagramă este prezentată în Fig. 3.2.
Fig. 3.2 Diagrama de vizibilitate a pietonului în funcție de culoarea tricoului pentru testul în care autovehiculul a avut puse în
funcțiune luminile de drum
În urma acestui test se contată că vesta reflectorizantă rămâne cel mai vizibil element,
fiind vizibilă pe toate distanțele analizate, urmată de culoarea galbenă, care de asemenea este
vizibilă pe toate intervalele. După cum era de așteptat, se poate observa o creștere substanțială a
valorii luminanței, datorită intensității luminoase mult mai mari oferită de luminile de drum ale
autovehiculului.
Având în vedere că aceste teste au ca scop vizibilitatea completă a pietonului, se poate
discuta despre faptul că în timpul circulației pe timp de noapte, conul de lumină produs de
farurile autovehiculelor, luminează sub un anumit unghi. Acest unghi descoperă în prima fază
36
partea inferioară a pietonului (membrele inferioare), astfel distanțele de vizibilitate determinate
pot fi discutabile.
Așadar, următorul pas a fost realizarea testelor experimentale pentru testarea vizibilității
pe timp de noapte a membrelor inferioare ale pietonului.
3.2. Metodologia încercărilor experimentale pentru scenariul de
testare 2(Tolea 2016a)
3.2.1. Obiectivele testului experimental
Studiul experimental a urmărit determinare caracteristicilor de vizibilitate și a distanțelor
de percepere a obstacolelor a conducătorului auto în diferite condiții de circulație și vizibilitate în
contextul utilizării celor doua faze (fază de întâlnire și fază de drum) și întâlnirea unei coloane de
autovehicule din sens opus.
Pentru acest test experimental s-au trasat următoarele obiective principale:
Determinarea distanțelor minime de vizibilitate a pietonilor la diferite distanțe de sursa
luminoasă, analizându-se zona inferioară a piciorului.
Stabilirea ierarhiei vizibilității culorilor în funcție de distanțe.
Determinarea vitezelor critice de vizibilitate.
Determinarea influenței luminilor celorlalți participanți la trafic în vizualizarea
pietonului.
3.2.2. Desfășurarea experimentului
Pentru realizarea acestui studiu experimental a fost necesară efectuarea unor măsurători
pe pista de încercări. Așadar s-a ales o porțiune de drum cu o lungime de circa 200 de m,
realizând-se cate un marcaj din 10 in 10 metri, astfel încât poligonul de încercări să fie împărțit
în 20 de tronsoane.
Autoturismul din care s-au efectuat măsurătorile a fost poziționat la distanța 0 a
poligonului în timp ce pe sensul opus de mers au fost poziționate 4 autoturisme menite să
simuleze o coloană. Primul autoturism de pe contra-sens a fost poziționat la distanța de 5 m fata
de autovehiculul “sursa” (autovehiculul din care se efectuează măsurătorile), fiind distanța
optima pentru a simula fenomenul de ebluisare (orbire temporară), în timp ce restul
autovehiculelor au fost poziționate în coloană la distanta de 20 de m unul fata de celălalt.
O schemă sugestivă a modului de desfășurare a încercărilor experimentale este prezentată
în Fig. 3.3.
Fig. 3.3 Desfășurarea încercărilor experimentale pentru scenariul de testare 2
Pietonul a fost îmbrăcat succesiv în pantaloni cu diferite culori (negru, albastru, roșu si
galben), iar măsurătorile au fost făcute din autoturismul nr.1 (autovehiculul de culoare roșie de
pe schiță).
Măsurătorile s-au realizat pentru următoarele situații date:
Autovehiculul sursa având în funcțiune lumina de întâlnire,
Autovehiculul sursa având lumina de drum pusă în funcțiune,
Autovehiculul sursă , cât și cele aflate pe contra-sens, funcționând cu luminile de
întâlnire.
În autovehiculul “sursă” au fost montate 2 camere de luat vederi calibrate, astfel încât
acuratețea pozelor obținute să prezinte o vizibilitate precum cea percepută de ochiul uman.
Următorul pas a fost poziționarea pietonului la circa 0.5 m de acostamentul din partea
37
dreaptă a drumului. Pietonul s-a deplasat din 10 în 10 metri până la distanța de 100 de m de
autovehiculul “sursă” pentru a se efectua măsurători. La fiecare deplasare s-au utilizat diferite
culori de pantaloni pentru a se studia vizibilitatea acestora.
3.2.3. Analiza și procesarea datelor
Datele au fost procesate utilizând aceeași metodologie prezentată anterior, obținându-se
următoarele tabele. Tabelul 3.3 Valorile ΔLu obținute pentru cazul în care autovehiculul sursă avea lumina de întâlnire pusă în funcțiune
Distanța [m]
Negru [cd/m2]
Albastru [cd/m2]
Roșu [cd/m2]
Galben [cd/m2]
10 0.25 1.25 2.56 7.3
20 0.09 0.65 1.19 4.57
30 0.04 0.17 0.5 3.56
40 0.03 0.12 0.29 1.67
50 0 0.12 0.18 0.58
60 0 0.05 0.1 0.54
70 0 0 0.08 0.46
80 0 0 0.02 0.37
90 0 0 0 0.16
100 0 0 0 0.1
Tabelul 3.4. Valorile ΔLu obținute pentru cazul în care autovehiculul sursă avea lumina de drum pusă în funcțiune
Distanța [m]
Negru [cd/m2]
Albastru [cd/m2]
Roșu [cd/m2]
Galben [cd/m2]
10 0.74 2.19 4.57 5.36
20 0.2 1.82 2.98 5.36
30 0.04 0.66 1.27 4.53
40 0.03 0.56 1.06 4.37
50 0.02 0.39 0.69 3.1
60 0.01 0.31 0.46 3.1
70 0 0.13 0.38 1.69
80 0 0 0.26 1.41
90 0 0 0.25 1.34
100 0 0 0.14 0.91
Tabelul 3.5 Valorile ΔLu obținute în cazul în care autovehiculul avea lumina de întâlnire pusă în funcțiune iar de pe contra-sens
existau luminile de întâlnire ale autovehiculelor aflate in coloana
Distanța [m] Negru [cd/m2]
Albastru [cd/m2]
Roșu [cd/m2]
Galben [cd/m2]
10 0.36 0.86 2.16 6.6
20 0.14 0.46 1.08 6.58
30 0.13 0.07 0.41 3.57
40 0.03 0.06 0.21 1.76
50 0 0 0.17 0.95
60 0 0 0.15 0.76
70 0 0 0.07 0.48
80 0 0 0.04 0.17
90 0 0 0 0.16
100 0 0 0 0.1
A. Distanțele de vizibilitate pentru testul în care autovehiculul sursă utiliza luminile
de întâlnire-Test 1
Cu ajutorul acestor tabele s-au putut realiza diagramele privind vizibilitatea pietonului în
diferite condiții nocturne, astfel încât din Tabelul 3.3 a rezultat diagrama de vizibilitate a
pietonului în funcție de culoarea pantalonilor, pentru cazul în care singura sursă de lumina
existentă erau luminile de întâlnire a autovehiculului sursă. Diagrama rezultată din Tabelul 3.3
este prezentată în Fig. 3.4
38
Fig. 3.4 Diagrama de vizibilitate a pietonului în funcție de culorile pantalonilor pentru cazul în care autovehiculul sursă avea
pusă în funcțiune luminile de întâlnire
Se poate constata că cea mai mare vizibilitate o oferă culoarea galbenă, fiind vizibilă pe
toate distanțele analizate, prezentând o scădere treptată a vizibilității după valoarea de 50 de
metri, devenind slab vizibilă la distanța de 100 de metri.
B. Distanțele de vizibilitate în cazul în care autovehiculul sursă utilizează luminile
de drum- Test 2
Diagrama aferentă Tabelul 3.4 este prezentată în Fig. 3.5. care cuprinde date privind
vizibilitatea pietonului îmbrăcat în diferite culori.
Fig. 3.5 Diagrama distanțelor de vizibilitate a pietonului îmbrăcat cu pantaloni de diferite culori, pentru testul în care singura
sursă de lumină a fost lumina de drum a autovehiculului sursă
Și în acest caz, cele mai vizibile culori au fost cea galbenă respectiv cea roșie, prezentând
o vizibilitate sporită pe toate distanțele analizate.
Aceste culori sunt urmate de culoare albastră prezentând o vizibilitate sporită pe distanța
de 70 metri, ca după aceea să își piardă vizibilitatea.
C. Distanțele de vizibilitate a pietonului în cazul în care autovehiculul sursă
respectiv autovehiculele poziționate pe contra-sens în coloană utilizau luminile
de întâlnire – Test 3
Cu ajutorul Tabelul 3.5 s-a realizat diagrama distanțelor de vizibilitate pentru testul în
care toate autovehiculele participante la test aveau puse în funcțiune luminile de întâlnire
prezentată în Fig. 3.6. Acest caz reprezintă unul din cele mai comune cazuri întâlnite în circulația
urbană pe timp de noapte, în care conducătorii auto acuză vizibilitatea scăzută a pietonilor
datorită luminilor autovehiculelor aflate pe contra-sens.
39
Fig. 3.6 Diagrama distanțelor de vizibilitate a pietonului îmbrăcat în pantaloni de diferite culori, în cazul în care autovehiculele
participante la experiment aveau puse în funcțiune luminile de întâlnire.
Se poate observa că ierarhia vizibilității culorilor rămâne neschimbată, galbenul fiind cea
mai vizibilă culoare, cu o vizibilitate pe toate distanțele analizate până la 100 de metri, urmată de
culoarea roșie, cu o vizibilitate bună pe o distanță de 60 de metri, în timp ce la distanța de 70 de
metri se află la limita de vizibilitate. După distanța de 70 de metri, culoarea roșie nu mai este
vizibilă.
S-au putut observa modificări la culorile negru respectiv albastru, astfel, în cazul culorii
negre, vizibilitatea acesteia prezintă o creștere procentuală de 10% față de primele doua cazuri,
iar acest lucru se datorează fasciculelor de lumina transmise de autovehiculele aflate în coloană,
care luminează zona din vecinătatea pietonului, creând un contrast mai mare a acestuia cu mediul
înconjurător, astfel încât conducătorul auto poate distinge pietonul la distanțe mai mari. Pentru
culoarea albastra, vizibilitatea scade cu aproximativ 20% în momentul in care conducătorul auto
este aflat în fața unei coloane de mașini, iar valoarea contrastului acestei colori se afla chiar sub
valoarea contrastului corespondent culorii negre la distanța de 30 de m față de autovehiculul
sursă.
3.2.4. Determinare vitezelor de evitare a coliziunii în funcție de distanțele de vizibilitate
obținute
Determinarea vitezelor de evitare a coliziunii s-a realizat printr-un calcul analitic,
considerându-se două situații: pietonul se afla în repaus; pietonul se afla în mișcare, în aceeași
direcție de deplasare ca autovehicul. Ca și parametrii cunoscuți se consideră viteza finală a
autoturismului, considerată 0 la o distanță de siguranță de 0.5 metri de pieton, timpul de reacție
ai conducătorului auto de 0.8 secunde, respectiv timpul de intrare în funcțiune al sistemului de
frânare de 0.2 secunde, distanța de vizibilitate a pietonului pentru fiecare culoare în parte și
decelerația maximă a autovehiculului obținută pe asfalt. De asemenea, în cazul al doilea în care
pietonul se afla în mișcare, viteza acestuia s-a considerat constantă, având o valoare de 6 km/h,
valoare tipică pentru deplasarea unui pieton în vârsta de 40 de ani (Gaiginschi 2009).
Aceste valori ale timpilor de reacție respectiv timpului de întârziere a sistemului de
frânare sunt valori standard, determinate prin studii experimentale de-a lungul anilor (DSD
2015).
Vitezele de evitare a coliziunii cu pietonul au fost determinate în cazurile în care
distanțele maxime de vizibilitate a pietonului au fost cele mai reduse (cazul în care autovehiculul
sursă a utilizat lumina de întâlnire, respectiv testul în care atât autovehiculul sursă cât și
autovehiculele aflate în coloană utilizau luminile de întâlnire).
Distanța de frânare poate fi împărțită după cum urmează:
SR – distanța parcursă de autovehicul în timpul de reacție al conducătorului auto. Se
consideră ca autovehiculul circulă cu viteză constantă pe această distanță.
SL – Distanța parcursă de autovehicul în timpul de întârziere la intrarea în funcțiune a
sistemului de frânare. Pe această distanță, autovehiculul se află într-o mișcare decelerată, cu o
decelerație egală cu jumătatea valorii maxime a decelerației impuse.
40
Sb – Distanța parcursă de autovehicul în frânare efectivă cu decelerația maximă.
Distanța totală de frânare are expresia: .bLRt SSSS 3.1
Valoarea decelerației maxime obținută de un autoturism în timpul frânării este dată de
expresia (Jazar 2013): .gab 3.2
Unde µ reprezintă coeficientul de frecare al anvelopei cu solul, având o valoare de 0.8
pentru asfalt nou uscat iar g=9.81 m/2 reprezentând valoarea accelerației gravitaționale.
Parametrii cinematici care influențează cele trei faze ale frânării sunt sintetizați într-o
schemă sugestivă prezentată în Fig. 3.7.
Fig. 3.7 Parametrii cinematici determinanți în stabilirea spațiului de frânare a autoturismului
unde:
Vav- Viteza de evitare,
VR – Viteza autovehiculului în urma timpului de reacție (se consideră egală cu viteza de evitare
datorită mișcării uniforme a autovehiculului în timpul de reacție al conducătorului auto),
Vl – Viteza la sfârșitul fazei de întârziere mecanică a sistemului de frânare.
Pentru acest calcul valoarea St este considerată distanța de vizibilitate determinată pe
cale experimentală, în cadrul celor de-al doilea set de teste, în care analiza s-a făcut pe membrele
inferioare ale pietonului.
Distanța totală de frânare St în funcție de viteza de evitare are următoarea relație
(Gaiginschi 2009):
g
gtV
g
gtVVtVS lavlavav
ravt
2
)5.0()5.0( 222
3.3
Astfel, cunoscându-se distanța totală ca fiind distanța de vizibilitate pentru fiecare culoare
în parte, s-a rezolvat ecuația de gradul doi. Acest calcul s-a realizat cu ajutorul programului
Mathcad, iar exemplul de rezolvare ce urmează a fi prezentat are ca parametrul de intrare
distanța de vizibilitate a pietonului îmbrăcat în culoarea neagră (St = 19.5 m).
hkmsmVav /43/93.11 3.4
Cunoscând faptul că autovehiculul se deplasează cu viteza constantă în secvența aferentă
timpului de reacție, viteza Vr = 11.93 m/s. Următorul pas a fost determinarea distanțelor de
frânare pentru fiecare secvență în parte :
,544.9 mtVS rrr 3.5
,464.2
2
2
mt
atVS lllrl
3.6
.492.7 mSSSS rltb 3.7
Timpul de frânare efectivă, tb poate fi scris sub forma:
41
.42.1 s
a
Vt
b
bb
3.8
Cunoscând timpii scurși pentru fiecare fază, se poate determina timpul total de frânare(tt): .42.2 stttt blrt 3.9
Considerând ca pietonul se află într-o mișcare rectilinie uniformă, cu o viteză de 6 km/h
(Vp =1.6 m/s = 6 km/h), pe aceeași direcție cu direcția de deplasare a autovehiculului, în acest
timp, parcurge un spațiu de: .017.4 mVtS ptp 3.10
Datorită mișcării pietonului, spațiul total de oprire a autovehiculului astfel încât
coliziunea să nu aibă loc este mai mare cu 4 metri decât valoarea determinată anterior,
modificându-se astfel și valoarea vitezei de evitare a coliziunii cu pietonul. Astfel se va nota cu
Smaxim, spațiul total de oprire în cazul în care pietonul se află într-o mișcare rectilinie uniformă, și
are următoarea relație: .517.23max mSSS ptim 3.11
Înlocuind Smaxim în relația 3.3, se va determina viteza de evitare a coliziunii în cazul în
care pietonul se află în mișcare obținând: ./48/54.13
maxhkmsmV
imav 3.12
În mod analog, s-a refăcut calculul prezentat anterior, conducând la valorile vitezelor de
evitare pentru fiecare culoare în parte, în cazurile în care pietonul era în repaus respectiv în
mișcare.
Valorile vitezelor de evitare determinate pentru testele analizate sunt sintetizate în
Tabelul 3.6. Tabelul 3.6 Vitezele de evitare a coliziunii în funcție de culorile pantalonilor pentru fiecare test analizat
Pietonul în repaus Pietonul în mișcare
Viteza de evitare a coliziunii Viteza de evitare a coliziunii
Culoare pantaloni Negru Albastru Roșu Galben Negru Albastru Roșu Galben
Testul 1- autovehiculul sursă
cu luminile de întâlnire pornite
43 km/h 78 km/h 96
km/h 119 km/h 48 km/h 84 km/h
102 km/h
125 km/h
Testul 3 - autovehiculul sursă
respectiv autovehiculele de pe contra-sens cu
luminile de întâlnire pornite
56 km/h 68 km/h 96
km/h 119 km/h 62 km/h 74 km/h
102 km/h
125 km/h
3.3. Concluzii În urma analizei datelor experimentale se constată că vizibilitatea pietonilor aflați pe
partea carosabilă este influențată de culoarea echipamentului vestimentar și de condițiile de
iluminare a mediului înconjurător, în cazul de față reprezentată de circulația autovehiculelor din
sens opus. Vizibilitatea nocturnă reprezintă un fenomen complex, care este influențat de mai
mulți factori. Prin metode experimentale, în acest studiu s-a subliniat importanța culorii
articolelor vestimentare utilizate de pieton și cum acestea influențează distanțele de vizibilitate.
În urma analizei datelor obținute se pot trage următoarele concluzii:
Vesta reflectorizantă reprezintă un accesoriu care sporește vizibilitatea pietonilor
exponențial, oferind valori ale luminanței respectiv contrastului foarte ridicate.
Aceasta nu trebuie să lipsească pietonilor în timpul deplasării acestora în condiții
nocturne, chiar și în zone bine iluminate.
Este recomandat ca pietonii să utilizeze articole vestimentare deschise la culoare,
care pot să creeze un contrast cu mediul înconjurător, astfel devenind mai ușor de
perceput de către conducătorii auto.
42
În urma analizei comparative a valorilor contrastului obținut între scenariul de
testare 1 cu scenariul de testare 2, s-a constatat că valoarea contrastului este
simțitor mai mare la nivelul membrelor inferioare decât în zona superioară a
toracelui.
Distanțele de vizibilitate cresc procentual cu o valoare de 30% pentru culoarea
galbenă, în cazul în care analiza vizibilității se face la nivelul membrelor
inferioare, iar autovehiculul circulă cu luminile de întâlnire.
Pietonii îmbrăcați în culoarea neagră pe timpul nopții reprezintă un pericol pentru
conducătorii auto, aceștia fiind vizibili la distanțe foarte mici.
Conform vitezelor de evitare determinate în Tabelul 3.6, pietonii care se află în
stare de repaus pe carosabil, îmbrăcați în culoarea neagră nu pot fi evitați de către
un conducător auto, care circulă cu viteză legală prin localitate, datorită
vizibilității reduse a acestora.
Distanțele de vizibilitate a pietonului în condițiile date, pe un tronson de drum în
aliniament, fără iluminare stradală, cu carosabil de culoare închisă, în funcție de culoarea
articolelor vestimentare sunt sintetizate în Fig. 3.8.
Fig. 3.8 Distanțele maxime de vizibilitate a pietonului în diferite condiții de testare
43
4. Modelarea matematică a coliziunii autovehicul-pieton
4.1. Principiile mecanicii Lagrangiene Acest principiu se bazează pe energiile cinetice și potențiale ale sistemelor, care trebuie
exprimate în coordonate generalizate. Ca orice sistem, sistemul multi-corp al pietonului,
respectiv sistemul autovehiculului este guvernat de aceste energii în momentul deplasării,
respectiv al coliziunii. Astfel ecuația generală a lui Lagrange poate fi scrisă în funcție de aceste
energii după cum urmează(Nicoara 2003, Luca 2007):
knc
kkk
Qq
V
q
T
q
T
dt
d
4.1
unde:
T- Energia cinetică a sistemului,
V- Energia potențială a sistemului,
Qknc – Forțele exterioare neconservatoare care acționează asupra sistemului,
q – coordonatele generalizate.
4.2. Obiectivele modelării matematice Pentru a determina gradul de vătămare al pietonului la nivelul capului strict în momentul
coliziunii acestuia cu autovehiculul s-au trasat următoarele obiective ale modelării matematice:
Determinarea parametrilor vitezei, respectiv deplasării capului pietonului
în momentul coliziunii cu autovehiculul,
Determinarea variației vitezei autovehiculului în momentul coliziunii cu
pietonul,
Determinarea spațiului parcurs de autovehicul în momentul coliziunii.
Astfel, pentru a atinge aceste obiective trasate s-a realizat proiectarea unui sistem
simplificat din două corpuri, care este menit să simuleze mișcarea pietonului, respectiv un sistem
monocorp, care reprezintă autovehiculul. Pentru validarea acestui model s-au utilizat datele unui
test din cadrul cercetării experimentale.
4.3. Modelarea matematică a sistemului proiectat Pentru modelarea matematică s-au utilizat sistemul simplificat din următoarea figură,
fiind format din trei corpuri rigide care intră în coliziune. Primul corp de masă m1 reprezintă
autovehiculul, corpul de masă m2 reprezintă capul pietonului, în timp ce corpul de masă m3
reprezintă toracele acestuia. Corpurile 2 și 3 sunt legate printr-o cuplă de rotație.
Fig. 4.1 Schema modelului matematic
Acest sistem proiectat se bazează pe următoarele ipoteze:
Masele corpurilor 1 și 3 sunt concentrate în centrele de greutate.
Analiza se face strict în momentul în care pietonul ajunge în poziția de impact.
Arcul corespondent corpurilor 1-2 acționează strict pe direcția X, în timp ce arcul dintre
corpul 1 și corpul 3 acționează strict pe direcția Z.
44
Centrul de coordonate al sistemului XOZ este poziționat în centrul de masă al
autovehiculului (m1).
Autovehiculul este decelerat în momentul coliziunii.
Notațiile utilizate sunt următoarele:
x – deplsările corpurilor de-a lungul axei X
z – deplasările corupurilor de-a lungul axei Z
V – vitezele autovehiculelor
d – înălțimea profilului frontal al autovehiculului
Ff1 – Forța de frânare a autovehiculului
Ff2 – Forța de frecare dintre autovehicul și pieton
k1,2 – coeficienți de rigiditate între corupurile 1, respectiv 2
k23 – coeficientul de rigiditate descris de articulația de rotație utilizată între corpul 2 și 3
Θ – unghiul descris de mișcarea relativă a corpului 2 față de corpul 3
l2 – lungimea corpului 2
m1, m2, m3 – masele corpurilor 1, 2 și 3
Energia cinetică a sistemului poate fi scrisă sub forma:
).(2
3
4)sincos([
2
1
2
2
3
2
3
22
22222
2
2
2
22
2
11
zxmlm
xzlzxmxm
T
4.2
Iar energia potențială a sistemelor are următoarea relație
.)(2
1
2
1)(
2
132sin
2
2
33
2
23
2
1223222 dzkkxxkgzmgzmglm
V 4.3
Coordonatele generalizate ale ecuației lui Lagrange în cazul de față sunt:
q = x1, x2, y2, y3, Θ.
Prin aplicarea ecuației lui Lagrange (4.1)în funcție de aceste coordonate se vor obține 5
ecuații generale de mișcare ale corpurilor:
,
)1(
)()(
11
211221
1
xm
xxxkFFx
ff
4.4
,
)1)(sin2(2
1
)(
222
12221
2
xlm
xxxkFx
f
4.5
,
)1)(cos2(2
1
2
222
22
zlm
zgmz
4.6
,
)1(
)]([
33
33333
zm
dzkgmzz
4.7
.
)62
cossin()6
1(2
)sincos(
cos
222222
2
2
22222
2322
llxzlm
mlxzlm
kglm
4.8
Acest sistem de 5 ecuații diferențiale de ordinul 2 se poate rezolva prin metoda Runge-
Kutta, obținând un sistem de 10 ecuații diferențiale de ordinul 1.
Rezolvarea sistemului s-a realizat în programul Matlab 2014, cu ajutorul funcției
ODE4521 (Mathworks , Breaz 2013).
4.4. Datele de intrare ale modelului teoretic. Limitările modelului Parametrii de intrare ai sistemului sunt reprezentanți de constantele acestuia care au fost
definite ca variabile globale în cadrul programului Matlab, respectiv condițiile inițiale. Aceste
date de intrare sunt prezentate în tabelul următor.
21 ODE – Ordinary Differential Equations
45
Tabelul 4.1 Parametrii sistemului
Constantele sistemului Simbol Unitatea de măsură
Masa autovehiculului m1 kg
Masele corpurilor care definesc pietonul m2,m3 kg
Constantele de rigiditate care definesc contactul dintre autovehicul și pieton k1,k2,k23 N/m
Forțele ce acționează asupra autovehiculului respectiv pietonului Ff1,Ff2 N
Înălțimea profilului frontal al autovehiculului d m
Lungimea corpului 2 (capului) l2 m
Condițiile inițiale ale sistemului
deplasarea autovehiculului x1 inițial m
Viteza autovehiculului inițial m/s
Deplasarea capului pietonului pe direcția X x2 inițial m
Viteza capului pietonului pe direcția X inițial m/s
Deplasarea capului pietonului pe direcția Z z2 inițial m
Viteza capului pietonului pe direcția Z inițial m/s
Deplasarea toracelui pietonului pe direcția X x3 inițial m
Viteza capului pietonului pe direcția X inițial m/s
Deplasarea toracelui pietonului pe direcția Z z3 inițial m
Viteza capului pietonului pe direcția Z inițial m/s
Unghiul descris de mișcarea capului în raport cu toracele Θ inițial rad
Viteza unghiulară a capului inițial
rad/s
În urma rezolvării sistemului se vor obține următoarele valori:
Tabelul 4.2 Rezultatele obținute în urma modelării matematice
Rezultatele modelului teoretic Simbol Unitatea de măsură
Deplasarea autovehiculului x1= f(t) m
Viteza autovehiculului = f(t) m/s
Deplasările capului pietonului x2,y2= f(t) m
Vitezele capului pietonului , , = f(t) m/s
Deplasările toracelui pietonului x3,y3 = f(t) m
Vitezele toracelui pietonului , = f(t) m/s
Unghiul relativ? descris de cap și torace Θ = f(t) rad
Viteza unghiulară a capului = f(t)
rad/s
În urma rezolvării sistemului de ecuații prin metoda Runge Kutta, se vor putea obține
valorile descrise în tabelul anterior, iar pentru a determina valoarea vitezei rezultante de la
nivelul capului pietonului se va aplica următoarea formulă:
.2
2
2
22
yxV rez 4.9
Limitările modelului:
O limitare importantă a acestui model este aceea că este un model bidimensional, care nu
ia în considerare mișcările care pot apărea de-a lungul axei Y,
Modelul poate determina parametrii vitezelor, respectiv deplasărilor ce apar strict în
momentul coliziunii,
Nu ia în considerarea eventuala mișcare a membrelor inferioare sau superioare, astfel că
cinematica mișcării nu poate fi influențată de acestea,
Resorturile acționează doar pe direcția impusă (X pentru cap Z pentru torace),
Oscilațiile care pot apărea datorită mișcării de tangaj a autovehiculului sunt ignorate,
Eventualele mișcări ale corpului de-a lungul axei Y nu sunt luate în considerare.
46
5. Metodica cercetării experimentale Pentru validarea modelului matematic au fost necesare realizarea unor teste
experimentale, realizate la scară 1:1, astfel încât să se poată realiza o analiză comparativă între
datele teoretice și datele obținute pe cale experimentală.
5.1. Stabilirea obiectivelor testelor experimentale Cea mai bună cale de a studia cinematica pietonului în timpul coliziunii prin prisma
criteriilor de vătămare este pe cale experimentală. Cu toate că la nivel European evaluările
privind nivelele de vătămare se realizează prin așa numitele teste ale componentelor, în
experimentele necesare validării datelor teoretice s-au realizat testele la scară 1:1, utilizând un
DAT.
Obiectivele testelor experimentale sunt:
Achiziția datelor privind parametrii cinematici ai pietonului,
În continuare se dorește să se determine cei mai importanți parametrii geometrici ce
influențează gradul de vătămare al capului în urma coliziunii cu pietonul, iar pe baza acestor
parametrii să se dezvolte un profil frontal ”prietenos” în cazul coliziunii.
7.1. Dezvoltarea unui pieton virtual similar cu cel utilizat în
experimente Dezvoltarea acestui model s-a făcut în programul PC-Crash, versiunea 11, prin
asamblarea unui sistem multi-corp având caracteristici constructive asemănătoare cu DAT-ul
utilizat în cadrul testelor experimentale. Acest software permite utilizatorului să simuleze diferite
tipuri de coliziuni, inclusiv impactul dintre un autovehicul și un sistem multi-corp virtual al
pietomului, calculând parametrii cinematici ai acestuia. Totodată, programul permite
utilizatorului să modifice diferiți parametri cum ar fi masa, forma vehiculelor și sistemelor multi-
corp. dar și parametrii de rigiditate ai acestora (DSD 2016) .
Primul pas în dezvoltarea acestui model a fost crearea corpurilor cu caracteristici
asemănătoare DAT-ului utilizat în testele experimentale. Aceste date au fost prezentate în partea
de Etalonare a DAT-ului în vederea testelor experimentale . Astfel s-au creat 20 de părți
componente ale sistemului multi-corp, inter-conectate cu diferite tipuri de articulații, conform
celor prezente în DAT. Numărul total de articulații este de 19, acestea fiind capabile să descrie
mișcarea corpului uman.
7.2. Simularea testelor experimentale utilizând sistemul multi-corp
dezvoltat Pentru a verifica validitatea acestui sistem, s-au realizat simulările testelor experimentale
2 și 3. Aceste teste experimentale prezintă caractere similare în ceea ce privește gradul de
suprapunere a pietonului asupra autovehiculului, unghiul de coliziune, viteza de coliziune și
caracteristicile de frânare a autovehiculului în urma coliziunii. În ambele teste autovehiculul a
fost frânat imediat după ce impactul a avut loc, în timp ce în ultimele două teste, frânarea
autovehiculului nu respectă același șablon de testare. De asemenea, datorită faptului că diferența
de viteză între primul test experimental și restul testelor este mare, nu se va realiza simularea
acestuia. Astfel, pentru a trage concluzii legate de geometria profilului frontal al autovehiculelor,
sunt necesare condiții de testare similare.
7.2.1. Simularea testului experimental 2
Pentru ca autovehiculul să aibă profilul frontal similar cu cel utilizat în test, s-a introdus
un fișier de tip „mesh” (reţea de triughiuri), disponibil în PC-Crash cu profilul frontal al
autovehiculului.
În urma simulării testului experimental s-a constatat că cinematica pietonului este
similară cu cinematica mișcării DAT-ului utilizat în cadrul testului experimental.
7.2.2. Simularea testului experimental 3
Pentru efectuarea simulării testului experimental 3, ca parametrii de intrare s-au introdus
valorile utilizate în cadrul testelor experimentale.
În mod analog cu prima simulare realizată, s-a importat un profil a autovehiculului de tip
mesh, astfel încât acesta să ofere o suprafață de contact dintre autovehicul și pieton asemănătoare
cu cea utilizată în testul experimental.
67
Analizând comparativ mișcarea obținută în urma simulării cu cea din cadrul
experimentului, s-au putut observa elemente comune ale cinematicii mișcării.
7.3. Validarea sistemului multi-corp virtual Pentru validarea sistemului virtual s-au urmărit ca parametrii privind accelerația liniară
respectiv cea unghiulară a capului, precum și distanțele de aruncare a pietonului să fie
asemănătoare cu cele obținute în cadrul experimentului.
În urma analizei diagramelor de accelerații unghiulare respectiv liniare obținute s-a
constatat că gradul de eroare între valorile obținute în urma simulării în comparație cu cele
obținute în testele experimentale au fost mici. De asemenea, distanțele de proiectare ale
pietonului au fost apropiate de cele obținute în urma testelor experimentale. Aceste diagrame
sunt prezentate și discutate în detaliu în cadrul tezei de doctorat.
7.4. Aspecte privind proiectarea și importarea profilurilor frontale
utilizate în cadrul studiului În vederea realizării studiului privind parametrii determinanți care influențează
accelerațiile la nivelul capului pietonului s-au modificat , din punct de vedere al profilului
frontal, autovehicule din diferite clase, conform clasificării autovehiculelor realizată de NHTSA.
Metodologia de testare a profilurilor frontale a autovehiculului este prezentată în Fig. 7.1.
Fig. 7.1. Metodologia de testare a profilurilor frontale a autovehiculelor
Proiectarea autovehiculelor 3D a fost realizată în cadrul programului Autodesk Inventor
2013, iar simularea impactului cu pietonul utilizând aceste profiluri a fost realizat în programul
PC-Crash 11. Testarea profilurilor modificate cu ajutorul programului CAD s-a realizat prin
simularea în condiții identice expuse în sub-capitolul de validare a sistemului multi-corp virtual
(sub-capitolul 7.3).
Un prim pas în vederea modificării autovehiculelor din fiecare clasă, a fost determinarea
unui profil ”standard”, prin măsurarea parametrilor de interes a diferitor autovehicule deja
existente pe piață, și realizarea mediei acestor parametrii. Parametrii de interes sunt următorii:
înălțimea BLE (P1), lungimea capotei (P2), raza BLE (P3), înclinația capotei (P4), respectiv raza
capotei (P5). În determinarea parametrilor geometrici ai profilului ”standard” a autovehiculelor
s-au măsurat 10 autovehicule corespondente fiecărei clase analizate, ca ulterior să se facă media
aritmetică a valorilor acestor parametri. În procesul de măsurare a vehiculelor, s-a constatat că
mai mult de 40% din vehiculele măsurate au avut parametrii de interes cu valori foarte apropiate
de valorile standard determinate. Variația parametrilor în procesul de modificare a profilurilor
”standard” s-a realizat în conformitate cu intervalele de valori obținute în urma măsurării. Aceste
intervale de valori ale parametrilor măsurați sunt prezentate în Tabelul 7.1. Tabelul 7.1. Intervalele parametrilor măsurați pentru fiecare clasă de autovehicule