Önden çarpmalarda thor mankeninin kinematiğinin değerlendirilmesi

Araç güvenliği tasarımı, trafik kazalarında sürücü ve yolcuları korumak ve ağır yaralanmalardan korumak için gerekli olan en önemli parametrelerden biridir. Her geçen gün, hızlı nüfus artışına bağlı olarak trafikteki araç sayısı ciddi bir şekilde artmaktadır. Bu noktada hızlı nüfus artışı neyi ifade etmektedir? Nüfus artışı, ulaşımın insanlar açısından daha fazla gerekli olacağını göstermektedir. Bu nedenle trafik kazalarının artma ihtimaline karşı sürücü veya yolcuların yaralanma riski azaltılmalı ve kontrol altına alınabilmelidir. Kazalardaki yaralanma risklerini azaltmak için ise, ilk etapta üretilen araçların belirli bir güvenlik seviyesini sağlaması gerekmektedir. Bu güvenlik seviyeleri regülasyon kuralları olarak tanımlanmaktadır. İlk defa üretilip, müşteriye satılacak araçlar test edilip, onay aldıktan sonra müşteriye satılabilir duruma gelmektedir. Amerikan karayolları güvenliği enstitüsü, trafik kazalarını; araç tipi, çarpışma yönü ve kazalardaki kazaya dahil olan araç sayısına göre araştırmaktadır. Rapor, hem tek araç içeren kazaların hem de birden fazla araç içeren kazaların yaklaşık yarısının önden çarpışma olarak gerçekleştiğini belirtmektedir. Yandan çarpma oranı ise önden çarpışmalardan sonra gelen kaza tipi olarak raporlanmakta ve çoğunlukla birden fazla aracın dahil olduğu kaza tiplerinde görülmektedir. Aynı kurumun bir başka raporunda ise binek araçlarda kaza sırasında ölüm oranları %40 oranında azaldığı raporlanmıştır. Bu sonuç araç güvenliğinin 1975'ten 2015'e kadar geçen süreçte ciddi iyileşmeler sağladığını göstermektedir. Diğer taraftan, pickup ve Sport Utility Vehicle (SUV) tarzındaki araçlarda meydana gelen kazalar incelendiğinde, gerçekleşen ölüm oranlarının, binek araçlara göre 80% daha düşük olduğu görülmektedir. Bu oran günümüzde SUV araçlarının neden daha çok tercih edildiğini destekleyici niteliktedir. Özel araç güvenliği değerlendirme merkezleri ve otomobil üreten firmalar, aktif güvenlik sistemleri dışında pasif güvenlik sistemleri üzerinde de araştırmalara devam etmektedirler. Aktif güvenlik parçaları kaza gerçekleşmeden önce kazayı önlemek amacı ile çalışan parçalardır. Bu parçalara örnek vermek gerekirse kör nokta uyarı sistemi ve şerit takip sistemi aktif güvenlik sistemlerindendir. Kaza gerçekleştikten sonra ise yaralanma durumunu en aza indirebilmek için ise pasif güvenlik sistemleri devreye girmektedir. Hava yastığı ve emniyet kemerleri pasif güvenlik alanında ana araştırılan parçalardır. Hava yastığında bulunan hava çıkış delikleri ve emniyet kemerlerinde yük sınırlayıcılarının seviyeleri üzerine, kompleksite azaltımı veya güvenlik performansı testlerinde daha iyi sonuçlar elde edebilmek için çalışmalar yapılmaktadır. Amerika'daki ulusal karayolu güvenliği yönetimi, THOR ismi verilen yeni bir manken ve yeni bir test düzeneği üzerine çalışmaktadır. THOR mankeni, eski mankene göre daha gerçekçi kinematik ve yaralanma tahminleri yapabilmek üzerine geliştirilmiştir. Aynı zamanda yeni önerilen test protokolünde, düz duvara çarpma testinde sürücü kısmına, açılı olarak gelen bariyerin araca çarpma testinde ise hem sürücü hem de yolcu tarafında THOR mankeninin kullanılması planlanmaktadır. Gelmesi planlanan protokolde THOR mankeninin kullanılması ile daha detaylı yaralanma değerleri belirlenerek eski test ile karşılaştırıldğında daha detaylı ve zorlu değerlendirilmelerin yapılacağı belirtilmiştir. Avrupadaki testlerde ise kullanılan manken değiştirilerek, mevcut mankene göre daha gelişmiş bir manken kullanılacaktır. THOR mankeninin göğüs bölgesi alınarak, göğüs ezilme değerlerinde daha hassas ölçümler alınabilecektir. Belden aşağısı kısım için ise mevcut mankenin parçaları kullanılmaya devam edilecektir. THOR ve eski manken arasındaki en büyük fark ise göğüs ezilme değerlerinin ölçüm sistemi olmuştur. Eski mankende tek bir noktadan ölçüm yapılırken, THOR mankeni ile göğüsün 4 farklı noktasından ölçüm yapılmaktadır. Bu 4 nokta insanlardaki 4. ve 8. kaburgaları temsil etmektedir. Bütün bu çalışmalar sonucunda THOR mankeni, insan kinematiğine daha fazla benzer çıktılar vermektedir. Araç üreticileri, araçlarını müşterilerinin ihtiyaçlarına göre tasarlamaktadırlar. Ergonomi, iç ve dış tasarımının yanı sıra aerodinamik, araç dayanımı ve araç güvenliği gibi özellikler markanın karakterini belirleyen özelliklerdir. Araç tasarımının ilk evresi bilgisayar programları kullanılarak gövde tasarımı ile başlamaktadır. Gövde tasarımı ise belirtilen "Noise Vibration Harshness" (NVH) limitleri, dayanım ve araç güvenliği hedeflerine göre yapılır. Araçlar müşteriye ulaştırılmadan önce devlet tarafından belirlenen regülasyon kurallarına tabi tutulur. Bu nedenle, araç tasarımlarının sınır değerleri regülasyon ile tanımlanmaktadır. Ayrıca özel kuruluşlar araçların özelliklerini değerlendirmek için testler yapmaktadırlar. New Car Assessment Program (NCAP) güvenlik testinde araçların içerisine yerleştirilen mankenler üzerinden okunan yaralanma değerlerine göre araçlara yıldız vermektedir. Araç tasarımı, sistemin girdisi olarak düşünülürse, manken üzerinden okunan değerler ise sistemin çıktısı olarak sınıflandırılabilir. Aracın kaza sırasındaki oluşturduğu ivme saptandıktan sonra sürücü ve yolcuyu korumak için pasif ve aktif güvenlik parçalarını belirleme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışma kapsamında bilgisayar programı ile değerlendirmeler yapılmıştır. Araç hyper crash programı ile modellenmiş olup, THOR mankeninin sonlu elemanlar modeli sürücü kısmına yerleştirilerek analizler yapılmıştır. Kurulan modelde yaklaşık olarak 4.865.000 eleman kullanılarak, radioss ismi verilen çözücü yardımı ile model sonuçları alınmıştır. Güvenlik sisteminin özelliklerini değerlendirmeye başlanmadan önce korelasyonu sağlanmış araç modeli kullanılmıştır. Test mankeni ile yapılan ilk analizin korelasyonunu kontrol etmek için mankenin göğüs bölgesindeki ivmelenme ve kemerden ölçülen kuvvet, test verileri ile karşılaştırılarak sürücülü modelde korelasyonu sağlanmıştır. Yeni gelecek olan test protokolündeki önden düz duvara çarpma test düzeneğinde, THOR mankeni üzerinden göğüs ezilme miktarlarının kontrol edilmesi çalışmanın amacı olarak belirlenmiştir. Bunun nedeni, THOR ve Hibrit III manken arasındaki büyük farkla açıklanabilir. Göğüs ezilmeleri dört noktadan ölçülür ve sensörlerdeki dönme miktarları THOR dummy'de hesaplamaya dahil edilir. Hibrit III mankeninde, göğüs ezilmesi bir noktadan ölçülür ve sensörün dönmesi hesaplamaya dahil değildir. THOR mankenindeki bu gelişmeler manken kinematiğinin artık daha da önemli olduğunu göstermektedir. Bu güncellemelere göre, pasif güvenlik parçalarını THOR mankeni ile yeniden test etme ihtiyacını doğurmuştur. Yeni önerilen US-NCAP testinde, ölçülen göğüs ezilmelerinde, her nokta için ayrı limitler tanımlanmıştır. Bu nedenle, en düşük değerleri elde etmek için güvenlik parçalarının parametreleri değiştirilerek kontroller yapılmıştır. Emniyet kemerinin yük sınırlaması değiştirilerek 6 farklı kemer tipi oluşturulmuştur. İkinci olarak, kemer genişliği daha eşit yük dağılımı için 50 mm'den 75 mm'ye çıkarılmıştır. Üçüncü olarak, kemer üst noktasının konumu kontrol edilerek, x ve z yönlerinde hareket ettirilmiştir. Kemer üst noktası x ekseninde hareket ettirilirken B sütununun sınırlarını aşmayacak şekilde hareket ettirilmiştir. Dördüncü bir deneme olarak, kemerin toka pozisyonu kendi yönünde hareket ettirilerek manken üzerine etkisine bakılmıştır. 4 noktalı kemer kullanımı, kemer sisteminin son denemesi olarak test edilmiştir. Ek olarak, diz hava yastığı ve sürücü hava yastığının sertlik değişiminin manken kinematiği açısından kontrolü yapılmıştır. Tüm denemelerin sonuçları sol üst, sağ üst, sol alt ve sağ alt göğüs ezilme değerleri olarak raporlanmıştır. Yük sınırlayıcı seviyelerinin azaltılması, göğüs ezilme değerlerinin azaltılmasına yardımcı olur. Ancak 4 bölgeden alınan ölçümlerde farklı gelişmeler gözlemlenmiştir. En düşük yük sınırlayıcıda yaklaşık 18% azalma elde edilmiştir. Ancak yük sınırlayıcı seviyesinin düşürülmesi kafa hızlanmalarını arttırır. Bu nedenle, göğüs ve HIC değerleri için optimum tasarım seçilmelidir. Bu kapsamda il başta mankeni sıkı bir şekilde tutup enerjisini absorbe ettikten sonra düşük seviyede yük sınırlayıcı kemer tipi tercih edilmiştir. Kemerin kalınlığının arttırılması ile, sol üst ve sağ alt bölgelerdeki göğüs ezilmelerinde yaklaşık olarak 7% oranında azalma elde edilmiştir. Sol üst ve sağ alt sensörler kemerin pozisyonuna göre tam altında kalmaktadır. Böylece, artan kemer genişliği, yükleri eşit olarak dağıtmaya yardımcı olur. Diğer denemelerde, kemer üst noktasının aracın arkasına ve üst yönüne doğru hareket etmesi, göğüs ezilmelerini azaltmaya yardımcı olmuştur. Kemer üst noktasının konumunun değiştirilmesi ile kemerin manken üzerinde pozisyonlanması değişmektedir. Kemer üst noktası aşağıya ve aracın önü yönünde hareket ettirildiğinde, kemerin omuzdan kayma yönüne doğru hareket etmesi ile göğüs ezilme değerlerinde azalma görülmemiştir. Üst nokta yukarı ve aracın arkasına doğru hareket ettirildiğinde kemer daha düzgün pozisyonlanarak daha eşit yük dağılımı gerçekleşmiş olup ezilme değerleri azalmıştır. Değerlendirmelerde 4 noktalı kemer kullanılması ile de göğüs ezilme değerlerinde azalma gözlenmiştir. 4 Farklı noktadan mankenin eşit yüklerle tutulması ezilme değerlerinin iyileşmesine katkı sağlamıştır. Fakat hava yastığı denemelerinde beklenen iyileşmeler gözlemlenememiştir. Diz hava yastığı, ilk etapta mankenin enerjisini sönümlemiş olup daha sonrasında dönme yönünde bir kinematiğe sebep olmuştur. Bu kinematikten dolayı kemere yüklenme artarak, daha fazla göğüs ezilme değerlerine sebep olunmuştur. Sürücü hava yastığının yumuşatılması veya sertleştirilmesi denemelerinde de iyileşmeler gözlemlenememiştir. Son olarak, kemer ve hava yastığı iterasyonları, US-NCAP kapsamında önden çarpma testinde THOR mankeni ile kontrol edilmiştir. Bu çalışmada, herhangi bir gövde parçası değiştirilmeden testler tamamlanmıştır. Bu kabul ile, her tasarım iterasyonunun aynı kaza ivmelenmesinde test edildiğini göstermektedir. En iyi iterasyonlar birleştirildiği durumda, sol üstte 14%, sağ üstte 6%, sol altta 9% ve sağ alt sensörde 29% azalma görülmüştür. En iyi durumda, kullanılan emniyet kemeri, D ile belirtilen kemer olup 75mm genişliğindedir. Kemer tokası 30 mm ileriye doğru kendi ekseninde ilerletilmiştir ve kemerin üst noktası ise x ve z yönlerinde 50 mm hareket ettirilmiştir. İleride yapılacak çalışmalar kapsamında yolcu tarafı için pasif güvenlik parçaları ile iterasyonlar yapılarak THOR mankenindeki yaralanma değerleri kontrol edilebilir. Ayrıca, yeni yaralanma kriterleri için açılı önden bariyer çarpma modu THOR mankeni ile değerlendirilerek dizayn çalışmaları yapılabilir.