Impaktory pro nohy: Od kotníku po stehno

V předchozím článku jsme vysvětlili, co jsou impaktory a proč jsou klíčovým nástrojem při testech ochrany chodců. V tomto díle se zaměříme na impaktory simulující dolní končetiny chodce – tedy oblast od kotníku po stehno. Právě nohy jsou totiž při střetu s vozidlem často zasaženy jako první. Pro dospělé chodce proto představují jednu z rizikových oblastí z hlediska zranění.

Proč jsou zranění nohou tak častá?

Při srážce vozidla s chodcem zasáhne nárazník spodní část nohy. Tělo chodce se vychýlí a dochází ke kontaktu pánve, trupu a hlavy s vozidlem. Dolní končetiny přitom absorbují velkou část energie nárazu, což často vede ke zlomeninám kostí, poškození kolenních vazů nebo poranění pánve – a často dochází k trvalým následkům. Proto vývojáři v rámci zkoušek ochrany chodců věnují velkou pozornost konstrukci nárazníku a přední části vozidla. A právě zde hrají klíčovou roli impaktory pro dolní končetiny.

Impaktor pro horní část nohy (Upper Legform Impactor)

Impaktor stehna, neboli horní nohy, se používá k hodnocení interakce mezi vozidlem  (horní částí nárazníku nebo přední hranou kapoty) a horní částí nohy. Je tvořen několika základními částmi:

• ocelovou trubkou reprezentující stehenní kost,
• pěnovým obložením simulujícím svalovou tkáň,
• systémem senzorů měřicích síly a ohybové momenty.

Celková hmotnost této makety bývá nejčastěji 10,5 kg, podle použitého předpisu. Zajímavostí je, že jde o jediný impaktor v testech ochrany chodců, který je během zkoušky mechanicky vedený. Ty ostatní mají alespoň část trajektorie ve volném letu. 

Běžně se používá ve spotřebitelských testech Euro NCAP. V evropských homologačních předpisech standardních automobilů sice není povinný, výrobci jej však využívají pro zkoušky dodatečně namontovaných tzv. ochranných rámů. Modernější impaktory (např. Flex PLI) zatím nedokážou plně nahradit měření zatížení stehenní kosti, které poskytuje tento impaktor pro horní část nohy.

Impaktor pro spodní část nohy (Lower Legform Impactor): TRL, Flex PLI, aPLI

Cílem testu je především hodnocení nárazníku vozidla a jeho interakce s nohou chodce. Při testu je impaktor vystřelen směrem k nárazníku rychlostí přibližně 11,1 m/s (cca 40 km/h) a přesnost zásahu musí být dle předpisu v toleranci 10 mm. 

Vývoj impaktorů spodní části nohy

První verze impaktoru pro spodní část nohy, označovaná jako LLEG (TRL Lower Legform), vznikla už v 80. letech v britské laboratoři a postupně se stala standardním testovacím nástrojem. Ukázalo se však, že její biomechanická podobnost s lidskou nohou je omezená a dokáže zachytit jen část typických poranění. 

Proto byl vyvinut modernější Flex PLI s pružnější konstrukcí a větším množstvím senzorů, které umožňují měřit ohyb i zatížení na více místech končetiny a přesněji popsat možná zranění. Tento typ je používán v homologačních testech, zatímco ve spotřebitelských testech Euro NCAP je již nahrazen ještě pokročilejším impaktorem aPLI, který kromě rozšířené senzoriky disponuje také přidanou hmotovou částí simulující vliv trupu. 

TRL Lower Legform Impactor 

Nejstarší impaktor spodní nohy, který se dnes v Evropě již téměř nepoužívá, tvoří dvě tuhé části reprezentující stehno a holeň, které jsou spojeny ohebným kolenním kloubem (ocelové destičky na jedno použití). Celá konstrukce je obalena pěnovou vrstvou simulující svalovou tkáň a pružnou „kůži“. Celková hmotnost makety je přibližně 13,4 kg. 

Během kontaktu senzory zaznamenávají:

• ohyb a posun v kolenním kloubu,
• zrychlení v holeni.

Tyto hodnoty se následně porovnávají s limity definovanými v homologačních předpisech a programech hodnocení bezpečnosti.

Flex PLI – Flexible Pedestrian Leg Impactor

Další impaktor dolní nohy, označovaný jako Flex PLI, představuje novější řešení, které se z biomechanického hlediska výrazně více přibližuje chování lidského těla. To je dáno několika konstrukčními změnami – holeň i stehno jsou tvořeny pružnými nosníky vsazenými do plastových segmentů a v oblasti kolene jsou jednorázové kovové destičky nahrazeny soustavou silných ocelových lan a pružin. Hmotnost impaktoru zůstává obdobná jako u starší varianty, konkrétně 13,2 kg.

Senzory při zkoušce zaznamenávají:

• ohyb kostí (holeň – vyhodnocuje se, stehno – pouze monitoring hodnot),
• posuny a ohyb v koleni (čtyři potenciometry v oblasti kolenních vazů),
• zrychlení v koleni.

Vybrané hodnoty ze snímačů se porovnávají s limity aktuálních homologačních předpisů (EHK 127), na jejichž základě se rozhoduje o schválení vozidla pro běžný provoz.

aPLI – advanced Pedestrian Legform Impactor

Nejnovější impaktor dolní nohy, označovaný jako aPLI, je osazen větším počtem snímačů a z biomechanického hlediska se ještě více přibližuje reálné lidské noze. Konstrukčně vychází z Flex PLI, na první pohled však zaujme výraznou hmotou v horní části impaktoru. Tato výkyvná část simuluje vliv pánve a trupu při nárazu do přední části vozidla. Jeho celková hmotnost tak vzrostla na 24,7 kg.

Senzorická výbava vychází z předchozí verze a je dále rozšířena. Během testu se sledují:

• ohyb kostí (vyhodnocuje se holeň i stehno),
• posuny a ohyb v koleni,
• zrychlení v koleni,
• zrychlení v oblasti pánve a úhlové rychlosti pánve (bez stanovených limitů v předpisu).

Výzvy při testování dolních končetin

Simulace nárazu do lidské nohy je technicky náročná. Lidská končetina je komplexní biomechanický systém složený z kostí, vazů, svalů a kloubů – a její chování při nárazu je obtížné přesně napodobit. Vývoj impaktorů proto neustále pokračuje. Moderní verze se snaží například:

• lépe simulovat pružnost kostí a vazů,
• přidat další senzory pro detailnější měření,
• doplnit hmotnost v horní části tak, aby odpovídala zatížení od trupu při reálné srážce.

Pro přesnost výsledků je klíčové také dodržování přísně standardizovaných testovacích podmínek – například přesné rychlosti, přesnosti zásahu, svislosti impaktoru před dopadem, stabilní teploty, vlhkosti a podobně. 

Jak probíhá testování v AURELu?

AUREL provozuje jedinou zkušebnu ochrany chodců v České republice. Příprava testu s impaktorem nohy vyžaduje velmi přesné zaměření testovací zóny na přední části vozidla. Inženýři musí určit výšku a polohu jednotlivých konstrukčních prvků, zkontrolovat geometrii vozidla v souřadném systému a nastavit impaktor do přesného úhlu nárazu tak, aby každý testovací bod odpovídal požadavkům metodiky.

Důležitou součástí přípravy je také kontrola dynamické odezvy impaktoru. Ověřuje se, zda jeho mechanické vlastnosti odpovídají předepsaným standardům, protože bez této validace by výsledky testu nebyly spolehlivé. Samotný test zahrnuje přesné nastavení impaktoru, jeho zatížení a následnou detailní analýzu naměřených sil a momentů. Tyto údaje umožňují vyhodnotit zatížení jednotlivých částí nohy a posoudit, zda je možné impaktor po nárazech nadále používat pro další testy.  

Klíčový nástroj pro vývoj bezpečnějších vozidel

Impaktory pro dolní končetiny umožňují výrobcům testovat a optimalizovat konstrukci nárazníků a přední části vozidla tak, aby při střetu s chodcem minimalizovaly riziko vážného zranění. Laboratoř AUREL je využívá při homologačních i vývojových testech a propojuje výsledky fyzických zkoušek s numerickými simulacemi. V příštím článku série se zaměříme na další důležitou oblast ochrany chodců – impaktory simulující náraz hlavy.

Chcete vědět, jak vaše vozidlo obstojí v testech ochrany chodců? Napište nám a získejte více informací o testování impaktory dolních končetin.