クランプルゾーン

クラッシャブルゾーン、クラッシュゾーン、^[1]またはクラッシュゾーンは、車両、主に自動車に使用される構造上の安全機能であり、制御された変形によって衝突時の衝撃から速度（および結果として運動量）の変化が発生する時間を長くするために使用されます。近年では、電車や鉄道車両にも組み込まれています。^{[2] [3] [4] [5]}

衝撃吸収ゾーンは、乗員に加わる平均力は、その力が加わる時間と反比例するため、運動量の変化による合計力が乗員に加わる時間を長くするように設計されています。この物理現象は、次の式で表すことができます。

${\displaystyle F_{\text{avg}}\Delta t=m\Delta v}$

ここで、 は力、は時間、は質量、 は物体の速度です。SI単位では、力はニュートン、時間は秒、質量はキログラム、速度はメートル毎秒で測定され、結果として生じる衝撃はニュートン秒(N⋅s)で測定されます。 ${\displaystyle F}$${\displaystyle t}$${\displaystyle m}$${\displaystyle v}$

通常、クラッシャブルゾーンは正面衝突の衝撃を吸収するために車両の前部にありますが、車両の他の部分にもあります。英国自動車保険修理研究センターの車両の衝撃による損傷の発生場所に関する調査によると、65%が前面衝突、25%が後面衝突、5%が左側面、5%が右側面でした。^[6]一部のレーシングカーは、アルミニウム、複合材/カーボンファイバーハニカム、またはエネルギー吸収フォーム^{[7] [8]}を使用して、市販車のクラッシャブルゾーンよりもはるかに小さな容積と軽量で衝突エネルギーを分散する衝撃減衰器を形成します。 ^[1]一部の国では、高速道路の保守車両にも衝撃減衰器が導入されています。

2009年9月10日、ABCニュースのグッドモーニングアメリカとワールドニュースは、 2009年型シボレー・マリブと1959年型シボレー・ベルエア・セダンのオフセット正面衝突を米国道路安全保険協会が実施した 衝突試験を放映した。この試験は、1950年代の設計に対する現代の自動車安全設計の有効性、特に剛性の高い乗客安全セルと衝撃吸収ゾーンの有効性を劇的に実証した。^{[9] [10]}

クラッシャブルゾーンの概念は、もともとハンガリーのメルセデス・ベンツのエンジニアであるベーラ・バレニがメルセデス・ベンツに入社する前の1937年に発明し、特許を取得し、1952年にさらに発展させた形で登場した。 ^[11] 1953年のメルセデス・ベンツ「ポントン」は彼のアイデアを部分的に実現したもので、^[12]部分的な安全セルを形成するための強固で深いプラットフォームを備えており、1941年に特許を取得した。^[11]

1952年に認可されたメルセデス・ベンツの特許番号854157は、パッシブセーフティの決定的な特徴を説明しています。バレニは、安全な車は剛性がなければならないというそれまでの一般的な見解に疑問を投げかけました。彼は車体を、剛性があり変形しない乗員室と、前後の衝撃吸収ゾーンの3つのセクションに分割しました。^{[13] [14]}

この特許を利用して開発された最初のメルセデス・ベンツの車体は、1959年のメルセデスW111「テールフィン」サルーンでした。^[11]セーフティセルとクランプルゾーンは、主に縦方向メンバーの設計によって実現されました。これらは車両中央で真っ直ぐで、ボディパネルと剛性のある安全ケージを形成し、フロントとリアのサポートは湾曲しており、事故の際に変形して衝突エネルギーの一部を吸収します。^{[11] [15] [16] [17]}

最近の改良では、これらの湾曲した縦方向部材を垂直リブと横方向リブで弱めて、伸縮式の「クラッシュ カン」または「クラッシュ チューブ」変形構造を形成するようになりました。

クラッシャブルゾーンは、衝突エネルギーを管理し、車両の乗員の減速時間を増加させると同時に、客室への侵入や変形を防ぐことで機能します。これにより、車両の乗員を負傷からよりよく保護します。これは、犠牲となる車両の外側部分を制御された方法で弱める一方で、車体の内部を強化して剛性を高め、より多くの補強梁とより強度の高い鋼を使用することで客室を「セーフティセル」にすることで実現します。「セーフティセル」に到達した衝撃エネルギーは、変形を減らすために可能な限り広い領域に分散されます。ボルボは、1990年代初頭に SIPS（側面衝撃保護システム）を導入した際に、サイドクラッシャブルゾーンを導入しました。

車両と乗客や荷物を含むすべての内容物が高速で移動している場合、それらは慣性/運動量を持ち、その方向と速度で前進し続けます（ニュートンの第一運動法則）。^[19]衝突により剛性フレームの車両が突然減速した場合、拘束されていない車両内容物は慣性により以前の速度で前進し続け、重力により通常の重量の何倍もの力で車両の内部に衝突します。クランプルゾーンの目的は、衝突を遅くして乗員が減速する時間を長くし、一定時間内に乗員に与えられるピークの力を減らすことです。^[20]

シートベルトは、乗客がフロントガラスを突き破って飛ばされないように拘束し、エアバッグが作動する正しい位置にあり、また、乗員が減速する時間を長くします。シートベルトは、衝突時に伸びるように設計されているため、乗員の慣性エネルギーも吸収し、これもまた、乗員が減速する時間を長くします。^[21]要するに、クラッシャブルゾーン（およびその他の装置）により、より長い時間をかけてゆっくりと減速した乗員は、ほぼ瞬時に停止した硬くて損傷のない金属製の車体に間接的に衝突した乗員よりもはるかに多くの確率で生き残ります。この減速の違いは、人を壁に頭から叩きつけた場合（頭蓋骨が骨折）と肩から叩きつけた場合（肉に軽い打撲傷）の違いに似ています。腕は柔らかいため、壁に接触した瞬間に極めて高い圧力に対処しなければならない硬い頭蓋骨よりも減速するのに数十倍の時間がかかります。シートベルトは衝突時に乗員を拘束しながら伸びるため、衝突後に車両を修理して再び走行させる場合は、シートベルトを交換する必要がある。また、ほつれや機械的またはベルト取り付けの不具合などにより状態が悪化している場合も、シートベルトを交換する必要がある。ニュージーランドでは、摩耗した慣性リール式シートベルトは、遊びが少なく、古い車でより効果的な「ウェビング グラバー」タイプのベルトとのみ交換することが公式に義務付けられている。^[22]新しい車には、エアバッグの作動に合わせて作動する電子作動式プリテンション シートベルトが搭載されている。^[23]中古シートベルトの購入は、合法的な国であっても良い考えではない。衝突時にすでに伸びている可能性があり、新しいユーザーを適切に保護できない可能性があるからである。

乗員の体が車内、エアバッグ、またはシートベルトに衝突した後の最終的な衝撃は、内臓が慣性により胸郭または頭蓋骨に衝突する衝撃である。この衝撃の力は、多くの自動車事故が身体障害または生命を脅かす傷害を引き起こす原因である。他の原因としては、血管の断裂による骨格損傷や失血、または鋭い骨折による臓器や血管への損傷がある。一連の減速技術（クラッシャブルゾーン→シートベルト→エアバッグ→パッド入り/変形可能な内装）は、乗員の体の外側への衝撃のピーク力を、この力が伝達される時間を長くすることで軽減するシステムとして連携して機能するように設計されています。^[23]衝突時に人体の減速をわずか数十分の一秒でも遅くすると、伝達されるピーク力が大幅に減少します。^[14]

時々言われるクランプルゾーンに関する誤解^[要出典]は、車体の崩壊を許し、その結果、乗員が押しつぶされる危険があるため、車両の乗員の安全性が低下するというものです。実際、クランプルゾーンは通常、車体の前後 (剛性の「安全セル」を形成) に配置され、エンジン室またはトランクルームのスペース内に圧縮されています。クランプルゾーンを使用している現代の車両は、独立したシャーシフレームを使用し、クランプルゾーンを持たない古い車種や SUV よりも、クランプルゾーンと固体の静止物体を備えた他の車両に対する厳しいテストで、乗員に対してはるかに優れた保護を提供します。

クラッシャブルゾーンを備えた現代の車は、クラッシャブルゾーンのない SUV と事故を起こした場合、衝撃エネルギーのほとんどがクラッシャブルゾーンのある車に吸収されるため、被害が大きくなる傾向があります。ただし、「被害が大きい」車の方がダメージが大きいかもしれませんが、衝突による乗員への影響は少ない場合が多いです。クラッシャブルゾーンのない 2 台の車が衝突した場合、通常、少なくとも部分的に衝撃が緩和された衝突よりも、両方の車の乗員にとって危険が増します。^{[引用が必要]}

もう一つの問題は「衝撃の非互換性」で、SUVのシャシーレールの端の「ハードポイント」が車の「ハードポイント」よりも高いため、SUVが車のエンジンルームを「乗り越える」原因となる。^[18] この問題に対処するため、最近のSUV/オフロード車には、フロントバンパーの下に、車の低い位置にある衝撃吸収ゾーンに作用するように設計された構造が組み込まれている。^[24]ここに示されているボルボXC70の低レベルフロントセーフティクロスメンバー^[25]この機能に関するボルボのプレスリリース：「低い車を保護するための低いクロスメンバー：新しいボルボXC60のフロントサスペンションサブフレームには、従来の車のビームの高さに配置された低いクロスメンバーが追加されています。低いクロスメンバーは、対向車の保護構造に衝突し、意図したとおりに衝撃吸収ゾーンを作動させ、乗員に最大レベルの保護を提供します。」

バンパーの前面は、低速衝突、例えば駐車場での衝突などに耐え、車両に永久的な損傷が生じないように設計されている。これは、フロント エプロンなどの弾性要素によって実現されている。一部の車両では、バンパーにフォームまたは同様の弾性物質が充填されている。この設計面は、NCAP 衝突評価で歩行者衝突が試験体制に追加されたため、近年注目されている。歩行者衝突エリアの剛性支持構造の削減も設計目標にされている。

それほど深刻でない衝突（約 20 km/h まで）の場合、バンパーと外側のパネルの設計は、車両の衝撃吸収ゾーンと荷重支持構造の損傷を最小限に抑え、修理をできるだけ安価に行えるようにする必要があります。この目的のために、いわゆるクラッシュ チューブまたはクラッシュ ボックスがバンパーの取り付けに使用されます。クラッシュ チューブは中空の鋼鉄プロファイルで構成されており、プロファイルを巻き上げることで入射エネルギーを変換します。^{[引用が必要]}

1980年代初頭、ドイツの自動車メーカーは、航空宇宙産業や原子力産業向けに開発された技術を使用して、複雑なコンピュータ衝突シミュレーション研究を開始しました。有限要素法を使用して、個々の車体部品、部品アセンブリ、およびボディインホワイト（BIW）段階でのクォーターカーとハーフカーの衝突挙動をシミュレートしました。これらの実験は、ドイツの自動車メーカー7社（アウディ、BMW、フォード、メルセデスベンツ、オペル（GM）、ポルシェ、フォルクスワーゲン）の複合体であるForschungsgemeinschaft Automobil-Technik（FAT）による共同プロジェクトで最高潮に達し、2つの新しい商用衝突シミュレーションコードの適用可能性がテストされました。これらのシミュレーションコードは、乗用車構造全体の正面衝突を再現し（Haug 1986）、コンピュータ上で一晩で完了しました。 2 回の連続したジョブ送信 (コンピュータ実行) 間のターンアラウンド タイムが 1 日を超えなくなったため、エンジニアは解析された車体構造の衝突挙動を効率的かつ段階的に改善できるようになりました。ヨーロッパにおける衝突安全性の向上への取り組みは、1997 年にユーロ NCAPが誕生し、 F1モーター レースの安全性 に関する専門知識が取り入れられて以来、1990 年代以降加速しています。

2004 年型ピニンファリーナ Nido 実験用安全車両は、サバイバル セル内にクラッシャブル ゾーンを配置しています。これらの内部クラッシャブル ゾーンは、そりに取り付けられたサバイバル セルを減速させます。 ^[19]ボルボもこのアイデアを小型車に応用するべく開発を進めています。ボルボの運転席は、基本的にレール上の「そり」に取り付けられており、その前にはショック アブソーバーがあります。衝突時には、運転席とシートベルトを締めた運転者の「そり」全体が最大 8 インチ前方にスライドし、ショック アブソーバーが衝突のピーク衝撃エネルギーを分散させ、運転者の減速時間を延長します。同時に、ステアリング ホイールと運転者側のダッシュボードが前方にスライドして運転者のためのスペースを確保し、運転者は前方に投げ出されてシートベルトが伸びます。このシステムをフロント クラッシャブル ゾーンとエアバッグと組み合わせると、正面衝突時に運転者にかかる力を大幅に軽減できます。^[26]

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• 1959年のベルエアと2009年のマリブの衝突前と衝突後
• 自動車の衝撃吸収ゾーン
• クランプルゾーン（クランプルゾーンの仕組み）
• 衝突テストで生きた（または死んだ）人間の乗員が使用されたことはありますか? - Howstuffworks.com
• クラッシュテストの仕組み - Howstuffworks.com
• なぜ車両の衝突試験がまだ必要なのか? - Howstuffworks.com
• BBCニュース - 死者が生者を助けた方法
• 力、パワー、トルク、エネルギーの仕組み - Howstuffworks.com
• ベラ・バレニ – 安全の歴史 – メルセデス・ベンツ オリジナル
• 自動車事故における暴力の基本的な力学。物理学。工学。autoexpert.com.au の John Cadogan
• 衝突工学と安全設計 - engineeringclicks.com
• 特許番号 854157 オリジナルの「クラッシュゾーン」特許文書 (ドイツ語)