13. Системы пассивной безопасности
Для обеспечения безопасности, как пассажиров, так и остальных участников дорожного движения, автомобиль должен быть оборудован целым рядом систем. Важнейшими компонентами системы пассивной безопасности современных автомобилей являются:
травмобезопасная рулевая колонка;
травмобезопасный узел педалей;
система ремней безопасности с натяжителями, включая систему безопасности детей (ISOFIX);
активные подголовники;
система подушек безопасности (передние, боковые, коленные и головные (занавески));
устойчивый к деформации кузов с крышей соответствующей прочности и зонами деформации в передней, задней и боковой частях автомобиля (они защищают пассажиров путём целенаправленного поглощения энергии столкновения);
система защиты при опрокидывании на кабриолете;
аварийный выключатель АКБ;
изготовление травмобезопасных конструкций кузовов и применение при их изготовлении мягких материалов, например алюминия.
Рис. Компоненты система пассивной безопасности:
1 – аварийный выключатель АКБ; 2 – безопасный самооткрывающийся при столкновении капот; 3 – подушка безопасности переднего пассажира; 4 – боковая подушка безопасности переднего пассажира; 5 – боковая подушка безопасности переднего пассажира; 6 – активные подголовники; 7 – задняя правая подушка безопасности; 8 – левая головная подушка безопасности; 9 – левая задняя подушка безопасности; 10 – датчик удара задней подушки безопасности со стороны водителя; 11 – натяжитель ремня безопасности; 12 – боковая подушка безопасности водителя; 13 – датчик удара боковой подушки безопасности водителя; 14 – подушка безопасности водителя; 15 – коленная подушка безопасности; 16 – блок управления подушек безопасности; 17 – датчик удара фронтальной подушки безопасности водителя; 18 – датчик срабатывания пиропатрона капота; 19 – датчик удара фронтальной подушки безопасности переднего пассажира
Травмобезопасная рулевая колонка. При фронтальном наезде поперечная панель может смещаться, например, для автомобиля New Beetle 150 мм, прежде чем она упрется в рулевую колонку. В связи с этим в автомобилях применяется специальная травмобезопасная колонка 3 (рис.). При сильных ударах длина рулевой колонки сокращается в трех местах, предотвращая перемещение рулевого колеса вглубь салона.
Если поперечная панель 1 упирается в рулевую колонку, длина последней может сократиться на 50 мм. При направлении удара направлен снизу, длина рулевого вала 5 между шарнирами 4 может сократиться на 38 мм. В случае налегания водителя на надутую подушку безопасности, рулевая колонка сдвигается на 50 мм.
Рис. Травмобезопасная рулевая колонка автомобиля New Beetle:
1 – поперечная панель; 2 – рулевое колесо; 3 – рулевая колонка; 4 – карданные шарниры; 5 – рулевой вал
Травмобезопасный узел педалей. В легковых автомобилях для обеспечения травм от перемещения узла педалей может применяться коленчатая стойка 3 (рис.).
Рис. Травмобезопасный узел педалей:
1 – передняя часть салона; 2 – центральная труба; 3 – коленчатая стойка; 4 – толкатель главного тормозного цилиндра; а – состояние узла при обычных условиях движения; б – состояние узла при тяжелых фронтальных наездах
При тяжелых фронтальных наездах с сильными деформациями структуры кузова педаль тормоза отклоняется из зоны ног под действием коленчатой стойки 3 (рис., б). Этот эффект достигается в результате деформации передней панели салона 1, причем он не зависит от начального положения педали. При фронтальном наезде узел педалей смещается в направлении центральной трубы 2 остова кузова. В результате коленчатая стойка складывается и при дальнейшем перемещении перегибает толкатель 4 главного тормозного цилиндра. При этом опорная поверхность педали отводится в сторону на расстояние до 170 мм. Изгиб толкателя, происходящий с затратой энергии на деформацию деталей, используется для амортизации углового перемещения упирающейся в педаль ноги водителя. В результате существенно снижаются усилия, действующие на ногу.
Ремни безопасности с натяжителями
При скорости, например, 56 км/ч с момента столкновения с неподвижным препятствием до полной остановки автомобиля проходит около 150 миллисекунд. Водитель и пассажир автомобиля не успевают принять какие-либо меры за такой короткий промежуток времени. Они являются пассивным участником аварийной ситуации. За это мгновение должны активироваться: натяжители ремней безопасности; подушки безопасности; аварийный выключатель АКБ.
В условиях столкновения ремни безопасности должны демпфировать уровень энергии, который приблизительно равен кинетической энергии человека, падающего с высоты четвертого этажа многоэтажного здания.
Ввиду возможного ослабления ремня безопасности применяется натяжное устройство (натяжитель), которое компенсирует это ослабление.
Натяжитель ремня безопасности сматывает ремень безопасности при столкновении в обратном направлении. Это помогает уменьшить свободу прилегания ремня безопасности (зазор между ремнём безопасности и телом). Таким образом, с помощью ремня безопасности заранее предотвращается перемещение пассажира вперёд (относительно движения автомобиля).
На автомобилях применяются, как натяжители диагональной ветви ремня безопасности, так и натяжители пряжечного типа. Применение обоих типов позволяет оптимально зафиксировать пассажира, так как в этом случае система оттягивает назад пряжку, таким образом одновременно натягивая диагональную и поясную ветви ремня безопасности. На практике в основном устанавливаются натяжители первого типа.
Натяжное устройство ремня безопасности улучшает степень натяжения и повышает защиту против выскальзывания из-под ремня. Это достигается за счет немедленного срабатывания натяжного устройства ремня безопасности во время первоначального удара. Максимальное перемещение водителя или пассажира в переднем направлении должно равняться приблизительно 1 см, а продолжительность процесса механического натяжения должно составлять 5 мс (максимальное значение – 12 мс).
Кроме механических натяжных устройств в настоящее время многие производители оборудуют автомобили пиротехническими натяжителями (рис. 13.25).
Рис. 13.25. Пиротехнический натяжитель:
1 – ремень безопасности; 2 – пиротехнический патрон; 3 – поршень
Они срабатывают, когда встроенный в систему датчик, регистрирует превышение ранее заданного порога замедления, свидетельствующего о начале столкновения. При этом включается детонатор пиротехнического патрона. При взрыве патрона выделяется газ, давление которого действует на поршень, соединенный с ремнем безопасности. Поршень быстро перемещается и натягивает ремень. Обычно время срабатывания устройства составляет не более 25 мс после начала удара.
Чтобы избежать превышения нагрузки на грудь, такие ремни имеют ограничители усилия натяжения. Ограничители работают следующим образом: вначале достигается максимум разрешенной нагрузки, после чего механическое устройство позволяет пассажиру продвинуться вперед на некоторое расстояние при поддержании нагрузки на постоянном уровне.
В зависимости от конструкции и принципа действия различают следующие типы натяжителей ремней безопасности:
тросовый натяжитель ремня безопасности с механическим приводом;
шариковый натяжитель;
роторный натяжитель;
реечный натяжитель;
ленточный натяжитель.
Тросовый натяжитель ремня безопасности. Натяжитель ремня безопасности 4 и автоматический механизм смотки ремня безопасности 9 являются одним узлом (рис.). Система подвижно закреплена в защитной трубке 1 на колпачке подшипника аналогично вертикальному маятнику. На поршне закреплён 3 стальной трос 11. Трос смотан и установлен над защитной трубкой в барабан 8 для троса.
Модуль натяжителя состоит из следующих элементов:
датчики в виде системы «пружины – массы»;
газогенератор с пиротехническим выталкивающим зарядом 10;
поршень 3 со стальным тросом в трубке.
Рис. Тросовый натяжитель:
1 – защитная трубка; 2 – трубка; 3,12 – поршень; 4 – ремень безопасности; 5 – отбойная пластина с ударным штифтом; 6 – зубчатое кольцо вала; 7 – зубчатый сегмент; 8 – барабан; 9,18 – механизм смотки ремня безопасности; 10,15 – ударная пружина; 11 – стальной трос; 13 – пружина датчика; 14 – кронштейн датчика; 16 – газогенератор; 17 – болт датчика; а – воспламенение; б – натяжение
Если замедление автомобиля при столкновении превышает определённое значение, то пружина датчика 13 начинает сжиматься под действием массы датчика. Масса датчика состоит из кронштейна датчика 14, газогенератора 16 с пиротехническим выталкивающим зарядом, ударной пружины 15, поршня 3 и трубки 2.
Если кронштейн 14 переместился на расстояние, превышающее норму, газогенератор 16, удерживаемый в состоянии покоя с помощью болта датчика 17, высвобождается в вертикальном направлении. Натянутая ударная пружина 10 выталкивает его по направлению ударного штифта в отбойной пластине. При столкновении газогенератора с ударным штифтом происходит воспламенение выталкивающего заряда газогенератора.
В этот момент газ выталкивается в трубку 2 и перемещает поршень 3 со стальным тросом 11 вниз. При первом движении троса, намотанного на муфту, зубчатый сегмент 7 сдвигается под действием силы ускорения радиально с барабана по направлению наружу и входит в зацепление с зубчатым кольцом вала 6 механизма смотки ремня безопасности 9.
Шариковый натяжитель ремня безопасности состоит из компактного модуля, в который наряду с распознавателем пристёгнутого ремня безопасности также входит ограничитель усилия натяжения ремня безопасности (рис.). Механическое срабатывание происходит только тогда, когда распознаватель пристёгнутого ремня безопасности определяет, что ремень безопасности пристёгнут.
Рис. Шариковый натяжитель:
1,10 – зубчатое колесо; 2, 11 – баллон для шариков; 3 – приводной механизм (механический или электрический); 4,6 – пиротехнический выталкивающий заряд; 5,7 – ремень безопасности; 8, 12 – трубка с шариками; 9 – механизм смотки ремня безопасности; а – воспламенение; б – натяжение
Шариковый натяжитель ремня безопасности приводится в действие шариками. Шарики помещены в трубку 8. При столкновении по сигналу блока управления подушек безопасности воспламеняется выталкивающий заряд 6. На натяжителях ремней безопасности с электроприводом активацию приводного механизма производит блок управления подушек безопасности. При воспламенении выталкивающего заряда расширяющиеся газы приводят в движение шарики и направляют их через зубчатое колесо 10 в баллон 10 для сбора шариков.
Так как катушка ремня безопасности прочно соединена с зубчатым колесом, то она вращается при помощи шариков и ремень втягивается.
Роторный натяжитель ремней безопасности работает по принципу ротора. Натяжитель состоит из ротора 2, пиропатрона 1, приводного механизма 3 (рис.)
Рис. Роторный натяжитель:
1 – пиропатрон; 2 – ротор; 3 – приводной механизм; 4 – ремень безопасности; 5,9 – выпускной канал; 6,8, 10 – перепускной клапан; 7 – срабатывание первого пиропатрона; 11 – срабатывание второго пиропатрона; 12 – камера 1; 13 – срабатывание третьего пиропатрона; 14 – камера 2
Первый пиропатрон активируется с помощью механического или электрического привода, при этом расширяющийся газ вращает ротор (рис. ,а). Так как ротор соединён с валом ремня, то ремень безопасности начинает втягиваться.
По достижении определённого угла вращения ротор освобождает перепускной канал 10 ко второму патрону. Под действием рабочего давления в камере 1 воспламеняется второй патрон, благодаря этому ротор продолжает вращаться (рис.б). Сгоревший газ из камеры 1 выходит через выпускной канал 9.
При достижении второго перепускного канала 8 происходит воспламенение третьего патрона под действием рабочего давления в камере 2 (рис. в). Ротор продолжает вращаться и сгоревший газ из камеры 2 выходит через выпускной канал 5.
Для плавной передачи усилия на ремень применяются также различные передающие устройства реечного типа (рис. 13. 26)
Рис. 13.26. Реечный преднатяжитель ремня безопасности:
1 – демпфер; 2, 3, 4 – шестерни; 5 – ролик; 6 – торсионный вал; 7 – наружное кольцо обгонной муфты; 8 – поршень с зубчатой рейкой; 9 – пиропатрон; а – исходное положение; б – завершение натяжения ремня
Реечный преднатяжитель работает следующим образом. По сигналу блока управления подушками безопасности поджигается заряд пиропатрона. Под давлением образующихся при этом газов поршень с рейкой 8 перемещается вверх, вызывая вращение находящейся с ним в зацеплении шестерни 3. Вращение шестерни 3 передается на шестерни 2 и 4. Шестерня 2 жестко связана с наружным кольцом 7 обгонной муфты, передающей крутящий момент на торсионный вал 6. При повороте кольца 7 ролики 5 муфты заклиниваются между ним и торсионным валом. В результате вращения торсионного вала ремень безопасности натягивается. Натяжение ремня прекращается при достижении поршнем демпфера.
В более сложных системах пассивной безопасности кроме пиротехнический преднатяжителей ремня безопасности применяются реверсивный преднатяжитель ремня безопасности с блоком управления и адаптивный (отключаемый) ограничитель усилия натяжения ремня безопасности.
Каждый реверсивный преднатяжитель ремня безопасности контролируется отдельным блоком управления. В зависимости от команд, передаваемых по шине данных, блоки управления преднатяжителей ремней безопасности управляют подключенными исполнительными электродвигателями.
Реверсивные преднатяжители имеют три уровня усилия срабатывания:
1. малое усилие – выборка слабины ремня безопасности;
2. среднее усилие – частичное натяжение;
3. высокое усилие – полное натяжение.
Если блок управления подушек безопасности распознает легкое фронтальное столкновение, при котором срабатывания пиротехнического преднатяжителя ремня безопасности не требуется, он передает соответствующий сигнал, на блоки управления преднатяжителей ремней безопасности. Они дают команду на полное натяжение ремней безопасности исполнительными электродвигателями.
Вал электродвигателя (на рис. не показан) вращаясь, через зубчатую передачу приводит во вращение ведомый диск, который соединен с валом ремня безопасности двумя выдвижными крюками (рис.). Ремень безопасности наматывается на вал и натягивается.
Рис. Ремень безопасности с реверсивным преднатяжителем:
1 – зубчатая передача; 2 – крюк; 3 – ведомый диск
Если вал электродвигателя не вращается или слегка поворачивается в обратном направлении, крюки могут сложиться и освободить вал ремня безопасности.
Отключаемый ограничитель усилия натяжения ремня безопасности вступает в действие после срабатывания пиротехнических преднатяжителей. При этом стопорный механизм блокирует вал ремня, препятствуя сматыванию с него ремня под действием возможного воздействия инерции тел пассажиров и водителя.
Ограничители усилия натяжения ремней безопасности. Чтобы нагрузки, которые могут воздействовать на пассажиров при аварии, не были слишком большими, автоматические механизмы втягивания оснащены ограничителем усилия натяжения ремня безопасности. Ограничитель усилия натяжения ремня безопасности приотпускает при определённой нагрузке ремень безопасности, обеспечивая тем самым погружение пассажиров в уже раскрывшуюся подушку безопасности.
Самым простым техническим решением для ограничения усилия натяжения ремня безопасности является петлеобразно прошитый ремень безопасности (рис.). При слишком большом усилии натяжения ремня швы рвутся, и ремень безопасности становится длиннее. Он позволяет уменьшить усилие натяжения и снизить нагрузку, воздействующую на пассажиров.
Рис. Петлеобразный прошитый ремень безопасности:
1 – прошитая зона ремня безопасности; 2 – швы; 3 – зажим ремня
Более сложным является торсионный ограничитель усилия натяжения ремня безопасности (рис.). Таким ограничителем усилия натяжения ремня безопасности оснащаются шариковые, роторные, ленточные и реечные натяжители ремней безопасности.
С левой стороны катушка ремня безопасности 1, соединенная с торсионным валом 2, свободно вращается во внутреннем кольце зубчатого колеса. С правой стороны зубчатое колесо 4 соединено с торсионным валом. Для фиксации ограничителя предусмотрен стопор 6.
Усилие натяжения ремня безопасности ограничивается торсионным валом в катушке ремня безопасности. В зависимости от усилия натяжения ремня безопасности торсионный вал скручивается на больший или меньший угол, уменьшая тем самым пиковые нагрузки.
Рис. Торсионный ограничитель усилия натяжения ремня безопасности:
1 – катушка; 2 – торсионный вал 3 – ремень безопасности; 4 – зубчатое колесо; 5 – механизм смотки ремня; 6 – стопор
В современных автомобилях применяется система предупреждения о необходимости пристегнуть передние ремни безопасности. После включения зажигания блок управления подушками безопасности анализирует показания датчика замка ремня безопасности водителя, а также показания датчика замка ремня безопасности переднего пассажира, совместно с показаниями датчика занятости переднего пассажирского сиденья. Занятость переднего места пассажира блок управления распознает на основании величины сопротивления датчика занятости сиденья. Если водитель или передний пассажир не пристегнули ремни безопасности, то в комбинации приборов засветится контрольная лампа, сигнализирующая о необходимости пристегнуть ремень безопасности, и одновременно раздастся акустический сигнал.
Подголовники. Конструкция передних сидений рассчитана на снижение вероятности травмирования шейного отдела позвоночника. Различают активные и пассивные подголовники. В обеих системах риск травмирования шейного отдела позвоночника снижается за счёт того, что снижается ускорение головы относительно плеча при ударе сзади.
В пассивных системах уменьшение риска травмирования шейного отдела позвоночника достигается с помощью особой конструкции сиденья в целом, подголовников и отсутствия подвижных деталей между головой и подголовником.
Активный подголовник – это работающая по чисто механическому принципу система, которая при ударе сзади перемещает подголовник вперёд к голове, чтобы сократить расстояние между головой и подголовником (рис.).
Благодаря уменьшению относительного ускорения между плечами и головой существенно снижена опасность перелома шейных позвонков. При столкновении в заднюю часть автомобиля пассажир вдавливается в спинку сиденья. Эта сила передается через подушку сиденья на опорный щиток 1 в позвоночной области пассажира. Опорный щиток через рычажный механизм 2 связан с функциональным блоком «активный подголовник» 3 в верхней части спинки сиденья. При ударе опорный щиток в позвоночной области пассажира перемещается назад, при этом подголовник автоматически перемещается вперед. Как только давление тела на спинку снижается, натяжная пружина возвращает систему в исходное положение.
Рис. 13.30. Схема работы активного подголовника:
1 – опорный щиток; 2 – рычажный механизм; 3 – функциональный блок; а – в состоянии покоя; б – в рабочем состоянии
В качестве подголовников могут применяться специальные конструкции с определенным профилем и наполнителем (подголовники WOKS (Whiplash Optimized Head Restraint System)). При наезде сзади эти подголовники обеспечивают защиту от хлыстовой травмы благодаря особому профилю и зонам со специальным наполнителем, которые оптимально распределяют нагрузки (рис.).
Рис. Подголовник WOKS
Подушки безопасности. Наиболее эффективным элементом пассивной безопасности является применение систем надувных подушек безопасности (airbag) (рис. 13.27). Система надувных подушек безопасности в комплексе с диагонально-поясными инерционными ремнями безопасности в случае аварии при фронтальном столкновении обеспечивает дополнительную защиту головы и грудной клетки водителя и пассажира на переднем сидении и снижает вероятность тяжелых травм и гибели людей при авариях на 40%.
Рис. 13.27. Система надувных подушек безопасности (на примере Ауди A3):
1 – датчик удара боковой подушки безопасности за водителем (задняя стойка кузова); 2 – пиропатрон заряда газогенератора верхней подушки безопасности водителя; 3 – пиропатрон заряда газогенератора натяжителя ремня безопасности водителя; 4 – выключатель в замке ремня безопасности водителя; 5 – пиропатрон заряда газогенератора боковой подушки безопасности водителя; 6 – датчик удара боковой подушки безопасности со стороны водителя(передняя дверь): 7 – пиропатрон газогенератора подушки безопасности водителя; 8 – диагностическая розетка; 9 – щиток приборов с контрольными лампами ремней безопасности и подушек безопасности; 10 – блок управления двигателя; 11 – датчик удара фронтальной подушки безопасности водителя (левая передняя часть кузова); 12 – датчик удара фронтальной подушки безопасности переднего пассажира (правая передняя часть кузова); 13 – контрольная лампа отключения подушки безопасности переднего пассажира; 14 – выключатель для отключения подушки безопасности переднего пассажира, работающий от ключа; 15 – диагностический интерфейс шины данных (межсетевой интерфейс); 16 – пиропатрон первого и второго зарядов газогенератора подушки безопасности переднего пассажира; 17 – блок управления подушек безопасности; 18 – выключатель в замке ремня безопасности переднего пассажира; 19 – датчик наличия пассажира на переднем сидении; 20 – пиропатрон заряда газогенератора боковой подушки безопасности переднего пассажира; 21 – датчик удара боковой подушки безопасности со стороны переднего пассажира (передняя дверь); 22 – пиропатрон заряда газогенератора натяжителя ремня безопасности переднего пассажира; 23 – пиропатрон заряда газогенератора верхней подушки безопасности переднего пассажира; 24 – датчик удара боковой подушки безопасности за передним пассажиром (задняя стойка кузова); 25 – центральный блок управления систем комфорта; 26 – пиропатрон заряда газогенератора отключения аккумуляторной батареи
Автомобили, оснащенные системой airbag для водителя и пассажира переднего сиденья, можно отличить по надписи на мягкой панели рулевого колеса и на правой стороне панели приборов.
Основными элементами система являются набор инерционных электромеханических и электронных датчиков (3….5), пиропатроны газогенератора (источник энергии), подушки безопасности для водителя (в рулевом колесе) и пассажира (справа в панели приборов), устройство электронного контроля и управления, контрольную лампу на приборной панели.
Электромеханические ударные датчики работают по принципу обычного концевого выключателя – в трубке находится металлический шарик, который при резком ударе преодолевает сопротивление пружин и замыкает контакт, при этом образуется электрическая цепь, необходимая для работы системы.
В настоящее время вместо механических применяются электронные датчики. Такой датчик состоит из корпуса, блока обработки данных и микромеханического датчика ускорения, который может быть пьезоэлектрическим, конденсаторным или другого типа.
Датчик ускорения конденсаторного типа устроен, упрощенно выражаясь, как конденсатор (рис. 13.28). Отдельные пластины конденсатора закреплены неподвижно. Сопряженные с ними элементы являются подвижными и выполняют роль сейсмической массы. При столкновении сейсмическая масса, в данном случае подвижные пластины, перемещается в направлении к неподвижным пластинам и емкость такого конденсатора меняется. Блок обработки данных обрабатывает эту информацию, переводит ее в цифровой вид и передает данные в блок управления подушками безопасности.
Рис. 13.28. Схема работы датчика ускорения конденсаторного типа:
1 – неподвижная пластина; 2 – подвижная пластина; 3 – блок обработки данных; а – состояние покоя; б - столкновение
Вместо датчиков ускорения для распознавания столкновения отдельные производители автомобилей устанавливают датчики давления. С помощью этих датчиков достигается более быстрое обнаружение удара в область двери.
При боковом столкновении эти датчики удара измеряют мгновенное изменение атмосферного давления в дверях.
Существует два типа датчиков удара: ёмкостный и пьезоэлектрический датчик давления. Датчики обоих типов состоят из чувствительного элемента и электронной системы обработки данных, установленных в один корпус.
Пьезоэлектрический датчик удара. Чувствительный элемент пьезоэлектрического датчика состоит из герметичной полости, через которую проходит мембрана с пьезокристаллами (рис.).
Рис. Пьезоэлектрический датчик удара:
1 – мембрана; 2 – слой из пьезокристаллов; 3 – блок обработки данных; а – состояние покоя; б - столкновение
При ударе под воздействием давления мембрана деформируется, что вызывает смещение заряда в пьезокристаллах. Это смещение заряда расценивается электронной системой обработки данных как напряжение и передаётся в виде сигнала в блок управления подушек безопасности.
Ёмкостный датчик давления. Чувствительный элемент ёмкостного датчика давления сконструирован как конденсатор. В герметичной полости расположена первая пластина конденсатора (рис.).
Рис. Емкостной датчик удара:
1 – первая пластина конденсатора; 2 – вторая пластина конденсатора; 3 – блок обработки данных; а – состояние покоя; б - столкновение
Вторая пластина конденсатора представляет собой мембрану, проходящую через полость.Если на мембрану воздействует давление, то расстояние (d) между пластинами конденсатора изменяется. Это изменение обрабатывается электронной системой обработки данных, а затем передаётся в виде сигнала в блок управления подушек безопасности.
Инерционные датчики устанавливаются в бампере, в моторном отсеке, в стойках или в районе подлокотника. В память датчиков заложены просчитанные заранее параметры, которые для данной модели автомобиля означают превышение допустимого удара. В случае аварии датчики посылают сигнал на электронный блок управления. В большинстве современных систем фронтальные датчики рассчитаны на силу удара при скорости от 25…50 км/час, боковые могут срабатывать при более слабых ударах. От электронного блока управления сигнал поступает на основной модуль, который состоит из компактно уложенной подушки, соединенной с газогенератором.
Расплавляемая проволока или фронт пламени в пределах элемента зажигания (капсюля) приводят в возбуждение газогенераторы надувной подушки безопасности. В современных конструкциях срабатывание капсюля для зажигания газогенератора происходит от переменного тока с целью предупреждения возникновение короткого замыкания в электрической системе питания постоянного тока автомобиля (неисправности в электропроводке). Для создания переменного тока применяется конденсатор, включенный в конструкцию зарядного капсюля и подсоединенный последовательно в цепь возбуждения, который заряжается, разряжается или перезаряжается приблизительно с частотой 100 кГц.
В газогенераторе, называемом часто пиропатроном (таблеткой) диаметром 10 см и толщиной 1 см, используются кристаллы твердого топлива, при сгорании которого выделяется газ, заполняющий, а точнее, надувающий подушку. Топливом обычно выступает ядовитый азид натрия (NaN3), 45% массы которого при сгорании превращается в чистый азот, а остальное – в углекислый газ (СО2), окись углерода (СО), воду (Н2О) и твердые частицы. Электрический импульс поджигает пиропатрон или плавит проволоку и кристаллы превращаются в газ. Сигналом для срабатывания пиропатрона служит электрический импульс от датчиков удара (ускорения или давления), поступающих напрямую или через электронный блок. Хотя процесс сгорания и происходит быстро, он не носит взрывного характера. Сгорание происходит в 3 этапа: поджигание, возгорание для запала и горение рабочего заряда. В очень короткое время система развивает мощность до 60 кВт, но взрыва не происходит. Сгорание топлива и наполнение подушки объемом приблизительно 50…60 л для водителя длится 30…35 мс, подушка безопасности для пассажира объемом приблизительно 100…140 л устанавливается в зоне перчаточного отсека и наполняется приблизительно за 50 мс. Это время меньше времени моргания глаза, которое составляет 100 миллисекунд.
Для предотвращения травм от надувания подушки движущей со скоростью 200…300 км/час навстречу грудной клетке, современные подушки надуваются в два этапа: сначала примерно на 70 %, а при соприкосновении с телом полностью, для этого применяются двухступенчатые газогенераторы (рис. 13.29).
Благодаря радиальному распрямлению воздушного мешка и последовательному воспламенению зарядов в таких газогенераторах существенно снижается нагрузка, которая действует на водителя при аварии. В зависимости от тяжести и вида аварии промежуток между срабатываниями обоих пиропатронов может составлять примерно от 5 мсек. до 50 мсек. Срабатывают всегда оба заряда, для исключения случаев, когда после раскрытия подушки безопасности остается еще один не сработавший пиропатрон.
При аварии блок управления подушками безопасности дает команду на воспламенение первого заряда. Образующееся давление ускоряет поршень, который открывает газовый баллон. Выделяющийся газ наполняет и раскрывает подушку безопасности. В результате сгорания второго заряда в воздушный мешок поступает дополнительное количество газа.
Рис. 13.29. Пиропатроны с газовым баллоном:
1 – первый запал; 2 – первый заряд; 3 – шток с поршнем; 4 – защитная пленка; 5 – каналы подачи газа в подушку безопасности; 6 – газовый баллон; 7 – второй заряд; 8 – второй запал
Скорость наполнения подушки выбрана в соответствии с временем перемещения водителя (пассажира) при столкновении с подушкой. Сразу же после наполнения, но медленнее, за 200 миллисекунд подушка сдувается.
Оптимальное для обеспечения время наполнения подушки – 30…55 миллисекунд. Газ (азот или другой безопасный для человека) в подушку поступает через специальный фильтр. В развернутом состоянии подушка находится очень короткое время (до 1 с), так как газ через специальные отверстия быстро выходит в салон, чтобы подушка не задушила защищаемого пассажира.
Устанавливаются датчики в салоне, в передней части автомобиля, или в дверях, при этом их количество может колебаться от трех до десяти. На срабатывание датчиков влияет не только скорость автомобиля, но и характер столкновения (под каким углом, с каким препятствием). В то же время экстренное торможение с любой скорости не может заставить сработать датчик удара. На случай выхода из строя аккумулятора некоторые системы снабжены специальным конденсатором, который отдает накопленную энергию для открытия подушек безопасности.
Подушку изготавливают из нейлона толщиной 0,45 мм. Для герметичности внутреннюю сторону покрывают очень тонким слоем синтетической резины – неопреном или специальной силиконовой резиной. Современные подушки подразделяются на три типа: фронтальные, боковые и потолочные.
Наполнение подушек в салоне – а их обычно от 2 до 6 – сопровождается повышенным шумом, уровень которого иногда достигает 140 дБ, что опасно для барабанных перепонок. Для уменьшения шума срабатывают только нужные подушки, и то в разное время: например, через 20 миллисекунд после столкновения – водительская, еще через 17 миллисекунд – пассажирские. Причем если в салоне нет пассажиров, подушки безопасности не срабатывают, так как в сиденья устанавливают специальные датчики, фиксирующие наличие пассажиров.
В большинстве существующих в настоящее время конструкций используется электронный блок, который устанавливается в пассажирском салоне для координированного срабатывания систем защиты. Вычисления замедлений электронного блока срабатывания основаны на данных датчиков ускорения, используемых для контроля сил замедления, которые сопровождают столкновение автомобиля. Центральный электронный блок возбуждения должен отвечать требованиям: идентификации ДТП или столкновения, основанной на данных, получаемых от электронного датчика ускорения и механического «детектора безопасности» или от двух электронных датчиков ускорения (контроль с «полностью электронным распознаванием» со схемой резервирования); быстрого реагирования управляющих цепей, надувных подушек безопасности и натяжных устройств ремней безопасности, основанного на алгоритмах цифрового запуска специального назначения, в ответ на различные виды ДТП (лобовое столкновение, лобовое со смещением, столкновение или наезд под некоторым углом, наезд на опору и т. п.); стабильного напряжения и резервирования питания; избирательного срабатывания натяжного устройства ремня безопасности в соответствии с управляемым состоянием узла лента ремня - пряжка; определения двух порогов срабатывания в зависимости от того, действительно ли пользователь автомобиля использует ремень безопасности (высокий или низкий порог срабатывания интерфейса последовательной диагностики).
Для контроля исправности системы надувных подушек может применяться система контроля. При включении зажигания около 10 сек горит контрольная лампочка, которая должна затем погаснуть. Если лампочка не горит не гаснет или загорается во время движения это свидетельствует о неисправности системы.
Исследования специалистов свидетельствуют о том, что риск гибели пешехода при ударе о капот автомобиля, двигающегося со скоростью всего 40 км/ч, достигает 100%. Для решения этой проблемы компании активно работают над созданием подушек безопасности для пешеходов. Эта система защиты включает две подушки – большую, охватывающую переднюю часть автомобиля (бампер, радиаторную решетку, фары и кромку капота) и маленькую, которая размещается у лобового стекла, защищая голову пешехода. Опасное приближение к пешеходам и животным распознаются специальными датчиками. Открываться эти подушки будут непосредственно перед столкновением.
Надувные занавески. Модули надувных занавесок (рис.) расположены справа и слева над дверьми. Они спрятаны под обивкой крыши. Модули простираются от задних стоек кузова, на которых установлены их газогенераторы, до передних стоек.
Рис. Надувная занавеска
Каждая занавеска раздувается как одно целое, перекрывая боковые стекла. Модули надувных занавесок вступают в действие одновременно с расположенными на их стороне боковыми подушками безопасности. Надувные занавески полностью перекрывают боковые стекла и передние стойки, препятствуя проникновению в салон деталей кузова и осколков стекол. Надувная занавеска остается в раздутом состоянии не менее 5 секунд, защищая пассажиров от повторных ударов при переворачивании автомобиля.
Коленная подушка безопасности. При срабатывании подушек безопасности для ног пассажиры быстрее включаются в процесс замедления вместе с автомобилем. Таким образом, система фронтальных подушек безопасности вместе с подушками безопасности для ног позволяет снизить риск травмирования водителя и переднего пассажира. После срабатывания подушка безопасности разворачивается в пространстве между приборной панелью и ногами пассажира и водителя.
Рис. Коленная подушка безопасности
Безопасные клеммы АКБ. Длинный кабель, соединяющий батарею со стартером у автомобилей, в которых батарея устанавливается в багажнике или средней части автомобиля, может быть причиной пожара из-за его повреждения при аварии. Поэтому при срабатывании подушки безопасности с помощью пиропатрона производится отключение кабеля к стартеру и генератору от положительного вывода батареи. Питание остальной бортовой сети сохраняется, так как при аварии необходимо сохранение работоспособности аварийной сигнализации и освещения. Безопасные клеммы могут иметь прекращение подачи тока разрывом соединяющей перемычки, отстрелом штифта клеммы или иным способом.
В безопасных клеммах с разрывной перемычкой (рис. 7.7) при воспламенении пиротехнического заряда давление газа воздействует на находящийся на поршне палец, который разрывает соединение между контактами.
Рис. 7.7. Безопасная клемма с разрывной перемычкой:
1 – соединительный элемент с разрывной перемычкой; 2 – палец с поршнем; 3 – запал; а – разрывная перемычка в обычном состоянии; б – разрывная перемычка при срабатывании пиропатрона
В безопасных клеммах с отстрелом штифта (рис. 7.8) отключение кабеля от положительного вывода производится отсоединением его конического штифта 1 при срабатывании пиропатрона. Случайное возобновление соединения наконечника кабеля с выводом батареи предотвращается уловителем 1 с двумя захватами.
Рис. 7.8. Безопасная клемма с отстрелом штифта:
1 – конический уловитель; 2 – кабель, соединяющий плюсовую клемму со стартером; 3 – плюсовая клемма; 4 – пластмассовая оболочка; а – до срабатывания отстрела; после срабатывания отстрела
Управление пиропатроном и его диагностика производятся с помощью блока управления подушек безопасности.
Пиропатрон срабатывает при каждом раскрытии подушек безопасности, после этого его необходимо заменить.
Клеммы современных аккумуляторных батарей имеют встроенные микропроцессоры, способные измерять ток заряда-разряда, напряжение и температуру батареи. Эти данные передаются в центральный блок управления для решения отключения части незначимых потребителей, например подогрева сидений, в случае недостаточного зарядного тока генератора.
Безопасная конструкция кузова. Первоначальной целью конструкторов является проектирование такого автомобиля, чтобы его внешняя форма способствовала минимизации последствий основных видов ДТП (столкновения, наезды, и повреждение самого транспортного средства).
Наиболее тяжелым ранениям подвергаются пешеходы, которые наталкиваются на переднюю часть автомобиля. Последствия столкновения с участием легкового автомобиля могут быть уменьшены лишь конструктивными мерами, включают, например, следующие:
убираемые фары;
спрятанные заподлицо стеклоочистители;
заделанные заподлицо с панелями сточные желоба;
утопленные дверные ручки.
Определяющими факторами обеспечения безопасности пассажиров являются:
деформационные характеристики кузова автомобиля;
длина пассажирского отсека, объем пространства для выживания во время и после возникновения столкновения;
удерживающие системы;
зоны возможного столкновения;
система рулевого управления;
извлечение пользователей;
противопожарная защита.
Для защиты от ударов на легковых автомобилях имеются три различные области, которые в случае аварии должны принимать удар на себя. Верхней, средней и нижней поверхностями, принимающими удар на себя, являются, соответственно, крыша, боковая часть и днище автомобиля. Целью всех мер по защите от удара является минимизация деформации кузова, и следовательно, минимизация риска травматизма пассажиров при ударе. Это достигается за счет того, что возникающие при ударе силы целенаправленно действуют на конкретный компонент структуры кузова (рис. ). Таким образом, снижается коэффициент деформации деталей, на которые приходится удар, т.к. возникающие при этом силы распределяются по большей площади.
Рис. 13.2 Распределение сил при ударе:
а – боковой удар; б – лобовой удар
Одним из способов снижения безопасности при изготовлении кузовов является применение многофункциональных литые узлы имеющих оптимизированные по толщине и массе стенки, а также оптимизированную общую конфигурацию. Такие узлы изготовлены из алюминиевых сплавов и отливаются в вакууме. Эти детали обладают не только высокой прочностью, но и высокой пластичностью. Поэтому их используют преимущественно в составе узлов, заведомо деформируемых при ДТП, например, в виде лонжеронов, опор амортизаторных стоек, а также передних и центральных стоек кузова. Например, отливаемый в вакууме лонжерон (рис.) обладает рядом преимуществ по сравнению с лонжероном, изготовляемым по обычной технологии. Обе половины лонжерона оптимизированы по толщине стенок, а их конструкция и размещение ребер рассчитаны на строго определенные деформации. Места крепления подвески на нижних частях лонжеронов сконструированы так, что энергия удара расходуется прежде всего на деформацию лонжеронов, а не относительно жесткого подрамника. Обе литые части лонжерона образуют многофункциональную конструкцию: они воспринимают усилия с объединенной подвески двигателя и коробки передач, служат в качестве опор для домкрата и несут проушину для буксировки.
Рис. Передний лонжерон автомобиля Audi A2, установленный на болтах:
1 – лонжерон; 2 – подрамник
Наибольшие проблемы разработчикам систем пассивной безопасности доставляет боковой удар. Запас зоны деформации при боковом столкновении, в отличие от передней или задней части автомобиля, составляет незначительную величину всего 100…200 мм. Разработчики фирмы «Фореция» разработали механизм предотвращения последствий бокового удара (рис). Механизм начинает работать за 0,2 с до столкновения по коде специальных сенсоров. По команде контроллера уже через 60 мс удлиняется изготовленный из сплава с памятью (Shape Memory Alloy) стержень 2, установленный под сиденьями поперек кузова автомобиля, выдвигая стальной штырь почти до самой двери. Одновременно срабатывает механизм внутри двери, поворачивая в рабочее положение упор 3. Теперь при боковом ударе дверь не сможет вмяться внутрь кузова. Указанный механизм позволяет уменьшить деформацию двери внутрь кузова на 70 мм.
Работа механизма обратима, ведь в нем нет одноразовых пиропатронов. Если аварии не случилось, штанга укоротится до исходной длины, а пружина подтянет штырь обратно.
Рис. Механизм предотвращения последствий бокового удара:
1 – штырь; 2 – стержень; 3 – поворотный упор; 4 – возвратная пружина; а) – исходное состояние механизма; б) – рабочее состояние механизма
В процессе разработки кузова наряду с безопасностью пассажиров все большее внимание уделяется безопасности пешеходов. Снижение риска травматизма пешеходов или велосипедистов достигается путем применения соответствующих конструктивных технологий а именно: достаточное расстояние до жестких частей двигателя в подкапотном пространстве; оптимизация шарниров и внутренней поверхности капота; снижение вероятности травмирования ног пешеходов с применением деформирующих элементов, поперечин, рамок радиаторов и др. (рис. 13.3).
Рис. 13.3 Элементы кузова для защиты пешеходов:
1 – деформирующийся элемент; 2 – поперечина для защиты пешеходов; 3 – рамка радиатора
Многие производители применяют системы направленных на снижение нагрузок, действующих на пешехода при контакте с автомобилем. Последствия травам при наезде на пешеходов обеспечивают «мягкий» бампер и «подпрыгивающий» капот (рис.). Такая система предусматривает датчик касания пешехода, проложенный внутри пластикового бампера (поз.1). При наезде характер деформации датчика используется для выявления наезда на человека, чтобы избежать ложного срабатывания системы (поз. 2). Анализируя сигнал, блок управления дает команду на срабатывание двух пиропатронов, которые установлены по краям капота (поз. 3,4).
Срабатывая, пиропатроны поднимают заднюю кромку капота на 65 мм, увеличивая его прогиб и смягчая удар головы пешехода (поз. 5).
Рис. Безопасный «подпрыгивающий» капот
Особенностями пассивной безопасности легковых автомобилей с кузовом кабриолет, у которого отсутствует крыша, является защита пассажиров при опрокидывании автомобиля. В таких автомобилях усилены стойки и двери. Кроме того за подголовниками задних сидений расположено по одному активному элементу безопасности. Вместе с усиленными стойками активные элементы обеспечивают защиту пространства для выживания при опрокидывании автомобиля (рис).
Рис. Защита пассажиров при опрокидывании автомобиля на примере Volkswagen EOS:
1 – элемент безопасности в исходном положении; 2 – элемент безопасности после срабатывания
В состоянии покоя электромагниты элемента безопасности обесточены и удерживают элементы с помощью фиксирующей планки во вдвинутом положении. Если блок управления подушек безопасности распознаёт столкновение или угрозу опрокидывания автомобиля, на электромагниты подаётся напряжение и они освобождают элементы безопасности. Находящиеся в сжатом состоянии пружины распрямляются и выдвигают элементы безопасности за 0,25 с.
Выдвинутые элементы безопасности можно разблокировать механически и вновь вернуть в исходное положение.
Рис. Элементы безопасности легковых автомобилей с кузовом кабриолет:
1 – электромагнит; 2 – зубчатый сегмент; 3 – фиксирующая планка; 4 – пружина5 – а – б –
Защита при опрокидывании автомобиля срабатывает при помощи блока управления подушек безопасности при сильных лобовых, боковых и задних столкновениях, при опрокидывании автомобиля или при предельном боковом крене. |
