«Надувная» защита: как работают подушки безопасности и какие бывают? Сработали подушки безопасности что делать? Из какого материала подушки безопасности

Безопасность в новом автомобиле это неотъемлемая часть, а не опция. Разрабатываются все новые и новые виды систем и технологии. Рассмотрим принцип работы, разновидность и устройство подушек безопасности.

Содержание статьи:

Подушка безопасности сейчас намного чаще востребована, как опция, чем на пример кондиционер или же современная аудиосистема. Главным предназначением подушек безопасности (в машинах обозначается как airbag) считается смягчение удара пассажиров и водителя об рулевое колесо, и другие части кузова, окна. Как правило, он применяются с ремнями безопасности. Впервые система безопасности была внедрена в 1953 году, когда Уолтер Линдерер опубликовал свой патент.

Виды подушек безопасности автомобилей

Как правило, на современные автомобили имеют по несколько подушек безопасности. Ранее устанавливали только подушку безопасности водителя, далее добавили для переднего пассажира. В нынешних моделях устанавливают по всему периметру, в разных местах салона. По типу подушки разделяют зависимо от их месторасположения. Первые это фронтальные, далее идут боковые, головные, центральная подушка, коленные и подушка безопасности для пешехода. Последний вариант устанавливается снаружи, между капотом и ветровым стеклом.

Фронтальные

Впервые свое применение нашли на машинах марки Mercedes-Benz в 1981 году. Как правило, это передние подушки безопасности водителя и пассажира. В свою очередь пассажирскую можно отключать по желанию. Зачастую в современных автомобилях, конструкцией предусмотрено двухступенчатое или многоступенчатое срабатывание. Все зависит от сложности аварии (чаще это адаптивные подушки безопасности). По всем правилам подушка безопасности водителя устанавливается в рулем колесе, для переднего пассажира – в верхней части передней панели.

Боковые подушки безопасности

Главным назначение боковых подушек считается снижение риска травмировать тазовую часть, грудную клетку и брюшную полость. Как правило, боковой удар один из самых непредсказуемых и больных. Впервые применение боковых подушек на своих автомобилях задействовала компания Volvo в 1994 году. Этот вид подушек устанавливался как опциональный вариант, к основным передним.

Обычно местом расположения боковых подушек считается спинка переднего сиденья. Хотя в современных автомобилях можно найти их и в спинках задних сидений. Самыми качественными считаются подушки безопасности с двухкамерной конструкцией. Их нижняя часть более жесткая, для защиты таза, а верхняя часть мягкая, чтоб защитить грудную клетку.

Шторки или головные подушки

Судя с названия, то понятно их главное предназначение. В списке производителей автомобилей они еще значатся как шторки. При боковом ударе шторки защитят голову от удара об стекло дверей. Самыми первыми данную технологию применила компания Toyota в 1998 году.

В зависимости от модели машины может располагаться в передней части крыши, так же между стойками и на задней части крыши салона. Защита идет для передних и задних пассажиров.

Коленная

Само название, говорит о назначении, защита коленей и голеней от травм немало важно при столкновении. Зачастую располагается под рулем. Впервые были установлены на автомобили Kia в 1996 году. Кроме водительской, так же устанавливают и для переднего пассажира, под бардачком.

Центральная защита

Начиная с 2009 года, в автомобилях Toyota появилась центральная подушка безопасности. Главным назначением является снижение вторичного удара пассажиров при боковых столкновениях. Зачастую располагается в подлокотнике между передним рядом сидений. Для заднего ряда сидений располагается в центральной части спинки.

В современных автомобилях, кроме Toyota, такие же используются в автомобилях Mercedes-Benz (система безопасности Pre-Safe второго поколения). Таким образом, при боковом ударе эта подушка смягчает повторный возвратный удар пассажира.

Подушка безопасности пешехода

Начиная с 2012 года, компания Volvo стала внедрять в свои автомобили подушку безопасности пешехода. В отличии от всех вышеперечисленных вариантов, данный вид размещается снаружи автомобиля, между ветровым стеклом и капотом. Таким образом, если водитель сбил пешехода, подушка безопасности смягчает удар и предотвратит от серьезных ушибов.

Устройство механизма

Устройство выглядит как мягкая оболочка и в нужный момент наполняется газом, так же в набор идет газогенератор и система управления. Сама подушка изготовлена из нейлоновой ткани, для того чтоб смазать подушку и не прорвать во время срабатывания, используется тальк или крахмал. Их часто можно наблюдать в воздухе во время срабатывания подушки.

Главным назначением газогенератора является наполнение самой подушки газом. Таким образом, это уже модуль подушки безопасности. Между собой газогенераторы отличаются по форме (трубчатые и круглообразные), по характеру работы (с двухступенчатым и одноступенчатым срабатыванием) и по способу газообразования (гибридные и твердотопливные).

Самым распространенным считается твердотопливный, он состоит из корпуса, пиропатрона и определенного заряда твердого топлива. Как правило, топливо воспламеняется от пиропатрона, в результате получается газ азот.

Гибридный же газогенератор состоит из пиропатрона, газового заряда под высоким давлением аргона или сжатого азота, корпуса и заряда твердого топлива. Само наполнение подушки происходит сжатым газом, в результате выталкивания заряда из твердого топлива.

В систему управления подушками входят традиционные датчики удара, центральный блок управления и исполнительное устройство (газогенераторный пиропатрон).

Принцип работы

Главным стартом для активации является удар. В зависимости от того, в какую часть и какой силы удар, активируются только нужные подушки безопасности. Как только происходит удар, срабатывают датчики удара, далее информация о силе и место удара передается в центральный блок управления. Блок обрабатывает полученные данные и определяет необходимость срабатывания конкретных подушек, а так же их время и силу.

Параллельно с подушками информация передается и на другие датчики и системы, к примеру, систему экстренного торможения или подачи сигнала SOS. Если сила удара не значительная, то могут сработать только ремни безопасности, а могут сработать и в пару с подушками безопасности.

В пару с сигналом на разные системы, подается сигнал на газогенератор соответствующих подушек безопасности. В среднем время срабатывания подушек составляет порядка 40 мс. Благодаря газогенератору обеспечивается раскрытие и нагнетание подушек. Как только подушка соприкоснулась с человеком и отработала, она разрывается и сдувается.

Всегда и во всех автомобилях используются одноразовые подушки безопасности. Если же в салоне произошло возгорание, и температура достигла 150-200 °C, то подушки автоматически срабатывают.

Условия для срабатывания

Главными условиями для срабатывания фронтальных подушек безопасности можно считать:

• превышение порога (силы) удара при лобовом столкновении;
• резкий наезд на твердую часть при большой скорости (бордюр, тротуар, стенка ямы и т.д);
• твердое приземление после прыжка автомобиля;
• падение машины;
• косой или прямой удар в переднюю часть машины.

Передние подушки не сработают, если удар пришелся на боковую или заднюю часть. Как правило, в таких случаях сработают боковые и задние. Стандартного алгоритма срабатывания нет, его часто дорабатывают и совершенствуют. В современных алгоритмах учитывается скорость движения автомобиля, скорость замедления, смена веса и места расположения пассажира. Некоторые производители учитывают силу срабатывания ремня безопасности и наличие детского кресла в салоне.

Видео о принципе работы подушек безопасности:

Производители автомобилей стараются заботиться о своих клиентах и оборудуют авто не только надежными ремнями безопасности, но и подушками безопасности (также их называют пневмоподушками или Airbag). При этом в современных машинах их может быть от 2 до 7. Что же собой представляют подушки безопасности в автомобиле и как они действуют? Попробуем разобраться.

Что собой представляет «аэрбег»

Устройство подушки безопасности довольно простое. Условно изделие можно разделить на три составные части: сумку, датчики удара и газогенератор (систему надува).

Сумка

Представляет собой тонкую, многослойную, нейлоновую оболочку (толщиной не более 0,4 мм) способную выдерживать большие кратковременные нагрузки. Сумка расположена в специальной шине, которая закрыта специальной накладкой из ткани или пластика.

Датчики удара

Эти компоненты, как правило, располагаются в передней части машины. Они отвечают за своевременное срабатывание подушки безопасности автомобиля, то есть именно эти сенсоры активируют ее сразу после столкновения с объектом на скорости более 20 км/ч. Однако при этом учитывается также и сила удара, поэтому пневмоподушка может сработать даже в стоящем авто, если столкновение было достаточно сильным.

Датчики устанавливаются двух типов:

• Ударные (фиксируют удар, который приходится на кузов).
• Датчики пассажирского сидения (благодаря им можно исключить срабатывание системы, если помимо водителя в машине больше никто не находится).

Помимо датчиков в системе также часто дополнительно устанавливаются акселерометры (помогают определить положение авто).

Газогенератор

Первоначально эти элементы были оснащены всего одним пиропатроном, из-за чего было очень сложно регулировать подачу газа в подушку исходя из габаритов и положения сидящего в машине человека. Однако современные «аэрбеги» имеют 2 пиропатрона. Первый (основной) выпускает 80% газа (так называемая мягкая посадка), второй подключается только в том случае, если столкновение было слишком сильным и человек нуждается в более жесткой подушке.

Все 3 составляющие пневмоподушки должны быть исправными, только в этом случае можно гарантировать, что защитные элементы сработают безотказно.

Как происходит срабатывание «аэрбега»

Принцип работы подушек безопасности можно условно разделить на несколько этапов:

• Столкновение транспортного средства с другим объектом.
• Автоматическое срабатывание электронных датчиков, которые запускают следующий механизм.
• Система получает сигнал от электронного блока управления и происходит срабатывание детонатора (заряда из таблеток натриевой кислоты), вследствие чего газ (аргон или озон) нагревается и под высоким давлением (до 250 мПа) вырывается наружу. Однако перед этим он проходит через специальный металлический фильтр и остужается.
• Происходит резкое заполнение подушки, и она раскрывается через 30 миллисекунд после того, как сработавшие датчики отправили сигнал.

• Водитель или пассажир авто ударяется головой об «аэрбег», который значительно гасит энергию полученного удара. Благодаря этому на человека приходится всего 10% остаточного удара.
• Подушка «опадает».

Говоря о том, как работают подушки безопасности, стоит учитывать конструктивные особенности автомобиля, так как в некоторых машинах есть всего 2 «аэрбега», тогда как в других аварийные элементы установлены практически в каждой плоскости.

Разновидности подушек безопасности

Сегодня автомобили могут быть оборудованы сразу несколькими типами защитных элементов.

Фронтальные

«Аэрбеги», расположенные в рулевом колесе (водительские) и в верхней части панели инструментов (пассажирские), считаются самыми распространенными. Они устанавливаются даже на самые бюджетные машины. Эти подушки отличаются друг от друга по размерам, так как расстояние от руля до водителя значительно меньше, чем от человека, сидящего рядом, до «торпедо».

Элементы срабатывают только при столкновении передней части авто. Однако уже разработана подушка безопасности водителя многоступенчатого типа, которая активируется при столкновениях разного типа и тяжести.

Важно! На передней пассажирской подушке безопасности находится кнопка отключения, которую необходимо обязательно нажимать, если на таких сидениях перевозится ребенок в специальном автокресле.

При поездке в авто с фронтальными защитными элементами нужно обязательно уточнить у водителя, есть ли в «торпедо» пневмоподушка. Если таковая имеется, то в руках нельзя перевозить сумки, пакеты и прочие предметы или упираться коленями в место, где находится airbag.

Боковые

Данная разновидность пневмоподушек обычно встречается только в «продвинутых» комплектациях авто. Такие «аэрбеги» предназначены для зашиты плеч, грудной клетки, живота и таза в случае бокового столкновения. Как правило, эти элементы размещаются внутри передних сидений, но также есть и модели для задних кресел, предназначенные для защиты людей, сидящих сзади.

Полезно! Если в авто установлены боковые подушки, то в отсеках дверей нельзя хранить крупные или острые предметы.

Шторки

Также эти элементы часто называют головными подушками безопасности, которые по большому счету тоже предназначены для защиты пассажиров и водителя от боковых ударов, а также от осколков стекла. Они, как правило, устанавливаются либо только для передних сидений, либо для обоих рядов кресел. Размещаются эти элементы в боковых частях крыши авто (над окнами) и иногда в боковых стойках.

Коленные

Данные защитные элементы срабатывают при фронтальном ударе авто. Такие подушки устанавливаются преимущественно на автомобилях средней ценовой категории (С-класса). Как правило, защитные элементы этого типа находятся под рулем и под «торпедо».

Важно! При наличии такое пневмоподушки водитель должен отрегулировать свое кресло таким образом, чтобы от нижней части панели он был на расстоянии нем менее 10 см.

Также сегодня встречаются и менее распространенные разновидности «аэрбегов». К ним относятся задние боковые подушки и центральные пневмоподушки.

Стоит учесть, что при покупке б/у авто у многих может возникнуть логичный вопрос, как проверить подушки. Дело в том, что прежний владелец машины мог уже использовать газовый заряд устройства, но не наполнил airbag повторно (сделать это можно только в автосервисе).

Проверяем подушки безопасности

Сразу после покупки б/у авто, новый владелец железного коня должен убедиться не только в работоспособности своего приобретениея, но и проверить подушки безопасности. В первую очередь стоит убедиться в том, что они вообще предполагаются для данной модели машины. Об этом будут свидетельствовать соответствующие надписи SRS или Airbag на «баранке» и панели «торпедо». Вокруг этих аббревиатур не должно быть сколов или царапин, так как это означает, что защитный аксессуар уже был использован и не факт, что прежний владелец позаботился о дорогостоящей услуге по заполнению пневмоподушек газом. Однако, даже если переустановка изделия была все же произведена, нет гарантии, что процедура выполнена корректно.

Полезно! Срок годности подушек обычно составляет от 10 до 14 лет (в зависимости от модели, марки и года выпуска машины). После этого срока патрон разряжается и изделие приходит в негодность.

Также стоит обратить внимание на стекла (особенно на лобовое). Если они менялись, то вероятнее всего подушка безопасности уже использовалась.

Стоит обратить внимание на дату изготовления ремней безопасности. Данные должны совпадать на всех сиденьях. Если эти элементы были заменены, то возможная причина – сильный удар, который также провоцировал открытие «аэрбега».

Кроме этого, есть еще несколько способов, как проверить наличие и работоспособность подушек:

• Включить зажигание и дождаться появления на приборной панели надписи «аэрбег», которая должна исчезнуть через несколько секунд.
• Если в авто есть специальный разъем для диагностики работы систем (обычно расположен под рулем), то необходимо завести двигатель, подождать 30 секунд и закрыть контакты 4 и 13 при помощи обычной канцелярской скрепки. После этого кнопки на приборной панели должны начать моргать. Если на одной из них отображается человек с подушкой, и эта кнопка моргает чаще остальных, то это говорит об ошибке получаемого кода. Если лампочка и вовсе не подает признаков жизни, то это свидетельствует о том, что продавец авто вообще отключил этот модуль.

Когда система безопасности распознает достаточно серьезное столкновение, происходит срабатывание подушек безопасности.

Краткое описание узла

В максимальной комплектации автомобиля установлены следующие подушки безопасности:

• НПБ водителя
• НПБ переднего пассажира
• Боковые НПБ
• Головные НПБ
• Передняя коленная НПБ (исполнение для США)

Модуль НПБ

Модуль НПБ состоит из пиропатрона, генератора и собственно подушки безопасности.

Пиропатроны

Пиропатроны отвечают за срабатывание подушек.

Пиропатроны состоят из стекло-металлической гильзы, в которой находятся два вывода. Эти выводы внутри гильзы соединены проволокой высокого сопротивления, погруженной во взрывчатое вещество (первичный заряд).

Пиропатроны получают электрические импульсы от соответствующих блоков управления (сателлиты). Импульсы нагревают проволоку внутри пиропатрона. В результате нагревания происходит воспламенение взрывчатого вещества.

Газогенераторы

Существует два вида газогенераторов:

• Первичный заряд пиропатрона поджигает вторичный заряд, находящийся в генераторе. Вторичный заряд высвобождает газ, которым заполняется подушка безопасности.
• В генераторе содержится сжатый газ. При воспламенении первичного заряда пиропатрона разрывается мембрана, и сжатый газ начинает поступать в подушку безопасности.

Тип газогенератора не имеет значения для срабатывания подушки безопасности.

Надувная подушка безопасности

Существует два вида подушек безопасности:

• Подушки безопасности, которые относительно быстро сдуваются обратно: НПБ водителя, переднего пассажира, боковые и коленная НПБ. Выпуск воздуха из подушек служит для амортизации.
• Подушки безопасности, которые остаются наполненными: головные НПБ.

Подушки, которые после срабатывания снова сдуваются, задерживают движение пассажиров, а через некоторое время за счет выпуска воздуха позволяют пассажирам производить некоторые движения.

Несдувающиеся подушки по сути представляют собой статическую опору.

НПБ водителя/переднего пассажира, 1-й и 2-й этап

НПБ водителя, расположенная в рулевом колесе, и НПБ переднего пассажира, расположенная в панели приборов, срабатывают в два этапа. На каждую подушку приходится по два пиропатрона. Всегда поджигаются оба пиропатрона (2 этапа). Чем короче интервал между воспламенениями, тем быстрее наполняется подушка.

Боковые НПБ

Боковые НПБ встроены в обшивки дверей или спинки сидений и защищают корпус тела пассажира от травм при боковом ударе. Боковые подушки относительно быстро сдуваются; это способствует оптимальной амортизации.

Головные НПБ

Головная подушка безопасности укорачивает непроизвольное движение головы при ударе. Это ведет к уменьшению сил смещения шеи и травм головы. Кроме того, она обеспечивает дополнительную защиту от осколков стекла и прочих опасных предметов. В зависимости от комплектации и модели автомобиля головная подушка может быть установлена:

• между передней и центральной стойками,
• между передней и задней стойками.

В кабриолете головные НПБ не устанавливаются!

Сервисные функции

Требования техники безопасности

Работы на топливном насосе выполнять только при выключенном зажигании!

Все работы на НПБ выполнять только при отсоединенном аккумуляторе!

Все блоки управления BYTEFLIGHT, датчики и генераторы можно отсоединять и подсоединять только при отсоединенном аккумуляторе!

При ремонте оптоволоконного кабеля шины BYTEFLIGHT необходимо учитывать, что в нем может быть только одно разъемное соединение. Поэтому оптоволоконный кабель нельзя ремонтировать, если одно разъемное соединение уже есть в разъеме двери. При неисправности оптоволоконный кабель необходимо заменить!

Экспортные исполнения

США

Коленная НПБ: Коленная подушка безопасности в случае аварии обеспечивает опору коленям, особенно если водитель или передний пассажир не пристегнут ремнем безопасности. За счет этого происходит контролируемое перемещение верхней части туловища вперед, которое затормаживается основной НПБ водителя или переднего пассажира.

Это авторский, с замечаниями из российской практики, перевод статьи «Air Bag Deployment Criteria », опубликованной в 2014 году Kenneth Solomon и Jesse Kendall в журнале «The Forensic Examiner® », официальном рецензируемом научном журнале Американского колледжа Института судебных экспертов, который приобрел популярность и признание в качестве ведущего судебно-экспертного журнала в мире.

И так как наши люди в булочную на такси такие журналы не читают, эта статья на «Праворубе» будет полезна как адвокатам по ДТП, так и читающим автоэкспертам. Адвокатам – как информация для допросов в суде нечитающих автоэкспертов с целью разъяснения им их пустых заключений, а читающим автоэкспертам – для того, чтобы не давать заключения на основе шаманского камлания.

Введение

Модули управления подушек безопасности используют сложные алгоритмы для принятия решений о развертывании на основе оценки серьезности аварии, связанной с изменением скорости движения транспортного средства или замедления в течение некоторого времени. Из-за того, что алгоритмы управления являются ноу-хау производителя, их фактические значения порогов скорости, ускорения, или деформации (пути) для развертывания подушки безопасности при столкновении не известны. Значения этих параметров и алгоритмы производители автомобилей не разглашают, ограничиваясь декларативными «сильный удар» или «удар достаточной силы» в руководствах владельцев, а дилеры их просто не знают, при этом разыгрывая перед клиентами спектакли с тестирующими модули управления приборами.

Действительно, столь размытые критерии нетехнического характера создают тупиковые ситуации при предъявлении судебных претензий со стороны владельцев автомобилей, у которых подушки безопасности не сработали в ДТП, или сработали произвольно без видимых причин. Это так же создает благоприятную почву для мошеннических инсценировок ДТП, заключающихся в «перекидке» на практически не деформированный автомобиль панелей со сработавшими подушками безопасности.

Однако величины технических параметров, необходимые для развертывания подушки безопасности, могут быть установлены путем исследования результатов лабораторных краш-тестов автомобилей конкретных производителей.

Задачи статьи

1. Получение информации и понимание работы системы управления подушками безопасности и ее компонентов.
2. Получение информации и понимание, когда должны или не должны сработать подушки безопасности.Статья содержит введение в системы управления подушками безопасности и процессами их срабатывания, краткую историю датчиков удара. Описаны переменные, используемые в алгоритмах развертывания подушек безопасности, приведены сравнительные примеры с использованием нескольких запатентованных систем управления. Показан способ оценки диапазона скорости, замедления или деформации (пути), являющегося порогом для развертывания подушки безопасности.

Процесс развертывания подушек безопасности

Целью подушки безопасности является обеспечение упругой мягкой прокладки между пассажирами и интерьером автомобиля. Для достижения этой цели подушки должны быть полностью наполнены газом в короткий промежуток времени и ранее, чем пассажиры вступят с ними в контакт. Быстрое развертывание подушки потенциально может привести к смертельным травмам людей, если они уже находятся в контакте с подушкой безопасности во время ее раскрытия. Поэтому подушки безопасности должны иметь систему управления, которая может правильно распознавать, что происходит столкновение. При этом распознать достаточно рано, чтобы подушка безопасности успела раскрыться безопасно.

Подушка безопасности раскрывается после того, как электрический сигнал на раскрытие послан детонатору от модуля управления подушкой безопасности. Этот сигнал инициирует химическую реакцию, которая быстро надувает газом воздушный мешок из нейлоновой ткани. Газ содержит частицы пыли из материала, используемого для смазки мешка (как правило, тальк и кукурузный крахмал). После полного развертывания подушки газ выходит через небольшие вентиляционные отверстия. Отверстия имеют размеры и расположены так, чтобы уменьшать объем мешка с разной скоростью, в зависимости от типа транспортного средства.

История датчиков удара

Ранние системы раскрытия подушки безопасности использовали для обнаружения удара механические датчики, которые затем были изъяты из употребления на американском рынке около 1994 года. Такие датчики, как, например, «rolamite », содержали металлические ролики, стабилизированные в положении режима ожидания с помощью пружины или магнита.

При ударе за пределами предназначенного порога пружина или магнит не могли больше удерживать металлическую массу на месте. Масса перемещалась и нажимала на контакт, посылая электрический сигнал на модуль управления подушки безопасности. Системы с механическими датчиками, как правило, неточны в интерпретации небольших столкновений. Движения в механических датчиках может быть недостаточно при лобовых столкновениях, из-за чего срабатывание может происходить с задержкой. Современные датчики удара сейчас основаны на микроэлектромеханических системах (MEMS).

Новые системы распознавания удара

Новые датчики MEMS удара измеряют ускорение акселерометром, который посылает непрерывный поток данных в модуль управления подушки безопасности. Акселерометры, как правило, пьезоэлектрические или переменно емкостные датчики. Наиболее распространенным MEMS акселерометр, который используется сегодня, ADXL-50 производства Analog Devices.

Автору приходилось встречать заключения законченных идио «нечитающих» автоэкспертов, в которых они визуальным осмотром или органолептическим методом устанавливают неисправность датчика удара. Их логика ограничена примитивной цепочкой «был удар – подушки не сработали – значит, не исправен датчик удара». На самом деле процедуры тестирования таких датчиков основаны (на не утвержденных Минюстом, и, значит, на не признаваемых госэкспертами научными) алгоритмах типа Гаусса-Ньютона , требуют наличия специального программного обеспечения и оборудования . Примеры многочисленных тестов можно посмотреть на ютюбе, а при необходимости можно найти на сайте производителя официальный регламент тестирования и калибровки конкретной модели датчика.

https://youtu.be/ycThnu3k_vc

По мере того, как прицеленные к упругим элементам массы движутся относительно корпуса датчика за счет ускорения, специальные пластины, прикрепленные к массам, приближаются к другим неподвижным пластинам. Изменение расстояния между пластинами влияет на емкость датчика, или на способность удерживать электрический заряд. Это изменение емкости легко измеряется, и затем превращается в изменение напряжения. Изменение напряжения напрямую зависит от силы инерции из-за ускорения, а показания интерпретируются модулем управления подушки безопасности как ускорение. Алгоритм модуля управления может определить, является ли развертывание подушки безопасности необходимым, на основе заложенной в него математической модели импульсов ускорения во времени.

Процесс принятия решения

Модуль управления подушки безопасности (ACM) получает непрерывный сигнал от каждого датчика MEMS и записывает данные в течение определенного периода после специфического события. С помощью центрального процессора (CPU) он выполняет алгоритмические вычисления и дает или не дает команду для развертывания подушки безопасности. Алгоритмы определения степени тяжести удара работают путем оценки одного или нескольких кинематических параметров (ускорение, его производных или интегралов), список которых приведен приведены в таблице 1 ниже. Примеры блок-схем алгоритмов принятия решения показаны на следующих рисунках.

Таблица 1.

Блок-схема алгоритма, использующего параметры: изменение скорости, путь и плотность энергии.

Блок-схема алгоритма, использующего параметры: замедление и рывок (толчок).

Блок-схема алгоритма, использующего параметры: ускорение и изменение скорости.

Варианты алгоритмов
Системы распознавания удара сильно различаются между патентами. Большинство систем, запатентованных после 1995 года, используют изменение скорости «дельта-V», ускорение, или рывок, как параметры для включения системы пробуждения и для раскрытия подушек безопасности. Последние системы также включают системы анализа наличия пассажиров и анализа расстояния до пассажира. В подходах, использованных в период между 1995 и 2008 годами несколькими изобретателями, различия весьма существенны. Однако команда для срабатывания подушек безопасности зависит от одного или более из набора основных кинематических параметров, описанных выше.

Когда раскрываются подушки безопасности

В соответствии с позицией Национального управления по безопасности движения департамента транспорта США (закреплено в соответствующем стандарте США, которого придерживаются и ряд широко известных иностранных производителей автомобилей ), «подушки безопасности, как правило, предназначены для развертывания при фронтальных и почти фронтальных столкновениях, которые сравнимы с ударом в неподвижный жесткий барьер на скорости примерно от 8 до 14 миль в час». Определенные пороговые значения откалиброваны каждым производителем в соответствии с размером транспортного средства и жесткостью его конструкции. Система управления активируется для различения событий, таких как попадание в выбоину или столкновение с другим автомобилем. Это, как правило, имеет место, когда два последовательных импульса ускорения менее (примерно) -1g для небольших транспортных средств или менее (примерно) -2g для больших автомобилей, происходят в течение 10 миллисекунд. После пробуждения принимается решение либо раскрыть подушки безопасности, либо вернуться в нормальное состояние.

Из-за статуса «ноу-хау» алгоритмы управления и значения кинематических параметров для развертывания подушки безопасности при столкновении не известны. Однако, используя директиву NHTSA для подушек безопасности, в части их разворачивания при фронтальном ударе в барьер при скорости от 8 до 14 миль/ч, диапазон пороговых значений кинематических параметров может быть оценен с помощью известных значений жесткости транспортных средств и их массы.

Оценка пороговых значений

При столкновении величина деформации С (в дюймах) при заданной скорости удара V (в милях в час) связана с отношением жесткости транспортного средства k (в фунт/дюйм) и его весом w (в фунтах) с помощью следующего уравнения:

Время от начала воздействия до момента достижения максимального импульса при ударе:
Заменяя в первом выражении отношение C/V из второго выражения, получаем:
Жесткость автомобиля k может быть определена из результатов краш-тестов с учетом массы автомобиля m , деформации C , и скорости удара V . Жесткость автомобиля рассчитывается по формуле:

Таблица 2 показывает соответствующий спектр замедлений и деформаций (перемещений) в краш-тестах на фронтальный удар, для автомобилей, на которых имеются подушки безопасности, учитывая расчетное время для максимального импульса удара и для различных автомобилей по жесткости и массе.

Таблица 2


Видно, что нет существенной корреляции между весом автомобиля и его жесткостью. Две машины аналогичного веса могут иметь очень разные значения жесткости, как видно из сравнения 2010 Ford Fusion и 2010 Toyota Prius. Оба транспортных средства имеют примерно одинаковый вес автомобиля, но жесткость переда Toyota Prius значительно больше, чем жесткость Ford Fusion. Так как величина деформации и продолжительность воздействия на Ford Fusion больше, подушке безопасности Ford Fusion нужно будет раскрыться в пределах значения замедления меньших, чем те, которые требуются для Toyota Prius.

Сравнение значений

Условия реальных столкновений часто не совпадают с ударом в жесткий неподвижный барьер, и это надо учитывать при сравнении диапазонов фактических (из краш-тестов) и расчетных значений параметров. Продолжительность воздействия существенно не изменяется со скоростью удара, но в значительной степени зависит от типа столкновения. Подушки безопасности могут не развернуться, если есть жесткий удар, как наезд на столб, где деформируется только одна часть автомобиля. Подушки безопасности иногда не срабатывают, когда воздействие происходит постепенно, в течение длительного периода времени, как, когда автомобиль едет под или над другим объектом. Подушки безопасности могут не развернуться в столкновениях, в которых относительная жесткость столкнувшихся автомобилей сильно отличается. Например, столкновение передней части одного автомобиля и боковой стороны другого автомобиля. Кроме того, столкновения, которые происходят при острых углах, не всегда приводят к развертыванию подушек безопасности, так как значительного замедления в направлении продольных осей автомобилей (в направлении, измеряемом датчиком удара) не происходит.

Пример: подушки безопасности не раскрылись

Примером удара, где было значительное изменение скорости, но фронтальные подушки безопасности не сработали, было ДТП с участием Chevrolet Equinox 2007 года со встречным мотоциклом Harley-Davidson. Модуль управления подушки безопасности в Equinox зафиксировал максимальное изменение скорости 9.27 миль в час. Это значение находится в пределах диапазона от 8.0 до 14.0 миль в час, в котором ожидается развертывание подушек безопасности (как в случае фронтального удара в жесткий неподвижный барьер). Однако максимальное замедление было 3.27g. Это замедление было значительно ниже расчетного значения в диапазоне развертывания от 7.5g до 13.2g, как показано в таблице выше. Таким образом, фронтальные подушки безопасности не должны были сработать.

Пример: подушки безопасности раскрылись

Примером удара, который не привел к существенному изменению в скорости, но подушки безопасности раскрылись, было ДТП с участием Chevrolet Corvette 2007 года, который снес несколько дорожных знаков, деревьев и дорожных столбиков на очень высокой скорости. Автомобиль ударил первый объект на скорости более чем 60 миль в час, и модуль управления подушек безопасности зафиксировал максимальное изменение скорости 4.96 миль в час, что значительно ниже диапазона от 8.0 до 14.0 миль в час, в котором ожидается развертывание подушек безопасности (как в случае фронтального удара в жесткий неподвижный барьер). К счастью для пассажира и водителя, зафиксированное максимальное замедление во время удара было 11.3g, которое находится выше расчетного порогового диапазона от 6.1g до 10.6g из таблицы выше. В результате подушки безопасности раскрылись и спасли жизнь пассажира и водителя.

Заключение

Подушки безопасности должны иметь систему управления, которая может распознавать удары правильно и достаточно рано, и раскрывать подушки безопасности безопасно. Системы развертывания обычно используют электронные датчики, которые постоянно сообщают ускорение автомобиля модулю управления подушками безопасности. Модули используют сложные алгоритмы, чтобы принять решение о раскрытии подушек безопасности на основе одного или более кинематических переменных. Из-за статуса «ноу-хау» алгоритмов развертывания значения скорости, ускорения или деформации, используемые в этих алгоритмах, неизвестны. Вместо этого, диапазоны значений скоростей удара, замедлений или деформаций могут быть рассчитаны на основе данных краш-тестов и затем использованы для экспертной оценки, должны ли были раскрыться подушки безопасности в случае конкретного столкновения .

Ссылки на источники

1. Collision Safety Institute. (2011). Bosch Crash Data Retrieval System – Crash Data Retrieval. Data Analyst Course Manual.
2. Huang, Mathew. (2002). Vehicle Crash Mechanics. CRC Press.
3. US Department of Transportation National Highway Traffic Safety Administration. (2003). What You Need to Know About Air Bags - DOT HS 809 575.

Об авторах

Джесси Кендалл получил степень бакалавра наук в области гражданского строительства в Университете Вермонта в Берлингтоне, штат Вермонт. Он завершил свою инженерную стажировку в Денвере, штат Колорадо, работая в строительных консалтинговых фирмах, прежде чем стать лицензированным профессиональным инженером в шести штатах. С более чем пятнадцатью лет опыта в гражданском строительстве, Джесси Кендалл сейчас живет и работает в Калифорнии в Института анализа риска и безопасности, специализирующимся в области судебной инженерии и реконструкции обстоятельств ДТП.

Доктор Соломон получил степень бакалавра наук, магистра наук и доктора в области машиностроения в Лос-Анджелесе. Доктор Соломон также имеет профессиональные инженерные лицензии. Доктор Соломон проводит исследования в области реконструкции ДТП и биомеханике в течение более 40 лет, имеет более чем 200 научных публикаций в международных изданиях, доклады и презентации. Им и в соавторстве написаны 13 книг. Он работал в качестве старшего научного сотрудника с RAND Corporation, преподавал на факультете в Высшей школе RAND, в Калифорнийском университете, Университете Южной Калифорнии, в Военно-морской аспирантуре, Университете Джорджа Мэйсона и академии шерифов Orange County.

На протяжении многих лет надёжный ремень безопасности оставался единственной формой пассивной безопасности в наших автомобилях. Были дебаты по поводу их безопасности, особенно в отношении детей, но с течением времени бóльшая часть всех стран приняла обязательным условием выезда на дорогу пристёгнутые ремни безопасности. Статистика показывает, что использование ремней безопасности спасло тысячи жизней, которые могли быть потеряны в случае столкновения.

Но также как и ремни безопасности, концепция подушек безопасности - мягкая опора, чтобы облегчить для человека последствия аварии - была мыслью инженеров в течение многих лет. Первый патент на надувную аварийную подушку безопасности для самолетов был подан во ещё время Второй мировой войны. А в 1980 году первая коммерческая подушка безопасности появились и в автомобилях.

На сегодняшний день подавляющее большинство не самых бюджетных легковых автомобилей снабжены подушками безопасности как минимум для водителя и переднего пассажира. Статистика показывает, что подушки безопасности снижают риск смерти при прямом лобовом столкновении примерно на 30 процентов. Всё чаще боковыми подушками оборудуются сиденья и/или двери. Сегодня некоторые автомобили выходят далеко за рамки имеющегося стандарта двойных подушек безопасности, располагая шестью или даже восемью подушками безопасности для водителя и всех пассажиров. Но они всё ещё остаются предметом серьёзных споров и исследований правительства и промышленности.

В этой статье мы узнаем о науке в закромах этих устройств, о том, как подушка безопасности работает, когда срабатывает, каковы её проблемы, и насколько технология продвинулась на сегодняшний день.

Законы движения

Прежде чем рассмотреть специфику, давайте рассмотрим наши знания о законах движения. Во-первых, мы знаем, что движущиеся объекты имеют импульс (произведение массы на скорость объекта). Если некоторая сила воздействует на объект и затем перестаёт воздействовать, то объект всё равно будет продолжать двигаться, лишь снижая свою скорость - это называют инерцией. Автомобиль состоит из нескольких объектов, в том числе самого транспортного средства, незакреплённых предметов в машине и, конечно же, водителя и пассажиров. Если эти объекты не прикреплены к кузову авто, то они будут продолжать движение на любой скорости, на которой движется автомобиль, даже если автомобиль остановлен столкновением.

Остановка импульса объекта требует силы, действующей в течение короткого периода времени. При ДТП усилие, необходимое, чтобы остановить объект, очень большое, потому что импульс автомобиля изменился мгновенно, а пассажиров - нет, и тут не так много времени для работы. Цель любой дополнительной удерживающей системы - помочь остановить пассажира, при этом, причинив максимально незначительный ущерб ему или ей, как это возможно.

Подушка призвана замедлить скорость пассажира до нуля практически без его повреждений. При этом, рамки, в которых она должна работать, огромны. Подушка безопасности при своей работе занимает всё пространство между пассажиром и рулевым колесом или приборной панели за доли секунды.

Цель подушки безопасности - замедлить движение вперёд пассажира как можно более равномерно за доли секунды. Подушка состоит из трёх частей, каждая из которых помогает совершить этот подвиг:

• Сумка сама по себе состоит из тонкой нейлоновой ткани, которая складывается в рулевом колесе или приборной панели, или, если речь о боковой подушке - в двери.
• Датчик представляет собой устройство, сообщающее сумке, когда необходимо раздуться. Раздув происходит при столкновении при силе, равной как минимум столкновению с кирпичной стеной на скорости 16-24 км в час. Механический переключатель поворачивается, закрывая электрический контакт. Датчики, между тем, получают информацию от акселерометра, встроенного в микрочип.
• Система надува служит для быстрого закачивания в подушку газа за счёт реакции азида натрия (NaN3) с нитратом калия (KNO3) для получения газообразного азота. Взрыв азота раздувает подушки безопасности практически мгновенно.

Ранние попытки адаптировать подушку безопасности для использования в автомобилях столкнулись с непомерно высокими ценами и техническими препятствиями, связанными с хранением и выпуском сжатого газа. Исследователи задавались вопросами:

• Откуда взять необходимое достаточное место в машине для газового баллона?
• Если газ будет оставаться долго в своём спокойном состоянии под высоким давлением, то это ведь довольно опасно?
• Как сумку можно было бы расширить быстро и надёжно на различных рабочих температурах и без оглушительного взрыва?

Все вопросы учёных отпали, когда на помощь пришло твёрдое топливо в 1970 году. Твёрдое топливо горит очень быстро, создавая большой объём газа и издаёт при этом меньше шума.

Кроме прочего, воздушная подушка смазывается порошкообразными веществами регулярно - часто кукурузным крахмалом или тальком, которые позволяют держать сумки гибкими и смазывать их, пока они находятся "в хранении".