Элементы системы пассивной безопасности автомобилей

Пассивная безопасность — совокупность конструктивных и эксплуатационных свойств автомобиля, направленных на снижение тяжести последствий дорожно-транспортного происшествия. Большинство систем пассивной безопасности срабатывают во время столкновения, когда активные системы безопасности не смогли помочь водителю автомобиля предотвратить или избежать столкновения.

Различают внешнюю и внутреннюю пассивную безопасность автомобиля.

Внешняя пассивная безопасность уменьшает травматизм других участников движения: пешеходов, водителей и пассажиров других транспортных средств, вовлеченных в ДТП, а также уменьшает механические повреждения самих автомобилей. Это достигается конструктивным исключением из внешней поверхности кузова острых углов, выступающих ручек, других элементов.

К внутренней пассивной безопасности автомобиля предъявляются два основных требования: создание условий, при которых водитель автомобиля и пассажиры могли бы безопасно выдержать значительные перегрузки и исключения травмоопасных элементов в салоне (кабине).

Основа современного защиты людей — части кузова, деформируются при ударе и поглощают его энергию, прочные дуги безопасности, усиленные передние стойки крыши, травмобезопасные (мягкие, без острых углов, ребер, кромок и т.п.) детали интерьера автомобиля, которые создают определенную «решетку безопасности» для водителя и пассажиров. Действующие нормативные документы устанавливают только критерии тяжести повреждений людей при столкновениях в заданных условиях — по направлению удара, скорости, положению препятствия и тому подобное. Способы выполнения этих требований не регламентированы. При ДТП происходит резкое уменьшение скорости, которое при водит к значительным перегрузкам на тела людей, которые могут быть фатальными. Разработана система пассивной безопасности SR.S2 должна при столкновении автомобиля удерживать человека на месте, чтобы, бесконтрольно перемещаясь по салону, водитель и пассажиры не травмировали друг друга или о детали кузова и интерьера. Система включает следующие элементы:

  • - ремни безопасности, в том числе инерционные и с предварительным натягом;
  • - подушки безопасности;
  • - гибкие или мягкие элементы передней панели;
  • -травмобезопасную рулевую колонку, которая сокращается по своей длине в трех местах и предотвращает перемещение рулевого колеса вглубь салона автомобиля;
  • - травмобезопасный педальный узел — при столкновении педали отделяются от мест крепления и уменьшают риск повреждения ног водителя;
  • - энергопоглощающие элементы передней и задней частей автомобиля, которые мнутся при ударе (бамперы);
  • - подголовники сидений, которые защищают шеи пассажира от серьезных травм, при ударе автомобиля сзади;
  • - безопасные стекла — закаленные, которые при разрушении рассыпаются на множество неострых осколков и триплекс;
  • - дуги безопасности, усиленные передние стойки крыши и верхняя рамка ветрового стекла в родстерах и кабриолетах;
  • - поперечные брусья в дверях;
  • - аварийный выключатель аккумуляторной батареи.

Исполнительными устройствами элементов системы пассивной безопасности автомобиля являются:

  • - пиропатрон подушки безопасности;
  • - пиропатрон натяжения ремня безопасности;
  • - пиропатрон (или реле) аварийного размыкателя аккумуляторной батареи;
  • - пиропатрон механизма привода активных подголовников (при использовании подголовников с электрическим приводом);
  • - контрольная лампа, сигнализирующая о непристегнутых ремнях безопасности.

Ремни безопасности предотвращают перемещение пассажира по инерции, и, соответственно, возможные его столкновения с деталями интерьера транспортного средства или другими пассажирами (так называемые вторичные удары), а также гарантируют, что пассажир будет находиться в позе, обеспечивающей безопасное раскрытие подушек безопасности. Кроме этого, ремни безопасности при аварии немного растягиваются, тем самым поглощая кинетическую энергию пассажира, чем дополнительно тормозя его движение, и распределяют усилие торможения на большую поверхность. Конструкция включает лямки, болты крепления, замок и втягивающее устройство. Для изготовления лямок используются различные синтетические материалы, которые влияют на прочность.

Растяжения ремней безопасности осуществляется с помощью устройств удлинение и амортизации, обеспеченных энергопоглощающими технологиями. Возможно также использование в ремнях безопасности устройств предварительного натяжения в момент ДТП.

В зависимости от конструкции и принципа действия различают следующие типы натяжителей ремней безопасности:

  • - пиротехнический натяжитель ремня безопасности;
  • - тросовый натяжитель ремня безопасности;
  • - шариковый натяжитель;
  • - роторный натяжитель;
  • - реечный натяжитель;
  • - ленточный натяжитель.

Пиротехнический натяжитель ремня (рис. 6.21) срабатывает, когда встроенный в систему датчик свидетельствует 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. Время срабатывания устройства составляет не более 25 мс после начала удара. Ремень имеет механический ограничитель усилия натяжения для поддержания нагрузки на постоянном уровне.

Пиротехнический натяжитель ремня безопасности

Рис. 6.21. Пиротехнический натяжитель ремня безопасности:

1 — ремень безопасности; 2 — пиротехнический патрон; 3 — поршень

Тросовый натяжитель ремня безопасности (рис. 6.22) включает в себя датчики, газогенератор с пиротехническим зарядом, поршень со стальным тросом.

Тросовый натяжитель ремня безопасности

Рис. 6.22. Тросовый натяжитель ремня безопасности:

  • 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

При столкновении автомобиля, если замедление превышает определённое значение, то пружина датчика 13 начинает сжиматься под действием массы датчика. Масса датчика состоит из кронштейна датчика 14, газогенератора 16 с пиротехническим зарядом, ударной пружины 75, поршня 3 и трубки 2.

При перемещении кронштейна 14 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. Газ выталкивается в трубку 2 и перемещает поршень 3 со стальным тросом 77 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 (рис. 6.23) состоит из компактного модуля, в который вместе с распознавателем пристёгнутого ремня без опасности входит ограничитель усилия натяжения ремня безопасности. Механическое срабатывание происходит только тогда, когда распознаватель пристёгнутого ремня безопасности определяет, что ремень безопасности пристёгнут.

Шариковый натяжитель ремня безопасности

Рис. 6.23. Шариковый натяжитель ремня безопасности:

  • 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 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 для сбора шариков. Катушка ремня прочно соединена с зубчатым колесом, вращается при помощи шариков, при этом ремень втягивается.

Роторный натяжитель ремней безопасности (рис. 6.24) работает по принципу ротора и состоит из ротора, пиропатрона, приводного механизма 3.

Роторный натяжитель ремня безопасности

Рис. 6.24. Роторный натяжитель ремня безопасности:

I — 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. Так как ротор соединён с валом ремня, то ремень 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. 6.25 б). Сгоревший газ из камеры 7 выходит через выпускной канал 9.

При достижении второго перепускного канала 8 происходит воспламенение третьего патрона под действием рабочего давления в камере 2 (рис. 6.25 в). Ротор продолжает вращаться, и сгоревший газ из камеры 2 выходит через выпускной канал 5.

Реечный преднатяжитель ремня безопасности

Рис. 6.25. Реечный преднатяжитель ремня безопасности:

  • 7 — 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

Работа реечного преднатяжителя:

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.

Самым простым техническим решением для ограничения усилия натяжения ремня безопасности является петлеобразно прошитый ремень безопасности (рис. 6.26). При слишком большом усилии натяжения ремня швы рвутся, и ремень безопасности становится длиннее. Он позволяет уменьшить усилие натяжения и снизить нагрузку, воздействующую на водителя и пассажиров.

Петлеобразный прошитый ремень безопасности

Рис. 6.26. Петлеобразный прошитый ремень безопасности:

1 — прошитая зона ремня безопасности; 2 — швы; 3 — зажим ремня

В более сложных системах пассивной безопасности кроме пиротехнический преднатяжителей ремня безопасности применяются реверсивный пред-натяжитель ремня (рис. 6.27) с блоком управления и адаптивный (отключаемый) ограничитель усилия натяжения ремня.

Ремень безопасности с реверсивным преднатяжителем

Рис. 6.27. Ремень безопасности с реверсивным преднатяжителем:

1 — зубчатая передача; 2 — крюк; 3 — ведомый диск

Реверсивный преднатяжитель ремня безопасности контролируется отдельным блоком управления. В зависимости от команд, передаваемых по базе данных, блоки управления преднатяжителей ремней безопасности управляют подключенными исполнительными электродвигателями.

Если блок управления подушек безопасности распознает легкое фронтальное столкновение, при котором срабатывания пиротехнического преднатя-жителя ремня безопасности не требуется, он передает соответствующий сигнал на блоки управления преднатяжителей ремней безопасности. Они дают команду на полное натяжение ремней исполнительными электродвигателями.

Вал электродвигателя вращаясь, через зубчатую передачу приводит во вращение ведомый диск, который соединен с валом ремня безопасности двумя выдвижными крюками. Ремень безопасности наматывается на вал и натягивается.

Преднатяжители с приводом от электродвигателя срабатывают бесшумно. К тому же в отличие от пиропатронов они многоразовые. Производители нередко совмещают эти два вида преднатяжителей в одном механизме ремней безопасности. В этом случае решение о том, какой из них использовать, принимается электроникой на основе данных датчиков, которыми оборудован автомобиль.

По числу мест крепления различают следующие виды ремней безопасности:

  • - двухточечные ремни безопасности;
  • - трехточечные ремни безопасности;
  • - четырех-, пяти- и шеститочечные ремни безопасности.

Двухточечные ремни безопасности — самые неэффективные с точки зрения пассивной безопасности. По своей конструкции они подразделяются на поясные и плечевые. Поясные выглядят как страховочные ремни в креслах самолетов. Они не стесняют движений, но могут стать при ДТП причиной тяжелых травм позвоночника и даже привести к параличу. Одна из точек крепления находится возле порога или внизу на боковой стойке автомобиля, вторая устанавливается между сиденьями и включает в себя замок. Грудной вариант ремня проходит диагонально по грудной клетке водителя и пассажира. При этом одна из точек крепления располагается вверху на боковой стойке автомобиля. Крепежная точка с замком также располагается между сиденьями. В этом варианте верхняя часть человека удерживалась при ДТП. Но такой вариант также ненадежен, т.к. при ДТП человек может выскользнуть из-под ремня. Такие ремни безопасности применяются в основном на задних сиденьях легковых автомобилей и в автобусах.

Трехточечные ремни безопасности устанавливаются практически на всех современных автомобилях. V-образная диагонально-поясная конструкция способствует равномерному распределению энергии инерционного движения меж ду частями торса человека. Такие ремни — одни из самых оптимальных вариантов для использования, т.к. они обеспечивают хорошую фиксацию тела человека и удобны в пользовании. После протяжки лямки и фиксации ее в замке, одна часть ее располагается диагонально и проходит по грудной клетке, а вторая — поперечно в поясничной зоне. То есть, трехточечный тип совмещает в себе одновременно оба варианта двухточечной конструкции.

Четырехточечными ремнями безопасности оборудуются спортивные модели автомобилей, сидения которых имеют четыре точки крепления. Вместе с пяти- и шеститочечными они представляют группу наиболее надежных ремней безопасности, но не могут быть установлены на обычные автомобили из-за конструктивных особенностей.

Перспективной конструкцией является надувные ремни безопасности, которые наполняются газом при ДТП. Они увеличивают площадь контакта с пассажиром и соответственно уменьшают нагрузку на человека. Надувная секция может быть плечевой и поясной. Как показывают испытания, эта конструкция ремня безопасности обеспечивает дополнительную защиту от бокового удара. Современные автомобили оснащаются ремнями безопасности с преднатяжите-лями. Натягиваемый ремень безопасности предназначен для заблаговременного предотвращения перемещения человека вперед (относительно движения автомобиля) при ДТП. Это достигается за счет сматывания и уменьшения свободы прилегания ремня безопасности по сигналу датчика. Натягиваемый ремень, как правило, устанавливаются на замке ремня безопасности. По принципу действия различают следующие конструкции натяжителей ремней безопасности: тросовый, шариковый, роторный, рельсовый, ленточный.

Натяжитель обеспечивает сматывания отрезке ремня безопасности длиной до 130 мм за время 13 мс.

Пневмоподушка (airbag) безопасности дополняет ремень безопасности, уменьшая шанс удара головы и верхней части тела пассажира о какую-либо часть салона автомобиля. Также они снижают опасность получения тяжелых травм, распределяя силу удара по телу пассажира. Срабатывание подушки безопасности происходит очень быстрым развертыванием большого предмета, поэтому в некоторых ситуациях это может стать причиной ранений или даже гибели пассажира, может убить непристегнутого ребенка, который сидит слишком близко к подушке или, она была выброшена вперед силой экстренного торможения, поэтому размещение ребенка должно соответствовать определенным требованиям.

Современные легковые автомобили имеют несколько подушек безопасности, которые располагаются в разных местах салона автомобиля. В зависимости от места расположения различают следующие виды подушек безопасности:

  • - фронтальные подушки безопасности;
  • - боковые подушки безопасности;
  • - головные подушки безопасности;
  • - коленные подушки безопасности;
  • - центральная подушка безопасности.

Различают фронтальную подушку безопасности водителя и переднего пассажира. Для фронтальной подушки безопасности переднего пассажира предусматривается, как правило, возможность отключения. В ряде конструкций фронтальных подушек используется двухступенчатое а также многоступенчатое срабатывание в зависимости от тяжести ДТП (т.е. адаптивные подушки безопасности).

Боковые подушки безопасности призваны снизить риск травмирования таза, грудной клетки и брюшной полости при ДТП. Самые качественные боковые подушки безопасности имеют двухкамерное конструкцию.

Головные подушки безопасности (другое название — «шторки» безопасности) служат для защиты головы при боковом столкновении.

Коленная подушка безопасности защищает колени и голени водителя от травм. В 2009 г. Toyota предложила центральную подушку безопасности, которая призвана снизить тяжесть вторичных повреждений пассажиров при боковом столкновении. Располагается в подлокотнике переднего ряда сидений или центральной части спинки задних сидений.

В состав подушки безопасности входят эластичная оболочка, которая наполняется газом, газогенератор и система управления.

Газогенератор служит для наполнения оболочки подушки газом. В совокупности, оболочка и газогенератор образуют модуль подушки безопасности. Конструкции газогенераторов различают по форме (куполообразные и трубчатые), по характеру работы (с одноступенчатым и двухступенчатым срабатыванием), по способу газообразование (твердотопливные и гибридные).

Пиропатроны с газовым баллоном

Рис. 6.28. 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

Твердотопливный газогенератор состоит из корпуса, пиропатрона и заряда твердого топлива. Заряд представляет собой смесь оксида натрия, нитрата калия и диоксида кремния. Воспламенение топлива происходит от пиропатрона и сопровождается образованием газа азота, который раздувает оболочку подушки.

Активация подушек безопасности происходит при ударе через 3 миллисекунды после срабатывания датчика удара. На протяжении 20-40 мс подушка раздувается, а через 100 мс происходит полное вздутие подушки. В зависимости от направления удара активируются только определенные подушки безопасности. Если сила удара превышает заданный уровень, датчики удара передают сигнал в блок управления. После обработки сигналов всех датчиков блок управления определяет необходимость и время срабатывания определенных подушек безопасности и других компонентов системы пассивной безопасности. Соответственно, условия срабатывания различных подушек безопасности различны.

Например, фронтальные подушки безопасности срабатывают при следующих условиях: превышение силы лобового удара заданной величины; наезд на твердый прочный предмет (бордюр, край тротуара, стенка ямы) жесткое приземление после прыжка; падение автомобиля; косой удар в переднюю часть автомобиля. Фронтальные подушки безопасности не срабатывают при ударе автомобиля сзади, боковом ударе, опрокидывании автомобиля. Срабатывают все подушки безопасности при возгорании автомобиля.

Алгоритмы срабатывания подушек безопасности постоянно совершенствуются и становятся все более сложными. Современные алгоритмы учитывают скорость движения транспортного средства, скорость его замедление, вес пассажира и место его расположения, использование ремня безопасности, наличие детского кресла.

Подголовник — защитное средство, встроенный в верхнюю часть сиденья, является упором для затылочной части головы водителя или пассажира автомобиля. Подголовники конструируются или как часть удлиненных спинок сидений, или являются отдельными регулируемыми подушечками над сиденьями. Подголовники устанавливаются с целью ослабить эффект неконтролируемого движения головы, особенно назад, в результате ДТП из-за наезда другого транспортного средства сзади. Очень большую роль при защите шейных позвонков при аварии играет правильность установки и регулировки подголовника. Существенным недостатком неподвижных подголовников является необходимость их регулирования по высоте.

Активные механические подголовники (рис. 6.29) оборудованы специальным подвижным рычагом, спрятанным в спинке сиденья. При заднем ударе автомобиля спина водителя по инерции от толчка вдавливается в кресло и нажимает на нижний конец рычага, рычаг нажимается и подголовник начинает двигаться навстречу голове человека еще до ее опрокидывания, за счет чего уменьшает силу удара. Чем большее давление окажет на кресло спина человека, тем быстрее система сработает. Активные подголовники эффективны при столкновениях на малых и средних скоростях движения, когда чаще всего случаются травмы и только при определенном вида наезда сзади. После столкновения подголовники возвращаются в исходное положение. Активные подголовники должны быть всегда правильно отрегулированы.

Реализация электрического привода активного подголовника предполагает наличие электронной системы управления. В состав системы управления входят датчики удара, блок управления и собственно механизм привода. Основу механизма составляет пиропатрон с электрическим воспламенением. Датчики удара расположены в задней части автомобиля. Сигналы с датчиков поступают на блок управления, который, исходя из направления и силы удара, выполняет регулировку усилия срабатывания рычажного механизма. Системы электрического типа стоят дороже механических собратьев, но их эффективность гораздо выше. Хотя даже наиболее простые активные подголовники существенно повышают уровень пассивной безопасности транспортного средства.

Активный подголовник

Рис. 6.29. Активный подголовник:

/ — опорный щиток; 2 — рычажный механизм; 3 — функциональный блок; а — в состоянии покоя; 6 — в рабочем состоянии

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >