AUTOBUSY 1

Andrzej DOLNY, Donata GIERCZYCKA-ZBROŻEK, Karol JAŚKIEWICZ

ZAGROŻENIA ZWIĄZANE Z DZIAŁANIEM PODUSZKI POWIETRZNEJ W PRZYPADKU NIESTANDARDOWEJ POZYCJI KIEROWCY

SAMOCHODU OSOBOWEGO

Streszczenie Poduszki powietrzne stosowane w samochodach osobowych mają na celu zredukowanie przecią-

żeń działających na ludzki organizm w czasie zderzenia a przez to zwiększenie szans na minimalizację obrażeń czy – w krańcowym przypadku – przeżycie. Stosowane niezgodnie z założeniami projektantów mogą jednak stanowić zagrożenie dla użytkownika. Niestandardowa pozycja w samochodzie, nietypo-wy ze względu na charakterystyki antropometryczne pasażer, mogą spowodować nieprzewidziane przez konstruktora zadziałanie poduszki. Konstruktorzy starają się uwzględnić możliwe źródła zagro-żeń, rozbudowując zakres testów o konfiguracje nietypowe (OoP – Out of Position) oraz próbując zminimalizować negatywny ich wpływ na działanie poduszki.

WSTĘP Jednym z najważniejszych elementów poprawy bezpieczeństwa biernego są poduszki

powietrzne. Ich zadaniem jest odebranie energii kinetycznej pasażera podczas zderzenia, a przez to zminimalizowanie obrażeń. Konstrukcja wykorzystuje energię procesu chemiczne-go do uruchomienia i napełnienia poduszki gazem. Na rys. 1 przedstawiono rozmieszczenie części składowych poduszki powietrznej kierowcy, natomiast na rys. 1b. widoczny jest prze-krój modułu poduszki powietrznej.

a) b)

Rys. 1. Widok poduszki powietrznej; a) części składowe poduszki powietrznej kierowcy, b) Przekrój modułu poduszki powietrznej wraz z inflatorem dwustopniowym. Autoliv.

2 AUTOBUSY

W skład układu poduszki powietrznej wchodzą: moduł poduszki powietrznej (generator gazu z pastylkami paliwa stałego i zapalnikiem, tekstylna komora poduszki, obudowa, złą-cze), układ aktywujący (czujniki przyspieszeń) oraz elektroniczne urządzenia sterujące. Zada-niem generatora gazu jest napełnienie poduszki gazem. Umieszczona jest w nim odpowiednia ilość paliwa stałego w postaci tabletek (granulatu).

Uruchomienie poduszki powietrznej następuje poprzez zapalnik ze spłonką, który umieszczony jest w środku komory spalania. Spłonka, detonowana przez zapalnik mostkowy, uruchomiona impulsem elektrycznym z urządzenia sterującego, powoduje zapłon substancji zapalającej, od której zapala się paliwo stałe. Powstający w wyniku spalania gaz przepływa pod ciśnieniem przez metalowy filtr, gdzie jest oczyszczany i schładzany, a następnie dostaje się do wnętrza komory poduszki (rys. 2).

Rys. 2. Kolejne fazy napełniania poduszki powietrznej kierowcy. Autoliv.

Poduszka powietrzna wyzwalana jest przez elektroniczne urządzenie sterujące na podsta-wie sygnałów z czujników przyspieszeń umieszczonych w punkcie centralnym i w przedniej części samochodu. Liczba i rodzaj czujników układu poduszek gazowych zależy od rodzaju i typu samochodu. Po zderzeniu czołowym urządzenie sterujące uruchamia odpowiedni pro-gram, który umożliwia porównanie wartości zarejestrowanego przez czujniki opóźnienia z zapisanymi w pamięci urządzenia sterującego wartościami wzorcowymi, ustalonymi na podstawie testów zderzeniowych. Od wyniku obliczeń zależy, czy przednie poduszki gazowe zostaną uruchomione. Algorytmy obliczeń uwzględniają budowę i zachowanie się stref zgnio-tu nadwozia danego samochodu.

W procesie konstruowania poduszki wykorzystuje się symulacje numeryczne oraz testy mechaniczne. Podstawą do nich jest zastosowanie manekinów do testów zderzeniowych – przede wszystkim Hybrid III 5-centylowej kobiety i 50-centylowego mężczyzny. Oznacza to, że ustawienia i kształt poduszki dostosowane są do konkretnych sytuacji oraz konkretnej wagi i wzrostu pasażera. Poduszki spełnią swoją funkcję poprawnie wyłącznie wtedy, gdy urucho-mione zostaną w sytuacji przypominającej konfigurację testową.

1. OUT-OF-POSITION Szybko zauważono potencjalne zagrożenia wiążące się z uruchomieniem poduszki w sy-

tuacji niestandardowej, gdy kierowca lub pasażer przyjmują nieprzewidzianą przez producen-ta systemów zabezpieczeń biernych pozycję w pojeździe. Sytuacja taka nosi nazwę Out-of-Position, w skrócie OoP. Współczesne regulacje bezpieczeństwa wymagają od producentów samochodów testowania poduszek powietrznych również w takich niestandardowych konfi-guracjach, w celu zapewnienia pasażerom możliwie dużego bezpieczeństwa.

Dla testów po stronie kierowcy wykorzystuje się manekina Hybrid III 5-centylowej kobie-ty, jako że mniejsze osoby siadają bliżej kierownicy, będąc przez to bardziej narażone na obra-żenia spowodowane wystrzeleniem poduszki. Sprawdzanymi pozycjami są „chin-on-rim” – gdy podbródek manekina oparty jest o górną część koła kierownicy – oraz „chin-on-module” – gdy podbródek manekina oparty jest o górną część modułu poduszki powietrznej (rys. 3).

5 ms 15 ms 30 ms

AUTOBUSY 3

a) b)

Rys. 3. Konfiguracje testowe do „Out-of-position”. a) chin-on-module, b) chin-on-rim [1].

Otrzymane w wyniku testów wartości przyspieszeń, sił i momentów nie mogą przekroczyć limitów ustalonych podczas eksperymentów biomechanicznych (na zwłokach, zwierzętach).

2. WYNIKI PRZYKŁADOWYCH SYMULACJI W celu zilustrowania niekorzystnych mechanizmów związanych z sytuacjami out-of-

position, przeprowadzono trzy proste symulacje w komercyjnym pakiecie LS-Dyna. Konfigu-racją wyjściową był udostępniany przez LSTC model szkoleniowy, składający się z uprosz-czonego wnętrza samochodu, z poduszką powietrzną i pasami bezpieczeństwa. We wnętrzu pojazdu umieszczono manekina Hybrid III 5-centylowej kobiety, dostosowano ustawienie fotela oraz zlikwidowano pasy bezpieczeństwa, niepotrzebne w konfiguracji statycznej. W układzie referencyjnym (rys. 4a) manekin został usadzony w pozycji jak najbardziej przy-pominającej naturalnie przyjmowaną przez kierowcę w samochodzie, z opuszczonymi ręka-mi. W pozycji „chin-on-module” (rys.4b) starano się dostosować pozycję manekina do reko-mendowanej w Regulacji 208 NHTSA, w której podbródek manekina oparty jest o moduł poduszki powietrznej w centralnej części kierownicy. Ze względu na ograniczenia modelu (brak możliwości regulacji pochylenia klatki piersiowej względem miednicy), nie udało się tego położenia dokładnie odwzorować. W pozycji „chin-on-rim” (rys.4c) podbródek maneki-na oparty jest o górną część koła kierownicy. W każdym z przypadków, w warunkach sta-tycznych uruchamiana jest poduszka powietrzna. Rejestrowane są przyspieszenia głowy oraz siły i momenty w szyi.

Ze względu na duże uproszczenia w modelu oraz brak możliwości jego walidacji, otrzy-mane wyniki służą bardziej określeniu mechanizmów zjawisk na podstawie analizy jakościo-wej, nie ilościowej.

a) b) c)

Rys. 4. a) Pozycja referencyjna, b) pozycja zbliżona do chin-on-module, c) pozycja chin-on-rim.

4 AUTOBUSY

Na rys. 5 przedstawiono krzywą zależności zagrożenia poważnym obrażeniem szyi ze względu na czas działania siły rozciągających kręgosłup szyjny. Ze wzrostem długości trwa-nia impulsu siły o danej wartości, maleje odporność biomechaniczna organizmu ludzkiego i zwiększa się prawdopodobieństwo odniesienia obrażeń [2]. Na rys. 6 zaprezentowano przebieg sił rozciągających kręgosłup szyjny z przeprowadzonych symulacji. Zaobserwować można wydłużenie czasu trwania obciążenia ze zmianą konfigura-cji testu. Najkrótszy czas (20-42 ms) dla układu referencyjnego, najdłuższy (18-50 ms) dla chin-on-rim. Wydłużenie czasu trwania impulsu przy podobnej wartości siły pozwala przy-puszczać, że poziom obrażeń będzie większy (rys. 5).

Rys. 5. Prawdopodobieństwo odniesienia poważnych obrażeń kręgosłupa szyjnego. Zależność

między czasem trwania impulsu a wartością siły. [2]

Rys. 6. Przebiegi sił rozciągających kręgosłup szyjny. A – pozycja referencyjna, B – zbliżona do chin-on-module, C – chin-on-rim. Siły rejestrowane w górnej części kręgosłupa (C0).

Na rysunku 7 przedstawiono przebieg momentu gnącego (przeprost) kręgosłup szyjny. Widoczne wydłużenie czasu trwania obciążenia ze zmianą konfiguracji testu. Najkrótszy czas (25-42 ms) zaobserwować można dla układu referencyjnego, najdłuższy (23-65 ms) dla chin-on-rim. Wydłużenie czasu trwania impulsu przy podobnej wartości momentu gnącego pozwa-la przypuszczać, że poziom obrażeń będzie większy [2].

AUTOBUSY 5

Rys. 7. Przebiegi momentów gnących (przeprost) kręgosłup szyjny dla układu referencyjnego

(A), chin-on-module (B) oraz chin-on-rim (C). Siły rejestrowane w górnej części kręgo-słupa (C0).

Przedstawione wyniki symulacji, przebiegu sił i momentu gnącego w szyi, pozwalają na-wet przy tak uproszczonym modelu potwierdzić niebezpieczeństwo związane z przyjmowa-niem przez pasażera niestandardowej pozycji w aucie. Czas ekspozycji na przeciążenia wy-dłuża się, a przez to rośnie ryzyko odniesienia obrażeń.

3. SYSTEMY KLASYFIKUJĄCE PASAŻERA W nowoczesnych systemach bezpieczeństwa panuje nowa tendencja przechwytywania in-

formacji o budowie anatomicznej pasażera w celu zoptymalizowania sposobu jego ochrony. Najpopularniejszy sposób to odpowiednio rozmieszczone czujniki masy ukryte wewnątrz samochodowych foteli. Tutaj prekursorem tego typu rozwiązań jest firma Siemens, która jest wiodącym na rynku producentem systemów automatyki. Inżynierowie z Siemensa opracowali system czujników AWS (ang. Advanced Weight Sensor – zaawansowany czujnik masy), który pod koniec 2004 roku doczekał się swojej nowej wersji: AWS II. Na podstawie sygnałów pochodzących z czterech czujników (o czułości 150 g) rozmieszczonych w fotelu auta system dzięki odpowiednim algorytmom jest w stanie określić budowę ciała, masę, a także zajmowa-ną na fotelu pozycję pasażera.

Rys. 8. Wizualizacja systemu AWS firmy Siemens

Czujniki te działają na zasadzie metalowej sprężyny uginającej się maksymalnie do 0,2 mm, w zależności od nacisku wywieranego przez pasażera. Ugięcie jest rejestrowane i już jako sygnał elektryczny wysyłane do głównego sterownika, gdzie następuje analiza danych i klasyfikacja ich do jednej z pięciu kategorii wagowych pasażerów. Podczas zderzenia po-

6 AUTOBUSY

duszki powietrzne są wystrzeliwane w charakterystyczny dla każdej z tych kategorii sposób, aby zoptymalizować poziom ochrony biernej i obniżyć ryzyko wystąpienia bądź zminimali-zować obrażenia ofiar wypadku.

Rys. 9. Czujniki masy i pozycji na fotelu – system firmy Siemens

Firma Continental zmodyfikowała to rozwiązanie stosując w swoim systemie OCS (ang. Occupant Classification System) specjalne maty, na których umieszczonych jest 96 czujników. Mierzą one dokładny rozkład nacisków wywieranych na fotel, przez co z większą precyzją można określić parametry wagowo-gabarytowe osób wewnątrz pojazdu. Dodatkowo, jeżeli czujniki wykryją usadowienie fotelika dziecięcego, poduszka powietrzna jest dezakty-wowana.

Rys. 10. Maty czujnikowe stosowane w OCS firmy Continental

Firmy takie jak Bosch i Autoliv rozwijają zespoły czujników ultradźwiękowych i pod-czerwieni które pozwalają na ocenę budowy i położenia pasażera oraz sposób zamontowania fotelika dla dziecka. Zebrane informacje wykorzystywane są przez sterowniki do podjęcia decyzji które poduszki odpalić w razie wypadku i jak je napełnić. Na rys.11 pokazano zespół czujników połączonych w moduł kontroli wnętrza samochodu zintegrowany z lampką oświe-tlenia pojazdu. Nowoczesne systemy OCS nie tylko klasyfikują pasażerów ze względu na wagę i odczytują miejsce w którym się znajdują ale pozwalają również określić czy pasy bez-pieczeństwa są zapięte i jakie jest ich napięcie. Innymi słowy system czujników pozwala stwierdzić czy siedzi dziecko lub przymocowany jest fotelik, czy przewożony przedmiot. Światła lub znaki na desce rozdzielczej informują kierowcę o włączeniu lub wyłączeniu po-duszek powietrznych pasażera. Systemy związane z OCS są doskonałym przykładem tzw. inteligentnej technologii która coraz częściej znajduje zastosowanie w pojazdach samocho-dowych.

AUTOBUSY 7

Rys. 11. Moduł kontroli wnętrza samochodu – system firmy Bosch

4. DYSKUSJA Przeprowadzenie prostych symulacji pozwoliło zaobserwować zwiększone prawdopodobień-

stwo odniesienia obrażeń przy przyjęciu innej niż standardowa pozycji w pojeździe. Problematy-ka została zauważona przez instytucje odpowiedzialne za ustalanie standardów bezpieczeństwa w samochodach. Do zestawu testów dołączono również Out-of-Position. W połączeniu z systemem klasyfikacji użytkownika, który pozwoli na dopasowanie ustawień poduszki do indywidualnych potrzeb pasażera oraz jego aktualnej pozycji w pojeździe, procedury te powinny dać szansę zre-dukowania obrażeń pochodzących od systemów bezpieczeństwa biernego. Kwestią wymagającą obszernych badań jest obecnie sposób identyfikacji pasażera, dostępny dla użytkowników samo-chodów przeciętnej klasy (koszt metody pomiarowej, czujników).

BIBLIOGRAFIA 1. Air bag technology in light passenger vehicles. Office of Research and Development, Na-

tional Highway Traffic Safety Administration, 2001. 2. Mertz H.J., Injury assesment values used to evaluate Hybrid III response measurements.

General Motors Corporation, NHTSA Docket Submission, VSG 2284 Part III, Attach-ment I, Enslosure 2, 1984.

POSSIBLE THREATS RELATED TO AIRBAG ACTIVATION IN CASE OF OUT-OF-POSITION

CONFIGURATION AT DRIVER SIDE

Abstract Air bags are meant to reduce excessive loads acting on occupant’s body during the crash, de-

creasing injury risk. Used in configuration other than designed they may not provide its proper func-tionality to the occupant. Untypical position in car (called Out-of-Position) or non-standard occupant (away from a 50-percentile occupant) may cause abnormal operation of the air bag. The developers try to take possible sources of risk into account, adding Out-of-Position to the standard testing proce-dure and focusing on minimizing its negative influence on airbag functionality. Recenzent: dr hab. inż. Grzegorz Koralewski, prof. WSEI Autorzy: dr inż. Andrzej DOLNY - Politechnika Wrocławska mgr inż. Donata GIERCZYCKA-ZBROŻEK - Politechnika Wrocławska dr inż. Karol JAŚKIEWICZ - Politechnika Wrocławska