Наиболее эффективным элементом пассивной безопасности является применение систем надувных подушек безопасности (airbag) (рис. 1). Каждый новый Dodge Dart в стандартной комплектации имеет 10 подушек безопасности. В Ford Explorer и Flex, в Lincoln MKT и Lexus LFA установлены надувные ремни безопасности, купить которые можно как дополнительную опцию.
Многочисленные коммерческие и частные самолеты оборудованы подушками безопасности, которые разворачиваются из ремней безопасности пассажиров. Автопроизводители совершенствуют технологии, позволяющие сберечь жизни и здоровье пассажиров их автомобилей. Кто-то разрабатывает свои инновации, кто-то покупает системы подушек безопасности у специализированных исследовательских центров. К примеру, компания Honda предлагает собственный вариант подушки безопасности для своего флагманского мотоцикла Gold Wing, в то время как армия США в своих боевых вертолетах Black Hawk и Kiowa Warrior использует купленные подушки безопасности, позволяющие спасти жизни пилотов и пассажиров при падении.
Рис. 1. Система надувных подушек безопасности (на примере Audi 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 и подушка безопасности водителя; 8 — диагностическая розетка; 9 — щиток приборов с контрольными лампами ремней безопасности и подушек безопасности; 10 — блок управления двигателем; 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 сиденье; 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
Подушки безопасности в тандеме с пассажирскими автомобильными ремнями сокращают вероятность смертельного исхода на 61 % против 50 %, которые раньше гарантировали одни лишь пассажирские ремни. 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 сиденье и снижает вероятность тяжелых травм и гибели людей при авариях на 40 %.
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 системы 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, контрольная лампа 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 как конденсатор (рис. 2). 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. 2. Схема работы датчика ускорения конденсаторного типа: а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — неподвижная пластина; 2 — подвижная пластина; 3 — блок обработки данных
Вместо датчиков ускорения для распознавания столкновения отдельные производители автомобилей устанавливают датчики давления, с помощью которых быстрее обнаруживается удар в область двери.
При боковом столкновении эти датчики удара измеряют мгновенное изменение атмосферного давления в дверях.
Существует два типа датчиков удара: емкостный и пьезоэлектрический. 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. 3).
Рис. 3. Пьезоэлектрический датчик удара: а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — мембрана; 2 — слой из пьезокристаллов; 3 — блок обработки данных
При ударе под воздействием давления мембрана деформируется, что вызывает смещение заряда в пьезокристаллах. Это смещение заряда расценивается электронной системой обработки данных как напряжение и передается в виде сигнала в блок управления подушек безопасности.
Емкостный датчик давления. Чувствительный элемент емкостного датчика давления сконструирован как конденсатор. В герметичной полости расположена первая пластина конденсатора (рис. 4).
Рис. 4. Емкостный датчик удара: а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — первая пластина конденсатора; 2 — вторая пластина конденсатора; 3 — блок обработки данных; d — расстояние между пластинами конденсатора
Вторая пластина конденсатора представляет собой мембрану, проходящую через полость. Если на мембрану воздействует давление, то расстояние между пластинами конденсатора d изменяется. Это изменение обрабатывается электронной системой обработки данных, а затем передается 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/ч, 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) приводит в возбуждение газогенераторы надувной подушки безопасности. В современных конструкциях срабатывание капсюля для зажигания газогенератора происходит от переменного тока с целью предупреждения короткого замыкания в электрической системе питания постоянного тока автомобиля (неисправностей в электропроводке). Для создания переменного тока применяется конденсатор, включенный в конструкцию зарядного капсюля и подсоединенный последовательно в цепь возбуждения. Он 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. В качестве топлива 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 три 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 мс.
Для предотвращения травм от надувания подушки, движущейся со скоростью 200…300 км/ч 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. 5).
Рис. 5. Пиропатрон и принцип его действия: а — исходное состояние пиропатрона; б — первый этап срабатывания; в — второй этап срабатывания; 1, 4 — первый заряд; 2 — корпус; 3 — металлический фильтр; 5 — второй заряд; 6 — второй пиропатрон; 7 — первый пиропатрон; 8 — поджигающий заряд; 9 — отверстие; 10 — выход газа к подушке безопасности; 11 — активирование первого пиропатрона; 12 — активирование второго пиропатрона
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 5…50 мс. Срабатывают всегда оба заряда, чтобы после раскрытия подушки безопасности не оставался еще один, несработавший 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.
Скорость наполнения подушки выбрана в соответствии с временем перемещения водителя (пассажира) при столкновении с подушкой. Сразу же после наполнения, но медленнее, за 200 мс подушка сдувается.
Оптимальное время для наполнения подушки — 30…55 мс. Газ (азот или другой безопасный для человека) в подушку поступает через специальный фильтр. В развернутом состоянии подушка находится очень короткое время (до 1 с), чтобы не задушить защищаемого пассажира, так как газ через специальные отверстия быстро выходит в салон.
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 (рис. 6), боковые и потолочные.
Рис. 6. Комплект фронтальной подушки безопасности: 1 — подушка безопасности; 2 — газогенератор (пиропатрон)
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. Чтобы уменьшить шум, срабатывают только нужные подушки, и то в разное время: например, через 20 мс после столкновения — водительская, еще через 17 мс — пассажирские. Причем если в салоне нет пассажиров, подушки безопасности не срабатывают, так как в сиденьях устанавливаются 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, предназначенных 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 контрольная лампочка горит около 10 с и затем гаснет. 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 распознается специальными датчиками и открываться эти подушки будут непосредственно перед столкновением.
Виды подушек безопасности. 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, боковые, головные, коленные, центральная подушка безопасности.
Впервые фронтальные подушки безопасности были применены на автомобилях Mercedes-Benz в 1981 г. 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 и даже многоступенчатое срабатывание в зависимости от тяжести аварии (так называемые адаптивные подушки безопасности). Фронтальная подушка безопасности водителя располагается в рулевом колесе, переднего пассажира — в верхней правой части передней панели.
Боковые подушки безопасности (рис. 7) призваны снизить риск травмирования таза, грудной клетки и брюшной полости при аварии. Пионером в применении боковых подушек безопасности является компания Volvo, которая в 1994 г. начала предлагать их для установки в качестве опции. Боковые подушки безопасности устанавливаются обычно в спинке переднего сиденья. Ряд автомобилей предлагают боковые подушки безопасности на задних сиденьях. Самые современные боковые подушки безопасности имеют двухкамерную конструкцию: более жесткую нижнюю часть для защиты таза и мягкую верхнюю часть — для грудной клетки.
Рис. 7. Боковые подушки безопасности
Головные подушки безопасности (также называются надувными занавесками безопасности) служат, как следует из названия, для защиты головы при боковом столкновении. Впервые надувные занавески начала устанавливать компания Toyota в 1998 г. Занавески защищают пассажиров переднего и заднего рядов сидений, их модули (рис. 8) расположены справа и слева над дверьми и спрятаны под обивкой крыши. Модули простираются от задних стоек кузова, на которых установлены их газогенераторы, до передних стоек.
Рис. 8. Надувная занавеска
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, и остаются в раздутом состоянии не менее 5 с, чтобы защитить пассажиров от повторных ударов при переворачивании автомобиля.
В целях уменьшения травм пассажиров при столкновениях в легковых автомобилях могут применяться коленные подушки безопасности (рис. 9), защищающие колени и голени водителя от травм. Располагаются под рулевым колесом. Впервые применены на автомобилях Kia в 1996 г. В ряде моделей под «бардачком» устанавливается коленная подушка безопасности переднего пассажира.
Рис. 9. 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.
В 2009 г. Toyota предложила центральную подушку безопасности (рис. 10), которая призвана снизить тяжесть вторичных повреждений пассажиров при боковом столкновении. Она располагается в подлокотнике переднего ряда сидений, центральной части спинки заднего сиденья. Центральные подушки для переднего и заднего ряда сидений планирует использовать Mercedes-Benz в своей системе Pre-Safe второго поколения.
Рис. 10. Центральная подушка безопасности
В зависимости от типа и степени тяжести аварии могут срабатывать, например, только натяжители ремней безопасности или натяжители ремней безопасности вместе с подушками безопасности. Блок управления подает электрический сигнал для включения газогенераторов соответствующих подушек безопасности. Время срабатывания подушки безопасности составляет порядка 40 мс. Газогенератор обеспечивает раскрытие и надувание газом подушки. После соприкосновения с человеком подушка разрывается и сдувается.
Подушки безопасности являются одноразовыми устройствами. В случае возгорания автомобиля (повышения температуры в салоне до 150…200 °С) все подушки безопасности автоматически срабатывают.
Алгоритмы срабатывания подушек безопасности постоянно совершенствуются: сегодня они учитывают скорость движения транспортного средства, скорость его замедления, вес пассажира и место его расположения, использование ремня безопасности, а также наличие детского кресла.