Содержание страницы
- Введение: Эволюция пассивной безопасности
- 1. Общий принцип работы и ключевые компоненты системы SRS
- 2. Датчики: «Нервная система» Airbag
- 3. Газогенератор и процесс надувания подушки
- 4. Алгоритмы срабатывания и соответствие нормативам
- 5. Классификация современных подушек безопасности
- 6. Диагностика и обслуживание
- Заключение
Введение: Эволюция пассивной безопасности
В истории автомобилестроения немногие технологии оказали такое же кардинальное влияние на спасение жизней, как система надувных подушек безопасности, известная как Airbag или SRS (Supplemental Restraint System — Дополнительная система удержания). Идея создания мгновенно надуваемой подушки для смягчения удара при аварии появилась еще в 1950-х годах, но техническая реализация стала возможной лишь десятилетия спустя. Пройдя путь от опции в люксовых автомобилях, как, например, в Mercedes-Benz S-класса 1981 года, до стандартного оборудования в подавляющем большинстве современных транспортных средств, система Airbag стала краеугольным камнем пассивной безопасности.
Сегодня область применения этой технологии вышла далеко за рамки легковых автомобилей. Подушками безопасности оснащаются коммерческие и частные самолеты, боевые вертолеты армии США (Black Hawk и Kiowa Warrior), и даже мотоциклы, как флагманский Honda Gold Wing. Статистика неумолима: использование подушек безопасности в тандеме с ремнями повышает шанс выживания при лобовом столкновении до 61%, в то время как одни лишь ремни обеспечивают около 50%. Это наглядное доказательство того, почему глубокое понимание принципов работы, компонентов и типов SRS является критически важным.
1. Общий принцип работы и ключевые компоненты системы SRS
Система надувных подушек безопасности — это сложный комплекс устройств, работающих в тесной связке для защиты водителя и пассажиров в тысячные доли секунды. Автомобили, оснащенные системой, легко идентифицировать по маркировке «AIRBAG» или «SRS» на ступице рулевого колеса и на панели приборов со стороны пассажира.
В случае фронтального столкновения диагонально-поясные ремни в комплексе с системой Airbag обеспечивают комплексную защиту головы и грудной клетки, снижая вероятность тяжелых травм и летального исхода почти на 40%.
Рисунок 1. Схема расположения компонентов системы надувных подушек безопасности (на примере Audi A3): 1 — задний датчик удара боковой подушки (водительская сторона); 2 — пиропатрон верхней подушки (шторки) водителя; 3 — пиропатрон натяжителя ремня водителя; 4 — датчик замка ремня водителя; 5 — пиропатрон боковой подушки водителя; 6 — датчик удара в передней двери (водительская сторона); 7 — модуль подушки безопасности водителя с газогенератором; 8 — диагностический разъем OBD-II; 9 — приборная панель с контрольными лампами; 10 — блок управления двигателем (ECU); 11 — фронтальный датчик удара (левый); 12 — фронтальный датчик удара (правый); 13 — контрольная лампа отключения подушки пассажира; 14 — замок отключения подушки пассажира; 15 — шлюз (Gateway) шины данных; 16 — двухступенчатый пиропатрон подушки пассажира; 17 — центральный блок управления подушками безопасности (ECU SRS); 18 — датчик замка ремня пассажира; 19 — датчик присутствия пассажира; 20 — пиропатрон боковой подушки пассажира; 21 — датчик удара в передней двери (пассажирская сторона); 22 — пиропатрон натяжителя ремня пассажира; 23 — пиропатрон верхней подушки (шторки) пассажира; 24 — задний датчик удара боковой подушки (пассажирская сторона); 25 — центральный блок управления системами комфорта; 26 — пиропатрон отключения АКБ.
Основными элементами системы являются:
- Электронный блок управления (ECU SRS): «Мозг» системы, анализирующий данные с датчиков и принимающий решение об активации.
- Датчики удара (сенсоры): «Нервные окончания», фиксирующие резкое замедление или изменение давления. Их количество варьируется от 3 до 10 и более.
- Газогенератор (инфлятор): Устройство, содержащее пиропатрон и твердое топливо для молниеносного наполнения подушки газом.
- Надувная подушка (воздушный мешок): Прочная нейлоновая оболочка, которая разворачивается для смягчения удара.
- Контрольная лампа на приборной панели: Индикатор исправности системы.
2. Датчики: «Нервная система» Airbag
Именно датчики определяют, является ли столкновение достаточно серьезным для активации подушек. Их располагают в стратегически важных точках: в бампере, моторном отсеке, дверях и центральных стойках кузова. В память блока управления заложены эталонные параметры удара для каждой конкретной модели автомобиля. Современные системы используют комбинацию различных типов датчиков для максимальной точности.
2.1. Датчики ускорения (Акселерометры)
Это основной тип датчиков для фиксации фронтальных и боковых столкновений. Они измеряют величину отрицательного ускорения (замедления). Ранние системы использовали электромеханические датчики с подпружиненным шариком, который при ударе замыкал электрический контакт. Сегодня им на смену пришли более точные и надежные электронные микромеханические датчики (MEMS).
Датчик ускорения конденсаторного типа устроен как переменный конденсатор. Подвижные пластины играют роль сейсмической массы. При ударе они смещаются относительно неподвижных пластин, что вызывает измеримое изменение электрической емкости. Блок обработки преобразует это изменение в цифровой сигнал для ECU SRS.
Рисунок 2. Принцип работы акселерометра конденсаторного типа: а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — неподвижная пластина; 2 — подвижная пластина (сейсмическая масса); 3 — блок обработки данных.
2.2. Датчики давления
Для более быстрой детекции бокового удара, особенно в область двери, применяются датчики давления. Они не измеряют деформацию кузова, а фиксируют резкий скачок давления воздуха внутри дверной полости, который происходит в первые моменты столкновения. Это позволяет выиграть драгоценные миллисекунды для срабатывания боковых подушек и шторок.
Пьезоэлектрический датчик удара: Его чувствительный элемент — мембрана с пьезокристаллами. При ударе деформация мембраны вызывает возникновение электрического заряда в кристаллах (пьезоэффект). Этот электрический потенциал регистрируется и отправляется как сигнал тревоги.
Рисунок 3. Конструкция пьезоэлектрического датчика удара: а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — мембрана; 2 — слой пьезокристаллов; 3 — блок обработки данных.
Емкостный датчик давления: Работает по схожему с акселерометром принципу, но здесь роль одной из пластин конденсатора выполняет гибкая мембрана. Давление при ударе деформирует мембрану, изменяя расстояние d между пластинами и, соответственно, емкость конденсатора.
Рисунок 4. Конструкция емкостного датчика давления: а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — неподвижная пластина конденсатора; 2 — гибкая мембрана (вторая пластина); 3 — блок обработки данных; d — изменяемое расстояние между пластинами.
3. Газогенератор и процесс надувания подушки
После получения подтверждающего сигнала от датчиков, блок управления посылает электрический импульс на газогенератор (инфлятор). Для предотвращения случайного срабатывания от короткого замыкания в бортовой сети, современные системы используют переменный ток, генерируемый специальным конденсатором в цепи возбуждения с частотой около 100 кГц.
Сердце газогенератора — пиропатрон с твердым топливом, чаще всего на основе азида натрия (NaN3). Несмотря на то, что исходное вещество токсично, в результате быстрой химической реакции горения оно распадается на абсолютно безвредный газообразный азот (N2), который составляет 78% земной атмосферы, и другие сопутствующие продукты.
Процесс горения, хоть и сверхбыстрый, не является взрывом в классическом понимании. Он протекает в три стадии и развивает мощность до 60 кВт. Наполнение подушки для водителя (объем 50-60 литров) занимает 30-35 миллисекунд, а для пассажира (объем 100-140 литров) — около 50 миллисекунд. Для сравнения, моргание человеческого глаза длится 100 мс.
3.1. Двухступенчатые (адаптивные) газогенераторы
Скорость раскрытия подушки достигает 300 км/ч, что само по себе может стать причиной травм. Для минимизации этого риска были разработаны двухступенчатые газогенераторы. В зависимости от силы удара и положения пассажира, блок управления может активировать заряды последовательно.
- Первый этап: Срабатывает первый, меньший заряд, наполняя подушку примерно на 70% от полного объема.
- Второй этап: С задержкой в 5-50 мс активируется второй заряд, который полностью раскрывает подушку уже в момент ее контакта с телом человека, обеспечивая более мягкое и безопасное замедление.
При любом сценарии аварии срабатывают оба заряда, чтобы исключить наличие активного пиропатрона в автомобиле после ДТП.
Рисунок 5. Схема работы двухступенчатого пиропатрона: а — исходное состояние; 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 — воспламенитель; 9 — отверстие; 10 — выход газа к подушке; 11 — активация первого пиропатрона; 12 — активация второго пиропатрона.
Сама подушка изготавливается из прочного нейлона толщиной 0,45 мм с внутренним покрытием из неопрена или силикона для герметичности. После максимального наполнения газ немедленно начинает выходить через специальные калиброванные отверстия, чтобы подушка не препятствовала дыханию и движениям человека. Весь цикл — от удара до полного сдувания — занимает меньше секунды.
4. Алгоритмы срабатывания и соответствие нормативам
Современная система SRS — это интеллектуальный комплекс. Блок управления принимает решение об активации, учитывая множество факторов:
- Скорость автомобиля и интенсивность замедления.
- Направление удара (фронтальный, боковой, угловой).
- Данные с датчиков присутствия пассажиров (подушки не сработают, если сиденье пусто).
- Информация от датчиков замков ремней безопасности (порог срабатывания может меняться).
- Наличие установленного детского кресла (пассажирская подушка может быть деактивирована).
Пороговые значения срабатывания для фронтальных датчиков обычно соответствуют удару на скорости 25-50 км/ч, в то время как боковые сенсоры более чувствительны. Важно понимать, что экстренное торможение, даже самое резкое, не вызовет активации системы. На случай отказа аккумулятора в момент ДТП, в блоке управления предусмотрен конденсатор, хранящий достаточный заряд для срабатывания пиропатронов.
Все автомобили, сертифицированные для продажи на территории Евразийского экономического союза, должны соответствовать требованиям Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств». В частности, требования к пассивной безопасности при фронтальном столкновении регламентируются ГОСТ Р 41.94-99 (Правила ЕЭК ООН № 94), который и определяет критерии корректного срабатывания удерживающих систем, включая подушки безопасности.
5. Классификация современных подушек безопасности
С развитием технологий количество и типы подушек в автомобиле значительно расширились, обеспечивая всестороннюю защиту.
Рисунок 6. Модуль фронтальной подушки безопасности: 1 — сложенная подушка; 2 — газогенератор (пиропатрон).
5.1. Фронтальные подушки
Первый и самый известный тип. Подушка водителя располагается в ступице рулевого колеса, а пассажирская — в верхней части приборной панели. Для пассажирской подушки практически всегда предусмотрена функция ручного отключения, необходимая при установке детского кресла.
5.2. Боковые подушки (Thorax bags)
Впервые внедрены компанией Volvo в 1994 году. Обычно встраиваются в боковины спинок передних (а иногда и задних) сидений. Предназначены для защиты таза, брюшной полости и грудной клетки при боковом ударе. Современные варианты имеют двухкамерную конструкцию для дифференцированной защиты.
Рисунок 7. Боковая подушка безопасности, встроенная в сиденье
5.3. Головные подушки (Надувные занавески/шторки)
Располагаются вдоль боковых окон под обшивкой крыши. Впервые применены Toyota в 1998 году. При боковом ударе или опрокидывании они разворачиваются, защищая головы пассажиров переднего и заднего рядов от контакта со стеклами и стойками кузова. Остаются в надутом состоянии дольше других (около 5 секунд) для защиты при повторных ударах.
Рисунок 8. Схема модуля надувной занавески (шторки)
5.4. Коленные подушки
Пионером их внедрения стала Kia в 1996 году. Располагаются под рулевой колонкой для водителя и под бардачком для пассажира. Защищают колени и голени от удара о жесткие элементы приборной панели, а также способствуют правильному положению тела в момент срабатывания фронтальных подушек.
Рисунок 9. Коленная подушка безопасности водителя
5.5. Центральные и другие инновационные подушки
Относительно новая разработка, предложенная Toyota в 2009 году. Располагается в центральном подлокотнике или спинке сиденья и при боковом ударе раскрывается между водителем и передним пассажиром, предотвращая их вторичное столкновение друг с другом. Также разрабатываются подушки безопасности для пешеходов, которые при наезде раскрываются снаружи, покрывая капот и нижнюю часть лобового стекла.
Рисунок 10. Центральная подушка безопасности
6. Диагностика и обслуживание
Система Airbag требует внимания и правильной диагностики. При включении зажигания контрольная лампа на приборной панели (обычно в виде пиктограммы человечка с подушкой) загорается на несколько секунд для самотестирования и затем гаснет. Если лампа не загорается, не гаснет или мигает во время движения — это сигнал о неисправности системы, требующий немедленного обращения в сервисный центр.
Важно помнить: подушки безопасности являются одноразовым устройством. После срабатывания весь модуль (подушка и газогенератор), а также блок управления SRS и соответствующие датчики подлежат обязательной замене. Ремонт или «перезаправка» сработавших модулей категорически недопустимы.
Заключение
Система надувных подушек безопасности прошла огромный путь от концептуальной идеи до сложнейшего интеллектуального комплекса, интегрированного в конструкцию современного автомобиля. Это яркий пример того, как технологии, сочетающие в себе микромеханику, электронику и химию, служат главной цели — сохранению человеческой жизни. Постоянное совершенствование алгоритмов, разработка новых типов подушек и интеграция с другими системами активной и пассивной безопасности продолжают делать наши поездки всё более защищенными. Однако, несмотря на всю технологичность SRS, самым главным элементом безопасности по-прежнему остается пристегнутый ремень и ответственное поведение водителя на дороге.
