6.4 Ansamblu AIRBAG

6.4.1 Noiuni de baz

Toate obiectele n micare au un moment de inerie. Fr o for exterioar, care s acioneze asupra unui corp, acesta continu s se mite cu aceeai vitez i n aceeai direcie, ca la momentul considerat. Autovehiculul n mediul de circulaie este privit ca fiind format din mai multe obiecte care include autovehiculul propriu-zis, obiectele existente n acesta (fr a fii pri componente din el) i bineneles pasagerii. Dac aceste obiecte nu sunt mpiedicate s se mite, ele i vor continua micarea indiferent de viteza mainii, chiar dac autovehiculul s-a oprit n urma unei coliziuni. Oprirea unui obiect aflat n micare necesit aciunea unei fore asupra acestuia, pe o anumit perioad de timp.

Sursa Autoliv

Figura 6-14 Ansamblu airbag amplasat ntre coloana de direcie i conductor

n timpul unei coliziuni, fora necesar pentru oprirea unui obiect aflat n autovehicul este foarte mare datorit schimbrii brute a strii acestuia, de la micare la repaus -mai precis spus pasagerii (care nu sunt parte integrant a autovehiculului) nu se opresc odat cu vehiculul propriu-zis. Astfel scopul oricrui sistem de reinere este acela de a ajuta la stoparea micrii pasagerilor sau obiectelor, provocnd pe ct posibil vtmri sau pagube minore.

Airbagul are rolul de a frna micarea pasagerilor pn la o vitez nul, fr a

provoca vtmri ocupanilor. Airbagul este un mediu de protecie interpus ntre

136

pasageri i coloana de direcie sau plana de bord (n cazul celor frontale) iar momentul de declanare este de 1/100 secunde.

Domeniul de activare al airbag-ului n cazul coliziunii frontale este dat de un unghi de aproximativ 30 fa de axa de simetrie a autovehiculului. n cazul unei coliziuni laterale unghiul sub care se activeaz airbag-urile laterale este de aproximativ 30 fata de o axa perpendicular pe cea de simetrie a autovehiculului. n cazul impacturilor laterale se vor activa doar airbag-urile laterale i cele de tip cortin, dac exist. De asemenea trebuie menionat c n cazul coliziunilor laterale sistemul de pretensionare a centurilor de siguran nu se activeaz, figura 6.15.

Figura 6-15 Activarea sistemului airbag n diverse situaii de impact

In cazul unui impact dup o directie situat n intervalul 60 n jurul stalpului A, se vor actiona airbag-urile frontale, pretensionarea centurilor si airbag-ul lateral din partea impactului.

Airbag-ul nu se declaneaz accidental cnd:

Condiii de drum greu (off-road);

Trecerea peste borduri, sau denivelri similare;

Reparaii, lovituri de ciocan, etc.

Volumul airbag-urilor difer de la 35 litri pentru conductorul auto si 65 litri pentru ocupantul din dreapta, n varianta EURO-AIRBAG, pn la 60-80 litri, respectiv 120-150

137

litri la cele de mrime fullsize. Airbag-urile laterale au volumul de aproximativ 12 litri, iar cele cortin ntre 18 i 32 litri.

Se poate spune c un airbag este constituit din trei pri principale:

Sacul propriu-zis, este confecionat din fire de nylon, care este mpachetat i

montat n volan, plana de bord sau mai recent n scaune sau ui (pentru

protecie lateral);

Senzorul este dispozitivul care d comanda de umflare a airbag-ului. Umflarea

sacului are loc n momentul cnd senzorul sesizeaz o deceleraie a

autovehiculului similar cu cea dat de coliziunea cu un zid la viteza de 16-24

km/h. Senzorul primete informaia de la un accelerometru construit ca un

microcip. Un contact mecanic format dintr-o mas suspendat va nchide un

circuit electric, n acest moment senzorul spune c impactul s-a produs; Umflarea

sacului are loc n urma reaciei chimice ntre NaN3 (azida de sodiu) cu KNO3

(azotat de potasiu), produsul rezultat fiind azotul sub form gazoas. Reacia

exoterm, sub form de explozie duce la umflarea sacului;

Figura 6-16 Principalele elemente componente ale unui sistem airbag

138

Sistemul de umflare a sacului aprinde un combustibil solid, care arde foarte

repede, crend un volum mare de gaz. Airbagul se umfl cu o vitez de

aproximativ 320 km/h - mai repede dect o clipire a ochiului uman. O secund

mai trziu, gazul este evacuat din sac prin nite orificii calibrate, aceasta

permind dezumflarea i posibilitatea de micare a pasagerului. Dac ocupantul

nu se lovete de sac, acesta este dotat cu un urub care permite evacuarea

gazului.

Figura 6-17 Schema airbagului i sistemul de umflare amplasate n volan

Figura 6-18 Sistemul de umflare utilizeaz combustibili solizi i un dispozitiv de aprindere

139

Componentele chimice principale, ntr-un sistem airbag, sunt NaN3 (azida de sodiu), mpreun cu KNO3 (azotat de potasiu) i SiO2 (bioxid de siliciu). n generatorul de gaz, un amestec al acestor componeni este aprins printr-un impuls electric i va genera o deflagraie, care va elibera un volum precalculat de azot gaz, acesta umplnd sacul.

2 NaN3 ---> 2Na + 3N2 (la 300 C)(6. 1)

Aprinderea NaN3 d natere unei explozii n urma creia se elibereaz un volum precalculat de azot n stare gazoas, care va umfla sacul. n acelai timp va rezulta o cantitate de sodiu solid, substan foarte periculoas, care se aprinde instantaneu n contact cu apa, printr-o reacie foarte violent. Astfel e necesar o a doua reacie de oxidare-reducere pentru a elimina sodiul n stare solid.

Sodiul rezultat n urma primei reacii, i azotatul de potasiu genereaz o cantitate adiional de azot ntr-o reacie secundar.

10 Na + 2 KNO3 ---> K20 + 5 Na2O + N2(6. 2)

n urma celei de a doua reacii se va obine o cantitate suplimentar de azot n stare gazoas. De asemenea se elibereaz o cantitate de oxid de potasiu i oxid de sodiu, n stare solid, care vor reaciona ntr-o a treia reacie cu al treilea component al amestecului, dioxidul de siliciu, formnd un silicat alcalin, care este stabil i inofensiv din punct de vedere chimic, el neavnd proprieti inflamabile. n cazul n care sodiul rezultat n urma primei reacii nu a reacionat n cea de a doua reacie chimic, generatorul de gaz este nconjurat de un filtru metalic numit fiberfax care

reacioneaz cu acesta pentru a-l neutraliza.

K2O + Na2O + SiO2 ---> silicat alcalin (sticla)(6. 3)

Principalul pericol referitor la airbagurile actuale provine din prezena NaN3, acesta fiind un produs foarte toxic, de 30 de ori mai toxic dect arsenicul, amplasat n fiecare generator de gaz (aproximativ 100 g), deci sub fiecare sac al sistemului airbag. Doza maxim admis, la care nu apar probleme pentru mediul de lucru, este de 0,2 mg/m3 de aer. n urmtorii ani vor aprea probleme de recuperare a airbagurilor uzate din autoturismele casate.

ntregul proces de funcionare a airbagului se poate considera ncheiat dup 1/25

secunde. Acest timp este suficient pentru evitarea apariiei unor vtmri serioase ale

140

pasagerilor. Pentru pstrarea airbagului pliat i lubrifiat, n locaul su se folosete de obicei praful de talc.

6.4.2 Sistemul de aprindere gaz-hibrid

n airbag-urile convenionale pentru conductor sau de pasageri volumul de buteliei de nalt presiune este, de obicei ntre 200 i 400 cm3, iar gazul este comprimat la o presiune de obicei ntre 200 i 300 bar. Acest gaz umple un volum de aproximativ ntre 50 i 150 litri. Desigur, abaterile de la aceste valori tipice sunt posibile, n funcie de utilizare.

Figura 6-19 Schema sistemului de umflare gaz-hibrid

ntr-un generator de gaz, care ar conine exclusiv de gaz comprimat ntr-un vas sub presiune, dezavantajul apare la destinderea a gazului, care se face ntr-o fraciune de secund, practic avnd loc un fenomen adiabatic. Prin destindere si ajungere la presiune normal, acesta ar ocupa un volum relativ mic, care nu ar fi suficient pentru a umple n mod satisfctor airbag-urile n cazul n care butelia sub presiune nu a fost conceput pentru a fi mai mare.

Din acest motiv, n afar de generatoare de gaz pur pirotehnice, n practic, aa-numitele generatoare hibride au o caps pirotehnic, utilizat n principal, pentru nclzirea gazului i mai puin pentru dezvoltarea de gaz. Astfel gazul din butelia subpresiune, n timpul destinderii sale este nclzit i astfel se umple volumul

141

ntregului airbag. n comparaie cu un generator pur pirotehnic de gaze, de exemplu un generator de hibrid are avantajul c sistemul pirotehnic este utilizat exclusiv n scopul de nclzire al gazului care umple sacul.

Prin aprinderea incrcturii pirotehnice, aceasta ncepe sa ard i s creeze gaze cu presiune ridicat. Aceasta deplaseaz pistonul care deschide butelia cu gaz sub presiune. Dupa deschiderea buteliei, gazul din interior se destinde brusc, sczndu-i temperatura. Gazele generate de arderea ncrcturii pirotehnice, cu o temperatur ridicat, se amestec cu gazul rece din butelie, rezultnd astfel un amestec cu o temperatura redus care nu risc s produc arsuri pasagerilor. Acest amestec se rcete i el la randul sau prin destindere, la trecerea prin orificiile din filtrul buteliei catre sac.

Avantajele tehnologiei gaz-hibrid:

nclzire redus a modulului airbag, doar aproximativ60C, eliminnd riscul

producerii de arsuri pasagerilor;

Emisii sczute (Clorura de calciu);

Putin poluant;

Funcionare uniform de-a lungul ntregului interval de temperaturi de lucru.

6.4.3 Determinarea cantitii de combustibil necesar umflrii unui airbag

Se cere s se calculeze cantitatea de azid de sodiu necesar pentru furnizarea unei cantiti de gaz N2 care s umple complet un airbag de X litri. Calculul se va face n condiii normale de temperatur i presiune.

Pentru a umfla complet airbagul de X litri e necesar un volum de X litri N2.

V()2)=X[litri](6. 4)

n condiii normale de temperatur i presiune volumul molar a gazului este: Vm = 22,4

l/mol. Deci pentru un volum de X litri vor fi necesari:

n ( ) 2 ) =

XX

=[ moli ] de N2.(6. 5)

V m22, 4

Gazul N2 se obine din ecuaiile (6.1) i (6.2).

142 2 NaN3 ---> 2Na + 3N2

10 Na + 2 KNO3 ---> K20 + 5 Na2O + N2

Prin urmare aceast cantitate de gaz, n moli, este suma cantitilor de gaz obinut n urma celor dou reacii amintite.

n ( )

2

) = n ( )) total = n ( )

2 2

) react 1 + n ()) react

2

2(6. 6)

unde avem:

n ( )

n ( )

2

2

3

) react 1 = 2

1

) react 2 =

10

n ( )a) )

3

(6. 7)

1

n ( )a )= n( )a) )

13

10

Din ecuaiile (6.6) i (6.7) se obine:

n ( )

2

3

) total = n ( )a)

2

1 16

) + n( )a) ) =

33

10 10

n ( )a) )(6. 8)

3

Din (6.5), (6.6) i (6.8) avem:

n ( )

2

X16

) =[ moli ] =n (

22 , 410

)a) )(6. 9)

3

Din ecuaia (6.9) i avnd masa molar a azidei de

necesar umflrii airbagului.

10X

sodiu (NaN3) se obine masa

m ( )a)

3

) = n ( )a) ) M ( )a) )

33

= 65[ g ](6. 10)

1622 , 4

6.4.4 Evoluia airbagului

Conform cercetrilor americane ideea folosirii airbagului pentru a preveni vtmrile aprute n urma coliziunilor a avut o istorie lung chiar nainte de anii 80 cnd Ministerul de transporturi american a luat msuri ca acest tip de echipament s fie ajustat automobilelor. Primul patent al unui dispozitiv de umflare n cazul aterizrilor forate a fost conceput n timpul celui de al doilea rzboi mondial.

Eforturile de a echipa autovehiculele cu airbaguri se loviser nainte de preurile prohibitive i obstacolele tehnice care includeau stocarea i eliberarea gazului comprimat.

Cercettorii au avut de rspuns la ntrebri dup cum urmeaz:

143 Dac este destul loc n main pentru un recipient care s conin gaz.

Va rmne sau nu gazul din recipient la presiunea de lucru pe toat durata de

utilizare a autovehiculului.

Cum ar putea fi sacul astfel conceput nct s se umfle repede i sigur la o

varietate de temperaturi i fr s emit zgomote puternice.

Cercettorii au avut nevoie de o cale prin care s obin o reacie chimic care s produc azotul care umfl sacul. Substane combustibile solide capabile s produc cantitatea de gaz necesar umplerii sacului au fost produse n anii 70.

La nceputurile folosirii airbagurilor auto, experii au avut grij ca acestea s fie folosite n acelai timp cu centura de siguran. Centurile de siguran erau nc extrem de necesare deoarece airbagurile aveau utilitate numai n cazul coliziunilor frontale la mai mult de 16 km/h. Numai centurile de siguran puteau fi de folos n coliziunile i loviturile laterale (dei airbagurile laterale devin tot mai comune n prezent), coliziuni din spate i impacturi secundare. Chiar dac tehnologia avanseaz, airbagurile sunt totui utile cnd sunt folosite n paralel cu centura de siguran.

6.4.5 Dezactivarea airbagului

Avnd n vedere posibilitatea vtmrii grave sau chiar a uciderii copiilor, sau a persoanelor mai slab dezvoltate fizic, Asociaia Naional a Traficului pe osele din SUA a finalizat n 1997 un set de reguli care s permit constructorilor de automobile i echipamente destinate acestora utilizarea unor airbaguri care s dezvolte o for de umflare mai mic cu 20-35% fa de cele standard. Ca o suplimentare, din 1998 unitile autoservice i dealerii pot fi autorizai s utilizeze comutatoare on/off pentru unul sau cele dou airbaguri frontale, dac se ncadreaz n unul din urmtoarele grupe de risc:

Pentru locul conductorului i al pasagerului din dreapta - persoane cu afeciuni

medicale n care riscul umflrii sacului depete riscul de impact n absena airbagului.

Pentru locul conductorului - cei care nu pot avea o poziie de conducere, n care s asigure cel puin 25 cm ntre piept i centrul capacului sub care este airbagul.

144

Pentru locul pasagerului din dreapta conductorului- persoanele care trebuie stransporte copii sub 3 ani pe scaunul din fa.

6.4.6 Dezvoltarea sistemelor airbag

Muli constructori de autovehicule au rspuns statisticilor, care menionau c 30% din totalul accidentelor sunt coliziuni laterale, rezultatul fiind apariia unor standarde noi n domeniul siguranei pasagerilor. La ora actual strategia de declanare a airbagurilor, n cazul unor coliziuni frontale, este mult mbuntit fa de primele modele. Astfel sacul se poate umfla difereniat (volum mic sau volum mare) n funcie de intensitatea ocului sau de poziia de reglare a scaunului conductorului sau pasagerului din fa, Figura 6-20.

Figura 6-20 Airbagul cu umflare a sacului n trepte

Pentru a se obine volume diferite ale sacului, n stare umflat, sunt necesare dou generatoare de gaz. n cazul sacului cu volum mic calculatorul comand un singur generator de gaz. Volumul sacului este limitat de nite custuri care rezist la presiunea gazului. Prin declanarea i a celui de al doilea generator de gaz sacul se umfl la capacitatea sa maxim. Airbagul nu se va umfla la capacitate maxim att timp ct poziia scaunului conductorului sau a pasagerului din dreapta nu este corespunztoare. Poziia scaunului este detectat de calculatorul airbag cu ajutorul unui contact situat pe inele scaunelor.

145

Strategia de declanare a airbagurilor n caz de oc frontal se prezint n Figura 6-21. Astfel airbagurile i centurile de siguran se completeaz pentru a obine o mai bun repartizare a energiei de reinere asupra ocupanilor.

n funcie de intensitatea ocului se declaneaz:

Sistemul pretensioner i blocarea mecanismului retractor al centurii;

Declanarea airbagului frontal n forma volum mic;

Declanarea airbagului frontal n forma volum mare.

Sursa Renault

Figura 6-21 Strategia de umflare a airbagului n funcie de intensitatea ocului frontal

Automobilele care ofer n serie airbaguri laterale reprezint deja un fapt cotidian. n 1995 Audi a fost primul autoturism care era echipat cu 6 airbaguri, avnd pe lng cele dou airbaguri frontale, airbaguri laterale montate n sptarul scaunelor, pentru protecia pasagerilor de pe bancheta fa i de pe bancheta din spate. Specialitii afirm c munca de proiectare a airbagurilor laterale este mult mai dificil dect pentru cele frontale. Aceasta deoarece o bun parte din energia unui impact frontal este absorbit, pe rnd, de bara paraoc, capot i motor, i dureaz ntre 30 i 40 de milisecunde pn cnd pasagerii resimt efectele coliziunii. n cazul unei coliziuni laterale, doar civa centimetri i structura portierei, despart pasagerul de obiectul cu care are loc impactul. Aceasta impune ca airbagul lateral s se desfoare n 5 - 8 milisecunde.

146

Sursa Audi

Figura 6-22 Elementele sistemului airbag lateral

Sistemul de airbag lateral este integrat in scaunele pasagerilor (sofer, pasgeri). Airbag-ul lateral protejeaza zona toracic i pelvian impotriva loviturilor cu partea lateral a habitaclului n timpul impactului. Trebuie reamintit c n cazul unui impact lateral sunt actionate doar airbag-urile laterale si cortina, nu i pretensionarea centurilor de siguran.

Comanda airbagurilor laterale se face de un modul electronic comun pentru airbagurile frontale i pentru pretensionere. De regul se acioneaz doar airbag-ul din partea din care s-a primit semnalul de impact.

Unitatea de comand a airbag-ului este dotat cu condensatori cu energie suplimentar pentru declanarea airbag-urilor laterale.

Functionarea senzorilor de impact lateral, situai sub scaunele din faa pe traversele de prindere a scaunelor, este in permanena monitorizat de ctre unitatea de comand airbag. Pentru declanarea aibag-urilor laterale se folosesc generatoare de umflare gaz-hibrid. Acestea conin n proporie de 95% Argon i 5% Heliu, utilizat ca element de protecie mpotriva ngheului. Presiunea din butelia cu gaz este de aproximativ 200 bari.

Airbagul tip cortin, Figura 6-24, este fixat de pavilionul autoturismului, la mbinarea cu panoul lateral. n cazul unui oc lateral violent va fi activat doar airbagul dinspre partea de unde are loc impactul. Acest airbag se declaneaz simultan cu airbagul lateral. Airbag-urile cortina au generatoare de tip Gaz-Hibrid (Argon/Heliu) si aproximativ 5,5g ncrctura pirotehnic, asigurnd i o protecie impotriva arsurilor pasagerilor datorit

147

faptului c temperatura gazelor din sac este redus. Airbag-urile cortin se desfac mai incet decat cele frontale sau laterale. Ele se umfl complet n aproximativ 30

milisecunde, pe cnd airbag-urile laterale in maxim 8 milisecunde.

Figura 6-23 Amplasarea airbagului de tip cortin

Din motive de siguran a pasagerilor pe o durat mai lung, airbag-urile cortin nu dispun de orificii pentru evacuarea gazului, ele rmnnd umflate aproximativ 12

secunde.

Figura 6-24 Airbagurile de tip cortin si cele laterale n stare activat

Inginerii de la Volvo au experimentat diferite soluii de amplasare a airbagului lateral, dintre toate optnd pentru montarea acestuia n sptarul scaunului, deoarece astfel

148

sunt protejai pasagerii de toate taliile. Acest amplasament permite montarea unui senzor de declanare mecanic, n lateral fa de perna scaunului, sub conductor, respectiv pasager. Instalarea ntregului ansamblu airbag n sptarul scaunului ofer avantajul prevenirii desfurrii acestuia, n cazul coliziunilor cu pietonii sau biciclitii. Pentru activarea airbagului lateral este necesar un impact cu o vitez de aproximativ 19 km/h.

BMW a ales soluia de montare a airbagului lateral n u. Aceasta deoarece spaiul existent sub capitonajul uilor permite montarea unor airbaguri de dimensiuni mai mari, care acoper o suprafa mai mare ce trebuie protejat n cazul coliziunilor. La autovehiculele echipate cu airbaguri laterale montate n sptarul scaunelor nu se vor utiliza huse pentru scaune.

Figura 6-25 Poziionarea airbagurilor destinate proteciei frontale i laterale

Airbagurile destinate protejrii capului, ITS (Inflatable Tubular Structure) , n cazul unor coliziuni secundare sau teriare, dinspre lateral sunt oferite de BMW pe toate modelele, ncepnd cu anul 1999. Acestea au forma unui tub i sunt concepute pentru a sta

149

umflate aproximativ 5 secunde. Lucrnd concomitent cu airbagurile laterale, ITS - urile ofer o mai bun protecie n anumite coliziuni laterale.

Rolul airbagului este cunoscut pentru protecia prin amortizare a capului, rolul su de amortizor pentru torace fiind relativ nou. Tendina fiind de a reduce forele n cutia toracic, deplasarea ocupantului spre nainte devine din ce n ce mai important. Pentru ocurile violente, utilizarea limitatoarelor de efort de nivel mic asociat cu un airbag care amortizeaz numai capul duce la impactul toracelui cu volanul. Acesta este motivul pentru care airbagurile protejeaz i toracele. Cteva date tehnice principale ale unui sistem airbag sunt prezentate n continuare.

Timpul de acionare de la15 la50 milisecunde dup nceputul ocului, urmrind

condiiile accidentului. Pragul de declanare corespunde unui impact frontal cu 20 km/h

cu un zid de beton.

Timpul de umflare este de 30-40 milisecunde, iar cantitatea de combustibil care

declaneaz umflarea este de 15 - 25 grame. Durata de via este estimat la 15 ani.

6.4.7 Unitatea electronic de comand - Arhitectur i funcionalitate.

Senzori utilizai la sistemele de siguran pasiv

Calculatorul central, Figura 6-27, este creierul sistemului airbag, acesta fiind sub forma unei cutii electronice montat pe tunelul caroseriei, Figura 6-26 , avnd urmtoarele funcii principale:

Capteaz semnalul de impact;

Sesizeaz tipul impactului (frontal, lateral, rostogolire);

Declaneaz airbagurile i pretensionerele la momentul oportun.

Datorit unui decalaj de timp ntre momentul producerii impactului i variaia deceleraiilor la nivelul habitaclului este necesar amplasarea unor senzori ct mai aproape de zona de deformare. n timpul impactului structura autovehiculului se deformeaz continuu, absorbind parial energia de impact, la nivelul compartimentului pasagerilor nregistrndu-se cu ntrziere fenomenul. Pe baza acestor considerente muli productori de echipamente de siguran sunt de acord c deceleraiile msurate n habitaclu nu conin suficiente date pentru a putea fii utilizate la stabilirea unui

150