PRACE NAUKOWE Akademii im. Jana Długosza w Częstochowie SERIA: Edukacja Techniczna i Informatyczna 2011 z. VI Maciej Drabik Akademia im. Jana Długosza w Częstochowie UKŁAD BEZPIECZEŃSTWA WSPÓŁCZESNEGO SAMOCHODU Streszczenie Artykuł omawia działanie podstawowych elementów układu bezpieczeństwa współczesnego samochodu takich jak: ABS, ASR, ESP, BAS, ACC, EBD, HBA oraz elementów osłony antykolizyjnej tzn.: pasów bezpieczeństwa i poduszek powietrznych. Słowa kluczowe: poduszka powietrzna, pas bezpieczeństwa, poślizg, czujnik Wprowadzenie Układ bezpieczeństwa współczesnego samochodu składa się z: systemów zapewniających prawidłową dynamikę jazdy, osłony antykolizyjnej chroniącej kierowcę i pasażerów. Układ bezpieczeństwa samochodu tworzą tylko elementy techniczne. Ze względu na ograniczone możliwości człowieka (np. szybkość reakcji) nie może on uzupełnić brakujących funkcji systemu [2]. Systemy zapewniające prawidłową dynamikę jazdy Do systemów tych zaliczamy [2]: system uniemożliwiający zablokowanie kół (ABS),
64 Maciej Drabik system zapobiegający zerwaniu przyczepności kół przy przyspieszaniu (ASR), system stabilizujący tor jazdy w kierunku poprzecznym do ruchu (ESP), system przyspieszania i wzmacniania efektu działania hamulców (BAS), system sterowania prędkością i zachowania bezpiecznego odstępu (ACC) system elektronicznego rozdział sił hamowania (EBD) system to system wspomagania gwałtownego hamowania (HBA) System ABS (Antiblockiersystem; ang. Anti-Lock Braking System) ma tak sterować przebiegiem procesu hamowania, aby siła przyczepności kół do drogi była jak największa, przy zachowaniu możliwości kierowania samochodem. Dzięki temu kierowca, pomimo hamowania z dużą siłą, zachowuje kontrolę nad pojazdem i unika poślizgu. Największa przyczepność kół do drogi występuje, gdy poślizg wzdłużny koła (różnica między prędkością samochodu i prędkością obwodową koła odniesiona do prędkości samochodu) zawiera się w granicach 0,1-0,3, a zatem system ABS powinien zapewnić takie wartości poślizgu. Wartości te zapewnia on poprzez sterowanie ciśnieniem płynu hamulcowego. System mierzy wartości poślizgu, gdy kierowca naciska na pedał hamulca. Jeśli wartość poślizgu jest zbyt duża, system zmniejsza ciśnienie, powodując spadek siły hamowania. Jeśli wartość poślizgu jest zbyt mała system zwiększa ciśnienie w układzie, powodując wzrost siły hamowania i zmniejszenie poślizgu. Sterowanie ciśnieniem w hamulcach nie jest sterowaniem ciągłym, gdyż takie byłoby trudne do zrealizowania. Stosuje się tu regulację trzystanową, oddzielnie dla każdego koła, czyli zwiększanie, utrzymywanie na tym samym poziomie lub zmniejszanie ciśnienia hamowania. Uzyskanie wysokiej skuteczności systemu ABS wymaga dużej częstotliwości działania sytemu (do 10 działań na sekundę). Typowy system ABS składa się z trzech elementów tzn.: układu pomiarowego prędkości kół, jednostki sterującej i modulatora rys.1. Każde koło ma wieniec zębaty i czujnik prędkości obrotowej. Jednostka sterująca to: stopień wejściowy, regulator z dwoma mikroprocesorami, pamięć, stabilizator napięcia i stopień wyjściowy. Modulator ciśnienia to elektromagnetyczne zawory doi odlotowe, pompa zwrotna, akumulator ciśnienia i tłumik. Elementy systemu hamulcowego: 1 zbiornik płynu hamulcowego, 2 pompa hamulcowa, 3 zacisk hamulca, 4 tarcza hamulcowa. Elementy systemu ABS: A modulator, B czujnik prędkości obrotowej, C jednostka sterująca. Elementy modulatora: a elektromagn. zawór dolotowy, b elektromagn. zawór wylotowy, c akumulator ciśnienia, d zawór zwrotny, e pompa powrotna, f tłumik.
Układ bezpieczeństwa współczesnego 65 Rys. 1. Schemat trzystanowego systemu ABS dla jednego koła [2] W czasie trwania każdego hamowania czujniki prędkości obrotowej mierzą prędkość obrotową kół i przekazują wyniki do mikroprocesorów. Tam obliczane są wartości chwilowe poślizgu i porównywane z wartościami dopuszczalnymi. Wyniki tych porównań decydują o wysłaniu sygnałów do zaworów modulatora dla poszczególnych kół i do pompy powrotnej. Jeśli poślizg jest dużo mniejszy od dopuszczalnego, zawór dolotowy zostaje otwarty, wylotowy zamknięty, a pompa nie pracuje. Wówczas wzrost nacisku na pedał hamulca powoduje wzrost siły hamowania i wzrost poślizgu. Gdy zbliży się on do górnej granicy zawór dolotowy zostaje zamknięty, wylotowy pozostaje zamknięty, pompa nie pracuje. Siła hamowania pozostaje znaczna, zwiększony nacisk na pedał już jej nie zwiększa. Gdy poślizg osiągnie górną wartość graniczną, zawór wylotowy otwiera się, uruchamia się pompa powrotna, zawór dolotowy pozostaje zamknięty. Powoduje to zmniejszenie siły hamowania, pomimo nacisku na pedał hamulca. Wskutek tego poślizg wzdłużny maleje, aż znajdzie się w obszarze wymaganym. Aby poślizg nie spadł poniżej wartości granicznej następuje zamknięcie zaworu wylotowego i wyłączenie pompy powrotnej. Po ustabilizowaniu się poślizgu w wymaganym przedziale cykl rozpoczyna się od nowa. System ASR Zapewnia utrzymanie odpowiednich wartości poślizgu w czasie ruszania i przyspieszania samochodu, w przeciwieństwie do układu ABS, który zapewnia to samo w czasie hamowania. ASR działa podobnie jak ABS i jest instalowany tylko w kołach napędowych. Jeśli poślizg wzdłużny jednego z kół napędowych przekracza wartość dopuszczalną, to ASR wymusza przyhamowanie tego koła i tym samym zmniejszenie poślizgu.
66 Maciej Drabik System ESP Został po raz pierwszy stworzony i zastosowany w 1995 roku przez firmę Bosch dla Mercedesa Klasy S. Skrót ESP, którego niemieckim rozwinięciem jest Elektronisches Stabilitätsprogramm, jest zarejestrowaną nazwą handlową firmy Daimler AG. Dlatego też inni producenci pojazdów nazywają ten system własnymi skrótami, jak np. STC, DSTC, PSM (VSC, CDC, ASMS, DSA, ICM, IVD, VDC, VSA). W kręgach fachowych przyjął się neutralny skrót ESC (Electronic Stability Control) [4]. System ten zapewnia stateczność jazdy samochodu w kierunku poprzecznym, w trakcie jazdy samochodu po łuku (zakręty). Pojawia się wówczas siła odśrodkowa, która jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, masy samochodu i odwrotnie proporcjonalna do promienia łuku. Gdy siła ta będzie odpowiednio duża może wystąpić poślizg poprzeczny przednich kół (podsterowność), lub tylnych kół (nadsterowność) lub oba zjawiska jednocześnie. Może to grozić wpadnięciem samochodu z drogi i jego dachowaniem. Jeżeli na zakręcie przednie koła samochodu wyjeżdżają na zewnątrz (podsterowność) system ESP przyhamowuje tylne wewnętrzne koło. Powstaje dzięki temu moment który przywraca prawidłowy tor jazdy. W przypadku nadsterowności przyhamowane zostaje przednie zewnętrzne koło i przywrócony prawidłowy tor jazdy. Działanie systemu ESP polega zatem na przyhamowaniu odpowiedniego koła w odpowiednim momencie. System ten jest skuteczny tylko do pewnej wartości prędkości. Gdy siła odśrodkowa przekroczy wartość siły przyczepności kół do drogi, to samochód zostanie wyrzucony z drogi. Od 1 listopada 2011 ESP jest obowiązkowym wyposażeniem w nowo sprzedawanych samochodach w krajach Unii Europejskiej. System Bas System BAS (Brake Assistant System) jest to system wspomagania nagłego hamowania w sytuacjach awaryjnych. System ten działa we współpracy z ABS-em. System wykrywa sytuacje, gdy kierowca chce szybko zahamować. Wtedy zwiększa on maksymalnie ciśnienie w układzie hamulcowym, aby uzyskać jak największą siłę hamowania. W niektórych pojazdach, w czasie działania systemu BAS włączają się również światła awaryjne ostrzegające o nagłym hamowaniu. System ACC System ACC (Adaptive Cruise Control) jest to system do zachowania odpowiedniego (bezpiecznego) dystansu między poruszającymi się na tym samym pasie i w tym samym kierunku pojazdami samochodowymi. Ma on zastosowanie głównie na autostradach i drogach szybkiego ruchu. System ten (ACC lub
Układ bezpieczeństwa współczesnego 67 ICC) działa dzięki umieszczonemu z przodu pojazdu radarowi, co pozwala na takie dostosowanie prędkości pojazdu, aby zachować bezpieczną odległość do poprzedzającego pojazdu rys. 2. W razie potrzeby system może przyhamować pojazd. Radar ten pełni rolę nadajnika i odbiornika (wysłana fala, która odbija się od poprzedzającego pojazdu odbierana jest z powrotem). Odległość między pojazdami ustalana jest na podstawie pomiaru opóźnienia odbitej fali lub jej przesunięcia fazowego. Na podstawie tej odległości ustalane są względne prędkości obu pojazdów. System przystępuje do czynności wykonawczych (przyspiesza lub zwalnia prędkość pojazdu poprzez automatyczne oddziaływanie na przepustnicę silnika i układ hamulcowy). Współpracuje on z tempomatem. Rys. 2. Schemat działania systemu ACC System EBD System EBD (Electronic Brakeforce Distribution) to elektroniczny rozdział sił hamowania. W celu maksymalnego skrócenia drogi hamowania układ EBD automatycznie reguluje siłę hamowania przednich i tylnych oraz prawych i lewych kół. Wyraźnie skraca drogę hamowania przy utrzymaniu stabilności nawet w razie gwałtownego hamowania lub hamowania na zakręcie. Problem nierównomiernego hamowania kół przednich do tylnych (pojazdu do przyczepy) znano już od dawna, samochody posiadają układy statyczne (działające cały czas) zmniejszające hamowanie osi mniej obciążonej. W niektórych samochodach (szczególnie dostawczych) instalowane są układy mechaniczne dobierające siłę hamowania tylnej osi w zależności od jej obciążenia. Ale dopiero układy elektroniczne, w połączeniu z kontrolą obrotu kół tak jak w ABS umożliwiają dobranie sił hamowania dla każdego koła w zależności od obciążenia pojazdu jak i warunków drogowych. Jest to standardowe wyposażenie wielu samochodów (wraz z systemem ABS). System HBA System HBA (Hydraulic Brake Assist) to system wspomagania gwałtownego hamowania. W sytuacji awaryjnej, gdy kierowca musi nagle zahamować
68 Maciej Drabik ważne jest naciśnięcie hamulca na tyle mocno aby uzyskać maksymalną siłę hamowania wszystkich kół. System ten wyczuwa, że pedał hamulca jest naciskany gwałtowanie i uznaje to za potrzebę użycia największej siły hamowania w sytuacji wymagającej nagłego zahamowania pojazdu. HBA zwiększa ciśnienie w systemie hamulcowym do takiego poziomu, że zaczyna działać układ ABS. Działanie wszystkich wymienionych systemów opiera się na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Systemy te wykorzystują te same dane wejściowe (poślizg wzdłużny lub poprzeczny) i mają podobne działania wykonawcze (przyhamowanie, zmiana obrotów itp. Sprzyja to integracji tych systemów i obniża koszty wykonania. Osłona antykolizyjna chroniąca kierowcę i pasażerów W skład tej osłony wchodzą [2]: właściwa osłona antykolizyjna, system pasów bezpieczeństwa, system poduszek powietrznych. Właściwa osłona antykolizyjna zawiera się w dwustrefowej konstrukcji nadwozia samochodu. Pierwszą z tych stref tworzy kabina kierowcy i pasażerów, która ma znacznie większą wytrzymałość i mniejszą odkształcalność niż reszta nadwozia. Strefa ta ma specjalną konstrukcję (specjalne wzmocnienia itp.). Drugą strefę stanowią przód i tył samochodu. Części te mają znacznie mniejszą wytrzymałość i większą odkształcalność niż kabina kierowcy i dzięki temu deformując się przy zderzeniu przejmują energię zderzenia. Jest to tzw. osłona absorpcyjna. Istnieją również pewne mechanizmy i urządzenia nadwozia, które uzupełniają osłonę antykolizyjną. Należy do nich właściwa konstrukcja kolumny kierownicy, pedałów i zamków drzwi. Konstrukcje te zapewniają, że w przypadku zderzenia kierownica nie ulega przemieszczeniu, pedały odsuną się od nóg kierowcy, a drzwi nie otworzą się podczas zderzenia. Można je będzie za to łatwo otworzyć po zderzeniu. Pasy bezpieczeństwa Pasy bezpieczeństwa powinny utrzymać ciała kierowcy i pasażerów w fotelach i nie dopuścić do ich przemieszczania podczas kolizji, w celu zapobieżenia uderzeniom w szybę, bok, czy też dach samochodu oraz wypadnięciu na zewnątrz. Ścisłe powiązanie pasażerów ze szkieletem kabiny auta za pomocą
Układ bezpieczeństwa współczesnego 69 ciasno dopasowanych pasów bezpieczeństwa pozwala użytkownikom pojazdu wytracić prędkość podczas zderzenia. Po raz pierwszy pasy bezpieczeństwa w samochodach zastosowano w latach 50. XX wieku. Dorośli pasażerowie związani są z kabiną 3-punktowym, automatycznym pasem barkowobiodrowym lub 2-punktowym pasem biodrowym. Kierowcy rajdowi używają 5- a nawet 6-punktowych pasów. Kompletny pas bezpieczeństwa składa się z taśmy pasa, zwijacza taśmy wraz z mechanizmem bezwładnościowym oraz napinacza pasa z ogranicznikiem. Przy niezbyt dużej wartości przyspieszenia osoby opiętej pasem, zwijacz pozwala na dostosowanie długości pasa do pozycji przemieszczającej się osoby, umożliwiając tym samym jej w miarę swobodny ruch. Po przekroczeniu wartości granicznej przyspieszenia ruch zwijacza zostaje zablokowany i taśma zatrzymuje chronioną osobę w fotelu. Ten mechanizm nie zapewnia jednak dociśnięcia taśmy do ciała, co może skutkować w razie kolizji obrażeniami ciała przy uderzeniu w taśmę. Żeby temu zapobiec stosuje się napinacz pasa. Napinacz w trakcie kolizji zwija taśmę w taki sposób, aby na całej długości z wystarczającą siłą przylegała ona do ciała chronionej osoby. Napinacze są uruchamiane przez mechanizmy różnej konstrukcji napędzane przez gazy spalinowe powstałe podczas detonacji specjalnych mikroładunków, których wybuch jest inicjowany przez czujnik bezwładnościowy. Aby dociśnięcie pasa do ciała osoby chronionej nie było zbyt silne stosuje się ogranicznik napinacza. W zależności od konstrukcji ogranicznika jego działanie polega na skręceniu osi nawijacza taśmy lub urwania blaszanego wspornika mocującego obudowę zwijacza. Poduszki powietrzne Poduszki powietrzne mają na celu zamortyzowanie uderzenia o elementy pojazdu ciał (w szczególności głów) pasażerów i kierowcy w wypadku zderzenia czołowego lub bocznego [3]. Ich działanie jest ściśle związane z działaniem pasów bezpieczeństwa. Poduszka powietrzna to specjalnie ukształtowany worek napełniany gazem wystrzelanym pirotechnicznie w czasie zderzenia. Ma ona trzy podstawowe elementy tzn.: układ uaktywniający (czujnik i układ mikroprocesorowy) [1], generator gazu (napełnia poduszkę; zawiera zapalnik i materiał pirotechniczny) i elastyczny pojemnik (właściwa poduszka wykonana jest z tkaniny nylonowobawełnianej lub poliamidowe)j. Rozmiary poduszki powietrznej dla kierowcy to (35 75) dm³ i (80 140) dm³ dla pasażera. Wybuch poduszki inicjowany jest czujnikami umieszczonymi w różnych miejscach pojazdu. Zadaniem czujników jest rozpoznanie siły i kierunku zderzenia, a w konsekwencji aktywacja odpowiednich poduszek. Poduszka otwiera się z opóźnieniem tysięcznych części sekundy po rozpoczęciu zderzenia. Jej napełnianie trwa ok. 30 ms. Po upływie
70 Maciej Drabik kolejnych 120 ms. następuje opróżnianie poduszki. Zapewnia to właściwą amortyzację oraz zapobiega ewentualnemu uduszeniu poszkodowanego, który stracił przytomność oraz urazom kierowcy bądź pasażera przy uderzeniu w twardą, napełnioną w pełni poduszkę. System poduszek powietrznych właściwie wypełni swoje zadanie jeśli ludzie w samochodzie będą mieli właściwą pozycję w fotelach. Dlatego też taśmy pasów bezpieczeństwa muszą zostać dociągnięte zanim napełnią się poduszki. Uzyskuje się to przez wyższe ustawienie czułości czujników poduszek niż czułości napinaczy pasów bezpieczeństwa. Oprócz poduszek czołowych kierowcy i pasażera, które są już standardem w samochodach osobowych spotyka się coraz częściej inne poduszki. Boczna poduszka powietrzna to poduszka umieszczona najczęściej w bocznej zewnętrznej krawędzi fotela lub w okładzinie drzwi. Jej zadaniem jest amortyzacja ciała pasażera w wypadku zderzenia bocznego. Kurtyna powietrzna to dodatkowa poduszka powietrzna wystrzeliwana z krawędzi dachu samochodu. Osłania ona głowę i twarz podczas zderzenia bocznego i dachowania. Poduszka powietrzna kolanowa jest montowana pod kolumną kierowniczą, i naprzeciw pasażera, a jej zadaniem jest ochrona kolan kierowcy w trakcie zderzenia czołowego. Poduszka powietrzna chroniąca stopy kierowcy (pojemność ok. 10 dm³) umieszczona jest w pojemniku pod podłogą i uruchamiana jest ona za pomocą sygnału wysyłanego z czujników innych poduszek powietrznych. Poduszka powietrzna środkowego pasażera tylnej kanapy jest ukryta w kapsule na biodrowym pasie bezpieczeństwa środkowego pasażera. Nie jest on zbytnio narażony na uraz głowy, gdyż przed nim jest przestrzeń pomiędzy przednimi fotelami, ale ponieważ nie posiada on barkowego pasa bezpieczeństwa, to jego kręgosłup narażony jest na niebezpieczne przeciążenia, przed którymi ma chronić ta poduszka. Literatura [1] Herner Anton, Riehl Hans-Jurgen Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Wyd. Komunikacji i Łączności, 2009 [2] Pichowicz Włodzimierz Inżynieria bezpieczeństwa technicznego, WNT Warszawa 2008 [3] Wicher Jerzy Bezpieczeństwo samochodu i ruchu drogowego, Wyd. Komunikacji i Łączności 2004 [4] www.pl.wikipedia.org
Układ bezpieczeństwa współczesnego 71 Maciej Drabik Akademia im. Jana Długosza w Częstochowie SAFETY SYSTEM OF THE MODERN CAR Summary This article presents the safety system of the modern car. It describes the air bags, the belts of safety and safe construction of the modern car. Keywords: air bag, seat belts, sensor