Urządzenia bezpieczeństwa biernego

Poduszki powietrzne
Zderzenia samochodu z innym pojazdem lub przeszkodą powodują powstanie dużych opóźnień, a w konsekwencji silnych przeciążeń bezwładnościowych, dzia¬łających na użytkowników pojazdów, dlatego konstruktorzy pracują nad coraz bardziej wyrafinowanymi urządzeniami, które potrafią zamortyzować te siły. Do najważniejszych należą poduszki powietrzne, a ostatnio systemy poduszek, któ¬re powodują, że kabiny samochodów przemieniają się w klatki wypełnione bły¬skawicznie nadmuchującymi się zbiornikami z gazem.
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na nazewnictwo. Używany powszechnie termin „poduszka powietrzna" jest dosłownym tłumaczeniem angielskiej nazwy „airbag". Jeżeli pozostaniemy przy terminie „poduszka", to wydaje się, że stosowniejszą nazwą byłaby „poduszka gazowa" lub „poduszka pneumatyczna", w „poduszce" bowiem jest gaz, który nie jest powietrzem. Jednak powszechnie przyjął się termin „poduszka powietrzna" — Język potoczny nie zawsze musi trzymać się kanonów czystej logiki. Uznając ten jego przywilej pozostaniemy przy terminie „poduszka powietrzna".
Poduszka powietrzna jest pojemnikiem, który w razie zderzenia błyskawicz¬nie napełnia się gazem. Kierowca lub pasażer, uderzając ciałem o taki worek ma większą szansę uniknąć obrażeń ciała niż w przypadku zderzeń z twardymi cz꬜ciami samochodu.
Współczesna poduszka powietrzna uruchamiana bezwładnościowymi czuj¬nikami przyspieszeń, zaopatrzona w pirotechniczny generator gazu i elektro¬niczne elementy pomiarowo-wykonawcze skutecznie chroni życie lub zmniejsza obrażenia, jakim może ulec w wyniku zderzenia kierowca lub pasażer. Jest jedną z istotnych części samochodowego systemu bezpieczeństwa, typowym elemen¬tem bezpieczeństwa biernego samochodu (tzn. nie zapobiega wypadkom, jedy¬nie osłabia ich skutki). Poduszki powietrzne montowane w kole kierownicy lub na tablicy rozdzielczej na wprost pasażera chronią przed poważnym urazem w zderzeniu czołowym. Zmniejszają intensywność ugięcia głowy i szyi (uderzenie tą częścią ciała wprost o kierownicę lub tablicę rozdzielczą może zakończyć się tragicznie) oraz obciążenia klatki piersiowej i miednicy. Jednak jest iluzją, że poduszka powietrzna wystarczy, by uchronić się przed wszelkimi skutkami wy¬padków. Ważne jest jej dopasowanie do wymiarów i charakterystyk pasów bez¬pieczeństwa z napinaczami pirotechnicznymi. Takie zestawienie jest obecnie najlepszym z możliwych rozwiązań.
Historia. Poduszki powietrzne zostały wymyślone już w latach pięćdziesią¬tych XX wieku, jednak zastosowano je dopiero w połowie lat siedemdziesiątych XX wieku, początkowo w samochodach koncernu Generał Motors.
Upowszechnienie poduszek powietrznych, a przynajmniej przyspieszenie tego procesu, zawdzięczamy silnemu poczuciu swobód obywatelskich w USA. Obo¬wiązkowe używanie pasów bezpieczeństwa, przyjęte bez specjalnych oporów w Europie, zostało potraktowane w Stanach Zjednoczonych jako naruszenie tych praw. Różne wymyślne blokady i sygnalizacje mające skłonić kierowców i pasażerów do zapięcia pasów okazywały się nieskuteczne. Znaczna część kie¬rowców jeździła bez żadnego zabezpieczenia, a pasy leżały nie zapięte na siedze¬niu. Należało znaleźć inny sposób podwyższenia poziomu bezpieczeństwa. Wte¬dy pojawiła się wielka szansa dla poduszki powietrznej. Mimo początkowo wielu zastrzeżeń (zagrożenie dla osób noszących okulary, palaczy fajek, możliwość uszkodzenia słuchu podczas eksplozyjnego napełniania poduszki, możliwość przypadkowego napełnienia poduszki podczas hamowania i utraty z tej przyczy¬ny kontroli nad pojazdem) poduszki powietrzne po raz pierwszy zostały zastoso¬wane w roku 1973 w samochodzie Chevrolet Impala, produkowanym przez koń¬cem Generał Motors (GM). Niestety, większość klientów nie uznawała za ko¬nieczne dopłacać do tak mało znaczącego gadżetu; za jaki wtedy uchodziły po¬duszki powietrzne. Dlatego po dwóch zaledwie latach GM znacznie ograniczyło montowanie ich w swoich samochodach. Niemniej w latach 1973-1976 GM wy¬posażył w poduszki powietrzne 11 321 samochodów.
W Europie pierwszą firmą, która pasażerom swoich samochodów zaofero¬wała poduszki powietrzne, był Mercedes. Pracowano nad ich konstrukcją od] 1967 roku przez kilkanaście lat, wydając na to łącznie 13 mln dolarów. Zaproszone do współpracy inne niemieckie firmy odrzuciły ofertę twierdząc, że pomysł jest nierealny. W grudniu 1980 roku pojawił się pierwszy Mercedes klasy S| zaopatrzony w poduszkę powietrzną, ale dopiero w 1987 roku urządzenie to1 stało się typowym wyposażeniem.
Warto tu wspomnieć o postawie administracji japońskiej, która w początkowym okresie stosowania poduszek powietrznych zabroniła importu samochodów wyposażonych w takie rozwiązanie, ponieważ były w nich elementy pirotechniczne, a w Japonii niedozwolone jest posiadanie przez osoby prywatne materiałów wybuchowych i broni palnej. Jednak zdrowy rozsądek szybko pokonał biurokrację.
W połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku poduszki powietrzne zaczęły pojawiać się również w innych częściach samochodu. Przede wszystkim wprowadzono poduszki chroniące przed skutkami szczególnie niebezpiecznych zderzę; bocznych. Są one montowane w okładzinie drzwi albo z boku fotela. Taka po¬duszka, amortyzując siłę uderzenia w bok samochodu, chroni przed urazami klatki piersiowej, miednicy i części brzusznej. Poduszki boczne i poduszki-kurtyny zadebiutowały w Volvo w 1994 i 1996 roku.
Budowa i działanie. Podstawą opracowania parametrów napełniania poduszki powietrznej była analiza zachowania się organizmu człowieka w czasie zderze¬nia, kiedy jest poddany gwałtownie narastającym, dużym i krótkotrwałym ujem¬nym przyspieszeniom. Zderzenie dwóch pojazdów, z których każdy porusza się z prędkością 50 km, powoduje powstanie opóźnienia kabiny ok. 30g, a występują¬ca wówczas siła bezwładności pcha ciała pasażerów do przodu, w kierunku tabli¬cy rozdzielczej i kierownicy (rys .12.1).
Poduszka powietrzna ma trzy podstawowe elementy: układ uaktywniający, generator gazu
i elastyczny pojemnik (właściwa poduszka).
Układ uaktywniający jest umieszczony zwykle na tunelu centralnym lub w przedniej części samochodu, za przegrodą czołową. Układ ten ma piezoelektryczny czujnik przyspieszeń i cyfrowy układ mikroprocesorowy. Powoduje zainicjowanie działania pirotechnicznego generatora gazu, jeżeli zostanie przekroczona progowa wartość opóźnienia. Jako układ decydujący o prawidłowym dzia¬łaniu poduszki powinien on być niewrażliwy na zakłócenia, zapewniać dużą niezawodność działania oraz mieć możliwość uwzględnienia w programie sterującym indywidualnej charakterystyki zderzeniowej samochodu. Najczęściej jest zaopatrzony w program testujący, sygnalizujący wszelkie niesprawności systemu. Powinien mieć kondensatory podtrzymujące jego działanie, jeśli podczas zde¬rzenia zostanie uszkodzone zasilanie pojazdu.
Generator gazu napełniający poduszkę zawiera zapalnik i stałe paliwo. Chwila zainicjowania wybuchu ładunku i czas wypełnienia pojemnika powinny być tak dobrane, aby najlepiej zamortyzować uderzenie klatki piersiowej i głowy kierow¬cy lub pasażera oraz zabezpieczyć ich przed uderzeniem w elementy kabiny. Usta¬lono to w wyniku symulacji komputerowych potwierdzonych w czasie prób zde¬rzeniowych.
Pojemnik jest wykonany z tkaniny nylonowo-bawełnianej. Dobrym rozwiąza¬niem jest też pojemnik wykonany z tkaniny poliamidowej impregnowanej kau¬czukiem neoprenowym.
Uwalniający się w wyniku reakcji gaz wypełnia pojemnik, powodując jego wysuwanie się z komory w piaście koła kierownicy, znad schowka pasażera, z oparcia fotela lub znad okien bocznych (tzw. kurtyny boczne) przez szczelinę powstałą po otwarciu pokrywy. Prędkość wysuwania wymuszona gwałtownym wzrostem ciśnienia wynosi (160-340) km/h.

Rys. 12.1. Kolejne fazy działania poduszki powietrznej

Rys. 12.2 Porównanie objętości poduszki powietrznej dla kierowcy i dla pasażera

Rozmiary pojemnika (poduszki) zależą od przeznaczenia (rys. 12.2). W USA są stosowane tzw.: poduszki pełno wymiarowe, o pojemności (60-80) dm3 dla kierowcy i (100 -160) dm3 dla pasażera. Stanowią one praktycznie jedyną ochro¬nę podróżujących, ponieważ nie ma obowiązku zakładania pasów bezpieczeń¬stwa. W Europie, gdzie poduszki współpracują z obowiązkowo zapinanymi pa¬sami bezpieczeństwa, mają pojemność odpowiednio (35 -45) dm3 i (60-75) dm3 (są to tzw. eurobags). Jednak wielu producentów, także na naszym kontynencie, proponuje poduszki pełno wymiarowe („full-size airbags"). Stanowią one lepszą ochronę klatki piersiowej i lepiej „dopasowują" się do wymiarów osoby, którą maj ą chronić.
W samochodach dostawczych z szeroką kanapą dla trzech pasażerów (np. w nowym Mercedesie Sprinter) pojawiają się przednie poduszki powietrzne za¬projektowane tak, by chronić jednocześnie dwie osoby.
Poduszka powietrzna nie wymaga obsługi; zazwyczaj zaleca się tylko jej kon¬trolę po dziesięciu latach od daty pierwszej rejestracji pojazdu. Jest to jednak urządzenie jednorazowe. Jeżeli nastąpiło otworzenie się poduszki (przypadko¬we lub w wyniku niegroźnej kolizji) należy uznać, że jest ona do wymiany, nawet gdy nie nastąpiło uszkodzenie czujników potrzebnych do działania urządzenia. Nie należy stosować poduszek po „renowacji" — powinny być zamontowane przez producenta.
Zaproponowana przez koncern Autoliv niewielka poduszka powietrzna umieszczona pod tablicą rozdzielczą przeznaczona jest do ochrony nóg (rys.12.3). Zabezpiecza jednocześnie kierowcę lub pasażera o niewielkich rozmiarach przed niebezpieczeństwem wysunięcia się spod pasa bezpieczeń¬stwa. Dodatkową zaletą takiej poduszki jest zachowanie właściwej pozycji w fazie zderzenia, co ułatwia prawidłową ochronę głowy i klatki piersiowej przez poduszkę klasyczną.


Rys. 12.3 Poduszka powietrzna chroniąca nogi

Uzupełnieniem ochrony kierowcy może być poduszka powietrzna chroniąca jego stopy. Wiadomo, że kierowca do ostatniej chwili naciska na pedały sprzęgła i hamulca. W fazie zderzenia odkształcone pedały mogą uwięzić stopy i spowo¬dować groźne urazy. Pomysł takiej poduszki opatentowała bawarska firma PARS (Passive Rueckhaitsysteme), należąca do koncernu Siemens. Podobną w działa¬niu poduszkę opracowano w koncernie Autoliv (rys. 12.4). Poduszka o niewiel¬kiej pojemności (ok. 10 dm3) jest schowana w pojemniku pod podłogą. W fazie zderzenia jest uruchamiana sygnałem wysyłanym z czujników innych poduszek powietrznych znajdujących się w wyposażeniu samochodu.

Rys. 12.4. Poduszka powietrzna chronią¬ca stopy (Autoliv)


Współczesne samochody coraz lepiej chronią kierowców i pasażerów, nato¬miast nadal występuje duże zagrożenie dla pieszych. Problemowi temu poświęca się coraz większą uwagę. Jednym z rozwiązań poprawiających bezpieczeństwo pieszych jest zaproponowany przez Forda system poduszek powietrznych, które w razie kolizji rozpościerają się na pokrywie przedziału silnika samochodu (rys.12.5).


Rys. 12.5. System poduszek po¬wietrznych dla pieszych opraco¬wany w koncernie Ford.
Charakterystyki napełniania poduszek. Pierwsze poduszki były bardzo pry¬mitywne. Początkowo był to worek z grubej folii polietylenowej połączony prze¬wodem ze stalową butlą ze sprężonym powietrzem. Napełnienie poduszki pole¬gało na otwarciu zaworu poprzez cięgło elastyczne napinane w wyniku deforma¬cji zderzaka. Skuteczność takiego rozwiązania była niewielka, ze względu na stosunkowo długi czas napełniania. Występowały też duże trudności w zachowa¬niu szczelności połączenia butli ze zwiniętą poduszką. W późniejszym okresie sprężone powietrze zastąpiono ciekłym gazem (najczęściej freonem). Zastoso¬wano zapalnik i stałe paliwo, które wytwarzało ciepło potrzebne do odparowy¬wania gazu. Była to jednak ślepa uliczka, gdyż ciężar stalowych butli wykluczał ich stosowanie w samochodach osobowych.
Kolejnym rozwiązaniem było zastosowanie sprężonego azotu. Jednak spo¬sób ten został zaniechany ze względu na efekt gwałtownej zmiany temperatury i ryzyko eksplozji wysokociśnieniowego zbiornika. Przełom nastąpił w 1970 r., kiedy to Mercedes-Benz pierwszy zastosował technologię pirotechniczną: był to generator gazowy wytwarzający gaz potrzebny do wypełnienia poduszki w fazie zderzenia. Początkowo zastosowano związki nitrocelulozowe, lecz zrezygnowa¬no z tego pomysłu ze względu na wytwarzany przez to paliwo toksyczny tlenek węgla. Dopiero zastosowanie azotku sodu (NaN.) z utleniaczami, który przy spalaniu wydziela azot, rozwiązało ten problem. Jednak podczas wybuchu po¬wstawał silny hałas („wystrzał") oraz niebezpieczeństwo kontaktu użytkownika pojazdu z gorącymi gazami. Kolejnym krokiem było opracowanie tzw. generato¬ra hybrydowego, w którym gazy powstające w wyniku spalania ładunku były mie¬szane z gazem przechowywanym w zbiorniku ciśnieniowym.

W 1996 roku zaproponowano zastąpienie azotku sodu przez azotan celulo¬zy (nitrocelulozę). Jest to rozwiązanie, w którym nie zagrażają związki toksycz¬ne, a jednocześnie można zmniejszyć pojemność zbiornika. Nadal jednak wystę¬puje problem chłodzenia podczas eksplozji, kiedy temperatura osiąga 3000C.
Typowa chronologia wydarzeń po uruchomieniu poduszki powietrznej jest następująca [20]:
00 ms: zetknięcie się samochodu z przeszkodą,
(10 -23) ms: zadziałanie czujników uruchamiających generator gazu,
25 ms: rozpoczęcie napełniania gazem elastycznego pojemnika,
28 ms: pojemnik zaczyna się rozwijać,
40 ms: ciało użytkownika samochodu zaczyna przemieszczać się w stosunku do
elementów kabiny,
55 ms: poduszka powietrzna jest w pełni rozwinięta,
60 ms: kontakt między klatką piersiową a elastycznym pojemnikiem,
70 ms: kontakt między głową a elastycznym pojemnikiem,
95 ms: maksimum wartości opóźnienia głowy i klatki piersiowej,
150 ms: rozpoczęcie wypuszczania gazu z pojemnika elastycznego.
Moment rozpoczęcia wypełniania poduszki i charakterystyka napełniania powinny być tak wybrane, aby najlepiej zamortyzować uderzenie klatki piersio¬wej i głowy kierowcy lub pasażera. Przyjmuje się, że otwarta poduszka powietrz¬na powinna tak osłabić gwałtowny nacisk pasów bezpieczeństwa, występujący podczas czołowego uderzenia samochodu w twardą przeszkodę z prędkością 50 km/h, aby nie doszło do powstania poważniejszej kontuzji. Jednak u osób starszych wiekiem mogą w takiej sytuacji wystąpić poważne kłopoty. Problemu nie rozwiązuje zmniejszenie siły otwarcia poduszki, ponieważ zmniejsza to sku¬teczność jej działania przy zderzeniach z dużą prędkością. Dlatego opracowany został system, który jest modyfikacją znanych wcześniej rozwiązań, ale jednocze¬śnie eliminuje niebezpieczeństwo powstania kontuzji u starszych osób. W Re¬nault Megane z 1995 roku zastosowano pirotechniczne napinacze pasów współ¬pracujące z mechanizmem kontrolującym napięcie tych pasów. Model później¬szy, zastosowany w Renault Clio 2 z 1977 roku, miał dodatkowo poduszkę po¬wietrzną o kontrolowanym ciśnieniu. Były to specjalne zawory wypuszczające powietrze w momencie, gdy o poduszkę uderza ciało człowieka. W obu ukła¬dach działanie poduszek powietrznych było zsynchronizowane z pracą napina-czy pasów. Kolejna modyfikacja miała doprowadzić do tego, aby siły oddziałują¬ce na ciało człowieka podczas wypadku miały możliwie stałą wartość i były o połowę zmniejszone w porównaniu z samochodem mającym jedynie pasy bez¬pieczeństwa. Cel ten został osiągnięty w następujący sposób. Układ ma dwa napinacze pasów bezpieczeństwa oraz podwójną poduszkę powietrzną. Na po¬czątku fazy zderzenia moduł elektroniczny daje sygnał do odpalenia pierwszego napinacza pasów. Po 10 ms układ analizuje siłę, z jaką samochód uderza w prze¬szkodę i odpala mniejszą — przy prędkości zderzenia mniejszej niż 25 km/h — albo większą — przy prędkości zderzenia (25—45) km/h — komorę poduszki. Mniejsza komora chroni głównie głowę kierowcy lub siedzącego z przodu pasa¬żera. Gdy uderzenie jest silne, przy prędkości (45—47) km/h, włącza się dodat¬kowo drugi napinacz, który ogranicza przesunięcie ciała do przodu, zmniejsza¬jąc ryzyko uszkodzenia miednicy i kolan. Jeśli prędkość zderzenia przekracza(45—50) km/h, wyzwalają się obie komory i otwierają się oba napinacze pasów bezpieczeństwa.
Podobne rozwiązanie proponuje koncern Autoliv (rys. 12.6). Zastosowano tu również podwójny ładunek pirotechniczny. Przy niewielkich prędkościach zderzenia pojedynczy ładunek powoduje częściowe otwarcie poduszki i wówczas chroniona jest głowa. Przy zderzeniach z dużą prędkością wyzwalają się oba ła¬dunki, wypełnia się cały pojemnik chroniąc tułów.

Rys. 12.6. Dwufunkcyjna poduszka powietrzna opracowana przez koncern Autoliv
Wspomniane wyżej poduszki mają właściwości tzw. poduszki dwufunkcyjnej. Poduszka taka składa się z dwóch komór, które są napełniane kolejno odpalany¬mi ładunkami: pierwszy napełnia tylko pierwszą komorę, oba powodują taki wzrost ciśnienia, że przegroda między pierwszą a drugą komorą poduszki zostaje rozerwana i worek wypełnia się w całości.
Charakterystyka napełniania poduszki powietrznej powinna zależeć od poło¬żenia, wagi i wymiarów użytkowników samochodu. Idealny układ powinien mieć możliwość ustawienia różnych czasów napełniania poduszki powietrznej i różnych chwil opóźnienia zadziałania napinaczy. Dodatkową regulację może zapewnić ste¬rowany zawór ustalający przepływ gazu wydostającego się z poduszki.
Boczne poduszki powietrzne (kurtyny). Pierwsze poduszki powietrzne zain¬stalowane w kole kierownicy lub tablicy rozdzielczej chroniły kierowców i pasa¬żerów przed groźnymi skutkami zderzeń czołowych. Szybko okazało się, że moż¬na znacznie rozszerzyć obszar ich zastosowania. Przede wszystkim podjęto próby ochrony przed skutkami zderzeń bocznych. Zderzenia boczne są groźne, ponie¬waż konstruktor nie ma możliwości umieszczenia z boku stref kontrolowanego zgniotu o wystarczającej możliwości pochłaniania energii zderzenia. Wymaga¬nia konstrukcyjne poduszek do bocznego zabezpieczenia użytkowników pojaz¬du są wyższe niż wymagania stawiane poduszkom gazowym zabezpieczającym w kierunku osi podłużnej pojazdu. Wynika to m.in. z faktu, że z powodu małej odległości od bocznej ściany samochodu, czas zadziałania powinien być wielo¬krotnie krótszy — (5-10) ms, podczas gdy dla poduszki klasycznej ok. 50 ms.
Ze względu na mniejszą ilość miejsca, pojemność poduszki bocznej wynosi ok. (12-15) dm3. Boczne poduszki powietrzne są montowane w okładzinie drzwi lub bocznej części siedzenia. Coraz powszechniejsze stają się także boczne po¬duszki powietrzne w kształcie, który po napełnieniu przypomina kurtynę. Umiesz¬czone nad górną krawędzią bocznych szyb dodatkowo chronią przed odłamkami szkła czy innymi przedmiotami, które mogą wpaść w czasie kolizji do środka samochodu. Szczególnie warte polecenia są rozwiązania, w których boczna po¬duszka powietrzna jest podwójna: specjalna dodatkowa część przypomina Jasiek dobrze chroniący głowę (rys. 12.7).

Rys. 12.7. Boczna kurtyna powietrzna chroniąca głowę
Ochrona przed skutkami dachowania. Pewną odmianą są boczne kurtyny chroniące użytkowników pojazdów przed tragicznymi skutkami rolowania samo¬chodu po jego wywróceniu. System taki zaprezentował w 2000 roku Ford. Był to rodzaj kołdry nadmuchiwanej sprężonym azotem, otulającej ludzi w czasie rolo¬wania samochodu.
Inspiracją do takiego działania są dane statystyczne. W Stanach Zjednoczo¬nych co druga ofiara wypadku pojazdu terenowego ginie podczas dachowania samochodu. Dla porównania ten sam współczynnik wśród samochodów osobo¬wych jest o połowę mniejszy. Skłonność do wywracania zależy od stosunku wyso¬kości położenia środka masy do rozstawu kół . W samo¬chodach terenowych konieczne jest uzyskanie stosunkowo dużego prześwitu, co ułatwia pokonywanie przeszkód terenowych, ale jednocześnie podwyższa poło¬żenie środka masy. Również środek masy jest stosunkowo wysoko umieszczony w samochodach dostawczych przewożących ładunek. Zatem te kategorie samo¬chodów, przy rozstawie kół podobnym do rozstawu w samochodach osobowych, mają znacznie większe od nich skłonności do wywracania. Przeprowadzona w USA na ten temat ankieta wykazała, że ok. 90% posiadaczy samochodów terenowych obawia się dachowania i chętnie kupiłoby samochód z-układem chro¬niącym ludzi przed jego skutkami. Dlatego Ford, jako producent wielu odmian samochodów terenowych i dostawczych, przystąpił do badań nad tym proble¬mem. Dodatkowym bodźcem był dostęp — po zakupieniu udziałów szwedzkiej firmy Volvo — do technologii budowy bocznych poduszek powietrznych, które spadają z sufitu i odgradzają od drzwi głowy i tułowia pasażerów przednich oraz tylnych foteli.
Nowa kurtyna zaprojektowana przez Forda we współpracy ze znaną szwedz¬ką firmą Autoliv różni się od stosowanych już kurtyn sposobem napełniania. Zrezygnowano z napełniania za pomocą wybuchu ładunku pirotechnicznego. Kurtyna napełniana azotem otwiera się dwa razy wolniej niż tradycyjna, ale za to dłużej pozostaje napompowana, co pozwala chronić pasażerów przez cały czas rolowania, które średnio trwa około 6 s. Zmniejsza się ryzyko rozbicia głowy o szyby i boczne słupki. Kurtyna częściowo chroni przed wyrzuceniem pasaże¬rów, którzy nie zapięli pasów bezpieczeństwa. Sterowana jest przez żyroskop umieszczony w tunelu między przednimi fotelami, który analizuje przestrzenne położenie samochodu. Dane są przekazywane do elektronicznej jednostki ste¬rującej, która otrzymuje dodatkowo sygnały z czujników umieszczonych w ko¬łach. Kurtyna reaguje też na zderzenia boczne, podobnie jak kurtyny opracowa¬ne specjalnie do tego celu, ponieważ można wykorzystać również sygnały od czujników przesyłających informacje o zderzeniach.
Ochrona pasażerów tylnej kanapy. W Renault prowadzone są prace nad nową generacją czołowych poduszek powietrznych dla pasażerów tylnej kanapy. Sa¬mochody będą miały tzw. poduszki BIB (bag in belt), zamontowane w ramienio¬wej części pasa bezpieczeństwa. W chwili zderzenia poduszka taka wystrzeliwuje w górę, chroniąc głowę i klatkę piersiową pasażera tylnej kanapy przed uderze¬niem w tylną część przedniego fotela. W stanie nie nadmuchanym poduszka zaj¬muje niewiele miejsca — pas bezpieczeństwa jest po prostu nieco grubszy. Przewiduje się, że system ten powinien zapewnić poziom bezpieczeństwa porówny¬walny z ochroną osób podróżujących z przodu pojazdu.

Rys. 12.8. Nadmuchiwany pas bezpieczeństwa opracowany w TRW Automotive

Podobne rozwiązanie przedstawiła firma TRW Automotive (rys.12.8). Jest to System ITTR (Inflatable TUbular Torso Restraint).
Nową technologię uaktywniania poduszki powietrznej opracowała firma BFGoodrich. Urządzenie nazwano SmartBelt („zmyślne pasy,,). Ma ono zapal¬niki termiczne, dzięki którym niewielka poduszka napełnia się w ciągu zaledwie 10 ms. Zastosowanie tego urządzenia do pasów pozwala, aby w wersji złożonej były one stosunkowo cienkie. Zbiorniki z gazem mogą mieć dowolne kształty. Urządzenie opracowano na potrzeby lotnictwa, ale znakomicie nadaje się ono do samochodów, szczególnie na tylne kanapy. Producent zapowiada próby za¬stosowania tych pasów także w autobusach i superszybkich pociągach. Ważne jest też to, że SmartBelt można zakładać, wykorzystując standardowe zaczepy do pasów oraz czujniki używane do zwykłych poduszek powietrznych dla kierow¬ców. Podczas zderzeń pojazdów z niewielką prędkością SmartBelt zachowuje się podobnie jak zwykły pas bezpieczeństwa. Przy większych prędkościach zderzeń, a więc i większych siłach działających na użytkownika pojazdu, dodatkowo chro¬ni klatkę piersiową i obojczyk, ponieważ pozwala na większą powierzchnię kon¬taktu.
Systemy „inteligentnych" poduszek powietrznych. W systemach takich siła docisku i sposób otwarcia poduszki są dopasowane do wzrostu pasażera i pozycji jego ciała w czasie zderzenia. Potrzebne informacje komputer otrzymuje za po¬średnictwem czujników podczerwieni, sensorów umieszczonych w fotelach i spe¬cjalnych kamer. Systemy takie są już realizowane, np. na rys.12.9 przedstawiono system zaproponowany przez końcem Autoliv. System ten zawiera:
— czujniki ultradźwiękowe (l) i czujnik ustawienia fotela (6), ustalające pozy¬cję kierowcy lub pasażera względem poduszki powietrznej,
— czujniki ciężaru (2), które sprawdzają, czy na fotelu siedzi dziecko lub czy fotel jest pusty,
— czujniki zatrzasków (3) sprawdzające, czy pas jest zapięty,
— mikroprocesor (4), który wykorzystując informacje z czujników optymalizuje
proces napełniania poduszki.

Rys. 12.9. Schemat systemu bezpieczeństwa firmy Auto¬liv

Czujniki ultradźwiękowe umożliwiają utworzenie trójwymiarowego obrazu odnawianego co 50 ms, co pozwala na dopasowanie charakterystyk napełniania nawet podczas panicznego hamowania tuż przed zderzeniem, kiedy użytkownik pojazdu może być zbyt blisko eksplodującej poduszki gazowej.
W należących do Forda samochodach Jaguar jest stosowany układ ARTS (Adaptive Restraint Technology System), w którym sygnały ultradźwiękowe po¬zwalają ustalić obecność, położenie i ruchy pasażerów wewnątrz samochodu (przede wszystkim położenie głowy oraz klatki piersiowej) i odpowiednio dopa¬sować działanie poduszek powietrznych. Ponadto kierowca lub pasażer uzyskuje informację (zapala się światełko ostrzegające), jeżeli zajmuje pozycję zbyt blisko koła kierownicy lub tablicy rozdzielczej — w tej sytuacji poduszka powietrzna nie otworzy się, bo byłoby to zbyt niebezpieczne. Inne czujniki sprawdzają, czy zostały zapięte pasy bezpieczeństwa oraz czy fotel jest zajęty przez pasażera — gdy siedzenie jest puste, poduszka powietrzna jest wyłączona.
Rozwiązania proponowane przez różne firmy pozwoliły na ustalenie pewnych zasad budowania systemów „inteligentnych" poduszek powietrznych. Ustalono, że w przedziale prędkości względnej zderzających się samochodów nie przekraczającej (17—20) km/h działanie poduszki jest niecelowe, natomiast jej wybuch po¬woduje stres u jadących, może doprowadzić do osłabienia słuchu, obtarć naskórka głowy itp. Przy prędkości względnej (20—35) km/h potrzebna jest poduszka typu surobag (mała), która w wystarczającym stopniu spełni swoje zadanie i zminimali¬zuje skutki uboczne. Powyżej tego przedziału konieczne jest użycie poduszek pełnowymiarowych i współudział całego systemu bezpieczeństwa samochodu (pasy z napinaczami, strefy kontrolowanego zgniotu nadwozia).
Aktualnie wprowadza się też prostsze rozwiązania. Niektóre samochody mają specjalny wyłącznik (czasem działający automatycznie). W systemie BabySmart montowanym w Mercedesach po ustawieniu specjalnego fotelika dla dzieci na przednim siedzeniu automatycznie wyłączana jest poduszka dla pasażera (rys. 12.10). Elektroniczne czujniki rejestrują obecność dziecięcego fotelika na pod¬stawie informacji o położeniu uchwytów mocujących fotelik. Układ działa v przypadku ustawienia fotelika w kierunku jazdy i w kierunku przeciwnym do kierunku jazdy samochodu.


Rys.12.10.Automatycznewy¬łączenie poduszki powietrznej po zamontowaniu fotelika dzie¬cięcego 1 — poduszka powietrzna, 2 — uchwyty w bliskim sąsiedztwie,
3 — uchwyty rozdzielone
Uaktywnienie poduszki może też nastąpić, jeśli na przednim siedzeniu prze¬kroczona jest graniczna waga pasażera. Na rysunku 12.11 przedstawiono uni¬wersalny układ z odpowiednimi czujnikami rejestrującymi obecność, wymiary i wagę pasażera na przednim siedzeniu. Informacje te mogą być wykorzystane do aktywacji lub wyłączenia poduszki powietrznej.

Poza wspomnianym wyżej problemem przewożenia dzieci siedzących na przed¬nich fotelach, występuje niebezpieczeństwo dla dzieci leżących oraz pasażerów, którzy lubią jeździć oparci o bok i drzwi samochodu. Niestety, dotychczas nie opracowano skutecznego systemu poduszek, które byłyby równocześnie w pełni bezpieczne dla pasażerów zajmujących nietypową pozycję w fotelu. Najprost¬szym rozwiązaniem jest umieszczanie odpowiednich napisów lub piktogramów ostrzegawczych lub umieszczenie wyłącznika poduszki uruchamianego przez kie¬rowcę. Niektóre firmy (Toyota, Audi, Ford, BMW) umieszczają nalepki w samo¬chodzie informujące o ryzyku jazdy w niewłaściwej pozycji, inne (np. Honda w pojazdach przeznaczonych na amerykański rynek) zaopatrują je w czujniki, które blokują otwarcie bocznych poduszek powietrznych, jeśli wykryją, że pod¬różny zajął niewłaściwą pozycję.
W samochodach BMW sprzedawanych na rynku amerykańskim siła otwarcia poduszki zależy od tego, czy pasażer ma zapięte pasy.
Prawidłowe działanie poduszki zależy też od jej kształtu. Chodzi o rozłoże¬nie w czasie napełniania poduszki tak, aby najpierw wyhamowała ruch tułowia, potem amortyzowała głowę. Poduszka taka musi mieć kształt podobny do stoż¬ka, zwężającego się od pasa do głowy i pracować dwufazowo.
Czy poduszki powietrzne są niebezpieczne? Poduszki powietrzne uratowały życie wielu ludziom. Ale okazało się, że mogą też być śmiertelnie niebezpieczne. Kiedy opublikowano w Stanach Zjednoczonych statystyki, z których wynikało, że powtarzają się przypadki śmierci, głównie dzieci przewożonych w fotelikach na przednim siedzeniu, wybuchła debata na temat stosowania tych urządzeń. W wy¬niku tej dyskusji zgodzono się na umożliwienie montażu wyłączników poduszek. Czy oznacza to, że poduszki są niebezpieczne? Czy powtarzane przez wiele lat wiadomości o ich zaletach są nieprawdziwe? Oczywiście nie. Jest wiele udoku¬mentowanych danych, że poduszka powietrzna znacząco poprawia bezpieczeń¬stwo użytkowników pojazdów. Stwierdzono, że redukują one liczbę ciężkich i śmiertelnych obrażeń o 21% wśród niezabezpieczonych pasami użytkowników pojazdów i o 9% wśród użytkowników z zapiętymi pasami bezpieczeństwa.
Efektywność poduszek zależy też od długości pojazdu: jest większa w dużych samochodach. Analiza statystyk pokazuje, że poduszki powietrzne redukują liczbę ofiar o 9%, jeśli rozstaw osi jest większy niż 100 cali (2,54 m), o 13%, gdy rozstaw )si mieści się w granicach 100 cali do 109 cali (2,54 m do 2,77 m) i o 36%, gdy rozstaw osi jest większy niż 110 cali (2,8 m). Jest to związane z większymi możliwościami pochłaniania energii przez strefy zgniotu nadwozi samochodów dużych i w efekcie zmniejszenia intensywności opóźnienia, działającego na człowieka w fazie zderzenia.
Niebezpieczeństwo powstania kontuzji lub śmiertelnych obrażeń w wyniku zadziałania poduszek powietrznych najczęściej ma związek z wiekiem i wzrostem 3asaźera. Niewłaściwe usytuowanie pasażera może doprowadzić do nieprawi¬dłowego rozwinięcia poduszki i uszkodzenia kręgów szyjnych.
Końcem Autoliv skonstruował poduszkę powietrzną (rys.12.12), która otwiera się niczym parasol, na boki, a nie prosto w twarz pasażera, dzięki czemu zderze¬nie z taką poduszką jest łagodniejsze.

Rys.12.12. Poduszka powietrzna w kształ¬cie parasola opracowana przez końcem Autoliv

Pasy bezpieczeństwa
Historia. Pasy bezpieczeństwa znano już w XIX wieku w powozach konnych, w latach zaś dwudziestych XX wieku trafiły także do samolotów. W samocho¬dach osobowych mimo to nie stosowano ich — większość klientów nawet nie myślała wiązać się jakimiś przepaskami. Pierwsza próba wprowadzenia tego roz¬wiązania do seryjnej produkcji przez Forda w 1955 roku skończyła się fiaskiem. Pierwsze pasy biodrowo-ramieniowe były w 1958 roku dziełem Volvo.
Dziś na szczęście nikogo już nie trzeba przekonywać o ich przydatności. Urzą¬dzenia zwiększające bezpieczeństwo stały się takim samym atutem przy wyborze samochodu, jak kiedyś nadwozie i silnik.
Bezpośrednim powodem wprowadzenia pasów bezpieczeństwa w samocho¬dach była ochrona przed tragicznymi skutkami zderzeń czołowych. Zderzenia takie są przyczyną połowy wszystkich obrażeń, jakie ponoszą kierowcy lub pasa¬żerowie podczas kolizji. Statystyki wykazują, że po wprowadzeniu pasów bezpie¬czeństwa liczba wypadków śmiertelnych w kolizjach drogowych zmniejszyła się o ok. 65%.
Jeżeli użytkownicy samochodu nie są zabezpieczeni pasami bezpieczeństwa, to po gwałtownym zatrzymaniu samochodu kontynuują oni ruch do przodu z prędkością przedzderzeniową oraz dodatkowym przyspieszeniem w stosunku do elementów nadwozia na skutek działania siły bezwładności. W rezultacie takiego ruchu ciało człowieka oddala się od fotela, co zwykle prowadzi do ude¬rzeń o elementy wyposażenia kabiny lub do wypadnięcia na zewnątrz samocho¬du przez wybitą szybę. W ponad 73% wypadnięcie z samochodu kończy się śmier¬cią. Pasy dobrze zabezpieczają użytkowników pojazdów przed wypadnięciem z samochodu podczas zderzenia. Oszacowano, że tylko ok. 1% przypadków wy¬padnięcia dotyczy osób zapiętych pasami*.
Pasy bezpieczeństwa stanowią zabezpieczenie ludzi podczas zderzeń czoło¬wych oraz ukośnych w przedziale ± 20 w stosunku do osi podłużnej samochodu. Utrzymują ciała kierowcy i pasażerów na fotelach. Ruch tułowia do przodu trwa do chwili, kiedy pasy nie zostaną naprężone. Jednak szyja i głowa nie są zabez¬pieczone przed ruchem do przodu, co może być przyczyną poważnych kontuzji. Kierowca może uderzyć głową w kolumnę kierownicy. Przemieszczenie głowy pasażera trwa do chwili uderzenia podbródkiem w mostek.
Wymagania stawiane pasom bezpieczeństwa. Odpowiednie przepisy narzuca¬ją warunki, jakie powinny być spełnione przez współczesne pasy bezpieczeństwa.
Pas powinien być tak zamontowany, aby podczas używania pojazdu nie było możliwości uszkodzenia go ruchomymi elementami nadwozia (drzwi, siedzenia). Również sztywne części pasa, jak np. zamek, mechanizm regulacji, części mocu¬jące nie mogą mieć ostrych krawędzi. Powinny być tak rozmieszczone, aby nie powodowały uszkodzenia taśmy.
Taśma powinna być odporna na skręcanie i strzępienie oraz mieć własności pochłaniania i rozpraszania energii. Wszelkie przetarcia szwów, przewężenia, naddarcia, ślady nadto pień są charakterystyczne dla taśmy, która brała udział w kolizji i pas taki powinien być obowiązkowo wymieniony na nowy.
Specjalne wymagania stawiane są zamkom pasa. Zamek powinien pozosta¬wać w pozycji zamkniętej niezależnie od pozycji pojazdu. Nie może mieć możli¬wości niecałkowitego zamknięcia oraz nieumyślnego otwarcia pod działaniem siły mniejszej niż l daN, natomiast powinien dać się otworzyć jednym prostym ruchem, przez naciśnięcie przycisku zwalniającego siłą nie większą niż 6 daN. Stykająca się z ciałem użytkownika pojazdu powierzchnia zamka powinna mieć minimum 20 cm2 i szerokość minimum 46 mm.
Mechanizm regulacji powinien zapewnić możliwość łatwego dopasowania do ciała użytkownika. Może to być regulacja ręczna lub automatyczna. Zwijacz pasa powinien blokować się, jeżeli opóźnienie pojazdu osiągnie wartość ok. 0,5g lub jeżeli samochód odchyli się w dowolnym kierunku więcej niż 27 od położe¬nia poziomego. Nie może blokować się, jeżeli kąt odchylenia nie przekracza 12.
* Dane dotyczą sytuacji, w których nie wystąpiło przewrócenie samochodu.

Rodzaje pasów bezpieczeństwa. Pierwsze pasy bezpieczeństwa wprowadzone do użytkowania w połowie lat pięćdziesiątych XX wieku są nazywane pasami statycznymi. W pasach tych długość taśmy, decydująca o wartości luzu, musiała być każdorazowo dopasowana do wymiarów ciała, jeżeli zmieniała się osoba zaj¬mująca fotel. Nieprawidłowe ustawienie luzu mogło być podczas kolizji przyczy¬ną dodatkowych obrażeń. Ponadto pasy takie ograniczały swobodę ruchów, np. dostęp do niektórych elementów sterujących na tablicy rozdzielczej, radia czy popielniczki.
Pasy te zostały zastąpione pasami bezwładnościowymi, które pozwalają na swobodne pochylanie ciała bez potrzeby odpinania pasa czy zmiany regulacji. Wyposażone są w mechanizm sprężynowego zwijacza taśmy. Jeżeli zacznie dzia¬łać zbyt duża siła bezwładności, uruchamia się blokada rolki zwijacza i taśma pasa zostaje zablokowana. Pas bezwładnościowy nie opina mocno ciała. Ponad¬to pozwala na niewielkie przemieszczenie tułowia do przodu w pierwszej fazie zderzenia, co nie jest zjawiskiem korzystnym.
Pasy bezpieczeństwa statyczne i bezwładnościowe tworzą grupę pasów aktyw¬nych, charakteryzujących się tym, że swoją rolę mogą pełnić dopiero po zapięciu klamry przez użytkownika. Istnieje też grupa pasywnych pasów bezpieczeństwa. Pasy takie nie mają klamry spinającej, a ich funkcjonowanie jest niezależne od woli użytkownika. Po zajęciu miejsca w fotelu i zamknięciu drzwi użytkownik jest „automatycznie" zabezpieczany tymi pasami. Przykładem są dwupunktowe pasy ramieniowe typu bezwładnościowego, przedstawione schematycznie na rys. 12.13.
Ze względu na liczbę punktów kotwiczenia pasy aktywne dzielą się na pasy dwupunktowe (biodrowe) i pasy o trzech punktach kotwiczenia (ramieniowo-biodrowe). Trzypunktowe pasy bezpieczeństwa są obecnie najbardziej rozpowszech¬nione. Nieźle chromą użytkowników pojazdów w zderzeniach czołowych. Nieste¬ty, nie stanowią ochrony w razie wywracania samochodu.

Rys. 12.13. Pasywne pasy bezpieczeństwa


Klasyfikację pasów bezpieczeństwa przedstawiono na rys. 12.14. Ostatnio pojawiają się pasy mające inne niż w rozwiązaniu klasycznym poło¬żenie górnego punktu mocowania. Aby zminimalizować niebezpieczeństwo ude¬rzenia głową w dach pojazdu podczas wywrócenia, pas barkowy mocuje się do oparcia fotela zamiast do bocznej ściany lub słupka B między drzwiami (rys.12.15).

Rys. 12.15. System mocowania pasa barkowego do oparcia fotela

W samochodach sportowych i wyścigowych, najbardziej narażonych na wy¬wracanie się, stosowane są aktywne pasy szelkowe, składające się z odcinka bio¬drowego i dwóch odcinków ramieniowych. Podobne rozwiązanie proponuje fir¬ma Saab: do tradycyjnego trzypunktowego pasa biodrowo-ramieniowego jest dołączony dodatkowy pas ramieniowy zapinany z przeciwnej strony niż pas tra¬dycyjny — co ma przeciwdziałać „odpadnięciu" od fotela podczas dachowania lub silnego bocznego uderzenia w przeciwległy bok samochodu. Każdy pas jest wyposażony w oddzielny napinacz. Pasy można odpiąć za pomocą jednego przy¬cisku. System zaprezentowano pod nazwą SBB (Saab Suplementary Belt — dodatkowy pas Saaba).
W przypadku zderzenia czołowego może dojść do zjawiska wyślizgiwania się ciała spod zapiętego pasa (rys.12.16). Dotyczy to szczególnie osób o mniejszych rozmiarach ciała. Zjawisko to można częściowo wyeliminować poprzez usztywnienie przedniej części siedziska fotela, podpierającej uda. Ważne jest też po¬prawne umiejscowienie górnego punktu mocowania pasa i odpowiednia kon¬strukcja napinaczy. Napinacze najlepiej redukują możliwość wyślizgnięcia się spod pasa, co łatwo może się zdarzyć, gdy pasy nie są mocno naciągnięte.

Rys. 12.16. Wyślizgiwanie ciała spod pasa bezpieczeństwa w ra¬zie zderzenia czołowego

Mocowanie górnego punktu pasa bezpieczeństwa. Położenie górnego punk¬tu kotwiczenia pasa może być regulowane w zależności od wzrostu pasażera. W niektórych samochodach odbywa się to samoczynnie. Na przykład w firmie Volvo opracowano wygodny sposób samoczynnej regulacji przedstawiony na rys. 12.17. Na słupku B (środkowym) jest zamocowana szeroka szpula o zmien¬nym przekroju, na której taśma pasa układa się odpowiednio do wzrostu osoby siedzącej na przednim siedzeniu.
Napinacze pasów bezpieczeństwa. Stosowanie pasów bezpieczeństwa może powodować powstanie pewnych zagrożeń. Zdarzają się kontuzje mostka i żeber. Trzypunktowe pasy bezpieczeństwa mogą być przyczyną obrażeń brzucha, jeżeli nieprawidłowe jest położenie pasa biodrowego w stosunku do miednicy. Pod¬czas zderzenia czołowego ciało kierowcy lub pasażera jadącego z zapiętym pa¬sem bezpieczeństwa zaczyna przemieszczać się w kierunku ruchu pojazdu pod wpływem sił bezwładności. Następuje uderzenie klatki piersiowej o taśmę pa¬sów. W tym momencie bardzo obciążone są żebra, kości miednicy i przepona brzuszna. Inną wadą tradycyjnych bezwładnościowych pasów bezpieczeństwa jest ich opóźnione działanie, spowodowane elastycznością taśmy pasa i opóźnie¬niem zadziałania bezwładnościowej blokady zwijacza. Przyczyną zwłoki jest też odzież powodująca nadmierną odległość między pasem a ciałem użytkownika pojazdu. Można zlikwidować nadmierne wydłużenie taśmy i uniknąć silnego uderzenia stosując napinacze.

Rys. 12.17. Samoczynna regulacja wysokości górnego punktu mocowania pasa (Volvo)

Napinacze pasów bezpieczeństwa mogą być mechaniczne i pirotechniczne. W napinaczach mechanicznych do wywołania napięcia taśmy pasa wykorzystuje się siłę sprężyn, a w napinaczach pirotechnicznych — energię wybuchu małego ładunku. Podczas kolizji sprężyna mechanicznie lub w wyniku eksplozji mikro ładunku pirotechnicznego odciąga zapięcie pasa do tyłu i dociska siedzącego w fotelu kierowcę lub pasażera.
W obu rodzajach napinaczy można wyróżnić trzy elementy: czujnik sterujący pracą urządzenia, sprężynę napinającą lub generator gazu i mechanizm napina¬jący pas.
Konstrukcja napinaczy musi wykluczyć przypadkowe uruchomienie urządze¬nia podczas jazdy na wyboistej drodze czy w czasie drobnych kolizji, np. na par¬kingu.
Budowa pirotechnicznego napinacza pasów jest przedstawiona na rys.12.18. Działanie jest następujące. Po przekroczeniu dopuszczalnego opóźnienia sy¬gnał z czujnika sterującego powoduje odpalenie ładunku pirotechnicznego (ma¬teriał na bazie nitrocelulozy) umieszczonego w cylindrze 5. Powstałe ciśnienie gazów przesuwa tłok 4 powodując przesuwanie linki 6 i taśmy pasa 5. Przesunię¬cie powoduje naprężenie pasa i utrzymanie ciała osoby zapiętej pasem bezpie¬czeństwa jak najbliżej siedziska i oparcia z zagłówkiem. Zapłon ładunku pirotechnicznego jest potwierdzony przez zapalenie lampki kontrolnej w zestawie wskaźników.


Rys. 12.18. Pirotechniczny napinacz pasa bez¬pieczeństwa
l — podłączenie czujnika, 2 — spłonka, 3 — ładunek wybuchowy, 4 — tłok, 5 — cylinder, 6 — linka stalowa, 7 — szpula pasa, 8 — taśma pasa

Siła dociskająca pasażera do fotela nie może być zbyt duża, dlatego stosuje się ograniczniki napięcia pasów bezpieczeństwa. Może to być prosty mechanizm w postaci blaszki, która rozrywa się, jeżeli nacisk pasa staje się zbyt duży. Ogra¬niczniki napięcia pojawiły się 1995 roku w samochodach Renault.
Połączenie ogranicznika napięcia z napinaczem tworzy układ kontrolowane¬go napięcia pasów. Obejmuje on zarówno pasy bezpieczeństwa, jak i układ kon¬troli ciśnienia poduszek powietrznych. Zapewnia ograniczenie nacisku wywiera¬nego na klatkę piersiową przez przednie pasy bezpieczeństwa i poduszki po¬wietrzne w przypadku silnego zderzenia.
Działanie takiego układu można podzielić na 4 fazy trwające łącznie ok. 110 ms. W pierwszej fazie, która trwa 15 ms, jest uruchamiany napinacz pasów, maksymalnie ograniczając ruch ciała osoby przypiętej pasami bezpieczeństwa. W drugiej fazie, trwającej 30 ms, napełnia się poduszka powietrzna. Po ustabili¬zowaniu się kształtu poduszki i ciśnienia rozpoczyna działanie samoblokujący nawijacz, powodujący lepsze dociskanie ciała do oparcia fotela. Po zablokowa¬niu pasów jego napięcie jest przenoszone na ogranicznik napięcia. W zależności od działającej siły, ogranicznik wykonany ze stalowej blachy rozrywa się, zmniej¬szając nacisk pasa na klatkę piersiową, która opada na poduszkę powietrzną.

Fotele samochodowe
Budowa foteli. Fotel samochodowy powinien zapewnić komfort i bezpieczeń¬stwo jazdy. Z punktu widzenia zapewnienia bezpieczeństwa ważne jest, aby do¬brze obejmował biodra i korpus (kubełkowy profil siedzeń zapobiega wychyle¬niom ciała w czasie szybkiej jazdy na zakrętach), miał możliwość regulacji poło¬żenia siedziska i oparć, miał dobre mocowanie do podłogi, był w miarę twardy (aby wyeliminować odrzucanie pasażera wskutek sił sprężystości siedzenia), miał urządzenia bezpieczeństwa biernego (pasy, zagłówki), pozwalające na skuteczne „unieruchomienie" siedzących na nich osób podczas kolizji drogowej.
Rury lub wytłoczki tworzące szkielet wykonuje się z materiałów o dużej wy¬trzymałości. Zwykle w górnej części ramy znajdują się punkty mocowania za¬główków. Siedzisko łączy z oparciem urządzenie, umożliwiające ustawianie oparcia pod odpowiednim kątem, bezstopniowo lub przez blokadę w określonych pozy¬cjach. Siedzisko w środkowej części jest wykonane z miękkiego tworzywa, nato¬miast obrzeża — z twardszego. Pokrycie siedziska i oparcia może być wykonane z tkaniny lub imitacji skóry (w luksusowych modelach z prawdziwej skóry). Usta¬wienie fotela w odpowiednim położeniu ułatwiają prowadnice, stanowiące jed¬nocześnie elementy mocowania do podłogi.
Fotele są projektowane dla kierowców o wzroście i proporcjach ciała uśred¬nionych statystycznie, dlatego konieczna jest ich rozbudowana regulacja. Waż¬ne jest ustawienie wysokości siedziska. W niektórych fotelach możliwa jest też regulacja długości podpory pod uda lub podparcie kręgów lędźwiowych.
Innowacji wprowadzanych w nowoczesnych fotelach jest bardzo dużo. Luk¬susowe samochody mogą mieć fotele z systemem nadmuchiwanych przez sprꬿarkę komór powietrznych (Cadiiiac) lub umieszczone w środku wentylatorki tłoczące latem chłodne, a zimą ciepłe powietrze (Mercedes, BMW). Najważ¬niejsze są jednak innowacje zwiększające bezpieczeństwo.
W firmie Peugeot prowadzono badania nad bezpiecznym fotelem, który ma urządzenia pochłaniające energię uderzenia tylnego (amortyzatory). W razie zderzenia siedzenie pochyla się nieco do przodu, co zwiększa efektywną drogę wyhamowania pasażera. Możliwe jest też przemieszczenie fotela z pasażerem, ułatwiające wytracenie energii uderzenia. Podczas badań tego fotela ani razu nie stwierdzono pęknięcia pasa bezpieczeństwa, co świadczy o znacznym złago¬dzeniu siły rozciągającej.
Modyfikacją tego pomysłu jest rozwiązanie zaproponowane przez końcem Autoliv. Przedni fotel ma możliwość odchylenia oparcia i ruchu zagłówka do przodu (rys.12.19). Układ ten efektywnie zmniejsza ryzyko kontuzji przy uderze¬niach tylnych z niewielką prędkością (do 24 km/h).
Foteliki dla dzieci. Dzieci są szczególnie narażone na niebezpieczeństwo podczas kolizji. Ze względu na delikatną budowę i słabsze mięśnie nawet pod¬czas gwałtownego hamowania nie są w stanie przeciwstawić się siłom bezwładno¬ści. Wytrzymałość biomechaniczna ciała dziecka jest inna niż osoby dorosłej, np. głowa noworodka stanowi czwartą część jego wzrostu, a u dorosłego poniżej ósmej jego części. Dlatego urządzenia zabezpieczające dla dzieci nie mogą być zminiaturyzowaną kopią pasów bezpieczeństwa, lecz stanowić oddzielne, odpo¬wiedzialne konstrukcje.
Stosowanie specjalnych fotelików jest jedynym sposobem zapewniającym dziecku bezpieczną jazdę samochodem. Obowiązek stosowania fotelików prze¬widuje „Kodeks drogowy".
Ważne jest poprawne zamontowanie fotelika. Statystyki amerykańskie poda¬ją, że ponad 80% fotelików instalowanych jest mniej lub bardziej nieprawidłowo, niezgodnie z instrukcją. Wyniki badań francuskich przeprowadzonych przez Inrets ( Francuski Instytut Badań Środków Transportu i Bezpieczeństwa) pokazały, że (30—55)% fotelików jest mocowanych niewłaściwie. Główne błędy to pozosta¬wienie zbyt dużego luzu pomiędzy pasem a ciałem dziecka, umieszczenie części ramieniowej pasa zbyt blisko szyi dziecka i zbyt luźne zamocowanie fotelika.


Rys. 12.19. System umożliwiający odchylenie oparcia i ruch zagłówka do przodu

Każdy fotelik powinien być przypięty dwu- lub trzypunktowymi pasami bez¬pieczeństwa. Zaleca się, aby dzieci ważące nie więcej niż 10 kg wozić tyłem do kierunku jazdy. Jeżeli samochód jest wyposażony w poduszkę powietrzną pasa¬żera — nie wolno przewozić dziecka w foteliku na przednim siedzeniu. Ze względu na bezpieczeństwo, najlepiej jest montować foteliki na tylnych siedzeniach sa¬mochodu. Fotelik powinien być dopasowany do wieku i wagi dziecka, powinien także być wyposażony w zabezpieczenie uniemożliwiające dziecku wypięcie się z pasów.
Foteliki dla dzieci są zróżnicowane, ponieważ w pierwszych latach życia dziec¬ka znacznie zmieniają się jego proporcje i masa ciała. Każdy fotelik powinien mieć certyfikat bezpieczeństwa. W Polsce certyfikat taki jest wydawany przez Przemysłowy Instytut Motoryzacji. Foteliki, które pomyślnie przeszły testy ho¬mologacyjne, mają odpowiednie oznakowanie: jest to litera B wpisana w od¬wrócony trójkąt.
Kategorie fotelików dla dzieci
Symbol
Wiek dziecka
Masa dziecka

0 l
2 3
do 9 miesięcy
do 3 lat
do 7 lat
od 7 do 10 lat
do 9 kg
do 18 kg
do 25 kg
do 36 kg

Foteliki dopuszczone do sprzedaży podzielono na cztery kategorie, w zależ¬ności od wieku dziecka i jego masy (patrz tablica).
Aby uwolnić rodziców od kłopotliwego zakupu kilku fotelików w miarę jak dziecko rośnie, producenci starają się łączyć cechy poszczególnych kategorii w jednej konstrukcji. Spotyka się np. foteliki 0+ dla dzieci o masie (0-18) kg. Foteliki te w pierwszym okresie montuje się tyłem do kierunku jazdy, a później przodem. Symbol O+ w krajach Unii Europejskiej oznacza foteliki dla dzieci o masie ciała do 13 kg, przeznaczone do montowania tyłem do kierunku jazdy. Występuje często napis „Airbag", przestrzegający przed umieszczeniem fotelika na miejscu obok kierowcy, gdy jest ono wyposażone w poduszkę powietrzną. Pasy bezpieczeństwa mocujące fotelik są w kolorze niebieskim dla fotelików mocowanych tyłem do kierunku jazdy lub czerwonym — dla fotelików mocowa¬nych zgodnie z kierunkiem jazdy. Norma uściśla warunki, którym powinien od¬powiadać kształt fotelika. Szczególną uwagę należy poświęcić górnej części fo¬telika, w której mieści się głowa przewożonego dziecka, oraz bocznym oparciom utrzymującym jego korpus. W fotelikach dla starszych dzieci pas musi być tak poprowadzony, aby była wykluczona możliwość jego ześlizgiwania się na miękką część brzucha.
Wyniki analiz wypadków, w których uczestniczyły dzieci w wieku do 10 lat, pokazują, że najskuteczniejsze są foteliki kategorii O (obrażenia zmniejszyły się o ponad 80% w porównaniu z obrażeniami dzieci przewożonych bez żadnych zabezpieczeń). Skuteczność spada w wyższych kategoriach, ponieważ jest wyższa pozycja przewożonego w foteliku dziecka oraz występuje tendencja do przesu¬wania się pasa bezpieczeństwa ku miękkiej części brzusznej, co może podczas zderzeń być przyczyną poważnych obrażeń.
Przewożenie niemowląt wymaga stosowania specjalnych fotelików. Są one konstrukcjami skorupowymi wykonanymi z usztywnianych tworzyw sztucznych (w sposób podobny do konstrukcji kadłubów łodzi), kompozytów aluminiowych lub szkieletu z prętów metalowych (aluminium, stal) zatopionych w żywicach epoksydowych. Wewnątrz znajduje się gąbka pokryta tkaniną bawełnianą lub welurową. Rozmiary skorupy muszą być tak dobrane, aby całe dziecko się w niej schowało. Dla dzieci najmłodszych stosuje się rodzaj „kamizelki", obejmującej cały tułów. Kamizelka jest mocowana do skorupy pasami przechodzącymi nad ramionami, z boków tułowia i między nogami. Skorupa jest montowana do pod¬stawy za pomocą standardowych pasów lub specjalnego zestawu uchwytów syste¬mu ISOFIX. Mechanizm mocujący tego systemu jest umieszczony w osi przecię¬cia oparcia i siedziska, a fotelik jest wyposażony w dwa rygle, które pewnie przy¬trzymują fotelik (rys. 12.20).


Rys. 12.20. Mocowanie fotelika w systemie ISOFIX

Montując fotelik na tylnej kanapie nie wolno ustawiać go w pobliżu środko¬wej osi samochodu, bowiem w czasie kolizji istnieje niebezpieczeństwo prze¬mieszczenia się fotelika do przodu i uderzenia w tablicę rozdzielczą samochodu lub przednią szybę. Fotelik mocowany z boku w takiej sytuacji jest chroniony przez oparcie fotela.
W fotelikach dla starszych dzieci stosuje się pasy typu szelkowego, wzorowa¬ne na rozwiązaniach z samochodów wyczynowych (rys.12.21).
Dla dzieci w wieku przedszkolnym można stosować foteliki o konstrukcji otwartej, z zagłówkiem, wymiarowo dopasowane do masy i wzrostu dziecka. Czę¬sto stosuje się boczne podparcie głowy, boczne wygięcia oparcia i siedzisko obej¬mujące tułów i uda dziecka. przechodzi zbyt blisko szyi dziecka. Przewożenie dzieci bez fotelików, zapiętych standardowymi pasami bez¬pieczeństwa, może być niebezpieczne z powodu złego ułożenia pasa. Na ry¬sunku 12.22 przedstawiono sytuację, kiedy taśma

Rys. 12.21. Fotelik dla starszych dzieci

Rys. 12.22. Niewłaściwe usytuowanie taśmy pasa bezpieczeństwa

Jednak coraz więcej samochodów ma możliwość regulacji położenia górne¬go punktu mocowania pasa bezpieczeństwa siedzeń tylnych. Regulacja ta umoż¬liwia obniżenie przebiegu taśmy pasa, co można wykorzystać przewożąc dziecko.
W sytuowaniu pasa bezpieczeństwa na wysokości klatki piersiowej, niezbyt blisko szyi, może pomóc podwyższenie poziomu, na którym siedzi dziecko. Urządzenia takie powinny mieć znak homologacji, co daje pewność popraw¬nego ich działania w czasie kolizji. Czasem producenci stosują specjalne roz¬wiązanie, w którym jest rozkładane siedzisko tylnej kanapy. Część siedziska można podnieść do góry i zablokować, tworząc fotelik dla dziecka (rys.12.23). Do zabezpieczenia małego pasażera wykorzystuje się wówczas standardowe pasy bezpieczeństwa. Testy zderzeniowe pokazują, że rozwiązanie to jest poprawne zarówno ze względów ergonomicznych, jak i technicznych

.

Rys. 12.23. Podnoszone elementy siedziska tylnej kanapy

Zagłówki
Dane statystyczne pokazują, że co czwarty wypadek w Europie polega na tym, że jeden samochód uderza w tył drugiego. Już przy niewielkiej prędkości zderzenia tylnego, ok. 20 km/h, może powstać groźna kontuzja kręgów szyjnych. Efekt najechania z tyłu przy niskim oparciu fotela powoduje bardzo silne ugięcie gło¬wy do tyłu, dlatego oparcie siedzenia powinno zapewniać możliwość podparcia dla karku; a więc oparcie siedzenia musi być wystarczająco wysokie lub wyposa¬żone w zagłówek. Zagłówki są bardziej efektywne jako urządzenia ochronne niż oparcia siedzeń o zwiększonej wysokości.
Mechanika ruchu głowy względem zagłówka przy tylnym zderzeniu. Fotele z zagłówkami są stosowane powszechnie we współczesnych samochodach. Nie¬stety, wiele z nich jest nieprawidłowo skonstruowanych. Badania prowadzone nad mechaniką ruchu głowy względem zagłówka pozwalają zoptymalizować ich konstrukcję. Kolejne pozycje, jakie zajmuje głowa względem zagłówka w fazie zderzenia tylnego pokazano na rys. 12.24.
Pozycja l odpowiada typowemu położeniu głowy względem zagłówka. W pozycji 2, po tylnym uderzeniu, bezwładność głowy powoduje jej dociśnięcie do zagłówka. W pozycji 3 odkształcenie zagłówka jest największe. Głowa prze¬mieszcza się do przodu z taką samą prędkością, jak tułów. Większość energii zderzenia jest pochłonięta przez odkształcony zagłówek. W pozycji 4 głowa prze¬mieszcza się do przodu z prędkością większą od prędkości oparcia fotela i za¬główka. Spowodowane jest to działaniem energii sprężystej zagłówka. Następu¬je gwałtowne ugięcie górnego odcinka kręgosłupa, podbródek opiera się o mo¬stek, następuje odciążenie zagłówka i powrót do pozycji 2.
Jeżeli zagłówek jest zbyt sztywny, to mniej energii będzie pochłonięte, wy¬stąpi silniejsze „odbicie" głowy. Powstanie silniejsze ugięcie w pozycji 4 i wzrośnie prawdopodobieństwo kontuzji kręgów szyjnych. Zbyt mała sztywność za¬główka może spowodować zbyt duże ugięcie do tyłu kręgów szyjnych w pozycji 2, co jest też bardzo niebezpieczne. Istnieje zatem sztywność optymalna. Opierając się na przedstawionym wyżej schemacie ruchu, można zbudować model repre¬zentujący mechanikę ruchu głowy względem zagłówka i dobrać właściwe para¬metry zagłówka.

Badania amerykańskie pozwoliły ustalić, że odległość w płaszczyźnie pozio¬mej potylicy i zagłówka nie powinna przekraczać 5 cm (2``). Inne badani podają wartość 7 cm (2,8"). Standardy europejskie nie specyfikują tej odle¬głości. Stwierdzono znaczący wzrost intensywności obrażeń, jeśli odległość w płaszczyźnie poziomej potylicy i zagłówka przekraczała 10 cm (4").
Jeżeli podczas zderzenia głowa znajduje się dokładnie naprzeciw środkowej osi symetrii zagłówka, to prawdopodobieństwo kontuzji górnego odcinka krę¬gosłupa jest najmniejsze. Przyjmuje się, że górna krawędź zagłówka powinna znajdować się na tej samej linii, co czubek głowy, dlatego ważne jest możliwie łatwe ustawienie zagłówka w płaszczyźnie poziomej i pionowej.
Według zaleceń Europejskiej Komisji Gospodarczej (ECE) zagłówek powi¬nien znajdować się w odległości 80 cm od stawu biodrowego. Niestety, trudno wymagać, aby kierowcy wozili ze sobą miarkę i sprawdzali ustawienie zagłówka. Dlatego konieczne było skonstruowanie zagłówków, które — przynajmniej cz꬜ciowo — niwelowały dotychczasowe braki.

Zagłówki aktywne. Do najciekawszych i najbardziej efektywnych propozycji należy idea zagłówków aktywnych. Pierwsi wpadli na ten pomysł konstruktorzy szwedzkiej firmy Saab (1997 r.). Działanie zagłówka polega na tym, że gdy w chwili zderzenia tylnego zwiększa się nacisk pleców kierowcy lub pasażera na specjalną płytkę znajdującą się w oparciu przedniego fotela, wówczas urucha¬mia się mechanizm przesuwający zagłówek do przodu i w górę, zbliżając go do głowy (rys. 12.25). W efekcie zmniejsza się siła uderzenia głowy o zagłówek i — co ważniejsze — nie następuje groźne dla kręgów odgięcie do tyłu. Badania pokazały, że zastosowanie takiego zagłówka aż o 75% zmniejsza liczbę urazów kręgów szyjnych.
Aktywne zagłówki Saaba są obecnie standardowym wyposażeniem we wszyst¬kich modelach samochodów tej firmy. Rozwiązanie takie (lub podobnie działa¬jące) stosuje coraz więcej innych firm samochodowych.
Interesującym pomysłem jest propozycja koncernu Autoliv, aby do ochrony kręgów szyjnych zastosować małe pojemniki z powietrzem, montowane w opar¬ciach. We wczesnej fazie tylnego zderzenia kierowca lub pasażer dodatkowo naci¬ska plecami na oparcie przepychając gazy z umieszczonego tam woreczka do za¬główka. Ten po wypełnieniu przybliża się o 5 cm do potylicy człowieka i w ten sposób zmniejsza gwałtowny ruch głową do tyłu. Badania laboratoryjne potwier¬dziły, że rozwiązanie takie może o połowę zredukować siłę działającą na szyjny odcinek kręgosłupa. Urządzenie to, zwane SIHR (Self-Inflating Head Restrain — samo nadmuchujący się zagłówek), w przeciwieństwie do poduszek powietrz¬nych czy pirotechnicznych napinaczy pasów bezpieczeństwa nadaje się do wielo¬krotnego użytku.
Z innych propozycji warto wspomnieć wymyślony w Renault zagłówek, umiesz¬czony na elipsoidalnych wspornikach (im bardziej się go wysuwa, tym jest bliżej głowy), wyposażony w specjalne, jakby rozkładane poszycie, które umożliwia re¬gulowanie jego szerokości
Rys. 12.25. Zasada działania zagłówka aktywnego (Saab)