Αρχιτεκτονική συστημάτων παθητικής ασφαλείας
Ψάχνοντας την κατάλληλη στιγμή...Να ανοίξω ή να μην ανοίξω; Γύρω από αυτό το? «σεξπιρικό» ερώτημα
περιστρέφεται η συλλογιστική ενός συστήματος αερόσακου, προσπαθώντας να
αναγνωρίσει τη στιγμή της σύγκρουσης που τον έχουν ανάγκη οι επιβάτες του
αυτοκινήτου. Πόσο εύκολο όμως είναι να πραγματοποιηθεί αυτή η απαίτηση και
να προστατευθούν οι επιβάτες από τα χειρότερα;
της Αλεξανδρινής Πέτρου
Ο κανόνας των «πέντε ιντσών»
Όπως όλοι γνωρίζουμε ο αερόσακος, σε συνδυασμό με τις ζώνες ασφαλείας,
αποτελεί ένα βασικό μέσο προστασίας του επιβάτη και στόχο έχει να μειώσει
τη διαδρομή του σώματος κατά τη σύγκρουση. Σύμφωνα με το σχεδιασμό του, ο
αερόσακος ανοίγει κατά τέτοιον τρόπο ώστε ο επιβάτης να προσγειωθεί επάνω
του τη στιγμή που θα έχει το μεγαλύτερο δυνατό όγκο.
Με αυτόν τον τρόπο η μετακίνηση προς τα εμπρός του ανθρώπινου σώματος δε θα
πρέπει να ξεπερνά τα 12,7 εκατοστά ή τις 5 ίντσες σύμφωνα με την
αμερικανική συλλογιστική, ενώ ο αερόσακος δε θα πρέπει να ξεφουσκώνει σε
λιγότερο από 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου. O βασικός παράγοντας της
επιτυχημένης λειτουργίας του συστήματος είναι η ικανότητα του να
«αποφασίζει» την ενεργοποίησή του όσο γίνεται πιο γρήγορα, προκειμένου να
υπάρχει ο απαραίτητος χρόνος για να φουσκώσει πλήρως ο αερόσακος. Παράλληλα
όμως θα πρέπει να ξεχωρίζει τις περιπτώσεις όπου η σύγκρουση δεν είναι τόσο
σοβαρή, έτσι ώστε να αποφεύγονται οι περιπτώσεις αυτές όπου η ενεργοποίησή
του δεν προσφέρει τίποτε παραπάνω από την αύξηση του κόστους επισκευής!
Στα πρώτα συστήματα αερόσακων η διαδικασία αυτή στηριζόταν σε
ηλεκτρομηχανικούς αισθητήρες-δορυφόρους, οι οποίοι ήταν τοποθετημένοι επάνω
στις ζώνες παραμόρφωσης του πλαισίου του αυτοκινήτου (ανάμεσα στην καμπίνα
και το χώρο του κινητήρα).
Οι αισθητήρες αυτοί ήταν αδρανειακοί και η ευαισθησία του συστήματος ήταν
απόλυτα εξαρτημένη από τα χαρακτηριστικά τους, όπως την αδράνεια της
μπίλιας ή τη σκληρότητα του ελατηρίου. Οι αισθητήρες αυτοί εκτός από την
απόφαση για την ενεργοποίηση του συστήματος περιείχαν σε πυκνωτή την
απαραίτητη ενέργεια για την πυροδότηση του αερόσακου. Σε σειρά με αυτούς
ήταν συνδεδεμένος ένας αισθητήρας-διακόπτης στην ηλεκτρονική μονάδα
διαχείρισης του συστήματος.
Κατά τη σύγκρουση ένας από τους αισθητήρες-δορυφόρους έδινε σήμα και ο
διακόπτης της κεντρικής μονάδας έκλεινε, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο να
περάσει το ρεύμα απευθείας στον πυροκροτητή του αερόσακου. Η κεντρική
μονάδα του συστήματος λειτουργούσε παράλληλα και σαν διαγνωστική μονάδα των
βλαβών που ενδεχόμενα μπορεί να παρουσίαζε το σύστημα.
Αν και τα συστήματα αυτά λειτουργούσαν ικανοποιητικά, όσον αφορά τον τρόπο
με τον οποίο έπαιρναν την απόφαση ενεργοποίησης, παρουσίαζαν ορισμένα
σημαντικά προβλήματα, με κυριότερο αυτό της αξιοπιστίας. Απαιτούσαν μεγάλο
αριθμό καλωδιώσεων και συνδέσεων για την επικοινωνία τους με την κεντρική
μονάδα, ενώ οι ίδιοι οι αισθητήρες-δορυφόροι ήταν τοποθετημένοι κοντά στο
χώρο του κινητήρα με αποτέλεσμα να επηρεάζονται από τις δύσκολες συνθήκες,
τις υψηλές θερμοκρασίες αλλά και τις ταλαντώσεις.
Η βελτίωση των πλαισίων των αυτοκινήτων σε συνδυασμό με την εξέλιξη των
ηλεκτρονικών οδήγησε στην εφαρμογή νέων διατάξεων. Πλέον οι
αισθητήρες-δορυφόροι καταργούνται και η εξακρίβωση της κατάστασης
πυροδότησης γίνεται από την κεντρική μονάδα, η οποία περιλαμβάνει
ηλεκτρονικό πλέον αισθητήρα επιτάχυνσης.
Τα βασικά δεδομένα που χρησιμοποιεί η κεντρική μονάδα είναι πλέον η
ταχύτητα και η επιτάχυνση του αυτοκινήτου. Με βάση έναν εξελιγμένο
αλγόριθμο συγκρίνει τα δεδομένα αυτά με άλλα τα οποία έχουν καταγραφεί
στατιστικά και αποφασίζει αν πρέπει να ενεργοποιηθεί το σύστημα.
Η κεντρική μονάδα αποτελεί λοιπόν ουσιαστικά την καρδιά του συστήματος, τα
περιφερειακά στοιχεία του οποίου είναι πλέον μόνο οι αερόσακοι.
Στο εσωτερικό της περιλαμβάνει τον ηλεκτρονικό αισθητήρα επιτάχυνσης, μνήμη
RAM στην οποία καταγράφονται τα στοιχεία πριν από τη σύγκρουση με βάση τα
οποία λήφθηκε η απόφαση καθώς και το αν οι επιβάτες φορούσαν ζώνη ή όχι,
σύστημα διάγνωσης βλαβών με εξωτερική σύνδεση και έλεγχο της
προειδοποιητικής λυχνίας για τον οδηγό, καθώς και το μικροεπεξεργαστή.
Επίσης διαθέτει την απαραίτητη ενέργεια για την πυροδότηση του αερόσακου,
αποθηκευμένη σε έναν πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας (τυπική τιμή της τάξης
των 8200 μF) έτσι ώστε ακόμα κι αν διακοπεί η τροφοδοσία από την μπαταρία
κατά τη σύγκρουση, ο πυκνωτής να εκφορτίζεται και να είναι δυνατή η
ενεργοποίηση των αερόσακων.
Το βασικό προτέρημα των συστημάτων αυτών είναι η ταχύτητα με την οποία
μπορεί να ληφθεί η απόφαση ενεργοποίησης, καθώς και η ακρίβειά τους. Με τα
προηγούμενα συστήματα δεν ήταν λίγες οι περιπτώσεις όπου οι επιβάτες μετά
τη σύγκρουση παραπονέθηκαν ότι ο αερόσακος δεν ενεργοποιήθηκε, ενώ αυτοί
πίστευαν ότι θα έπρεπε να είχε ανοίξει ή και το αντίστροφο. Επίσης τα νέα
ηλεκτρονικά συστήματα είναι πιο φθηνά μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος.
Πέρα όμως από αυτό η χρήση τους έδωσε τη δυνατότητα στους σχεδιαστές των
συστημάτων παθητικής ασφάλειας να «χτίσουν» επάνω τους κεντρικές μονάδες,
οι οποίες δε θα ελέγχουν απλά τους αερόσακους αλλά και τ? άλλα συστήματα
συγκράτησης, όπως τις ζώνες με τους πυροτεχνικούς προεντατήρες και τους
πλευρικούς αερόσακους που εμφανίστηκαν πρόσφατα.
Ολοκληρωμένα συστήματα συγκράτησης
Η σύγχρονη αντίληψη στα συστήματα συγκράτησης περιλαμβάνει πλέον τα
παρακάτω υποσυστήματα, τα οποία λειτουργούν πλέον σαν ένα ενιαίο σύνολο:
αερόσακους οδηγού/συνοδηγού, πλευρικούς αερόσακους εμπρός και πίσω, ζώνες
με προεντατήρες, καθώς και αερόσακους για τα γόνατα στη βάση του ταμπλό.
Μαζί όμως με την αύξηση των υποσυστημάτων αυτών έγινε έντονη η απαίτηση και
για τη βέλτιστη λειτουργία τους. Τα «έξυπνα συστήματα» έχουν πλέον τη
δυνατότητα να διαφοροποιήσουν τη λειτουργία ορισμένων υπομονάδων ή και να
τις απομονώσουν ανάλογα με τις συνθήκες, όπως συμβαίνει για παράδειγμα με
την αναγνώριση της ύπαρξης συνεπιβάτη, ώστε να απομονώνεται ο αερόσακος του
συνοδηγού όταν δεν κάθεται κανείς στο δεξί κάθισμα.
Η αναγνώριση αυτή μπορεί να γίνει είτε με την τοποθέτηση ενός
πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα στη θέση του συνοδηγού είτε με τη χρήση υπέρυθρων
ακτίνων. Η απομόνωση του αερόσακου του συνοδηγού μπορεί βέβαια να γίνει και
χειροκίνητα από τον οδηγό, πατώντας το σχετικό διακόπτη.
Επίσης για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία των αερόσακων -που περιέχουν
αέριο υπό πίεση- χρησιμοποιούνται ειδικοί αισθητήρες πίεσης, οι οποίοι
πληροφορούν την κεντρική μονάδα για πιθανή διαρροή του αερίου που βρίσκεται
μέσα σε αυτόν.
Όσον αφορά τη λειτουργία των πλευρικών αερόσακων τα πράγματα περιπλέκονται,
καθώς η απόφαση για ενεργοποίηση πρέπει να ληφθεί σε πολύ μικρότερο χρονικό
διάστημα, από ό,τι στην περίπτωση των εμπρόσθιων. Η διαχείριση των παραπάνω
λειτουργιών γίνεται και πάλι από την κεντρική μονάδα ελέγχου, η οποία όμως
αρχίζει πλέον να γίνεται προβληματική καθώς δεν μπορεί να «στεγάσει» όλα τα
σχετικά κυκλώματα και κυρίως τα κυκλώματα πυροδότησης του κάθε
υποσυστήματος.
Κάπου εδώ αρχίζουν οι πονοκέφαλοι των σχεδιαστών μηχανικών, οι οποίοι
ουσιαστικά έχουν να επιλέξουν ανάμεσα σε δύο λύσεις.
Η πρώτη είναι να χωρίσουν την κεντρική μονάδα σε περισσότερες, μία για κάθε
υποσύστημα. Μια δηλαδή για τους πλευρικούς αερόσακους, μια για τους
εμπρόσθιους και μια για τις ζώνες ασφαλείας. Φυσικά οι συνδυασμοί αυτοί
μπορούν να αλλάξουν, ανάλογα με τους περιορισμούς που θέτει η διαμόρφωση
του αυτοκινήτου.
Με τη λύση αυτή υπάρχει η δυνατότητα επέκτασης του συστήματος με την
προσθήκη και άλλων μελλοντικών δυνατοτήτων, από την άλλη όμως
δημιουργούνται προβλήματα, κυρίως με την τοποθέτηση των μονάδων και την
αύξηση των καλωδιώσεων, ενώ φυσικά υπάρχει και σημαντική αύξηση του
κόστους.
Η άλλη λύση είναι να διατηρηθεί η κεντρική μονάδα και να μεταφερθούν τα
κυκλώματα πυροδότησης μαζί με τα υποσυστήματα μέσα στη μονάδα του
αερόσακου. Με τη διάταξη αυτή περιορίζεται σημαντικά η πολυπλοκότητα του
συστήματος, μειώνονται οι καλωδιώσεις αλλά και το συνολικό κόστος.
Απαιτούνται όμως σημαντικές αλλαγές τόσο στις μονάδες των αερόσακων όσο και
στη διαδικασία παραγωγής τους.
Οι μελλοντικές εξελίξεις...
Από ό,τι φαίνεται η εξέλιξη των συστημάτων παθητικής ασφάλειας των
αυτοκινήτων επικεντρώνεται πλέον στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους
και στη διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής τους.
Σε συνδυασμό με τη μείωση του κόστους φαίνεται ότι τα μελλοντικά συστήματα
παθητικής ασφάλειας δε θα είναι μόνο πιο διαδεδομένα αλλά και πιο
έξυπνα._Α.Π.
Η λογική του αλγόριθμου
Οι πρώτοι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν για την απόφαση ενεργοποίησης του
αερόσακου χρησιμοποιούσαν ουσιαστικά μόνο μια παράμετρο, τη μεταβολή της
ταχύτητας στη διάρκεια του χρόνου. Συγκρίνοντάς την με δεδομένα που υπήρχαν
ήδη αποθηκευμένα στη μνήμη της κεντρικής μονάδας αποφάσιζαν αν μια
σύγκρουση ήταν επικείμενη. Έχοντας όμως στη διάθεσή τους μικρό χρονικό
διάστημα για τη λήψη της απόφασης ήταν δύσκολο να διαχωρίσουν καταστάσεις
στις οποίες ήταν απαραίτητη η ενεργοποίηση (π.χ. σε σύγκρουση με μεγάλη
ταχύτητα) και σε απλές περιπτώσεις (π.χ. ένα απότομο χτύπημα σε ένα
σαμαράκι ή ένα ελαφρό τρακάρισμα), όπου η μεταβολή της ταχύτητας στα πρώτα
κρίσιμα χιλιοστά του δευτερολέπτου είναι παρόμοια.
Θέλοντας να αποφύγουν τα λάθη οι σχεδιαστές των συστημάτων αυτών έθεταν
ορισμένους περιορισμούς με βάση την ταχύτητα για τη λήψη της απόφασης,
χωρίς όμως να μπορούν πάντα να καλύψουν όλες τις περιπτώσεις. Έτσι
κατέληγαν σε ένα σύστημα λιγότερο ή περισσότερο ευαίσθητο, το οποίο δε θα
είχε απαραίτητα την καλύτερη συμπεριφορά.
Πρόσφατα η NEC παρουσίασε τον αλγόριθμο ο οποίος βασίζεται και στις δύο
παραμέτρους συγχρόνως, δηλαδή την ταχύτητα (V) και την επιτάχυνση (α) με τη
μορφή γινομένου: α2V.
Η τιμή του γινομένου συγκρίνεται με πειραματικά δεδομένα και το σύστημα
ανάλογα αποφασίζει ή όχι την πυροδότηση. Τα πειραματικά αυτά δεδομένα
εξαρτώνται από τον τύπο του οχήματος, έτσι ώστε το σύστημα να μπορεί να
προσαρμόζεται σε διαφορετικούς τύπους αυτοκινήτων.
Όπως φαίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα δίνεται στην επιτάχυνση, η τιμή της
οποίας υψώνεται στο τετράγωνο, αυξάνοντας έτσι την ευαισθησία του
συστήματος σε απότομες μεταβολές της.
Συγκρίνοντας το σύστημα με άλλα οι μηχανικοί της NEC διαπίστωσαν ότι
αντιδρά πολύ πιο γρήγορα από τα αντίστοιχα συστήματα μιας παραμέτρου όπως
φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:
Χρόνος πυροδότησης (σε ms)
Εμπόδιο
ταχύτητα
Επιθυμητό σύμφωνα με τον κανόνα των 5"
Σύστημα α2V
Σύστημα μίας παραμέτρου
Σταθερό 48 χλμ./ώρα 15,7 1220
Σταθερό 56 χλμ./ώρα 18,41322
Υπό γωνία 48 χλμ./ώρα 21,51727
Σταθερό 12,8 χλμ./ώρα
Εκτός λειτουργίας Εκτός λειτουργίας Εκτός λειτουργίας
Προστατεύοντας τα γόνατα
Η εκτεταμένη χρήση αερόσακων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσμα τη
σημαντική μείωση των τραυματισμών στο κεφάλι των επιβατών, από την άλλη
όμως είχε σαν συνέπεια να φανεί εντονότερα το πρόβλημα των τραυματισμών των
κάτω άκρων.
Οι κύριες αιτίες των καταγμάτων των κάτω άκρων είναι η σύγκρουση των ποδιών
με το κάτω τμήμα του ταμπλό και τα πεντάλ. Αυτό οφείλεται στο ότι ακόμα και
όταν ο επιβάτης φοράει τη ζώνη το σώμα του παρουσιάζει μία τάση να...
βυθιστεί από κάτω της και τα λυγισμένα γόνατα να χτυπήσουν με δύναμη στο
κάτω μέρος του ταμπλό.
Συνήθως το κάτω τμήμα του ταμπλό κατασκευάζεται από ειδικό, ιδιαίτερα
μαλακό πλαστικό, που σπάει εύκολα, ώστε να αποφεύγονται οι τραυματισμοί από
τέτοιου είδους επαφές. Στην πράξη όμως η λύση αυτή δεν αποδεικνύεται
ιδιαίτερα αποτελεσματική.
Πρόσφατα παρουσιάστηκαν δύο ενδιαφέρουσες προτάσεις με τις οποίες οι
σχεδιαστές πιστεύουν ότι θα μπορέσουν να μειώσουν τις πιθανότητες ανάλογων
τραυματισμών.
Η πρώτη πρόταση είναι της Morton International και αφορά έναν... αερόσακο
για τα γόνατα. Όπως φαίνεται στο σχήμα στο κάτω τμήμα του ταμπλό έχει
προσαρμοστεί ένας αερόσακος, ο οποίος ενεργοποιείται κατά τη σύγκρουση
προστατεύοντας τα γόνατα. Σύμφωνα με τα πειραματικά της δεδομένα η εταιρία
υποστηρίζει ότι με τη χρήση του αερόσακου αυτού μειώνεται σοβαρά η
πιθανότητα τραυματισμού, με αποτέλεσμα την ευκολότερη έξοδο του επιβάτη
μετά τη σύγκρουση.
Η δεύτερη πρόταση, με ονομασία SCRS (Seat Cushion Restraint System -
Σύστημα Συγκράτησης Μαξιλαριού Καθίσματος), είναι της Breed Technologies
και ουσιαστικά είναι ένα μαξιλάρι το οποίο είναι τοποθετημένο στο άκρο του
καθίσματος.
Κατά τη σύγκρουση το μαξιλάρι φουσκώνει και σπρώχνει τα γόνατα προς τα
επάνω, με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η επαφή τους με το ταμπλό. Από την
άλλη το σύστημα αυτό συγκρατεί και τη λεκάνη και δεν της επιτρέπει να
μετακινηθεί προς τα εμπρός. Όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο θα σηκώνεται
το μαξιλάρι οι μηχανικοί της εταιρίας εξετάζουν διάφορες δυνατότητες: θα
μπορούσε να γίνει με την τοποθέτηση ενός προτεταμένου ελατηρίου ή ενός
πυροτεχνικού ενεργοποιητή κάτω από το εμπρός τμήμα του καθίσματος.
Η δοκιμή του συστήματος έγινε με τη βοήθεια υπολογιστή και όπως φαίνεται
στο σχήμα η χρήση του συστήματος μειώνει την εισχώρηση των γονάτων μέσα στο
ταμπλό, με αποτέλεσμα να δέχονται σαφώς μικρότερο φορτίο.
Πώς αντιμετωπίζονται τα προβλήματα των πλευρικών αερόσακων;
Η επιτυχημένη εφαρμογή των αερόσακων την τελευταία δεκαετία είχε σαν
αποτέλεσμα την εμφάνιση πρόσφατα και πλευρικών αερόσακων, με στόχο την
προστασία των επιβατών από τις πλευρικές συγκρούσεις.
Βέβαια το εγχείρημα είναι ακόμα πιο δύσκολο σε σχέση με τους εμπρόσθιους,
μιας και το περιθώριο μεταξύ του οδηγού και του σημείου της σύγκρουσης
είναι σαφώς μικρότερο. Και εδώ λοιπόν το πρόβλημα είναι να αντιληφθεί το
σύστημα ότι πρέπει να ενεργοποιηθεί όσο το δυνατόν πιο γρήγορα.
H πληροφορία της σύγκρουσης λαμβάνεται από την κεντρική μονάδα, μέσω
περιφερειακών αισθητήρων στο πάτωμα ή στα πλευρικά τμήματα του πλαισίου. Το
πρώτο εμπόδιο που έπρεπε να ξεπεράσουν οι σχεδιαστές μηχανικοί ήταν ο
χρόνος αντίδρασης των αισθητήρων, κάτι που σήμερα έχει ουσιαστικά
αντιμετωπιστεί. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται πλέον στέλνουν το σήμα
πρόσκρουσης μέσα στα πρώτα 2,5 - 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Το δεύτερο σημαντικό πρόβλημα ήταν το γεγονός ότι ανάλογα με το σημείο της
πρόσκρουσης άλλαζε και ο τρόπος παραμόρφωσης του αμαξώματος, με αποτέλεσμα
να μην δημιουργείται το ίδιο φορτίο και η πλευρική επιτάχυνση να
μεταβάλλεται σημαντικά. Αυτό μπορεί όμως να ξεπεραστεί με τη χρήση ενός
έξυπνου αλγορίθμου στην επεξεργασία των σημάτων και στη λήψη της απόφασης.
Το τρίτο πρόβλημα είχε να κάνει με τη συνολική ακαμψία του αμαξώματος. Σε
ένα αυτοκίνητο με ιδιαίτερα άκαμπτο αμάξωμα τα πλευρικά φορτία της
σύγκρουσης μεταφέρονται αμέσως στο πάτωμα και στα εγκάρσια δομικά στοιχεία
του πλαισίου. Στην περίπτωση αυτή η τιμή της πλευρικής επιτάχυνσης του
αυτοκινήτου αυξάνεται γρήγορα φτάνοντας σε επίπεδα που το σύστημα μπορεί να
αποφασίσει την ενεργοποίηση των αερόσακων. Σε αντίθετη περίπτωση το αμάξωμα
υποχωρεί αρκετά και η τιμή της πλευρικής επιτάχυνσης αργεί να μεγαλώσει με
αποτέλεσμα το σύστημα να αργεί να αντιδράσει. Οι προσπάθειες πλέον των
σχεδιαστών επικεντρώνονται στη δημιουργία ακόμα πιο γρήγορων αισθητήρων και
αερόσακων.
Σύμφωνα με την Siemens Automotive στο μέλλον το σήμα πρόσκρουσης θα
δημιουργείται από αισθητήρα πίεσης ο οποίος θα τοποθετείται στην εσωτερική
κοιλότητα της πόρτας. Σε περίπτωση πλευρικής πρόσκρουσης η μεταβολή στο
εσωτερικό της κοιλότητας φτάνει τα 2-20 kPa, τιμή αρκετά υψηλή ώστε να
δημιουργήσει ο αισθητήρας το σχετικό σήμα σύγκρουσης. Ο αισθητήρας αυτός θα
παρουσιαστεί στην ευρωπαϊκή αγορά σε μοντέλα του 1997.