Подушки безопасности в автомобиле

История появления подушек безопасности для автомобиля

Появление подушек датируются 1941 годом. Немецкий инженер Вальтер Линдерер и американский инженер-промышленник Джон У. Хетрик разработали первые подушки безопасности. Оба изобретателя получили патенты на свои изделия.

Система Линдерера оказалась не слишком практичной, поскольку она не могла надуваться достаточно быстро во время аварии. Изделия Хетрика оказались более качественными. Когда патент Хетрика окончательно истек, Форд представил подушки безопасности в качестве эксперимента в нескольких своих автомобилях.

Фактический прорыв произошел, когда Аллен К. Брид представил механические датчики, которые могли раздуть подушки безопасности за 30 миллисекунд. Мешки накачивались с использованием азида натрия вместо сжатого воздуха. Брид распространил это новшество на автомобилях Chrysler. Изделия получили широкое распространение в США лишь в начале 1990-х годов.

В 1970-е годы в пассажирских транспортных средствах предлагались подушки, поскольку многие из них не использовали ремней безопасности. Ford представил подушки безопасности для небольшого парка транспортных средств, а затем они появились в автомобилях General Motors. В ранних моделях GM с этими устройствами было зафиксировано 7 смертельных случаев неправильного срабатывания устройств.

Подушки безопасности предназначены для трех основных целей:

• Они не позволяют водителю и пассажирам удариться о твердые предметы в салоне автомобиля;
• Подушки распространяют силу удара по ширине тела, а не концентрируют силу в небольшой области;
• Ослабляют силы торможения.

Фото: caradvice.com.au

Родина подушек безопасности, как не трудно догадаться, – США. Еще в начале 50-х инженеры Джон Хендрик и Вальтер Линдерер запатентовали надувной мешок, который срабатывал при аварии. Правда, довольно долго конструкторы ломали голову над датчиком, который мог бы посылать сигнал при столкновении.

Решение было найдено в 1967 году, когда изобретатель Аллен Брид предложил шариковый сенсор, реагирующий на очень резкое изменение скорости, которое могло произойти только при ударе. Брид продал технологию компании Chrysler, но пионерами в серийном производстве машин с подушками стали злейшие конкуренты концерна.

Впрочем, случится это только спустя четыре года. А пока автопроизводители занимались внедрением технологии, на арену вышли конгрессмены. Планы были амбициозными: желая показать избирателям свою заботу о их жизнях, депутаты приняли закон, обязывавший к 1973 году оснастить все серийные автомобили подушками безопасности. Идея была откровенно популистской, но под давлением властей автомобильные компании вынуждены были форсировать разработки.

Один за другим в 1971 году вышли Ford Taunus P7 и Oldsmoblie Toronado, в качестве опции оснащавшиеся надувными мешками для водителя и пассажира. Правда, тогда подушки позиционировали в качестве альтернативы ремням безопасности, и вскоре стало понятно, что затея не удалась.

Забегая вперед, стоит упомянуть, что подушки безопасности на американских автомобилях стали обязательными только к 1998 году. А в 1981-м появился первый европейский автомобиль с надувными мешками.

Им стал Mercedes-Benz S-class в новейшем на тот момент кузове W126, что позволило ему два года подряд (в 1988-м и 1989-м) называться самым безопасным автомобилем в мире по версии Американского института изучения дорожной смертности.

В 90-х годах, когда испытания доказали эффективность подушек безопасности, те стали применяться уже повсеместно. В России они до сих пор не являются обязательными, возможно, и потому, что на ряд архаичных моделей их устанавливать просто не рентабельно. Ушли в историю вазовская «классика» и «Самара».

Последним из могикан остается Lada 4×4, более известная как Нива, – на неё нельзя установить подушки ни за какие деньги. Зато Granta, Kalina, Priora и Largus имеют их в «базе», что вселяет надежду на светлое будущее.

Пик активности исследований, касающихся эффективности подушек безопасности, пришелся на начало 2000-х. Подушки получили массовое внедрение с начала 90-х, и спустя десятилетие у исследователей появилась база для изучения.

В 2001 году американская Администрация по дорожной безопасности (NHTSA) сделала вывод, что за первое десятилетие подушки безопасности спасли более 8 000 жизней. В 2009 году NHTSA рассчитало, что при условии, когда ремни безопасности пристегнуты, фронтальные подушки сокращают риск смерти на 11%.

Фото: emercedesbenz.com

В 2003 году медики Элиза Брейвер и Сергей Кириченко изучили данные аварийности в США в 1999-2001 годах, и пришли к вполне ожидаемому выводу, что наличие в автомобиле боковых подушек безопасности существенно снижает риск гибели при боковом столкновении. Статистику собирали исключительно по современным на тот момент автомобилям 1997-2002 модельных годов.

А теперь конкретика: за два года при боковых столкновениях в машинах вообще без боковых подушек погибли 1 800 человек, в автомобилях, оборудованных только подушками для защиты торса, – 105 человек, а в ТС с надувными шторками для защиты головы – всего 35 человек.

Стоит отметить, что любая аналитика статистики – это нечто условное. Всегда сложно выявить точную причину смерти человека при ДТП и уж тем более понять, почему выживший в аварии человек не умер. Весьма полезными в данном случае оказываются натурные испытания автомобилей с подушками, то есть краш-тесты.

Увеличение количества автомобильного транспорта на дорогах повлекло за собой стремительный рост ДТП. Правила на заре автомобилестроения находились ещё в зачаточном состоянии и контроль со стороны правоохранительных органов был налажен недостаточным образом. Ещё только появлялись первые подразделения дорожной полиции, не имевшие опыта.

В силу недостатков конструкции и значительной массы машин многие ДТП заканчивались смертельным исходом или глубокой инвалидностью участников столкновения. Согласно статистике количество жертв на дорогах увеличивалось с каждым годом в силу возрастания использования автомобильного транспорта.

Первым конструктивным элементов призванным снизить количество жертв  ДТП было появление ремня безопасности. Его использование позволило снизить печальную статистику на 30%. До 90-х годов прошлого века в силу особенностей развития технического прогресса не удавалось инженерам автомобильных компаний внедрять новые системы безопасности в машины. Ремень безопасности оставался единственным шансом для водителя и пассажиров минимизировать вредные последствия ДТП.

Появление подушек безопасности в автомобилях стало переломным моментом в деле повышения безопасности участников движения. В конце 90-х годов прошлого века в США на законодательном уровне закрепили обязательную комплектацию машины подушками безопасности.

При лобовых столкновениях подушки безопасности снижают риск смерти водителя и пассажиров на 30-40%. Главная задача подушки безопасности минимизировать возможный ущерб для организма человека при столкновении с другим движущимся транспортным средством или недвижимым объектом.

Датчики

Электромеханические ударные датчики работают по принципу обычного концевого выключателя – в трубке находится металлический шарик, который при резком ударе преодолевает сопротивление пружин и замыкает контакт, при этом образуется электрическая цепь, необходимая для работы системы.

В настоящее время вместо механических применяются электронные датчики. Такой датчик состоит из корпуса, блока обработки данных и микромеханического датчика ускорения, который может быть пьезоэлектрическим, конденсаторным или другого типа.

Датчик ускорения конденсаторного типа устроен, упрощенно выражаясь, как конденсатор. Отдельные пластины конденсатора закреплены неподвижно. Сопряженные с ними элементы являются подвижными и выполняют роль сейсмической массы. При столкновении сейсмическая масса, в данном случае подвижные пластины, перемещается в направлении к неподвижным пластинам и емкость такого конденсатора меняется.

Вместо датчиков ускорения для распознавания столкновения отдельные производители автомобилей устанавливают датчики давления. С помощью этих датчиков достигается более быстрое обнаружение удара в область двери.

Инерционные датчики устанавливаются в бампере, в моторном отсеке, в стойках или в районе подлокотника. В память датчиков заложены просчитанные заранее параметры, которые для данной модели автомобиля означают превышение допустимого удара. В случае аварии датчики посылают сигнал на электронный блок управления.

В большинстве современных систем фронтальные датчики рассчитаны на силу удара при скорости от 25…50 км/час, боковые могут срабатывать при более слабых ударах. От электронного блока управления сигнал поступает на основной модуль, который состоит из компактно уложенной подушки, соединенной с газогенератором.

Устройство современной подушки безопасности

В конструкции самой подушки нет ничего особенно хитрого – это мешок из тонкой ткани (обычно нейлона). Часто мешки эти имеют несколько камер. Например, пассажирская фронтальная разделена на более крупную нижнюю секцию для тела и более мелкую – для головы.

Фото: verkehr.fraunhofer.de

Изначально было понятно, что надувать подушки безопасности надо очень быстро – за 20-50 милисекунд. С 70-х годов прошлого века единственно возможным средством для этого остается маленький взрыв, в результате которого выделяется газ, который заполняет пространство внутри мешка.

Взрыв обеспечивает пиропатрон, который подрывает кусок топлива из азида (не путать с оксидом!) натрия, нитрата калия и диоксида кремния. В результате взрыва образуется безвредный нетоксичный азот. Бывают также гибридные блоки наполнения, в которых заряд твердого топлива – всего лишь «пробка», затыкающая баллон со сжатым азотом. Сила взрыва ниже, и шума тоже меньше.

В современных автомобилях команду на выстреливание подушек дает электронный блок управления, который собирает информацию с датчиков удара. Датчиков очень много, и компьютер может различать, в какую сторону пришелся удар. Поэтому если машину стукнули в бок, фронтальные подушки не сработают.

Конструкция подушки безопасности современного автомобиля проста и эффективна в использовании. Необходимо помнить, что применять её можно только один раз и потом система требует восстановления и установки новых комплектующих элементов. После срабатывания подушек практически все основные элементы требуют полной замены.

Пиропатрон газогенератора

Расплавляемая проволока или фронт пламени в пределах элемента зажигания (капсюля) приводят в возбуждение газогенераторы надувной подушки без­опасности. В современных конструкциях срабатывание капсюля для зажигания газогенератора происходит от переменного тока с целью предупреждения возникновение короткого замыкания в электрической системе питания постоянного тока автомобиля (неисправности в электропроводке).

В газогенераторе, называемом часто пиропатроном (таблеткой) диаметром 10 см и толщиной 1 см, используются кристаллы твердого топлива, при сгорании которого выделяется газ, заполняющий, а точнее, надувающий подушку. Топливом обычно выступает ядовитый азид натрия (NaN3), 45% массы которого при сгорании превращается в чистый азот, а остальное – в углекислый газ (СО2), окись углерода (СО), воду (Н2О) и твердые частицы.

Электрический импульс поджигает пиропатрон или плавит проволоку и кристаллы превращаются в газ. Сигналом для срабатывания пиропатрона служит электрический импульс от датчиков удара (ускорения или давления), поступающих напрямую или через электронный блок.

Хотя процесс сгорания и происходит быстро, он не носит взрывного характера. Сгорание происходит в 3 этапа: поджигание, возгорание для запала и горение рабочего заряда. В очень короткое время система развивает мощность до 60 кВт, но взрыва не происходит.

Сгорание топлива и наполнение подушки объемом приблизительно 50…60 л для водителя длится 30…35 мс, подуш­ка безопасности для пассажира объемом приблизительно 100…140 л устанав­ливается в зоне перчаточного отсека и наполняется приблизительно за 50 мс. Это время меньше времени моргания глаза, которое составляет 100 миллисекунд.

Для предотвращения травм от надувания подушки движущей со скоростью 200…300 км/час навстречу грудной клетке, современные подушки надуваются в два этапа: сначала примерно на 70 %, а при соприкосновении с телом полностью, для этого применяются двухступенчатые газогенераторы.

Благодаря радиальному распрямлению воздушного мешка и последовательному воспламенению зарядов в таких газогенераторах существенно снижается нагрузка, которая действует на водителя при аварии. В зависимости от тяжести и вида аварии промежуток между срабатываниями обоих пиропатронов может составлять примерно от 5 мсек. до 50 мсек.

Где размещаются подушки безопасности?

Традиционно фронтальные подушки располагаются в корпусе ступицы руля для водителя и в приборной панели для пассажира. Боковые же подушки могут размещаться в разных местах: в дверях или над ними, в стойках или спинках сидений. Часто встречаются комбинированные решения: например, из слота над дверью выстреливает шторка для защиты головы, а из кресла – вторая подушка пониже для защиты грудной клетки, живота и таза.

Ноги от контакта с жестким пластиком приборной панели защищает коленная подушка, которая «зашита» под рулем. В 2009 году с подачи Toyota появились также центральные подушки – они расположены в спинке сиденья или в подлокотнике и предотвращают травмы, которые при боковом ударе могут нанести друг другу водитель и пассажир.

Фото: autoblog.com

Устройство электронного контроля и управления

В большинстве существующих в настоящее время конструкций используется электронный блок, который устанавливается в пассажирском салоне для координиро­ванного срабатывания систем защиты. Вычисления замед­лений электронного блока срабатывания основаны на данных датчиков ускорения, используемых для контроля сил замедления, которые сопрово­ждают столкновение автомобиля. Центральный электронный блок возбуждения должен отвечать требованиям:

• идентификации ДТП или столкновения, основанной на данных, получаемых от электронного датчика ускорения и меха­нического «детектора безопасности» или от двух электронных датчиков ускорения (контроль с «полностью электронным рас­познаванием» со схемой резервирования)
• быстрого реагирования управляющих цепей, надувных подушек безопасности и натяжных устройств ремней безопас­ности, основанного на алгоритмах циф­рового запуска специального назначе­ния, в ответ на различные виды ДТП (лобовое столкновение, лобовое со сме­щением, столкновение или наезд под некоторым углом, наезд на опору и т. п.)
• стабильного напряжения и резервиро­вания питания
• избирательного срабатывания  натяж­ного устройства ремня безопасности в соответствии с управляемым состояни­ем узла лента ремня — пряжка
• определения двух порогов срабатыва­ния в зависимости от того, действитель­но ли пользователь автомобиля исполь­зует ремень безопасности (высокий или низкий порог срабатывания интерфейса последовательной диагно­стики)

Для контроля исправности системы надувных подушек может применяться система контроля. При включении зажигания около 10 сек горит контрольная лампочка, которая должна затем погаснуть. Если лампочка не горит  не гаснет или загорается во время движения это свидетельствует о неисправности системы.

Исследования специалистов свидетельствуют о том, что риск гибели пешехода при ударе о капот автомобиля, двигающегося со скоростью всего 40 км/ч, достигает 100%. Для решения этой проблемы компании  активно работают над созданием подушек безопасности для пешеходов.

Эта система защиты включает две подушки – большую, охватывающую переднюю часть автомобиля (бампер, радиаторную решетку, фары и кромку капота) и маленькую, которая размещается у лобового стекла, защищая голову пешехода. Опасное приближение к пешеходам и животным распознаются специальными датчиками. Открываться эти подушки будут непосредственно перед столкновением.

Для мотоциклистов и велосипедистов

В 2006 году дебютировал первый мотоцикл с подушкой безопасности – большой чоппер Honda Goldwing. Подушка встроена в его переднюю панель и в целом похожа на автомобильную. Пока что технология не нашла широкого применения у конкурентов.

Мотоциклисты, особенно экстремалы, предпочитают «автомобильным» решениям… костюмы с подушками. Капсула с ней расположена на шее, при падении она раскрывается как воротник, и вместо твердого асфальта байкер бьется головой о мягкую ткань.

И для пешеходов тоже

Если вы питаете особо нежную любовь к пешеходам, то ваш автомобиль – Volvo V40 Cross Country. Это единственный автомобиль на российском рынке (а еще и первый серийный в мире), который оснащен подушкой безопасности для пешеходов. Располагается она под капотом и выстреливает, приподнимая его и закрывая почти целиком лобовое стекло.

Но как V40 понимает, что произошло столкновение именно с пешеходом, а не, скажем, со столбом? За это отвечает тепловизор, который на расстоянии замеряет температуру объекта, к которому приближается машина. Помимо уникальной подушки, Volvo имеет еще систему City Safety с принудительным экстренным торможением. Так что в идеальном случае подушка пешеходу вообще понадобиться не должна.

Испытания подушек

Подушки безопасности нужно испытывать в деле, поэтому самыми объективными критериями их оценки являются результаты краш-тестов. Как известно, в мире существует несколько национальных стандартов. В частности, в Евросоюзе используют протокол Euro NCAP, в США — IIHS и NHTSA, в Японии — JNCAP, а в Китае — C-NCAP. Последний, как нетрудно догадаться, наиболее либеральный из всех.

Иногда краш-тесты помогали выявлять конкретные недостатки именно подушек безопасности. Так, в 1998 году, когда по методике Euro NCAP разбили BMW 5-й серии в кузове Е39, то стало понятно, что подушки срабатывают слишком медленно. Датчики удара и блок управления подушками модернизировали, и только после этого «пятерка» пошла в продажу.

А что если не сработает?

В начале 2014 года американское автомобильное издание Automotive Information провело собственное исследование федеральной базы данных ДТП и сделало вывод: ежегодно в США около 3 400 человек гибнет во фронтальных столкновениях из-за того, что подушка безопасности не срабатывает. Как мы уже говорили, однозначных выводов здесь быть не может, однако факт остается фактом: подушки могут не сработать.

В числе распространенных причин указываются ошибки блока управления, повреждение проводки, старость самих подушек (банально от возраста может слежаться сам мешок), а также… недостаток мощности! В частности, исследователям удалось доказать 12 случаев, когда подушка не раскрылась из-за неполадки в системе зажигания Chevrolet Cobalt и соплатформенного с ним Saturn Ion.

Устройство подушки безопасности выполнено таким образом, чтобы обеспечить её срабатывание при сильном ударе. После столкновения с другим движимым или недвижимым объектом датчики,  расположенные в передней части машины передают сигнал пиропатрону, активизирующему срабатывание подушки.

Нужно ли пристегиваться?

Как мы уже знаем из истории, подушки безопасности не смогли стать заменой ремням безопасности. И всё-таки некоторые несознательные водители ездят без ремней в надежде на то, что в случае аварии подушка спасёт им жизнь. Но в действительности при отсутствии ремней подушка превращается из помощника в смертельно опасного врага.

Дело в том, что при столкновении подушка вылетает навстречу водителю или пассажиру со скоростью от 200 до 300 километров в час. Если человек не пристегнут, он рискует встретиться «лицом к лицу» с не до конца раскрытой подушкой и получить удар более сильный, чем от столкновения с рулем или приборной панелью.

Человек должен находиться на расстоянии не менее 25 сантиметров от места, откуда вылетает подушка. Поэтому жизненно необходимо всегда пристегиваться, а еще не забывать отключать пассажирскую подушку, если на переднее сиденье устанавливается детское кресло.

Стреляные подушки

Подушка безопасности – штука сугубо одноразовая. Если она выстрелила, то придется менять весь модуль вместе с мешком и блоком наполнения. Стоимость такого модуля обычно довольно высока. Например, на Ford Focus 2 модуль водительской подушки стоит около 21 000 рублей, а на Opel Astra H – и вовсе 44 000.

Фото: by alegri / 4freephotos.com

Поэтому совершенно не удивительно, что когда автомобиль продают после ДТП, то вместо подушек ставят внешние заглушки и перепрошивают блок управления таким образом, чтобы компьютерная диагностика не показывала ошибок. Достоверно установить, «стреляла» ли подушка, невозможно.

Чехлы на кресла и боковые подушки

Владельцам автомобилей с боковыми подушками стоит помнить о том, что «неправильный» чехол, надетый на кресло, может свести эффективность подушек на нет. А какой же чехол в таком случае «правильный»? Тот, что имеет сертификат испытаний. Эти испытания проводят очень немногие производители авточехлов, но на российском рынке найти их можно.

Что дальше?

Итак, за последние 30 лет подушки безопасности из причудливого аксессуара дорогих автомобилей вроде Mercedes-Benz S-class стали совершенно обязательным атрибутом любого современного автомобиля, в том числе и в России (за редким исключением). Современный водитель десять раз подумает перед тем, как садиться в машину без подушек.

Как будут развиваться подушки в дальнейшем, можно только догадываться. Скорее всего, они просто станут ещё более массовыми: технология производства постепенно удешевится, и не за горами тот день, когда мы увидим бюджетные автомобили с полным набором подушек, включая коленную и «шторки».

Десять самых безопасных автомоблей по итогам краш-тестов EuroNCAP в обзоре Kolesa.Ru.