UKŁAD BEZPIECZEŃSTWA WSPÓŁCZESNEGO SAMOCHODU

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