9.2. Gépjárművek balesetvédelmi rendszerei (Második rész Az utasvisszatartó rendszerek beavatkozói) Előző cikkünkben röviden összefoglaltuk a témakörhöz tartozó legfontosabb fogalmakat, majd (a teljesség igénye nélkül) információt közöltünk a biztonság szempontjából fontos, hagyományos szerkezeti elemekről és rátérünk az utasvisszatartó rendszerek bemutatására. Közöltük egy jellegzetes SRS blokk-és villamos kapcsolási vázlatot, majd részletesen bemutattuk a rendszer bemeneti információit létrehozó szenzorait. Jelen írásunkban az SRS beavatkozóiról közlünk információt. 3. 3. Az utasvisszatartó rendszerek beavatkozói 3.3.1. A biztonsági övek pirotechnikai övelőfeszítői 3.3.1.1. TYPE 1 (Toyota 1. típus) A biztonsági övet (seat belt) az övfeszítő szerkezet a feszítő felöli végén egy dobra (drum) csévéli fel. Ennél a megoldásnál a gyújtást követően fejlesztett gáz nyomása egy dugattyúra (piston) hat, mely a hozzákapcsolt huzalon (cable) keresztül megforgatja a huzaldobot. A huzaldob összeköttetésben áll az övfeszítő dobbal, tehát e folyamat eredményeként a begyújtást követően kellő mértékben megfeszül a biztonsági öv. 1. ábra 3.3.1.2. TYPE 2 (Toyota 2. típus) A Toyota 2 típusnál a gázgenerátor begyújtásakor először reteszelődik a rendszer a gáznyomás a reteszt (key clutch) a kilincskerékbe (gear clutch) tolja (középső ábra), majd a rotor gáznyomásra történő elfordulása megfeszíti a szíjat. Mindkét megoldásnál a gázfejlesztést a légzsáknál ismertetésre kerülő módon oldják meg. 2. ábra 3.3.2. Légzsákegységek A régebbi airbag (nem SRS) rendszerek gyakran mechanikus gyújtással működtek (pl. Toyota M type 3. ábra). Ezekben a légzsákegységekben az ütközés (collision) hatására a lassulási küszöb elérésekor a mérőtömeg rugóerő ellenében kioldja a gyújtószeg reteszét. 3. ábra Ekkor egy másik rugó belövi a felfújóegység (inflator) előgyújtó töltetébe (primer) a gyújtószeget és megkezdődik a gázképződési tehát a légzsáknyitási folyamat. A mai elektronikusan irányított SRS rendszerekben a pirotechnikai légzsákok és övfeszítők gyújtását az irányítóegységekben elhelyezett végfokok elektromos úton végzik (pl. Toyota E type ), megfelelő nagyságú áramot hajtanak át az előgyújtón. 1
3.3.2.1. Vezetőoldali-légzsákegység A vezető oldali légzsákegységet a kormánykerékbe építik be (4. és 5. ábra). A zsák (bag), a kormánykerék zárófelülete (steering wheel pad) alatt helyezkedik el. A klasszikus felfújóegység elemei: a gyújtó (igniter), a pirotechnikai gyújtótöltet (igniter charge), a másodlagos gázfejlesztő (gas generant) és a szűrő (filter), amely a légzsákba történő belépés előtt a gázáramból a nagyobb szilárd égéstermék maradványokat szűri ki, és csökkenti a kilépő gáz hőmérsékletét. A gázkiáramlás irányát fúvókák optimalizálják. A régebbi, azid tartalmú pirotechnikai töltet fő alkotóelemei a nátrium-azid (NaN 3 ), a káliumnitrát (KNO 3 ) és a szilícium dioxid (SiO 2 ) voltak. Villamosan létrehozott hő és ív hatására egy viszonylag lassú detonáció történik (deflagráció), melynek során nitrogén gáz képződik, s ez fújni kezdi a légzsákot. A pirotechnikai töltet begyújtása körülbelül 2 ms alatt bekövetkezik, míg a légzsákfelfúvódás ideje a vezetőoldali első légzsáknál körülbelül 30ms. A keletkező nitrogén gáz hőmérséklete a 650 C ot is elérheti. Az alábbi reakcióegyenletekből látható, hogy a felfújóegység alkotóelemei fokozatosan, több lépésben fejlesztenek nitrogéngázt. 4. ábra 2 NaN 3 2Na + 3N 2 10 Na + 2 KNO 3 K 2 0 + 5 Na 2 O + N 2 A második reakció termékei, a kálium és nátrium oxid, nagy reakcióképességű anyagok, ezért nem szabad őket a környezetbe kiengedni. Sziliciumdioxiddal kötik le őket, hogy stabil, ártalmatlan szilikátot hozzanak létre. K 2 O + Na 2 O + SiO2 bázikus szilikát (üveg) 5. ábra A kilencvenes évek közepe után jelentek meg az úgynevezett második generációs légzsákok, melyeknél a légzsákfelfújódás agresszivitását csökkentették azáltal, hogy a pirotechnikai töltet mennyiségét minimalizálták. Napjainkban a gázgenerátorok is folyamatos fejlesztés alatt állnak, hogy a légzsákfelfújódást előidéző gázáramlás jellemzői minél jobban kielégítsék a kívánalmakat. A légzsákműködtetéshez a füst és szagmentesség mellett az alacsony gázhőmérséklet és a szilárdanyag-mentesség is hozzátartozik. A klasszikus azid tartalmú gázgenerátorok, egyrészt a magas gázhőmérsékletükkel, az égés alatt a kiáramló gázokkal együtt kiáramló szilárdanyag maradványokkal, másrészt a mérgező anyagtartamukkal nem elégítik ki a fenti feltételeket. Különböző vizsgálatok kimutatták, hogy a környezeti hőmérséklet hatására -30 C és 80 C között a kialakuló nyomásmaximumok között, akár 25-30%-os eltérések is lehetnek. Ennek a magyarázata az eltérő gyulladási késedelemben és égési időben keresendő. A gyulladási késedelem -30 C-on akár a 10ms-ot is elérheti, illetve alacsonyabb hőmérsékleten a nyomásfelfutás is jelentősen kisebb, mint magasabb hőmérsékleten. Az egyes azid tartalmú töltetek azonos környezeti hőmérsékleten mérhető nyomásfelfutásait összehasonlítva ±10%-os eltérések is mérhetőek, míg a kialakuló maximális nyomásértékek között 3%-os eltérések voltak a jellemzőek. A nem azid tartalmú töltetek esetén a hőmérséklet-érzékenység a felére csökkenthető, másrészt a nyomásfelfutás-eltérés ±6%- ra módosult. A fenti tényeket figyelembe véve az azid tartalmú töltetek mellett fokozatosan megjelentek és megjelennek az ettől eltérő elven működő gázgenerátorok. Ezek nagysorozatban megjelent reprezentánsai az azid-mentes töltetek és a hibrid töltetek. 2
Hibrid töltetek (ökogenerátorok) A hibrid tölteteknél zárt tartályban körülbelül 210 bar nyomáson inert (semleges) gázt tárolnak. A hibrid töltetek mind utasoldali, mind vezetőoldali légzsákoknál beszerelésre kerültek. A vezetőoldali légzsákoknál gyűrű, míg az utasoldali és oldalsó légzsákoknál hengeres alakú a tartály. A tartály nyílása perforált membránnal van lezárva. A pirotechnikai töltet aktiválásakor a keletkező gáz addig emeli a nyomást, míg a membrán átszakad és megkezdődik a légzsák felfújódása. A kétfokozatú légzsák kialakításnál két darab, egymástól elszigetelt tartály került beépítésre, melyeket a saját pirotechnikai töltetük aktivál. Hibrid gázgenerátorok esetén -30 C és 80 C között a kialakuló nyomásmaximumok között már alacsonyabb, 10-15%-os eltérések mérhetőek és azonos hőmérsékleten mérve a kialakuló maximális nyomásértékek között csak 1-2%-os eltérés tapasztalható. A légzsák anyaga mivel nem kerül bele forró, szilárd égéstermék - ritkább szövésű, vékonyabb, ez által a korábbival azonos térfogatra felfúvódó légzsák 25-30%-al kisebb helyen is elfér. Légzsák kialakítások A hibrid gázgenerátorok megjelenésével a légzsákfejlesztések a többrétegű kialakítás felől a vékonyabb, egyszerűbb szövésű, flexibilisebb kivitelek felé változtak. A légzsák anyagaként a nylon (például poliamid 6.6), míg kialakításában a több elemből varrott szerkezet használatos. A hajtogatási technikában a leporello és a koncentrikus elrendezés terjedt el. Az előzőnél a légzsák harmonikaszerűen a gázgenerátor felett van, míg az utóbbinál a gázgenerátor körül több körben koncentrikusan kerül elhelyezésre. A légzsák belsejében pányvák találhatóak, így biztosítva a légzsák felfúvódásakor az alakhelyességet. A légzsák hátoldalán állandó méretű, folyamatosan nyitott nyílások találhatók, melyeken keresztül a légzsák nyitását végző gázok ki tudnak kerülni a szabadba. A jelenlegi fejlesztések egy része a változtatható gázleeresztésű légzsák kialakítások felé mutat. Így biztosítható, hogy a gáz egy része felfúvódáskor ne ürüljön ki a szabadba, illetve mikor az utas mozgási energiájának elnyelése miatt a légzsák ürül, akkor az szabályozható módon történjen, figyelembe véve az utas tömegét, helyzetét, pozícióját, a hőmérsékletet és a jármű sebességét. A kétfokozatú légzsák-kialakítások (dual-stage) is fokozatosan megjelentek. Ezek a baleseti körülményektől függően kevésbé, vagy jobban fúvódnak fel azáltal, hogy a légzsák két gázgenerátora közül az egyik, vagy mindkettő aktiválásra kerül-e. Ezek a fejlesztések is a szabályozható légzsákfelfúvódás és leengedés felé mutatnak. 3.3.2.2. Utasoldali-légzsákegység Az utasoldali légzsákegység (front passenger airbag assembly) működésében azonos, de kialakításában eltér a vezetőoldali légzsákegységtől, hiszen más alakú és a védett személyhez képest is eltérő elhelyezkedésű szerkezeti elembe kell beépíteni. Mérete általában 2-4 szerese a vezetőoldalinak. 3.3.2.3. További légzsák-egységek A balesetek súlyosságát számottevően csökkenthetik azok az ezredforduló környékén alapfelszereltségként még csak a felsőbb járműkategóriába beé- 6. ábra 7. ábra pített légzsákok, amelyek az oldalirányú védelemre, a fej-és mellkas, valamint a lábvédelemre specializáltak. Napjainkra az oldal-, függöny-, fej-, láb- stb. légzsákok is a középkategóriás járművek alapfelszereltségéhez tartoznak. Ezek az egységek működésükben hasonlóak a már ismertetett beavatkozókhoz, de kialakításukban elsősorban elhelyezésük miatt számottevő eltérést mutathatnak. 3
3.3.3.Visszajelző és ellenőrzőlámpa Egyes járműtípusoknál az SRS irányítóegység az övkapcsolók és az üléskapcsoló(k) jele alapján figyelmezteti a vezetőt és az utasokat, ha nem csatolják be biztonsági öveiket. 8. ábra Az SRS irányítóegység öndiagnosztikai rendszerrel is rendelkezik, folyamatos felügyeli az érzékelőket és beavatkozókat, valamint a tápfeszültség ellátást. Ha hibát érzékel, azt eltárolja, és szükség esetén bekapcsolja az SRS ellenőrző lámpát. Az SRS 9. ábra ellenőrzőlámpa a gyújtás ráadását követően az ellenőrzés ideje alatt világít, majd, ha az ECU nem észlelt számottevő rendellenességet kikapcsolja azt. 3.3.4.Diagnosztikai csatlakozó A legtöbb SRS rendszer kapcsolatban áll a jármű diagnosztikai csatlakozójával. Ezen keresztül lehetőség nyílik a soros diagnosztikára (OBD csatlakozó 7. láb és test, illetve CAN 6. és 14), de gyakori, hogy villogókódos hibatároló is rendelkezésre áll (pl. Toyota Tc 13-as csatlakozás és járműtest 4). 3. 4. Központi elektronikus légzsákirányító egység (center airbag sensor assembly, vagy SDM érzékelő és diagnosztikai modul) Az SRS központi irányító egységét a gépjármű utasterében az utas védelmi zónában helyezik, el és úgy tervezik, hogy megbízhatóan tudjon működni a jármű teljes élettartama alatt. Fizikai elhelyezkedés szempontjából az SDM általában a gépjármű középpontja környezetében, a gépjármű keresztátlói metszésvonalában, a műszerfal alatt, a lehető legbiztonságosabb helyen található, ahol ütközéskor a legkisebb mechanikai hatások érhetik. Az SDMet úgy tervezik, hogy ellenálljon és elviseljen minden olyan környezeti szélsőséget, ami egy gépjármű utasterében üzemszerűen előfordulhat, ideértve a szélsőséges hőmérsékleteket, folyadékokkal való érintkezést és a külső elektromágneses zavarokat is. 10. ábra 3.4.1. Tápegység és energiatárolás Az irányítóegység a villamos energia ellátást természetesen a fedélzetről kapja. A központi egységben egy DC/DC átalakító a gyors gyújtáshoz általában 24V-os egyenfeszültséget állít elő, amely egy vagy több tároló kondenzátort tölt fel. Ezekben a kb.150 ms-ig szükséges energiamennyiség üzem közben mindig rendelkezésre áll. Ez biztosítja ütközéskor a tápfeszültség megszűnte ellenére is a működőképességet, és lehetőséget biztosít az esemény paramétereinek rögzítésére. Az öndiagnosztikai rendszer minden gyújtásráadását követő kikapcsoláskor ellenőrzi a 150 ms os önálló működőképességet, s ha ezt nem találja megfelelőnek, akkor e tényt hibaként eltárolja. A µp (mikroprocesszor) letilt minden egyes légzsáknyitási funkciót és bekapcsolja az SRS ellenőrző lámpát, ha a rendszer feszültsége egy meghatározott szint alá csökken, s ez által bizonytalanná válik a működés. 4
3.4.2. A jelfeldolgozás folyamata A központi gyorsulásszenzor kimenő jelének időbeni változása a µp egyik legfontosabb bemenőjele. A mai gyorsulásmérők kimenőjele nyugalmi állapotban általában 2,5 V (DC). Gyorsulás/lassulás hatására ezen pillanatérték időben változik. A µp ezt a jelet figyeli, s ha annak értéke meghatározott ideig folyamatosan egy adott szint fölött van, akkor az algoritmus megteszi a szükséges lépéseket. Ha ez a szint csak rövid ideig áll fenn, akkor a rendszer visszaáll normál állapotába, s nem tesz semmit légzsáknyitási parancs ügyben. Ez történik például akkor, ha autónkkal a padkának ütközünk. Természetesen a µp a nyitási parancs kiadásához a többi szenzor jelét is figyelembe veszi. (A kormány 11. ábra és/vagy utaslégzsák nyitásához a biztonsági és az orrszenzornak is ütközést kell jeleznie.) A gyorsulásérzékelőket minden egyes működési ciklus megkezdésekor a rendszer ellenőrzi. Ha kimenőjelük folyamatosan túlzottan alacsony vagy magas pl. 3 V, akkor a rendszer ezt egy hibakóddal jegyzi. 3.4.3 Intelligens teljesítmény végfokozatok A végfokok fő feladata a gyújtóegységek kapcsolása és a hozzájuk kapcsolódó gyújtókörök hurokellenállásának ellenőrzése. Biztonsági okok miatt a gyújtóegységeket a + és a oldalon is megszakítják. Nem megengedett, hogy az egyik pólus mindig ott legyen a légzsákon, hiszen egy zárlat nem kívánt légzsáknyitást eredményezhetne, így mindkettő meglétéről nyitáskor kell gondoskodni. Ezen végfokozatok másik feladata (ezért intelligens), hogy a µp-t a rájuk kapcsolt légzsákkör állapotáról azok hurokellenállásáról folyamatosan tájékoztassák. 12. ábra Forrás: VW AG A 12. ábrán frontális ütközés következtében létrejövő légzsáknyitási folyamatot követhetünk nyomon. (Nem SRS, hiszen nincs övfeszítés!) 3. 5. Villamos vezetékelés A légzsákrendszerek lényeges részét képezik a kábelek és csatlakozóik. Fontos, hogy a célnak megfelelő kábeleket és kábelvégződéseket alkalmazzunk. Előírt a megbízható kontaktus létrehozása, a flexibilitás (ütközés esetén se törjön vagy szakadjon) és a vezetőképességnek is megfelelőnek kell lennie. Ha egy beavatkozó áramkörének ellenállása valamilyan okból nagyobb a megengedettnél az lassíthatja a gyújtási folyamatot, ami nem megengedhető. Az SRS rendszerek kábeleit a gyártók eltérő színnel általában sárgával különböztetik meg. Érintkezőik a kis érintkezési ellenállás és a jó korrozióállóság miatt rendszerint nemesfém bevonatúak. 3.5.1 Aktivitásgátló mechanizmusok Az SRS rendszereknél a nem kívánt gyújtás elkerülése céljából a gyártók a vezetékhálózatban is különleges technikai megoldásokat alkalmaznak. 13. ábra 5
3.5.1.1. Rövidrezáró-érintkezős csatlakozó Elsősorban a légzsák és az övfeszítők gyújtóinak csatlakozóit készítik el úgy, hogy azok a szétkapcsolás után automatikusan rövidre záródjanak. A 13. ábrán megfigyelhető, hogy ha a légzsákegységet (annak előgyújtóját) hozzákapcsolták a hálózathoz, tehát a terminálok csatlakoznak a rugós rövidrezáró lemez (shorting spring plate) nem ér a csatlakozókhoz. Ha a légzsákegység csatlakozóját szétkapcsoljuk (connector disconnected), a rövidrezárás létrejön, s ezzel csökkenthető a véletlen nyitás valószínűsége. (Ezzel a viszonylag egyszerű megoldással megakadályozható például egy hibás vizsgálat következtében létrejövő baleset.) 3.5.1.2. Ikerzáras csatlakozó A csatlakozók zárásbiztonságát fokozza, ha kettős rögzítőmechanizmust alkalmaznak. Ez esetben a normál csatlakozó egy másodlagos mechanikus zárószerkezettel (secondary lock) egészül ki, s ez megakadályozza a csatlakozó üzemszerű mechanikai hatásra történő esetleges szétcsúszását. 14. ábra 3.5.1.3. Elektromos csatlakozásellenörzés Elsősorban az orrszenzorok csatlakozását ellenőrzik ezzel a módszerrel. A felcsatlakozáskor egy tesztellenállás is bekapcsolódik az áramkörbe, amelynek csatlakozói rendszerint mélyebben helyezkednek el. (Ez a 15. ábrán nem látszik.) Így az alaphelyzetben nyitott érintkezőjű lassuláskapcsoló jelenlétét is tudja a központi elektronikus légzsákirányító egység ellenőrizni. 3.5.2. Spirálkábel Az üzemszerűen elforduló elektromos alkatrészekre való csatlakozásnak alapvetően két módja ismeretes. Az egyik megoldásnál érintkezőt és csúszógyűrűt alkalmaznak. (Pl. kormánykerékbe épített kürtkapcsoló.) Az elforgatható kormánykerékbe épített légzsákot elsősorban biztonsági okok miatt úgynevezett spirálkábel kapcsolja össze a hálózattal. A kb. 4-5m hosszú szalagkábel egyik vége a kombinált kapcsolóval (combination switch 16. ábra assembly) együtt áll, a másik a kormánykerékkel együtt elfordulhat. Eközben a szalagkábel le, illetve felcsévélődik a műanyagból készült tokban (case). Az elforduló vég csatlakozik a vezetőoldali légzsák előgyújtójához (connector to primer). A kormánykerék a középső pozícióból jobbra és balra kb. 2 2 fordulatot tud elfordulni. A spirálkábelt ennek megfelelően kell beépíteni, ami szerelési szempontból fokozott figyelmet igénylő feladat. (Lásd javítási kézikönyv!) 2014-12-01 A következő cikkünk kb. két hónap múlva jelenik meg! 15. ábra 6