کیسه های هوای خودرو چگونه کار می کنند؟

كیسه‌های هوا هم مانند كمربند ایمنی در سالهای اولیه، موضوع تحقیقات و آزمونهای جدی دولتی و صنعتی هستند. در این مقاله به كیسه‌های هوا و اینكه آنها چگونه كار می‌كنند، مشكلات آنها چیست و تكنولوژی آنها به چه سمتی پیش می‌رود خواهیم پرداخت.
طی سال‌های طولانی كمربندهای ایمنی تنها وسیله مهاركننده كنش‌پذیر در خودروها بوده‌اند. در عین حال در این مدت بحث‌های زیادی در مورد ایمنی آنها بخصوص در مورد كودكان مطرح شده است، ولی به مرور زمان در اكثر كشورها كمربندهای ایمنی شامل مقررات اجباری شده‌اند. آمار و ارقام نشان می‌دهد كه استفاده از كمربندهای ایمنی جان هزاران نفر را در تصادفات نجات داده است.
كیسه‌های هوا نیز طی سالهای طولانی در حال توسعه بوده‌اند. ایده استفاده از یك بالش نرم در برابر برخورد، بسیار جذاب بوده و اولین ثبت اختراع در مورد یك وسیله قابل انبساط برای فرود آمدن در آن در هنگام تصادف برای هواپیماها طی جنگ جهانی دوم انجام شده است! در دهه ۸۰ اولین كیسه هوای تجاری شده در خودروها ظاهر شد.
از سال ۱۹۹۸، وجود كیسه‌های هوا در هر دو سمت راننده و سرنشین جلو در آمریكا الزامی شده است (كامیونت‌های سبك نیز از سال ۱۹۹۹ تحت این قانون درآمدند). تاكنون آمار نشان داده كه كیسه‌های هوا ریسك مرگ را در تصادفات روبرو حدود ۳۰ درصد كاهش‌داده است. استفاده از كیسه‌های هوای نصب ده در صندلی و درها جدیدتر است. اگر چه آنها به گستردگی كیسه‌های هوای نصب شده در فرمان و داشبورد مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. برخی از كارشناسان بر این عقیده‌اند كه طی سالیان آتی تعداد كیسه‌های هوای خودروها از دو به شش تا هفت خواهد رسید.
● اصول اولیه:
پیش از پرداختن به اصول خاص بهتر است به مرور اطلاعات خود درباره قوانین حركت (نیوتن) بپردازیم. اول اینكه ما می‌دانیم كه اجسام در حال حركت دارای اندازه حركت (مومنتوم) (حاصلضرب جرم و ساعت یك جسم)هستند. در صورتیكه یك نیروی خارجی بر جسم وارد نشود آن جسم به حركت خود با سرعت و جهت خود ادامه خواهد داد. خودروها از اجسام متعددی تشكیل شده‌اند كه شامل خود خورد و اجسام مهار نشده درون آن و البته سرنشینان می‌شود. اگر این اجسام مهار نشوند، حتی در صورت توقف خودرو در اثر تصادف، آنها با سرعتی كه خودرو دارد به حركت خود ادامه می‌دهند.
متوقف كردن یك جسم دارای مومنتوم مستلزم اعمال نیرو به آن در یك دوره زمانی است. وقتی یك خودرو دچار تصادف می‌شود، نیروی موردنیاز برای متوقف كردن اجسام بسیار زیاد است چرا كه مومنتوم در لحظه تغییر كرده در حالی كه برای سرنشینان این طور نبوده است و وقت زیادی نیز برای این كار وجود ندارد. هدف هر سیستم مهاركننده كمكی، كمك به متوقف كردن سرنشین با ایجاد كمترین آسیب‌ها به وی است.
كاری كه یك كیسه هوا انجام می‌دهد كاهش سرعت سرنشین به صفر با كمترین یا بدون آسیب است. محدودیت‌هایی كه كیسه هوا با آنها درگیر است، زیاد است. كیسه هوا باید در كسری از ثانیه در فضای بین سرنشین و فرمان یا داشبورد عمل كند. برای آنكه سیستم بتواند به جای آنكه سرنشین را بصورت ناگهانی متوقف كند، حركت آن را آرام كند، حتی كوچكترین مقدار فضا و زمان ارزشمند است.
در كیسه هوا سه قسمت وجود دارد كه می‌تواند به انجام این كار بزرگ یاری دهد:
▪ كیسه كه از پارژه نایلونی نازكی ساخته شده كه درون فرمان یا داشبورد (و اخیراً درون صندلی و در) تا می‌شود و قرار می‌گیرد.
▪ سنسور كه وسیله‌ای است كه به كیسه فرمان باد شدن را می‌دهد. باد شدن در صورتی رخ می‌دهد كه برخوردی با نیروی با نیروی معادل برخورد یك دیوار آجری با سرعت ۱۰ تا ۱۵ مایل بر ساعت (۱۶ تا ۲۴ كیلومتر بر ساعت) ایجاد شود. وقتی تغییر جرم باعث بسته شدن اتصال برقی شود، سوئیچ مكانیكی زده شده و به سنسور پیام می‌دهد كه تصادف رخ داده است. سنسور اطلاعات را از یك شتاب‌سنج كه درون میكروچیپ قرار دارد دریافت می‌كند.
سیستم بادكننده كیسه هوا موجب واكنش آزید سدیم (Na N۳) با نیترات سدیم (Propellant) جامد را مشتعل كرده و به سرعت می‌سوزد تا حجم بزرگی از گاز را برای باد كردن كیسه هوا به وجود بیاورد. به این ترتیب كیسه هوا از قسمت ذخیره شده خود با سرعت ۲۰۰ مایل بر ساعت (۳۲۲ كیلومتر بر ساعت) یعنی سریعتر از یك چشم بر هم زدن از هم باز می‌شود. یك ثانیه بعد، برای آنكه سرنشین بتواند حركت كند، گاز به سرعت از سوراخ‌های درون كیسه تخلیه شده و كیسه را از حالت باد شدن در می‌آورد.
● كیسه هوا و سیستم بادكننده ذخیره شده در فرمان:
گرچه همه این فرآیند تنها در یك بیست و پنجم ثانیه رخ می‌دهد ولی زمان اضافی ایجاد شده برای جلوگیری از یك جراحت جدی كافی است. ماده پودری كه از كیسه هوا آزاد می‌شود آرد ذرت عادی یا پودر تالك است كه توسط سازنده برای نچسبیدن تاهای كیسه به هم در هنگام ذخیره كیسه هوا استفاده شده است. سیستم بادكننده از یك پیشران جامد و یك جرقه‌زن استفاده می‌كند.
● توسعه ایده:
همانطور كه گفته شد براساس مجله Scientific American ایده اولیه استفاده از بالش سریع بادشونده برای ممانعت از جراحات تصادفات قبل از آن در دهه ۱۹۸۰ توسط وزارت راه آمریكا برای استفاده از خودروها اجباری شود دارای یك پیشینه طولانی است. اولین اختراع وسیله بادشونده برای تصادفات برای هواپیماها طی جنگ جهانی دوم ثبت شده است.
تلاشهای اولیه برای استفاده از كیسه هوا برای خودروها با موانع قیمت بالا و مشكلات فنی مرتبط با ذخیره و آزادسازی گاز فشرده مواجه شد. پژوهشگران در جستجوی پاسخگویی به سؤالات زیر بودند:
۱) آیا درون خودرو فضای كافی برای مخزن گاز وجود دارد؟
۲) آیا می‌شود گاز را برای مدت زمان عمر خودرو در آن به صورت ذخیره شده نگه داشت؟
۳) آیا كیسه هوا را میتوان به سرعت و با اطمینان در شرایط مختلف آب و هوایی منبسط كرد بدون آنكه صدای انفجار گوش‌خراشی ایجاد شود؟
نیاز به مجموعه واكنش‌های شیمیایی وجود داشت كه نیتروژن ایجاد كند و كیسه را باد كند. بادكننده‌های پیشران جاد (Propellant Inflators- Solid) در دهه ۱۹۷۰ به كمك این ایده آمدند.
گرچه از نظر تاریخی كیسه‌های هوا در ابتدا برای استفاده توسط سرنشینان بدون كمربند ایمنی طراحی شده بود ولی در همان روزهای اولیه شروع ایده كیسه هوا برای خودروها، كارشناسان هشدار داده بودند كه این وسیله جدید باید به صورت پشتیبان و همراه با كمربند ایمنی استفاده شود. كمربندهای ایمنی باز هم كاملاً ضروری هستند چرا كه كیسه‌های هوا فقط در تصادفات روبرویی كه با سرعت بیش از ۱۰ مایل بر ساعت (۱۶ كیلومتر بر ساعت) رخ دهد عمل می‌كنند. در مورد برخوردها و تصادفات جانبی، تصادفات از عقب و برخوردهای ثانویه فقط كمربندهای ایمنی می‌توانند كمك كنند (گرچه امروزه كیسه‌های جانبی هوا نیز در حال رواج هستند). با وجود پیشرفت فناوری، كیسه‌های هوا فقط وقتی موثر هستند كه همراه با یك كمربند شانه و ران استفاده شوند. كمربند اینمی سرنشین را در موقعیت خود نگه می‌دارد، در حالی كه كیسه هوا یك مانع نرم برای توقف اعضای بدن او فراهم می‌آورد.
كیسه‌های هوا جراحات منجر به مرگ را در مورد رانندگان ۱۱ درصد و در مورد سرنشینان بزرگسالان ۱۳ درصد كاهش می‌دهد. حفاظت ایجاد شده توسط كیسه هوا به علاوه كمربند ایمنی قابل مقایسه با هیچ نوع حفاظت دیگری نیست. مطالعات نشان می‌دهند كه در یك برخورد، سرنشینانی كه توسط كمربند ایمنی و كیسه هوا محافظت می‌شوند ۵۰ درصد كمتر از سرنشینان مهار نشده دچار آسیب‌های مرگبار و جراحات جدی خواهند شد.
● ایمنی:
پس از مدت كمی دریافتند نیروی یك كیسه هوا می‌تواند به كسانی كه در فاصله نزدیك به آن قرار می‌گیرند، آسیب بزند چرا كه یك عامل ایجاد خطر در مورد كیسه‌های هوا امكان برخورد آنها با صورت یا گردن است. پژوهشگران دریافته‌اند كه ناحیه خطر برای كیسه هوای راننده در محدوده ۲ تا ۳ اینچی (۵ تا ۸ سانتیمتری) محل باد شدن قرار دارد. بنابراین قرار گرفتن در فاصله ۱۰ اینچی (۲۵ سانتیمتری) از كیسه هوای راننده، حاشیه ایمنی مناسب را ایجاد می‌كند. این فاصله از مركز فرمان تا قفسه سینه اندازه‌گیری می‌شود، اگر راننده در فاصله كمتری از این فاصله قرار گیرد، باید فاصله خود را به یكی از روش‌های زیر بیشتر كند:
▪ با عقب بردن صندلی تا جای ممكن به صورتیكه پاها به راحتی به پدال‌ها برسند.
▪ با مایل نمودن پشتی صندلی به عقب. گرچه طراحی خودروها با یكدیگر متفاوت است ولی اغلب رانندگان می‌توانند حتی در جلوترین حالت صندلی با مایل كردن اندك پشتی به عقب به فاصله ۱۰ اینچی دست یابند. اگر مایل كردن پشتی صندلی مانع از داشتن دید مناسب از جاده شود، می‌توان با بالا بردن صندلی (در خودروهایی كه دارای این نوع تنظیم هستند) یا قرار دادن یك بالش سفت غیرلغزنده آن را اصلاح كرد.● یك دوست خطرناك:
قاعده برای كودكان متفاوت است. كیسه هوا در مورد كودكانی كه در هنگام ترمز ناگهانی كمربند اینمی نبسته باشند یا بسیار نزدیك به كیسه هوا نشسته باشند یا به سمت داشبورد پرتاب شوند می‌تواند موجب آسیب جدی و حتی مرگ شود. كارشناسان معتقدند كه رعایت نكات ایمنی زیر ضروری است:
▪ كودكان زیر ۱۲ سال باید در صندلی عقب نشسته و از كمربند ایمنی مناسب سن آنها استفاده شود.
▪ نوزدان (زیر یك سال و با وزن كمتر از ۹ كیلوگرم) كه در صندلی‌های مخصوص رو به عقب می‌نشینند هرگز نباید در صندلی جلو یك خودرو قرار گیرند.
▪ اگر لازم شد كه نوزاد زیر یك سالی در صندلی جلو خودرو دارای كیسه هوای جانبی بنشیند باید او را در یك صندلی مخصوص بچه دارای كمربند رو به جلو قرار داد و صندلی باید در دورترین فاصله نسبت به داشبورد قرار گیرد.
● غیرفعال كردن:
در پاسخ به ملاحظات مرتبط با كودكان و سایر سرنشینان خصوصاً افراد ریزجثه كه در صورت استفاده نامناسب یا كیسه‌های هوای بسیار قوی، در معرض خطر مرگ یا آسیب‌دیدگی قرار دارند، اداره ملی ایمنی بزرگراه‌های آمریكا (NHTSA) در سال ۱۹۹۷ قانونی را تصویب كرد كه براساس آن سازندگان را مجاز می‌كرد كه از كیسه‌های هوای با قدرت كمتر استفاده كنند. این قانون اجازه می‌دهد كه كیسه‌های هوا ۲۰ تا ۳۵ درصد كاهش قدرت داده شوند. علاوه بر آن از سال ۱۹۹۸ تعمیرگاه‌ها و فروشگاه‌های لوازم یدكی مجاز شدند كلیدهای روشن/ خاموش روی خودرو قرار دهند كه امكان غیرفعال‌سازی كیسه‌های هوا را می‌دهد. در آمریكا در صورتیكه دارندگان خودرو در یكی از گروه‌های ریسك زیر قرار گیرند، توسط اداره ملی ایمنی بزرگراههای آمریكا (NHTSA) اجازه خواهند داشت كلید روشن/ خاموش را برای یك یا هر دو كیسه هوای خود نصب كنند:
▪ در هر دو طرف راننده و سرنشین جلو- در مورد افراد با شرایط پزشكی كه در مورد آنها ریسك استفاده از كیسه هوا بیشتر از ریسك برخورد در صورت استفاده نكردن از آن است.
▪ در سمت راننده- (علاوه بر شرایط پزشكی)، كسانی كه در صورت رعایت فاصله حداقل ۱۰ اینچی (۲۶ سانتیتری) از مركز كیسه هوای راننده، نمیتوانند به درستی از خودرو خود استفاده كنند.
▪ برای سرنشین جلو- (علاوه بر شرایط پزشكی)، افرادی كه به دلیل عدم وجود صندلی عقب در خودرو و یا كوچك بودن فضای آن برای قرارگیری یك صندلی كودك رو به عقب یا به دلیل نیاز به مراقبت دایم شرایط سلامت یك كودك، لازم است یك كودك را در صندلی كودك رو به عقب روی صندلی سرنشین جلو قرار دهند.
▪ برای سرنشین جلو- (علاوه بر شرایط پزشكی)، افرادی كه لازم است كودكان یك تا ۱۲ ساله را در صندلی جلو بنشانند. به دلیل : الف) عدم وجود صندلی عقب در خودرو – ب) اجبار به حمل كودك بیش از گنجایش صندلی‌های عقب كودك- ج) نیاز به مراقبت دایم شرایط سلام یك كودك در آمریكا برای نصب یك كلید غیرفعال‌سازی كیسه هوا روی خودرو نیاز به دریافت مجوز از اداره ملی ایمنی بزرگراه‌های آمریكا (NHTSA) است. پس از دریافت این مجوز دارنده خودرو می‌تواند خودرو خود را برای نصب این كلید به تعمیرگاه ببرد. چنین كلیدهایی باید مجهز به یك چراغ هشداردهنده باشند كه وضعیت فعال یا غیرفعال بودن كیسه هوا را نشان دهد.
واضح است كه حتی اگر امكان غیرفعال كردن كیسه هوا وجود دارد، در مورد رانندگانی كه امكان قرار گرفتن در فاصله حداقل ۱۰ اینچ را دارند، كیسه هوا باید فعال باشد. در مورد افراد یكه حتی با رعایت موارد ذكر شده نمی‌توانند این حداقل فاصله را ایجاد كنند، كیسه هوا می‌تواند غیرفعال شود. گروهی از پزشكان در كنفرانس ملی توصیه‌های پزشكی برای غیرفعال كردن كیسه هوا شرایط پزشكی كه عموما در مقالات گزارش می‌شوند را به عنوان دلایل احتمالی غیرفعال كردن كیسه هوا مورد بررسی قرار داده‌اند. با این وجود غیرفعال كردن كیسه هوا برای شرایط نسبتاً عادی مانند: وجود ضربان‌ساز (Pacemaker) در قلب، عینك، دردهای موضعی، نفخ (Emphysema)، آسم، جراحی سینه، جراحی پشت یا گردن، سن بالا، پوكی استخوان، آرتوروز یا بارداری توصیه نمی‌شود.
عموما بدون نصب یك كلید روشن/ خاموش نمی‌توان كیسه هوا را غیرفعال كرد. به هر حال نباید هرگز شخصا اقدام به غیرفعال كردن كیسه هوا كرد. باید به خاطر داشت كه كیسه هوا فقط یك بالش نرم نیست بلكه كیسه‌ای است كه با ضربه باز می‌شود و اگر ندانید كه چه می‌كنید می‌تواند به شما آسیب برساند.
اداره ملی ایمنی بزرگراه‌های آمریكا (NHTSA) به جز در شرایط خاص، تنها در حالتی كه صندلی عقب وجود نداشته باشد یا فضای آن برای قرار دادن یك صندلی ایمنی رو به عقب كودكان كافی نباشد مجوز نصب كلید غیرفعال‌سازی كیسه هوا را برای خودروهای نو می‌دهد. در حال حاضر در آمریكا سازندگان خودرو مجوز نصب كلید غیرفعال‌سازی كیسه هوا را برای صندلی راننده در خودروهای نو ندارند چرا كه برای اداره ملی ایمنی بزرگراه‌های آمریكا (NHTSA) این بیم وجود دارد كه در این صورت این كلید در تمامی خودروهای نو حتی در خودروهایی كه توسط افراد در گروه‌های ریسك قرار نمی‌گیرند جزو تجهیزات استاندارد خودرو درآید. همچنین مواردی از یكپارچه‌سازی این كلیدها در داشبورد خودرو مشاهده شد كه احتمال انحراف منابع از توسعه سیستم‌های ایمن‌تر و پیشرفته‌تر كیسه هوا را به وجود می‌آورد.
● آینده كیسه‌های هوا:
فعالیتهای مرتبط با بهبود مزایای ایمنی سرنشین توسط كیسه‌های هوا در حال تغییرات مستمر است. آزمون‌های جدید با استفاده از مانكن‌های آزمون (Dummy) دارای معیارهای بهتری در مورد آسیب‌های وارده به آن است.
گرچه ۴۰ درصد همه جراحات جدی در تصادفات در نتیجه برخوردهای جانبی و ۳۰ درصد كل تصادفات، برخوردهای جانبی هستند تا همین اواخر بیشتر گامها برای ایمنی خودرو در برخوردهای جلو و عقب برداشته می‌شد. بسیاری از خودروسازان در پاسخ به این آمار (و در نتیجه استانداردهای جدید) اقدام به قویتر كردن درها، قاب درها و بخش‌های كف و سقف كرده‌اند ولی خودروهایی كه از كیسه هوای جانبی استفاده كرده‌اند نماینده موج جدیدی از ایمنی سرنشین هستند. كارشناسان معتقدند طراحی كیسه‌های موثر جانبی بسیار دشوارتر از كیسه‌های هوای جلو است. این به این دلیل است كه در برخورد روبرو، بیشتر انرژی برخورد توسط سپر، كاپوت و موتور جذب می‌شود و تقریبا ۳۰ تا ۴۰ ثانیه طول می‌كشد تا ضربه به سرنشین خودرو منتقل شود. ولی در برخوردهای جانبی فقط یك در نازك و چند اینچ فاصله بین سرنشین و خودروی دیگر وجود دارد. این به آن معنا است كه كیسه‌های جانبی هوا كه روی در سوار شده‌اند باید در ۵ تا ۶ میلی ثانیه عمل كنند!
مهندسین شركت ولوو راه‌‌های مختلفی را برای نصب كیسه‌های جانبی هوا آزموده‌اند و نصب در پشتی صندلی را انتخاب كرده‌اند چرا كه این كار سرنشین را فارغ از جثه او و چگونگی قرارگیری صندلی محافظت می‌كند. این ترتیب به مهندسین این امكان را می‌دهد كه یك سنسور با تحریك مكانیكی را روی كناره‌های بالش‌های صندلی و زیر راننده و سرنشین جلو قرار دهند. این مانع باد شدن كیسه هوا در سمت آسیب ندیده می‌شود. نصب همه مجموعه كیسه هوا در پشتی صندلی این مزیت را نیز دارد كه فعال شدن كیسه هوا در موارد غیرضروری نظیر برخورد با عابرین پیاده یا دوچرخه‌ها جلوگیری می‌كند. در برخوردهای با سرعت حدود ۱۲ مایل بر ساعت (۱۹ كیلومتر بر ساعت) است كه كیسه‌های جانبی هوا تحریك می‌شوند.
مهندسان مشاور BMW كیسه‌های جانبی نصب شده روی درها را انتخاب كرده‌اند. در دارای فضای بیشتری است كه نصب كیسه‌های بزرگتر را ممكن می‌سازد. كیسه هوای سر یا سازه‌های بادشونده تیوبی (ITS- Inflatable Tubular Structure) در همه خودروهای مدل‌های سال BMW ۱۹۹۹ (به جز مدل با سقف متحرك) قرار داده شده‌اند. این كیسه‌های سر كمی شبیه سویس‌های بزرگ هستند و بر خلاف كیسه‌های هوا برای آن طراحی شده‌اند كه به مدت حدود ۵ ثانیه در حالت باد شده باقی بمانند و در برخی از برخوردهای جانبی حفاظت بهتری را تامین كنند.

منبع : carx1