کیسه های هوای خودرو چگونه کار می کنند؟

طی سال های طولانی کمربندهای ایمنی تنها وسیله مهارکننده کنش پذیر در خودروها بوده اند. در عین حال در این مدت بحث های زیادی در مورد ایمنی آنها به خصوص در مورد کودکان مطرح شده است، ولی به مرور زمان در اکثر کشورها کمربندهای ایمنی شامل مقررات اجباری شده اند. آمار و ارقام نشان می دهد که استفاده از کمربندهای ایمنی جان هزاران نفر را در تصادفات نجات داده است.
کیسه های هوا نیز طی سالهای طولانی در حال توسعه بوده اند. ایده استفاده از یک بالش نرم در برابر برخورد، بسیار جذاب بوده و اولین ثبت اختراع در مورد یک وسیله قابل انبساط برای فرود آمدن در آن در هنگام تصادف برای هواپیماها طی جنگ جهانی دوم انجام شده است! در دهه 80 اولین کیسه هوای تجاری شده در خودروها ظاهر شد.
از سال 1998، وجود کیسه های هوا در هر دو سمت راننده و سرنشین جلو در آمریکا الزامی شده است (کامیونت های سبک نیز از سال 1999 تحت این قانون درآمدند). تاکنون آمار نشان داده که کیسه های هوا ریسک مرگ را در تصادفات روبرو حدود 30 درصد کاهش داده است. استفاده از کیسه های هوای نصب شده در صندلی و درها جدیدتر است. اگر چه آنها به گستردگی کیسه های هوای نصب شده در فرمان و داشبورد مورد استفاده قرار نمی گیرند. برخی از کارشناسان بر این عقیده اند که طی سالیان آتی تعداد کیسه های 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 حرکت (نیوتن) بپردازیم. اول اینکه ما می دانیم که اجسام در حال حرکت دارای اندازه حرکت (مومنتوم) (حاصل ضرب جرم و ساعت یک جسم)هستند. در صورتیکه یک نیروی خارجی بر جسم وارد نشود آن جسم به حرکت خود با سرعت و جهت خود ادامه خواهد داد. خودروها از اجسام متعددی تشکیل شده اند که شامل خود خوردو اجسام مهار نشده درون آن و البته سرنشینان می شود. اگر این اجسام مهار نشوند، حتی در صورت توقف خودرو در اثر تصادف، آنها با سرعتی که خودرو دارد به حرکت خود ادامه می دهند.

متوقف کردن یک جسم دارای مومنتوم مستلزم اعمال نیرو به آن در یک دوره زمانی است. وقتی یک خودرو دچار تصادف می شود، نیروی موردنیاز برای متوقف کردن اجسام بسیار زیاد است چرا که مومنتوم در لحظه تغییر کرده در حالی که برای سرنشینان این طور نبوده است و وقت زیادی نیز برای این کار وجود ندارد. هدف هر سیستم مهارکننده کمکی، کمک به متوقف کردن سرنشین با ایجاد کمترین آسیب ها به وی است.

کاری که یک کیسه هوا انجام می دهد کاهش سرعت سرنشین به صفر با کمترین یا بدون آسیب است. محدودیت هایی که کیسه هوا با آنها درگیر است، زیاد است. کیسه هوا باید در کسری از ثانیه در فضای بین سرنشین و فرمان یا داشبورد عمل کند. برای آنکه سیستم بتواند به جای آنکه سرنشین را به صورت ناگهانی متوقف کند، حرکت آن را آرام کند، حتی کوچک ترین مقدار فضا و زمان ارزشمند است.

در کیسه هوا سه قسمت وجود دارد که می تواند به انجام این کار بزرگ یاری دهد:
- کیسه که از پارچه نایلونی نازکی ساخته شده که درون فرمان یا داشبورد (و اخیراً درون صندلی و در) تا می شود و قرار می گیرد.
- سنسور که وسیله ای است که به کیسه فرمان باد شدن را می دهد. باد شدن در صورتی رخ می دهد که برخوردی با نیروی با نیروی معادل برخورد یک دیوار آجری با سرعت 10 تا 15 مایل بر ساعت (16 تا 24 کیلومتر بر ساعت) ایجاد شود. وقتی تغییر جرم باعث بسته شدن اتصال برقی شود، سوئیچ مکانیکی زده شده و به سنسور پیام می دهد که تصادف رخ داده است. سنسور اطلاعات را از یک شتاب سنج که درون میکروچیپ قرار دارد دریافت می کند.

سیستم بادکننده کیسه هوا موجب واکنش آزید سدیم (Na N3) با نیترات سدیم (Propellant) جامد را مشتعل کرده و به سرعت می سوزد تا حجم بزرگی از گاز را برای باد کردن کیسه هوا به وجود بیاورد. به این ترتیب کیسه هوا از قسمت ذخیره شده خود با سرعت 200 مایل بر ساعت (322 کیلومتر بر ساعت) یعنی سریع تر از یک چشم بر هم زدن از هم باز می شود. یک ثانیه بعد، برای آنکه سرنشین بتواند حرکت کند، گاز به سرعت از سوراخ های درون کیسه تخلیه شده و کیسه را از حالت باد شدن در می آورد.

کیسه هوا و سیستم بادکننده ذخیره شده در فرمان:
گرچه همه این فرآیند تنها در یک بیست و پنجم ثانیه رخ می دهد ولی زمان اضافی ایجاد شده برای جلوگیری از یک جراحت جدی کافی است. ماده پودری که از کیسه هوا آزاد می شود آرد ذرت عادی یا پودر تالک است که توسط سازنده برای نچسبیدن تاهای کیسه به هم در هنگام ذخیره کیسه هوا استفاده شده است. سیستم بادکننده از یک پیشران جامد و یک جرقه زن استفاده می کند.

توسعه ایده:
همانطور که گفته شد براساس مجله Scientific American ایده اولیه استفاده از بالش سریع بادشونده برای ممانعت از جراحات تصادفات قبل از آن در دهه 1980 توسط وزارت راه آمریکا برای استفاده از خودروها اجباری شود دارای یک پیشینه طولانی است. اولین اختراع وسیله بادشونده برای تصادفات برای هواپیماها طی جنگ جهانی دوم ثبت شده است.

تلاش های اولیه برای استفاده از کیسه هوا برای خودروها با موانع قیمت بالا و مشکلات فنی مرتبط با ذخیره و آزادسازی گاز فشرده مواجه شد. پژوهش گران در جستجوی پاسخگویی به سؤالات زیر بودند:
آیا درون خودرو فضای کافی برای مخزن گاز وجود دارد؟
آیا می شود گاز را برای مدت زمان عمر خودرو در آن به صورت ذخیره شده نگه داشت؟
آیا کیسه هوا را می توان به سرعت و با اطمینان در شرایط مختلف آب و هوایی منبسط کرد بدون آنکه صدای انفجار گوش خراشی ایجاد شود؟
نیاز به مجموعه واکنش های شیمیایی وجود داشت که نیتروژن ایجاد کند و کیسه را باد کند. بادکننده های پیشران جاد (Propellant Inflators- Solid) در دهه 1970 به کمک این ایده آمدند.

گرچه از نظر تاریخی کیسه های هوا در ابتدا برای استفاده توسط سرنشینان بدون کمربند ایمنی طراحی شده بود ولی در همان روزهای اولیه شروع ایده کیسه هوا برای خودروها، کارشناسان هشدار داده بودند که این وسیله جدید باید به صورت پشتیبان و همراه با کمربند ایمنی استفاده شود. کمربندهای ایمنی باز هم کاملاً ضروری هستند چرا که کیسه های هوا فقط در تصادفات روبرویی که با سرعت بیش از 10 مایل بر ساعت (16 کیلومتر بر ساعت) رخ دهد عمل می کنند. در مورد برخوردها و تصادفات جانبی، تصادفات از عقب و برخوردهای ثانویه فقط کمربندهای ایمنی می توانند کمک کنند (گرچه امروزه کیسه های جانبی هوا نیز در حال رواج هستند). با وجود پیشرفت فناوری، کیسه های هوا فقط وقتی موثر هستند که همراه با یک کمربند شانه و ران استفاده شوند. کمربند اینمی سرنشین را در موقعیت خود نگه می دارد، در حالی که کیسه هوا یک مانع نرم برای توقف اعضای بدن او فراهم می آورد.

کیسه های هوا جراحات منجر به مرگ را در مورد رانندگان 11 درصد و در مورد سرنشینان بزرگسالان 13 درصد کاهش می دهد. حفاظت ایجاد شده توسط کیسه هوا به علاوه کمربند ایمنی قابل مقایسه با هیچ نوع حفاظت دیگری نیست. مطالعات نشان می دهند که در یک برخورد، سرنشینانی که توسط کمربند ایمنی و کیسه هوا محافظت می شوند 50 درصد کمتر از سرنشینان مهار نشده دچار آسیب های مرگبار و جراحات جدی خواهند شد.

ایمنی:
پس از مدت کمی دریافتند نیروی یک کیسه هوا می تواند به کسانی که در فاصله نزدیک به آن قرار می گیرند، آسیب بزند چرا که یک عامل ایجاد خطر در مورد کیسه های هوا امکان برخورد آنها با صورت یا گردن است. پژوهشگران دریافته اند که ناحیه خطر برای کیسه هوای راننده در محدوده 2 تا 3 اینچی (5 تا 8 سانتیمتری) محل باد شدن قرار دارد. بنابراین قرار گرفتن در فاصله 10 اینچی (25 سانتیمتری) از کیسه هوای راننده، حاشیه ایمنی مناسب را ایجاد می کند. این فاصله از مرکز فرمان تا قفسه سینه اندازه گیری می شود، اگر راننده در فاصله کمتری از این فاصله قرار گیرد، باید فاصله خود را به یکی از روش های زیر بیشتر کند:
- با عقب بردن صندلی تا جای ممکن به صورتیکه پاها به راحتی به پدال ها برسند.
- با مایل نمودن پشتی صندلی به عقب. گرچه طراحی خودروها با یکدیگر متفاوت است ولی اغلب رانندگان می توانند حتی در جلوترین حالت صندلی با مایل کردن اندک پشتی به عقب به فاصله 10 اینچی دست یابند. اگر مایل کردن پشتی صندلی مانع از داشتن دید مناسب از جاده شود، می توان با بالا بردن صندلی (در خودروهایی که دارای این نوع تنظیم هستند) یا قرار دادن یک بالش سفت غیرلغزنده آن را اصلاح کرد.

یک دوست خطرناک:
قاعده برای کودکان متفاوت است. کیسه هوا در مورد کودکانی که در هنگام ترمز ناگهانی کمربند ایمنی نبسته باشند یا بسیار نزدیک به کیسه هوا نشسته باشند یا به سمت داشبورد پرتاب شوند می تواند موجب آسیب جدی و حتی مرگ شود. کارشناسان معتقدند که رعایت نکات ایمنی زیر ضروری است:
- کودکان زیر 12 سال باید در صندلی عقب نشسته و از کمربند ایمنی مناسب سن آنها استفاده شود.
- نوزدان (زیر یک سال و با وزن کمتر از 9 کیلوگرم) که در صندلی های مخصوص رو به عقب می نشینند هرگز نباید در صندلی جلو یک خودرو قرار گیرند.
- اگر لازم شد که نوزاد زیر یک سالی در صندلی جلو خودرو دارای کیسه هوای جانبی بنشیند باید او را در یک صندلی مخصوص بچه دارای کمربند رو به جلو قرار داد و صندلی باید در دورترین فاصله نسبت به داشبورد قرار گیرد.

غیرفعال کردن:
در پاسخ به ملاحظات مرتبط با کودکان و سایر سرنشینان خصوصاً افراد ریزجثه که در صورت استفاده نامناسب یا کیسه های هوای بسیار قوی، در معرض خطر مرگ یا آسیب دیدگی قرار دارند، اداره ملی ایمنی بزرگراه های آمریکا (NHTSA) در سال 1997 قانونی را تصویب کرد که براساس آن سازندگان را مجاز می کرد که از کیسه های هوای با قدرت کمتر استفاده کنند. این قانون اجازه می دهد که کیسه های هوا 20 تا 35 درصد کاهش قدرت داده شوند. علاوه بر آن از سال 1998 تعمیرگاه ها و فروشگاه های لوازم یدکی مجاز شدند کلیدهای روشن/ خاموش روی خودرو قرار دهند که امکان غیرفعال سازی کیسه های هوا را می دهد. در آمریکا در صورتی که دارندگان خودرو در یکی از گروه های ریسک زیر قرار گیرند، توسط اداره ملی ایمنی بزرگراه های آمریکا (NHTSA) اجازه خواهند داشت کلید روشن/ خاموش را برای یک یا هر دو کیسه هوای خود نصب کنند:
- در هر دو طرف راننده و سرنشین جلو؛ در مورد افراد با شرایط پزشکی که در مورد آنها ریسک استفاده از کیسه هوا بیشتر از ریسک برخورد در صورت استفاده نکردن از آن است.

- در سمت راننده؛ (علاوه بر شرایط پزشکی)، کسانی که در صورت رعایت فاصله حداقل 10 اینچی (26 سانتیتری) از مرکز کیسه هوای راننده، نمی توانند به درستی از خودرو خود استفاده کنند.
- برای سرنشین جلو؛ (علاوه بر شرایط پزشکی)، افرادی که به دلیل عدم وجود صندلی عقب در خودرو و یا کوچک بودن فضای آن برای قرارگیری یک صندلی کودک رو به عقب یا به دلیل نیاز به مراقبت دایم شرایط سلامت یک کودک، لازم است یک کودک را در صندلی کودک رو به عقب روی صندلی سرنشین جلو قرار دهند.
- برای سرنشین جلو؛ (علاوه بر شرایط پزشکی)، افرادی که لازم است کودکان یک تا 12 ساله را در صندلی جلو بنشانند. به دلیل: الف) عدم وجود صندلی عقب در خودرو - ب) اجبار به حمل کودک بیش از گنجایش صندلی های عقب کودک- ج) نیاز به مراقبت دایم شرایط سلام یک کودک در آمریکا برای نصب یک کلید غیرفعال سازی کیسه هوا روی خودرو نیاز به دریافت مجوز از اداره ملی ایمنی بزرگراه های آمریکا (NHTSA) است. پس از دریافت این مجوز دارنده خودرو می تواند خودرو خود را برای نصب این کلید به تعمیرگاه ببرد. چنین کلیدهایی باید مجهز به یک چراغ هشداردهنده باشند که وضعیت فعال یا غیرفعال بودن کیسه هوا را نشان دهد.

واضح است که حتی اگر امکان غیرفعال کردن کیسه هوا وجود دارد، در مورد رانندگانی که امکان قرار گرفتن در فاصله حداقل 10 اینچ را دارند، کیسه هوا باید فعال باشد. در مورد افراد یکه حتی با رعایت موارد ذکر شده نمی توانند این حداقل فاصله را ایجاد کنند، کیسه هوا می تواند غیرفعال شود. گروهی از پزشکان در کنفرانس ملی توصیه های پزشکی برای غیرفعال کردن کیسه هوا شرایط پزشکی که عموما در مقالات گزارش می شوند را به عنوان دلایل احتمالی غیرفعال کردن کیسه هوا مورد بررسی قرار داده اند. با این وجود غیرفعال کردن کیسه هوا برای شرایط نسبتاً عادی مانند: وجود ضربان ساز (Pacemaker) در قلب، عینک، دردهای موضعی، نفخ (Emphysema)، آسم، جراحی سینه، جراحی پشت یا گردن، سن بالا، پوکی استخوان، آرتوروز یا بارداری توصیه نمی شود.

عموما بدون نصب یک کلید روشن/ خاموش نمی توان کیسه هوا را غیرفعال کرد. به هر حال نباید هرگز شخصا اقدام به غیرفعال کردن کیسه هوا کرد. باید به خاطر داشت که کیسه هوا فقط یک بالش نرم نیست بلکه کیسه ای است که با ضربه باز می شود و اگر ندانید که چه می کنید می تواند به شما آسیب برساند.

اداره ملی ایمنی بزرگراه های آمریکا (NHTSA) به جز در شرایط خاص، تنها در حالتی که صندلی عقب وجود نداشته باشد یا فضای آن برای قرار دادن یک صندلی ایمنی رو به عقب کودکان کافی نباشد مجوز نصب کلید غیرفعال سازی کیسه هوا را برای خودروهای نو می دهد. در حال حاضر در آمریکا سازندگان خودرو مجوز نصب کلید غیرفعال سازی کیسه هوا را برای صندلی راننده در خودروهای نو ندارند چرا که برای اداره ملی ایمنی بزرگراه های آمریکا (NHTSA) این بیم وجود دارد که در این صورت این کلید در تمامی خودروهای نو حتی در خودروهایی که توسط افراد در گروه های ریسک قرار نمی گیرند جزو تجهیزات استاندارد خودرو درآید. همچنین مواردی از یکپارچه سازی این کلیدها در داشبورد خودرو مشاهده شد که احتمال انحراف منابع از توسعه سیستم های ایمن تر و پیشرفته تر کیسه هوا را به وجود می آورد.

آینده کیسه های هوا:
فعالیتهای مرتبط با بهبود مزایای ایمنی سرنشین توسط کیسه های هوا در حال تغییرات مستمر است. آزمون های جدید با استفاده از مانکن های آزمون (Dummy) دارای معیارهای بهتری در مورد آسیب های وارده به آن است.

گرچه 40 درصد همه جراحات جدی در تصادفات در نتیجه برخوردهای جانبی و 30 درصد کل تصادفات، برخوردهای جانبی هستند تا همین اواخر بیشتر گامها برای ایمنی خودرو در برخوردهای جلو و عقب برداشته می شد. بسیاری از خودروسازان در پاسخ به این آمار (و در نتیجه استانداردهای جدید) اقدام به قوی تر کردن درها، قاب درها و بخش های کف و سقف کرده اند ولی خودروهایی که از کیسه هوای جانبی استفاده کرده اند نماینده موج جدیدی از ایمنی سرنشین هستند. کارشناسان معتقدند طراحی کیسه های موثر جانبی بسیار دشوارتر از کیسه های هوای جلو است. این به این دلیل است که در برخورد روبرو، بیشتر انرژی برخورد توسط سپر، کاپوت و موتور جذب می شود و تقریبا 30 تا 40 ثانیه طول می کشد تا ضربه به سرنشین خودرو منتقل شود. ولی در برخوردهای جانبی فقط یک در نازک و چند اینچ فاصله بین سرنشین و خودروی دیگر وجود دارد. این به آن معنا است که کیسه های جانبی هوا که روی در سوار شده اند باید در 5 تا 6 میلی ثانیه عمل کنند!

مهندسین شرکت ولوو راه  های مختلفی را برای نصب کیسه های جانبی هوا آزموده اند و نصب در پشتی صندلی را انتخاب کرده اند چرا که این کار سرنشین را فارغ از جثه او و چگونگی قرارگیری صندلی محافظت می کند. این ترتیب به مهندسین این امکان را می دهد که یک سنسور با تحریک مکانیکی را روی کناره های بالش های صندلی و زیر راننده و سرنشین جلو قرار دهند. این مانع باد شدن کیسه هوا در سمت آسیب ندیده می شود. نصب همه مجموعه کیسه هوا در پشتی صندلی این مزیت را نیز دارد که فعال شدن کیسه هوا در موارد غیرضروری نظیر برخورد با عابرین پیاده یا دوچرخه ها جلوگیری می کند. در برخوردهای با سرعت حدود 12 مایل بر ساعت (19 کیلومتر بر ساعت) است که کیسه های جانبی هوا تحریک می شوند.

مهندسان مشاور BMW کیسه های جانبی نصب شده روی درها را انتخاب کرده اند. در دارای فضای بیشتری است که نصب کیسه های بزرگ تر را ممکن می سازد. کیسه هوای سر یا سازه های بادشونده تیوبی (ITS- Inflatable Tubular Structure) در همه خودروهای مدل های سال BMW 1999 (به جز مدل با سقف متحرک) قرار داده شده اند. این کیسه های سر کمی شبیه سویس های بزرگ هستند و بر خلاف کیسه های هوا برای آن طراحی شده اند که به مدت حدود 5 ثانیه در حالت باد شده باقی بمانند و در برخی از برخوردهای جانبی حفاظت بهتری را تامین کنند.

منبع: http://www.carx1.com/?section=full&sub_section=articles&id=51