بنابر گزارش تحقیقاتی اداره ی ملی امنیت و ترافیک بزرگراه در ایالات متحده کمربندهای ایمنی سالانه حدود 13000 زندگی را نجات می دهند. به علاوه NHTSA تخمین می زند که 7000 مرگ و میر و تلفات ناشی از تصادفات اجتناب پذیر بودند اگر قربانیان انها کمربندهای ایمنی خود را می بستند.

در حالی که کمربندهای ایمنی می توانند در ایجاد آسیب های جدی یا مرگ نقش داشته باشند، تقریبا تمامی کارشناسان ایمنی اتفاق نظر دارند محکم کردن کمربندهای ایمنی شانس فرد را برای زنده ماندن در یک سانحه افزایش می دهد. باتوجه به NHTSA کمربندهای ایمنی خطر مرگ را برای ساکن صندلی جلوی ماشین تا 50% کاهش می دهد.

چگونه یک قطعه می تواند فرق بین مرگ و زندگی را تعیین کند؟ درحقیقت آن چگونه کار می کند؟ این امور متحیر کننده هستند. در این مقاله تکنولوژی کمربندهای ایمنی تشریح شده است تا دریابیم که چرا به عنوان یکی از حیاتی ترین تکنولوژی های به کار رفته در خودرو محسوب می شود.

ایده ی بنیادی و ساده ی کمربند ایمنی عبارتست از محافظت فرد از برخورد با شیشه ی جلوی اتومبیل و داشبورد درهنگامی که اتومبیل به طور ناگهانی توقف می کند. اما در ابتدای امر این چگونه اتفاق می افتد؟ مختصرا به دلیل وجود اینرسی!

اینرسی خاصیتی است که طبق آن جسم ساکن تمایل به سکون و جسم متحرک تمایل به ادامه ی حرکت در مسیر حرکت خود دارد تا زمانی که نیروی دیگری برخلاف این حرکت به جسم وارد شود. به عبارت دیگر اینرسی مقاومت هر جسمی است در برابر تغییر سرعت و جهت حرکت آن. اجسام به طور طبیعی تمایل به حفظ حالت و وضعیت خود دارند.

اگر اتومبیلی درحال حرکت باسرعت 50مایل در ساعت باشد اینرسی تمایل به حفظ این وضعیت و حرکت ماشین با سرعت50mph در مسیر معینی دارد. مقاومت هوا و اصطکاک جاده پیوسته در حال کاهش سرعت و مقاومت در برابر حرکت آن هستند اما نیروی موتور این فقدان انرژی راجبران می کند.

هرچیزی که داخل اتومبیل موجود است چه راننده و چه مسافرها اینرسی مخصوص خود را دارندکه متفاوت از اینرسی خود ماشین است. اتومبیل به افراد داخل اتاقک شتابی می دهد تا همراه با سرعت آن حرکت کنند. تصور کنید زمانی را که شما با سرعت ثابت 50mph اتومبیل را میرانید سرعت شما و سرعت خودرو تقریبا باهم برابرند بنابراین خود و اتومبیل را به عنوان یک واحد منفرد در حال حرکت می یابید.

اما هنگامی که خودرو در حال برخورد با تیر تلفن می باشد این امر واضح است که اینرسی فرد و خودرو کاملا از هم مستقل هستند. نیروی تیر موجب توقف ناگهانی اتومبیل می شود اما سرعت فرد به همان اندازه باقی می ماند. بدون یک کمربند ایمنی فرد با سرعت 50mph به فرمان ماشین کوبیده شده و یا با همین سرعت به سمت شیشه ی جلوی ماشین پرتاب می شود. به محض اینکه تیر در برابر حرکت خودرو مقاومت کند داشبورد یا شیشه ی جلو یا جاده با اعمال نیروی عظیمی موجب توقف فرد می شود.

شاید چندان اهمیتی نداشته باشد که در یک برخورد چه اتفاقی رخ می دهد شیئی با اعمال نیرویی به فرد موجب توقف او می شود. اما بسته به جا و چگونگی به کاربستن این نیرو ممکن است فرد کشته شده یا از حادثه بدون هیچ صدمه ای نجات یابد.

اگر فرد با سر به شیشه ی جلوی اتومبیل اصابت کند نیروی مقاوم در یکی از آسیب پذیرترین اعضای بدن شخص متمرکز می شود. همچنین به دلیل اینکه شیشه سطح بسیار سختی است فرد را سریعا متوقف می کند. این امر می تواند به آسانی موجب مرگ شخص شده یا جراحات شدیدی بر او وارد کند.

یک کمربند ایمنی نیروی بازدارنده را در اعضای تنومندتر بدن فرد درمدت زمان بیشتری به کار می بندد.

تا اینجا دیدیم که هرگاه اتومبیل توقف ناگهانی داشته باشد مسافر آن نیز به طور ناگهانی متوقف می شود. کار یک کمربند ایمنی گسترش دادن و پخش کردن نیروی بازدارنده بر روی بخش های تنومندتر بدن است تا بدین طریق صدمات وارده کاهش یابند.

از انواع کمربندهای ایمنی می توان دو نوع کمربندی که روی شکم قرار می گیرد (lap belt) و کمربندی که روی شانه ها می افتد (shoulder belt) را نام برد. نوع lap belt متکی بر لگن فرد است و نوع shoulder belt بر روی قفسه ی سینه ی شخص بسته می شود. قسمت هایی از این کمربندها محکم به چارچوب اتومبیل متصل شده اند تا بتوانند مسافرین را در صندلی های خود به طور موثر نگه دارند.

هنگامی که کمربندها به درستی بسته شده اند آنها بیشتر نیروی بازدارنده را به قفسه ی سینه و لگن فرد -که از اعضای نسبتا محکم بدن هستند- اعمال می کنند. چون کمربندها در قسمت وسیعی از بدن توسعه می یابند نیرو در یک سطح کوچک متمرکز نمی شود بنابراین آسیب چندانی ایجاد نمی کنند. به علاوه نوارهای کمربند ایمنی از مواد انعطاف پذیری نسبت به داشبورد و شیشه ی اتومبیل ساخته شده اند که کمی کشیده شده و موجب می شوند توقف خیلی ناگهانی نباشد. یک کمربند ایمنی نباید بیشتر از یک مقدار کشیده شود چون دراین صورت ممکن است فرد با فرمان یا شیشه ی کناری برخورد کند. کمربندهای ایمنی به فرد اجازه می دهند تنها اندکی به سمت جلو حرکت کند.

نواحی ضربه گیر (crumple zones) خودرو کار آهسته کردن ضربه را برعهده دارند. این نواحی مناطقی در جلو و عقب خودرو هستند که نسبتا آسان مچاله می شوند. به جای اینکه تمام قسمت های ماشین در یک توقف ناگهانی - در زمان برخورد به مانع - نقش داشته باشند نواحی ضربه گیر قسمتی از نیروی ضربه ای را با پهن کردن و گسترش دادن جذب می کنند همانند یک قوطی خالی نوشابه.

کابین خودرو نسبتا محکم است بنابراین در اطراف مسافرین فرو نمی ریزد و با فشرده شدن قسمت جلو، ماشین در مقابل مانع به حرکت خود ادامه می دهد. البته نواحی ضربه گیر تنها زمانی از فرد محافظت می کنند که فرد همراه کابین حرکت کند یعنی به شرطی که شخص با بستن کمربند ایمنی کاملا ایمن شده باشد.

ساده ترین نوع کمربند ایمنی در ترن های هوایی یافت می شود که شامل یک نوار چفت شده به بدنه ی وسیله می باشد. این کمربندها فرد را همواره سفت و محکم بر روی صندلی نگه می دارند که بسیار ایمن اما نه چندان راحت هستند.

کمربندهای ایمنی اتومبیل ها قابلیت باز و بسته شدن را دارند به طوریکه فرد می تواند به راحتی به جلو خم شود در حالی که کمربند بسته شده است. اما در زمان برخورد کمربند به طور ناگهانی خیلی سفت می شود و فرد را در جایش نگه می دارد.

در یک سیستم کمربند ایمنی نوار کمربند به یک مکانیزم جمع کننده (retractor mechanism) متصل شده است. عنصر مرکزی در جمع کننده یک قرقره است که بسته به انتهای نوار است. درون جمع کننده یک فنر نیروی دورانی یا گشتاور را به یک قرقره اعمال می کند. این عمل باعث چرخیدن قرقره می شود که آن نیز به لقی نوار پایان می دهد.

یک فنر مارپیچ قرقره را به چرخش در می آورد تا نوار را سفت نگه دارد.

هنگامی که فرد نوار را بیرون می کشد قرقره پادساعتگرد می چرخد. در نتیجه فنر الحاق شده را در همان جهت به چرخش در می آورد. فنر می خواهد به شکل اصلی خود بازگردد بنابراین با این حرکت مارپیچی مخالفت می کند. اگر فرد نوار را آزاد کند فنر بسته خواهد شد در حالی که موجب چرخش پادساعتگرد قرقره می شود تا زمانی که هیچ گیری در حرکت کمربند وجود نداشته باشد.

جمع کننده مکانیزم قفل شونده ای دارد که در زمان درگیری اتومبیل با مانع جلوی چرخیدن قرقره را می گیرد. امروزه دو نوع سیستم قفل شونده متداول وجود دارد:

· سیستم های تحریک شونده توسط حرکت ماشین
· سیستم های تحریک شونده توسط حرکت کمربند

سیستم نوع اول زمانی که اتومبیل خیلی سریع کاهش سرعت می دهد (مانند زمانی که به چیزی برخورد می کند) قرقره را قفل می کند. تصویر زیر ساده ترین نمونه ی این طرح را نمایش می دهد:

عنصر اصلی در این مکانیزم یک آونگ سنگین است. هنگامی که خودرو به طور ناگهانی توقف می کند اینرسی سبب می شود آونگ شروع به تاب خوردن به سمت جلو کند. شیطانک موجود در انتهای دیگر دستگیره ی آونگ دندانه ی چرخدنده ی متصل به قرقره را نگه میدارد. شیطانک با گیردادن یکی از دنده هایش اجازه نمی دهد چرخدنده ساعتگرد بچرخد. در نتیجه قرقره ی متصل به آن نیز نمی تواند چرخش کند. هنگامی که نوار دوباره بعد از تصادف شل می شود دنده ساعتگرد چرخیده و شیطانک از قید رها می شود.

هنگامی که چیزی تکانی سریع به نوار کمربند می دهد سیستم قفل نوع دوم قرقره را قفل می کند. سرعت چرخش قرقره نیروی محرک در بیشتر طرح ها را تشکیل می دهد. تصویر روبرو یک ترکیب رایج را نشان می دهد.

عنصر اصلی در این طرح یک کلاچ گریز از مرکز - اهرم دوار سنگین نصب شده در قرقره ی در حال چرخش - است. هنگامی که قرقره به آرامی می چرخد اهرم اصلا چرخشی ندارد. که یک فنر آن را در وضعیتش نگه می دارد. اما زمانی که چیزی تکان شدید و ناگهانی را به نوار منتقل می کند با چرخش سریع تر قرقره نیروی گریز از مرکز انتهای سنگین اهرم را به سمت خارج می راند.

اهرم گسترده شده یک قطعه بادامک نصب شده روی محفظه ی جمع کننده را هل می دهد. بادامک به وسیله ی یک پین متحرک به شیطانک دوار متصل شده است. به محض تغییر جهت بادامک به سمت چپ پین در راستای شیار موجود در شیطانک حرکت می کند این موجب می شود که شیطانک به سمت دندانه ی چرخدنده ی متصل به قرقره کشیده شود. شیطانک به دندانه ی چرخ دنده چفت می شود و مانع چرخش ساعتگرد می شود.

در برخی سیستم های جدید کمربند ایمنی از پیش کشنده برای سفت کردن نوار استفاده می شود. در بخش بعد کار این دستگاه را نشان خواهیم داد.

پیش کشنده برای سفت کردن لقی موجود در نوار کمربند در تصادفات است. مکانیزم قفل متداول در یک جمع کننده کمربند را از گسترده شدن بیشتر بازمیدارد یعنی آن را متوقف می کند. پیش کشنده به مسافر کمک می کند تا درحد مطلوبی در زمان برخورد در صندلی حرکت کند. معمولاپیش کشنده ها با مکانیزم های قفل متداول و قراردادی با یکدیگر ودر کنار هم کار می کنند-نه به جای یکدیگر.

تعدادی از سیستم های پیش کشنده متفاوت در بازار موجود است. برخی از آنها کل مکانیزم جمع کننده را به سمت عقب می کشند درحالی که برخی دیگر قرقره را به چرخش درمی آورند. در مجموع پیش کشنده ها به پردازنده ی کنترل مرکزی یکسانی سیم کشی شده اند که کیسه ی هوای اتومبیل را فعال می سازد. پردازنده حس گرهای الکترونیکی یا مکانیکی حرکت که نسبت به کاهش سرعت ناگهانی ناشی از ضربه واکنش نشان می دهند را بررسی می کند. هنگامی که یک ضربه کشف می شود پردازنده پیش کشنده و سپس کیسه ی هوا را فعال می کند.

برخی از پیش کشنده ها با موتورهای الکتریکی یا سولنوئیدی ساخته شده اند اما امروزه در طرح های رایج از مواد آتش زا در متوقف ساختن نوار کمربند استفاده می شود. تصویر زیر یک مدل نمونه را نشان می دهد.

هنگامی که گاز مشتعل می شود فشار ناشی پیستون را به سمت بالا حل می دهد که موجب چرخاندن جمع کننده می شود

عنصر مرکزی موجود در این پیش کشنده یک محفظه ی حاوی گاز اشتعال پذیر است. در این محفظه یک محفظه ی کوچک تر با چاشنی ماده ی محترقه وجود دارد. محفظه ی کوچک تر به دو الکترود که به پردازنده ی مرکزی توسط سیم وصل شده اند تجهیز شده است.

زمانی که پردازنده یک ضربه را شناسایی می کند سریعا یک جریان الکتریکی را به الکترودها اعمال می کند. جرقه ی ناشی از الکترودها چاشنی را مشتعل میسازد که با سوختن آن گاز داخل محفظه نیز مشتعل می شود. گاز محترقه مقدار زیادی فشار خارجی تولید می کند. فشار با وارد کردن نیرو به پیستون قرار گرفته در محفظه سبب بالا رفتن پیستون با سرعت بالایی می شود.

یک دندانه از چرخدنده به یک طرف پیستون بسته شده است. زمانی که پیستون بالا می رود دندانه یک دنده ی مربوط به مکانیزم قرقره ی جمع کننده را به کار می گیرد. چرخدنده ی سرعت گرفته به طور موثر قرقره را می چرخاند که هرگونه لقی موجود در نوار کمربند را از بین می برد.

در تصادفات شدید هنگامی که یک اتومبیل باسرعت بسیار بالایی به مانعی برخورد می کند یک کمربند ایمنی می تواند خسارات جدی وارد آورد. به محض افزایش سرعت اینرسی مسافر یک نیروی عظیم تری برای متوقف ساختن مسافر به کار گرفته می شود. به عبارت دیگر هرچه با سرعت و شدت بیشتری به مانع برخورد شود کمربند ایمنی بیشتر و شدیدتر به فرد نیرو وارد می کند تا فرد را از حرکت متوقف سازد.

برخی از سیستم های کمربند ایمنی از محدودکننده های فشار برای کاستن خسارات ناشی از کمربند استفاده می کنند. ایده ی اساسی آنها عبارت است از آزادکردن مقدار کمی بیشتر نوار کمربند در مواقعی که نیروی عظیمی به کمربند اعمال می شود. ساده ترین محدود کننده ی فشار چین دوخته شده به نوار کمربند است. کوک های نگه دارنده ی چین در مکانش برای زمانی طراحی شده اند که نیروی زیادی به کمربند اعمال می شود. هنگامی که کوک ها شکافته می شوند نوار باز شده و به کمربند اجازه ی گسترش یافتن در حد کمی بیشتر داده می شود.

محدودکننده های پیشرفته تر به یک نوار پیچ خورده در مکانیزم جمع کننده متکی هستند. این نوار پیج خورده تنها یک طولی از ماده ی فلزی است که وقتی نیروی کافی به آن اعمال شود بسته خواهد شد. در یک محدودکننده ی فشار یک سر نوار پیچیده شده به مکانیزم قفل و سر دیگر آن به قرقره ی دوار متصل شده است. در تصادفات با شدت کمتر این نوار شکل و ساختار خود را حفظ می کند و قرقره توسط مکانیزم قفل، قفل می شود (از حرکت بازمی ایستد). اما زمانی که نیروی بسیار شدیدی به نوار کمربند اعمال می شود (و در نتیجه به قرقره) نوار پیچیده شده کمی بسته خواهد شد. این امر موجب می شود که نوار کمربند به مقدار کمی بیشتر بسته شود.

در طول سال ها اثبات شده که کمربندهای ایمنی مهم ترین وسیله ی ایمنی در اتومبیل ها و کامیون ها هستند. البته آنها به هیچ وجه مصون از خطا نیستند. مهندسان ایمنی خودرو معتقد هستند در طرح های امروزی جای بسی پیشرفت و توسعه وجود دارد. در آینده خودروها با کمربندها و کیسه های هوای بهتری و احتمالا با تکنولوژی های ایمنی جدید تجهیز خواهند شد. البته دولت ها هنوز با بزرگ ترین مشکل وسایل ایمنی یعنی توجیه مردم برای استفاده ی آنها روبرو هستند. 

منبع انگلیسی: http://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/seatbelt.htm
منبع فارسی: http://www.parsikhodro.com/safety/11.htm