مقالات خودرو : فنی : کمربند ایمنی چگونه کار می کند؟!

کمربند ایمنی چگونه کار می کند؟!

بنابر یک گزارش تحقیقی از سازمان ملی ایمنی و ترافیک بزرگراه های آمریکا (NHTSA)، کمربند های ایمنی سالانه باعث نجات جان حدود 13000 نفر در ایالات متحده آمریکا می گردند. گذشته از این NHTSA  تخمین میزند در صورتی که قربانیان کمربند ایمنی خودرا می بستند  مرگ حداقل 7000  نفر از آنان قابل اجتناب بود. با وجود اینکه کمربند های ایمنی برخی مواقع  در جراحات جدی و حتی مرگ سرنشینان نقش دارند، تقریبا همه کارشناسان بر این باورند که بستن کمربند ایمنی شانس شما را در زنده ماندن در یک تصادف رانندگی به طور چشمگیری  افزایش می دهد. طبق گفته NHTSA ، بستن کمربند ایمنی احتمال کشته شدن سرنشین صندلی جلو را در حدود 50 درصد کاهش می دهد. وقتی که به آن فکر کنید این موضوع که چگونه یک تکه پارچه مرز مرگ و زندگی شمارا مشخص می‌کند، باعث شگفتی شما خواهد شد. واقعا کمربند ایمنی چگونه کار می کند؟ در  این مقاله ما تکنولوژی کمربند ایمنی را به عنوان یکی از مهمترین فناوری های مورد استفاده در خودروها بررسی خواهیم کرد.

مفهوم تصادم (Crashing Concept)

ایده ابتدائی در مورد کمربند ایمنی بسیار ساده است: شمارا از برخورد با شیشه جلو یا داشبورد در اثر توقف ناگهانی خودرو حفظ می کند. اولین سوالی که در اینجا مطرح می‌شود این است که چرا چنین اتفاقی رخ میدهد؟ و  در جواب آن به طور خیلی خلاصه میتوان گفت به دلیل پدیده اینرسی (لختی). اینرسی عبارت است از تمایل اشیاء برای حفظ حرکت زمانی که عامل دیگری بخواهد جلوی این حرکت را بگیرد. به بیان دیگر اینرسی مقاومت اشیاء در مقابل تغیییر سرعت و جهت حرکتشان می‌باشد. اگر یک خودرو با سرعت 80 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت باشد، اینرسی تلاش می کند که این سرعت را در همان جهت حفظ کند. مقاومت هوا و اصطکاک با جاده دائما در حال کاستن از این سرعت هستند، اما قدرت موتور این افت و از دست رفتن انرژی را جبران می کند. هر آنچه که در داخل خودرو است، از جمله راننده و سرنشینان، اینرسی خود را دارند که با اینرسی خودرو متفاوت است. خودرو، سرعت سرنشینانش را به سرعت خودش می رساند. تصور کنید که در حال رانندگی با سرعت ثابت 80کیلومتر بر ساعت هستید. به دلیل آنکه سرعت شما و خودرویتان کاملا برابر است ، بنابراین اینگونه احساس خواهید کرد که با خودرویتان مانند یک جسم واحد در حال حرکت هستید. اما اگر خودرو در حال برخورد با یک کیوسک تلفن باشد، واضح خواهد بود که اینرسی شما و خودرو کاملا مستقل از هم می باشند. نیروی کیوسک باعث توقف ناگهانی خودرو خواهد شد، اما سرعت شما در همان حد قبلی باقی خواهد ماند.

بدون کمربند ایمنی، شما با سرعت 80 کیلومتر بر ساعت یا به فرمان برخورد می کنید یا با همین سرعت از شیشه جلو به بیرون پرتاب خواهید شد. همانطوری که کیوسک تلفن سرعت خودرو را کاهش می دهد، داشبورد،شیشه جلو و جاده با اعمال مقدار  قابل ملاحظه ای نیرو سرعت شما را کاهش خواهند داد. مهم نیست در یک تصادف چه اتفاقی رخ می دهد، همواره عاملی وجود خواهد داشت که تمایل به اعمال نیرو بر شما برای کاهش سرعتتان دارد. اما بسته به اینکه این نیرو در کجا و چگونه اعمال شود، ممکن است باعث مرگتان شود و یا حتی بدون کوچکترین خراشی از خودرو بیرون بیایید و به راه خود ادامه دهید! اگر شما با سر به شیشه جلو برخورد کنید، نیروی نگهدارنده بر یکی از آسیب پذیرترین قسمت های بدنتان متمرکز خواهد شد. به دلیل اینکه شیشه سطحی سخت است، این نیرو باعث توقف بسیار سریع شما خواهد شد؛ این اتفاق می‌تواند به راحتی شما را بکشد یا شدیدا مصدوم کند. کمربند ایمنی نیروی متوقف کننده را در طی زمانی طولانی تر به قسمتهایی از بدن که حد تحمل بالاتری دارنداعمال می‌کند. 

گرفتن ضربه (Taking a Hit)

در قسمت قبل متوجه شدیم  که  هر زمان خودرو مجبور به توقف ناگهانی شود، سرنشین هم به همین منوال متوقف خواهد شد. وظیفه کمربند ایمنی توزیع نیروی متوقف کننده در  قوی ترین قسمتهای بدن به منظور کاهش آسیب وارده می‌باشد. کمربند ایمنی از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: کمربند پهلویی که لگن خاصره شما را در بر می گیرد و کمربند شانه ای که بر روی سینه شما کشیده می شود. هر دو قسمت کمربند به سختی به بدنه خودرو  محکم شده اند تا سرنشینان را در صندلی های خود نگه دارند. هنگامی که کمربند به درستی بسته شود، بیشترین میزان نیروی متوقف کننده به قفسه سینه و لگن خاصره، که نسبتا قویترین قسمت های بدن هستند، اعمال می‌شود. به دلیل اینکه کمربند قسمت های وسیعی از بدن شما را در بر می‌گیرد، نیرو دیگر در یک منطقه کوچک متمرکز نمی گردد، بنابر این دیگر نمی تواند صدمات زیادی به بدن شما وارد کند. مضاف بر این، کمربند از موادی بسیار انعطاف پذیرتر از داشبورد و شیشه جلو ساخته شده است. این نوع ساختار باعث می شود که کمربند کمی کش بیاید که مفهوم آن عدم توقف ناگهانی خواهد بود. کمربند ایمنی نباید بیش از نیاز، به سرنشین آزادی حرکت دهد؛ چرا که در این صورت امکان برخورد شما به فرمان یا شیشه کناری وجود دارد. یک کمربند ایمن به شما اجازه حرکتی مختصر رو به جلو می دهد. نقاط شکست خودرو وظیفه اصلی را در کاستن و تضعیف اثر نیرو برعهده دارند. نقاط شکست، به قسمت هایی از جلو و عقب خودرو گفته می‌شود که نسبتا به راحتی تخریب می شوند. به جای اینکه کل بدنه خودرو ضربه حاصل از برخورد را تحمل کند، نقاط شکست مقداری از نیروی ضربه را از طریق تغییر شکل و مسطح شدن، مانند له شدن یک قوطی نوشابه خالی،  جذب می‌کنند. کابین خودرو بسیار مقاوم تر است؛ بنابراین مچاله نمی شود و بعد از برخورد به طور مختصر به حرکت خود ادامه می دهد تا اینکه جلوی خودرو در اثر برخورد با مانع له شود. البته نقاط شکست تنها زمانی از شما  محافظت می کنند که شما هم همراه کابین خودرو در حال حرکت باشید! این بدین معنی است که شما در صندلیتان با کمربند ایمنی محافظت شده باشید. ساده ترین نوع کمربند های ایمنی در ترن های هوایی وجود دارند که در حقیقت یک بند بافته شده هستند که به بدنه قطار پیچ شده اند. این کمربندها در حین سواری شما را در صندلی نگه می دارند. این کمربندها در عین حال که بسیار ایمن هستند اما راحت نمی باشند. کمربندهای مورد استفاده در خودروها قابلیت کش آمدن و جمع شدن را دارند؛ بدین ترتیب، شما می توانید به سمت جلو خم شوید در حالی که کمربند محکم در جای خود بسته شده است.  اما به محض برخورد با مانع، کمربند به طور ناگهانی محکم شده و شما را در سر جایتان نگه می دارد.

گسترش و پس کشیدن  (Extend and Retract)

در کمربندهای متداول، قسمت بافت یا بدنه اصلی کمربند به یک مکانیزم جمع کننده متصل شده است. عضو اصلی پس کشنده، یک قرقره است که به انتهای قسمت بافت کمربند متصل است. در داخل پس کشنده، یک فنر نیروی چرخشی لازم را به قرقره وارد می‌کند. بدین ترتیب قرقره بخش های شل شده کمربند را مجددا جمع می‌کند. هنگامی که شما کمربند را رو به بیرون می کشید، قرقره در خلاف جهت عقربه های ساعت شروع به گردش می کند که همین امر باعث می‌شود فنر متصل شده نیز در همان جهت بچرخد. در واقع وظیفه قرقره جلوگیری از پیچش فنر است. چرا که فنر همواره می خواهد به شکل اصلی خود برگردد، بنابراین در برابر این حرکت پیچشی مقاومت می کند. هنگامی که شما کمربند را رها می‌کنید، فنر محکم می‌شود، بدین ترتیب قرقره در جهت عقربه های ساعت می چرخد تا قسمت های اضافی کمربند را جمع کند. پس کشنده مجهز به یک مکانیزم قفل کننده است که در صورت بروز تصادف، از چرخش قرقره جلوگیری می کند. امروزه دو نوع سیستم قفل کننده استفاده می‌شود: سیستمی که با حرکت خودرو فعال می‌شود و سیستمی که با حرکت کمربند فعال می‌شود. در سیستم اول هنگامی که سرعت خودرو به صورت ناگهانی و با شدت کاهش می‌یابد، قرقره قفل می‌شود (به عنوان مثال زمانی که خودرو با مانعی برخورد می کند). شکل زیر ساده‌ترین حالت این سیستم را نشان می‌دهد.

در این مکانیزم، جزء مرکزی عملگر، یک آونگ وزنی است. هنگامی که خودرو به صورت ناگهانی متوقف می‌شود، اینرسی باعث حرکت رو به جلوی آونگ می گردد. در این حالت، گیره ای که در انتهای دیگر آونگ قرار دارد، با یک چرخ ضامن دار دندانه دار که به قرقره متصل است، درگیر می‌شود؛ هنگامی که گیره با یکی از دندانه ها درگیر می‌شود، دنده نه می‌تواند در خلاف عقربه های ساعت حرکت کند و نه می تواند با قرقره در گیر شود. زمانی که کمربند بعد از تصادف مجددا شل و آزاد می شود، دنده در جهت مخالف می چرخد و گیره را آزاد می‌کند.

در سیستم دوم هنگامی که  که چیزی باعث کشش ناگهانی قسمت بافت کمربند شود، قرقره قفل می‌شود. در اکثر سیستم ها، چرخش قرقره نیروی فعال کننده به شمار می‌رود. جزء مر کزی عملگر در این سیستم،  یک کلاچ گریز از مرکز است، یک اهرم گردان وزنی که به قرقره چرخان وصل شده است. زمانی که قرقره به آرامی می چرخد، اهرم به هیچ عنوان تاب نمی‌خورد و یک فنر موقعیت آن را حفظ می کند. اما زمانی که چیزی باعث حرکت ناگهانی قسمت بافت کمربند و در نتیجه چرخش سریع قرقره می‌شود، نیروی گریز از مرکز قسمت باردار اهرم را به سمت بیرون می‌راند. اهرم باز شده، قسمت دندانه دار را که به محفظه پس کشنده مونتاژ شده است، هل می‌دهد. بادامک توسط یک پین به یک گیره گردان متصل شده است. هنگامی که بادامک به سمت چپ متمایل می‌شود، پین در امتداد یکی از  شیارهای گیره حرکت می کند. این عمل باعث می شود که گیره به سمت ضامن چرخان متصل به قرقره کشیده شود. گیره در دندانه های دنده قفل می شود و از چرخش آن در خلاف جهت عقربه های ساعت جلوگیری می کند.

پیش کشنده  (The Pretensioner)

وظیفه اصلی پیش کشنده، سفت کردن و رفع هرگونه شلی در قسمت بافت کمربند در زمان تصادف است. در حالی که مکانیزم های معمولی مورد استفاده در پس کشنده جهت قفل کردن کمربند، از کش آمدن بیش از اندازه کمربند جلوگیری می کنند، پیش کشنده با ایجاد کشش باعث می شود که سرنشین در حین تصادف در مناسب ترین وضعیت در صندلیش قرار بگیرد. پیش کشندها معمولا همراه بامکانیزم های قفل کنندگی معمولی کار می کنند نه به عنوان جانشین آن‌ها. سیستم های پیش کشنده متفاوتی در بازار وجود دارد. بعضی از آنها کل مکانیزم پس کشنده را به سمت عقب می کشند و برخی دیگر خود قرقره را می چرخانند.  عموما پیش کشنده ها به سیستم فعال کننده کیسه های هوا مرتبط هستند. پردازنده با کنترل سنسورهای حرکتی مکانیکی و الکترونیکی، به هرگونه کاهش ناگهانی سرعت در اثر برخورد واکنش نشان می دهد. هنگامی که برخورد تشخیص داده شد، پردازنده پیش کشنده و سپس کیسه هوا را فعال می کند. بعضی از پیش کشنده ها با استفاده از موتور های الکترونیکی یا سلونوئیدی ساخته می شوند، اما در حال حاضراین سیستم ها بیشتر بر اساس استفاده از  pyrotechnic طراحی می‌شوند. قسمت اصلی در این نوع پیش کشنده ها، یک محفظه برای گاز قابل اشتعال است. در داخل محفظه، محفظه کوچکتری قرار دارد که محتوی ماده انفجاری است. این محفظه کوچکتر با دو الکترود که به پردازنده مرکزی مرتبط هستند، تجهیز شده است. وقتی که پردازنده ضربه را تشخیص می‌دهد، فورا از طریق الکترودها یک جریان الکتریکی اعمال می کند که نهایتا باعث انفجار گاز در محفظه احتراق می‌گردد. فشار ایجاد شده به کمک مکانیزم های مکانیکی تعبیه شده، باعث چرخش سریع قرقره شده و هرنوع شل شدگی در کمربند را رفع می کند.

محدود کننده های بار (Load Limiters)

در تصادفات شدید، هنگامی که خودرو با سرعت بسیار بالا با مانعی برخورد می کند، کمربند ایمنی می تواند سبب ایجاد آسیب های شدیدی شود. در این حالت به دلیل افزایش نیروی اینرسی سرنشین، نیروی بیشتری نیز برای مهار سرعت سرنشین نیاز می‌باشد. به بیان دیگر هرچه با سرعت بیشتری به مانع برخورد کنید، کمربند نیروی بیشتری به شما وارد می کند. برخی از سیستم های کمربند ایمنی با استفاده از محدود کننده های بار به دنبال کاهش جراحات ناشی از کمربند هستند. ایده اصلی این سیستم، آزاد کردن مقداری از قسمت بافت کمربند، هنگامی که مقدار زیادی نیرو به کمربند وارد می شود، می‌باشد. ساده ترین محدود کننده بار، نواری است که به کمربند دوخته شده است. دوخت هایی که نوار را نگه می دارند طوری طراحی شده اند که بر اثر اعمال میزان مشخصی از نیرو پاره شده و باعث گسترش بیشتر کمربند می شوند. در مدل های پیشرفته تر از یک میله پیچشی در ساختار پس کشنده استفاده می‌شود. میله پیچشی میله ای فلزی است که وقتی به آن نیروی کافی اعمال شود دچار پیچش می شود. در سیستم محدود کننده بار، میله پیچشی از یک سو به مکانیزم قفل کننده متصل است و از سمت دیگر به قرقره چرخان. در تصادفات نه چندان شدید، میله پیچشی شکل خود را حفظ می کند و قرقره توسط مکانیزم قفل کننده قفل می‌شود. اما زمانی که نیروی بیشتری اعمال می‌شود، میله پیچشی دچار پیچش شده و به کمربند اجازه می دهد که کمی بیشتر باز شود. در طی سالها کمربند ایمنی به عنوان مهمترین وسیله ایمنی در ماشین ها و کامیون ها شناخته شده است. با این وجود، کمربندهای ایمنی نیز، گاهی دچار نقصان می‌شوند و به همین دلیل مهندسان جای زیادی  برای بهبود طراحی و عملکرد آنها می بینند. در آینده خودرو ها به کمربندها،  کیسه های هوا و به احتمال زیاد به تکنولوژی های جدید ایمنی مجهز خواهند شد. با این وجود، دولت ها همچنان با بزرگترین مشکل یعنی اجبار مردم به استفاده از این سیستم ها دست و پنجه نرم می ‌کنند.