Hur fungerar Krockkuddar? Kurs: Vetenskapsmetodik inom teknikområdet CT3620 Arbete utfört av: Misagh Moghadasi (mmi99001@student.mdh.se) Handledare: Gordana Dodig Crnkovic 1
Sammanfattning Hur fungerar Krockkuddar i bilar? Krockkudde eller Airbag som det heter på Engelska är en uppblåsbar säkerhetesanordning som monteras i bilar. Det ska främst skydda föraren och passageraren i framsätet men på vissa bilar monteras det även krockkuddar till passagerarna som sitter bak i bilen. Krockkuddar skyddar vid frontalkollisioner och fungerar bäst om man använder det tillsammans med bilbältet. Krockkudden placeras vanligen i rattstången eller i instrumentbrädan. Krockkuddesystemet består av en uppbuppblåsbar kudde (nylonkudde), anordningen som blåser upp kudden med nitrogengas och små sensorer som kan känna av plötsliga hastighetsmiskningar. Dessa sensorer är accelerometrar i mikorsensorformat som används för att detektera de kraftiga hastighetsändringarna som uppstår vid en krock. Vid en frontalkrock känner en sensor av kollisionen och om det överstiger det värde som krävs för att utlösa krockkudden sänder sensorn en elektrisk signal till en kapsel som är fylld med natriumsyrapulver, denna pulver förvandlas genast till nitrogengas som fyller nylon- -kudden på 30 millisekunder och utlöser kudden som skyddar huvudet, nacken och axlarna. Inom en sekund efter utlösandet börjar krockkudden att minska i volym. Krockkudde tillsammans med användning av bilbälte minskar uppemot 40-55% av skador på förare och passagerare. Skador som kan leda till döden. 2
Innehållsförteckningar Sammanfattning... 2 Innehållsförteckningar... 3 1.Inledning... 4 2.Historia... 4 2.1 Tidiga Krockkuddar... 4 3.Krockkuddens princip... 5 3.1Accelerometrar... 5 4.Teknisk förklaring... 5 5.Tids perpektiv vid krockkuddens utlösning... 7 6.Problem med krockkuddar... 8 7.Krockkuddens säkerhet... 8 8.Utveckling och framtida Krockkuddar... 9 8.1Nyaste teknologin inom Krockkuddar... 9 9.Slutsatser... 10 10.Referenscer... 11 10.1Böcker... 11 10.2Artiklar... 11 10.3Internet... 11 11.Bilaga... 12 3
1 Inledning Innan krockkudden kom var bilbältet den väsentliga orsaken till minskade skador vid kollisioner mellan bilar. Det har räddat hundratusentals liv under åren. Tanken på att slå emot en mjuk kudde vid kollision var väldigt attraktiv och tester började göras. Användning av bilbälte och krockkuddar medförde noggranna säkerhetsmätningar i form av avstånd och människors fysik. krockkudden började konstrueras och den väsentliga delen i hela anordningen skulle visa sig vara mikrosensorer. 2 Historia Själva ide en med en uppblåsbar kudde hade en lång utvecklingshistoria bakom sig, från att under andra världskriget användas som en kraschlandningssanordning som skulle ge skydd till piloterna tills den amerikanska kommunikationsdepartmentet påkallade att anordningen skulle anpassas till bilar under 1980-talet. Det var under denna årtionde som den första kommersiella krockkudden monterades i bilar. De krockkuddar som togs fram då var bara avsedda att skydda vid frontalkollistioner. 2.1 Tidiga krockkuddar De tidiga försöken med krockkuddar i bilar hade två stora problem: Kostnad Teknisk kunskap Konstruktörernas största problem var den tekniska kunskapen angående förvaring och frigörandet av den komprimerade (ihoppressade) gasen. Fyra stora delmoment i detta område var: Fanns det plats nog för gaslådan i bilen? Hur kudden skulle utformas för att snabbt kunna expandera. Kuddens temperaturkänslighet. Hur man skulle utforma kudden för att den inte skulle explodera och ge av sig ett örönbedövande ljud. 4
3 Krockkuddens princip När en bil färdas har den en s.k. momentanhastighet 1. Om inte en utomstående kraft hindrar denna hastighet bibehåller bilen och dess innehåll (passagerare) denna strävan att gå framåt. När då en bil krockar så upphör bilens momentanhastighet men inte passagerarnas. Det krävs en stor kraft för att stoppa en bil som färdas och det är denna kraft som påverkar passagerarna. I den korta tiden som finns att jobba för passagerarnas säkerhet vill en krockkudde sakta ner en passagerares hastighet till nästan obefintlig nivå utan att skada passageraren. 3.1 Accelerometrar Accelerometern används främst för att mäta acceleration men den kan även mäta vinklar och rörelsen. Alla accelerometrar består av en seismisk massa och en tröghets massa som är upphängd i en fjäder och har en dämpning. En kraft (F) kommer att påverka massan (m) då sensorn accelereras med en acceleration (a) enligt Newtons andra lag (F = ma). Accelerometern som sensor mäter (a) genom att mäta kraften som verkar på massan (m), kraften (F) mäts på olika sätt (piezoresistivt, kapacitivit, optiskt., osv). 4 Teknisk förklaring Krockkudden består av tre huvuddelar: Kudden som är av nylonmaterial och monteras i rattstången eller i instrumentbrädan eller som på senare tid i dörrar (sidokrockkuddar). Sensorn som signalerar åt kudden att expandera. Expanderingen sker då kollisionskraften är över 16-24 km/h. Det är en mekanisk switch som slår om och skickar en signal till sensorerna att en kollision har uppstått. Sensorerna får denna information från en accelerometer inbyggt i en mikrochip. Accelerometrarna som utlöser dagens krockkuddar kommer förmodligen även att kompletteras med gyron som känner av en rullning, vid t.ex avåkning [Andersson och Winkler 2000]. Sensorerna som fått information från accelerometrarna skickar vidare en signal till den s.k expanderarsystemet. Det är denna mekaniskm som får kudden att blåsa upp eller expandera. 1 Momentanhastighet är produkten av massan och hastigheten av en objekt 5
Figur 1. Översiktbild över krockkuddesystemet När nitrogengasen skickas in i kudden expanderar den på 30 millisekunder för att sedan nästan lika snabbt minska i volym för att passageraren skall kunna komma loss. Figur 2. Översiktbild av vad som händer vid en kollistion 6
Expanderingssystemet låter natriumsyra reagera med kaliumnitrat för att producera nitrogengas. Denna reaktion skapar heta gnistor som får kudden att expandera i volym. Krockkuddesystemet antänder en fast bränsle som bränns snabbt och bildar en stor mängd gas som tränger in i kudden. Kudden blåses då upp i 322 km/h. Efter cirka en sekund sjunker kuddens volym då gasen försvinner genom små hål i kudden. Figur 3. Krockkuddens expanderingssystem 5 Tidsperpektiv vid krockkuddens utlösning Inom 15-20 ms efter kollisionen bestämmer kraschsensorerna om krockkudden skall utlösas eller ej. Inom 25 ms börjar krockkudden att utlösas och expandera snabbt. Inom 45 ms har airbagen expanderat till sin fulla volym medan passageraren fortfarande rör sig framåt. Inom 60 ms har passageraren stött mot krockkudden som genast börjar sjunka för passagerarens säkerhet. Inom 100 ms fortsätter passageraren att sjunka in mot kudden medan den samtidigt som den sjunker ger ett skydd mot huvudet, bröstkorgen och axlarna 7
6 Problem med krockkuddar Krockkuddar kan ibland utlösas när de inte är nödvändiga och detta kan skapa enorma problem för föraren att bibehålla kontroll, med stora skador som följd! Barnen kan råka illa ut eftersom de inte når upp längdmässigt till den minimumnivå som krävs för att krockkudden skall utlösas säkert, en 4-5 åring kan få allvarliga skallskador om han/hon utsätts för krockkuddens expandering. 7 Krockkuddens säkerhet Det finns en säkerhetsavstånd för krockkuddar. Denna avstånd är mellan föraren/passageraren och själva ratten och är på 5-8 cm. En förare/passagerare sitter vanligtsvis 25 cm ifrån ratten/instrumentbrädan och denna avstånd är altså en mycket säker avstånd. Denna avstånd kan nås på 3 olika sätt: Flytta förarsätet så långt bakåt som det går och samtidigt nå pedalerna (gas, kopling, broms) Flytta endast rygg och huvuddelen av förarsätet,på så vis kan underdelen av sätet vara långt fram. Om sikten blir dåligt kan man på vissa bilar använda säteshöjnings- -systemet för att kunna se bättre eller använda en extra kudde ovanför den befintliga nack och huvudstödet. På moderna bilar kan man flytta ratten upp eller ner, på så sätt kan man rikta airbagen mot bröstkorgen istället för huvudet. Barnens säkerhetsregler skiljer sig ifrån vuxnas och det finns 3 viktiga punkter för det: Barn under 12 år skall använda bilbältet i en korrekt installerad åldersbaserad framsäte. Barn under 1 år eller mindre än 9 kg skall aldrig sitta i bilbarnstol som är monterad på instrumentbrädan för passagerarsätet. Barn under 1 år kan sitta i bilbarnstol i passagerarsätet endast om stolen är riktad mot instrumentbrädan och flyttad så långt bak som möjligt. I början av 1998 fick verkstäder och bilåterförsäljare tillståndet att installera on/off switchar på krockkudden så att dem som av olika skäl ville, kunde avinstallera krockkudden tillfälligt. Detta kan endast göras för de personer som stämmer in enligt NHTA 2 :s krav. Bilproducenter får inte montera on/off switchar enligt NHTA. 2 NHTA = National highway traffic safety administraion (Amerikanska trafiksäkerhetsmyndigheten) 8
8 Utveckling och framtida krockkuddar Sedan 1998 är alla bilar försedda med krockkuddar på både förar och passagerarsätena. Eftersom 40% av alla allvarliga skador som uppstår vid kollissioner är resultatet av sidokrock och 30% av alla kollistioner sker från sidan har många biltillverkare börjat producera bilar med s.k. sidokrockkuddar. Effektiva Sidokrockkuddesystem är mycket svåra att konstruera jämfört med vanliga krockkuddar. Vid en kollision mellan bilar upptas den mesta av kraften av bilens framdel och motorn och det tar ca. 30-40 ms innan kraften når passageraren. Vid en kollission ifrån sidan är det endast dörren som står i vägen. Detta betyder att sidokrockkuddar måste utlösas inom 5-6 ms. Detta är ett område som ingenjörerna på de stora bilföretagen jobbar hårt på och i väntan på bästa lösningen har BMW tagit fram en modell där sidokudden är mycket större än den kudde som sitter i ratten, detta för att ge större avstånd mellan passagerare och kolliderande bil. Inom några år kommer bilarna att gå ifrån att ha två krockkuddar till att ha 6-9 krockkuddar! Figur 4. Sidokrockkudde Figur 5. Sidokrockkudde och frontkudde vid utlösning tillsammans 8.1 Nyaste teknologin inom krockkuddar Svenska Autoliv har ett krockkuddesystem med sensorer i sätena, dessa sensorer avgör hur stor personen är och ger därefter en signal till hur kraftigt kudden skall utlösas. Om personen uppfattas vara ett barn utlöses inte krockkudden. Säkerhetsföretaget Key safety systems i Detroit har tagit fram en airbag som kallas TickerTape airbag. Denna nya krockkudde har inbyggda sensorer som skyddar passagerare som antigen är för små för vanliga krockkuddar eller folk som inte alltid sitter rakt i bilsätena. Ide en är att sensorerna skall sitta som tejpremsor i kudden. Denna kudde hinner tack vare sensortejpen anpassa sig till just den person som sitter i stolen och dess position och kan på mindre än 10 ms avgöra vilken kraft som skall användas när kudden löses ut. Ticker tape airbag kallas systemet för att ide en med dessa sensorer som tejpremsor kommer från punktförsedda tejpremsor som används för att upptäcka rörelse vid fysiska instrument. Många Amerikanska biltillverkare har visat intresse för kudden eftersom man då slipper investera i dyra sensorer i framsätena. 9
9. Slutsatser Införandet av krockkuddar i bilar har haft ett fundamentalt betydelse för människors säkerhet vid bilfärd. Bilbältet har alltid varit det skydd som främst räddat liv och användningen av bilbälte tillsammans med airbag är det ultimata säkerhetslösningen för bilfärder. Krockkuddens utveckling har sedan andra världskriget gått enormt mycket framåt och de nya s.k. smarta-krockkuddarna är ett brett område som kan utvecklas ännu mer. Men det krävs enorma säkerhetsåtgärder från både passagerare och tillverkare för att airbagen skall hjälpa istället för att stjälpa! Passagerare måste ta hänsyn till de lagar som krockkuddestillverkare har och inte utsätta sig själva eller andra för fara. Allt eftersom den relativt nya teknologin med mikrosensorer går framåt så tror jag att vi inom några år kommer att ha väldigt smarta airbags i våra bilar. Krockkuddar som själva med hjälp av specialdesignade sensorer kan känna av när, med vilken kraft och i vilken riktning de skall utlösas. 10
10 Referenscer 10.1 Böcker [Andersson och Winkler 2000] G.Andersson och D.Winkler, Mikrosystem-möjligheternas teknik, Sveriges verkstadsindusterier, sidorna 20-24,2000. 10.2 Artiklar Yang, J. C., Grosshandler, W. L.(1995) Solid Propellant Gas Generators: An Overview and Their Application to Fire Suppression. National Institute of Standards and Technology (NIST) and Society of Fire Protection Engineers (SFPE) International Conference on Fire Research and Engineering (ICFRE).september 1995. <http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire95/pdf/f95128.pdf> 10.3 Internet http://auto.howstuffworks.com/airbag1.htm 2004-10-02 http://www.ntf.se/dalarna/default.asp?recid=14540 2004-10-02 http://www.ne.se/jsp/search/article.jsp?i_sect_id=232047 2004-10-03 http://www.audi.se/page_970.shtml 2004-10-04 http://www.dotars.gov.au/transreg/str_airbag.htm#how 2004-10-04 11
11 Bilaga Krockkuddnes jämförelsetest Några populära stora passagerarfordon från kända bilmärken testades både med och utan krockkuddar, resultatet var enligt nedan: En krockkudde minskar risken att råka ut för en allvarlig huvudskada. Bland de fordon som testades utan krockkuddar var Mitsubishi Magna den säkraste, även om tillförandet av en krockkkude i det fordonet minskade risken att råka ut för en allvarlig huvudskada med fyra gånger. Ford Falcon har en standard sidokrockkudde ämnad för föraren och är efter Mitsubishi Magna näst bästa säkerhet utan krockkuddeinstallation. Bilmodell Risken för huvudskada (%) Med krockkudde Utan krockkudde Holden Commodore 28 48 Toyota Camry 20 44 Mitsubishi Magna 6 27 Ford Falcon 14 Näst bäst efter Mitsubishi Magna 12