Xây dựng mô hình tính toán hệ thống đai an toàn cho người lái xe

Trong số các thành tựu đó, hệ thống đai an toàn trên ô tô được ứng dụng công nghệ điều khiển tự động, điều khiển bằng ECU đã trở nên rất hiệu quả trong việc nâng cao tính năng an toàn th

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi Những nội dung trình bày trong luận văn này do tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hữu Nam và các giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nội dung của luận văn hoàn toàn phù hợp với Đề tài đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Trương Đình Điệp

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG TRONG LUẬN VĂN 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6

Chương I: TỔNG QUAN 10

1.1 Tính an toàn 10

1.1.1 An toàn chủ động 12

1.1.2 An toàn thụ động 17

1.2 Đặc điểm tổn thương của người lái và hành khách 24

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 26

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 27

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 27

Chương II ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG ĐAI AN TOÀN 29

2.1 Phân loại 30

2.1.1 Phân loại theo vị trí lắp ghép 30

2.1.2 Phân loại theo điều khiển 32

2.2 Các cụm chi tiết của hệ thống đai an toàn 3 điểm 32

2.2.1 Dây đai an toàn 32

2.2.2 Cơ cấu căng đai 34

2.2.3 Cơ cấu khóa đai 37

2.2.4 Bộ phận tạo khí 40

2.2.5 Cơ cấu hạn chế lực 41

Chương III XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐAI AN TOÀN CHO NGƯỜI LÁI 44

3.1 Mục đích 44

3.2 Phân tích mô hình vật lý 44

3.3 Đặc điểm làm việc 45

3.4 Chọn mô hình và tính toán 45

3.5 Thông số đầu vào mô phỏng 47

3.6 Giới thiệu về công cụ Simulink 48

3.6.1 Đặc điểm của Simulink 48

3.6.2 Cấu trúc của một sơ đồ Simulink 49

3.6.3 Trình tự thực hiện quá trình mô phỏng 49

3.7 Xây dựng chương trình mô phỏng 52

3.7.1 Khối mô phỏng gia tốc khi khi đâm va 52

3.7.2 Khối mô phỏng lực của dây đai tác động lên lồng ngực 52

3.7.3 Khối mô phỏng lực đàn hồi của lồng ngực 53

3.7.4 Khối mô phỏng lực giảm chấn 53

3.7.5 Khối mô phỏng tính x1 54

3.7.6 Khối mô phỏng tính x2 54

3.7.7 Khối mô phỏng tính x3 55

3.7.8 Khối mô phỏng tính xv 55

3.7.9 Khối mô phỏng chuyển vị khi bị nén lồng ngực 56

3.7.10 Khối mô phỏng chuyển vị tốc độ khi nén 56

3.7.11 Khối mô phỏng chuyển vị biến dạng tuyệt đối của lồng ngực 57

3.7.12 Khối mô phỏng chuyển vị hệ số cản nhớt 57

Chương IV PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 59

4.1 Khảo sát các đặc tính khi đâm va 59

4.1.1 Đồ thị gia tốc khi đâm va 59

4.1.2 Đồ thị lực của dây đai 60

4.1.3 Đồ thị chuyển vị tốc độ nén lồng ngực 61

4.1.4 Đồ thị chuyển vị biến dạng tuyệt đối của lồng ngực: 61

4.15 Đồ thị chuyển vị hệ số cản nhớt 62

4.16 Đồ thị chuyển vị khi bị nén lồng ngực 63

4.2 Kết luận chương 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG TRONG LUẬN VĂN

1 m1 kg Khối lượng cấu trúc của xương sườn và khung xương

5 δ0 m Biến dạng ban đầu của lồng ngực

6 c11 N.s/m Hệ số của ngực được phục hồi

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Thông số giới hạn tổn thương trong lĩnh vực dây đai an toàn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1.2 Các thành phần của tính an toàn trong vận hành 11

1.5 Sự phân chia các vùng quan sát của người lái 17

1.7 Biểu đồ xác suất va chạm theo các hướng 18 1.8 An toàn thụ động và các vấn đề bảo vệ con người 21 1.9 Xác suất gây thương tích khi va chạm trước 22

1.11 Giải pháp đai an toàn và túi khí bảo vệ 24

1.13 Chấn thương ở vùng bụng và ngực do dây đai an toàn gây ra

sau khi đâm xe

25

2.12 Kết cấu cơ cấu căng đai điêu khiển bằng điện 37 2.13 Kiểu kích hoạt khóa đai theo chuyển động của xe 38 2.14 Kiểu kích hoạt khóa đai theo chuyển động của đai an toàn 38

2.18 Cơ cấu hạn chế lực bằng đĩa 41

3.1 Biểu diễn các lực tác dụng lên người lái 44 3.2 Mô hình giảm chấn lò xo mô phỏng đặc tính đàn hồi phù hợp

và phân tán của ngực khi bị va đập

46

3.5 Các khối chức năng sau khi kết nối hoàn chỉnh 50

3.9 Mô phỏng lực của dây đai tác động lên lồng ngực 53

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sau hơn 100 năm kể từ ngày đầu xuất hiện ngành công nghiệp ô tô

đã đạt được nhiều thành tựu về khoa học công nghệ, phát triển thành một trong những ngành công nghiệp quan trọng hàng đầu trên thế giới

So với những chiếc ô tô thế hệ cũ, ô tô ngày nay có công suất và tốc độ ngày càng tăng, tiết kiệm nhiên liệu hơn, sạch hơn, thân thiện với môi trường hơn, đặc biệt là mức độ đảm bảo an toàn hơn khi vận hành Để có được điều đó, các Kỹ sư ôtô đã ứng dụng nhiều thành tựu trong nghiên cứu khoa học vật liệu, công nghệ điện tử, điều khiển tự động… trong quá trình thiết kế và chế tạo Trong số các thành tựu đó, hệ thống đai an toàn trên ô tô được ứng dụng công nghệ điều khiển tự động, điều khiển bằng ECU đã trở nên rất hiệu quả trong việc nâng cao tính năng an toàn thụ động cho ôtô khi đâm va Hiện nay hệ thống đai an toàn đã trở thành một trong những tiêu chuẩn của ôtô trên thị trường

Một trong những vấn đề mấu chốt trong việc thiết kế hệ thống dây đai an toàn là kiểm soát hệ thống lực căng dây đai, khi xe bị đâm va, nhằm giảm chấn thương vùng ngực cho người lái Vì vậy, yêu cầu phải giải quyết nhiều vấn đề trên

lý thuyết cũng như thực nghiệm Trên cơ sở đó, tôi đã đề xuất đề tài “XÂY DỰNG

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐAI AN TOÀN CHO NGƯỜI LÁI XE” để nghiên cứu vấn đề trên

Việc nghiên cứu đai an toàn trên ôtô ở Việt Nam hiện nay là rất cần thiết , nó

là cơ sở đánh giá độ an toàn thụ động cho các loại ôtô khi nhập vào Việt Nam, đồng thời là cơ sở đánh giá các loại ôtô khi cải tiến, lắp giáp, hoàn cải mục đích sử dụng

an toàn cho người người lái và hành khách khi xe chuyển động, góp phần đảm bảo

an toàn và giảm tỉ lệ tử vong khi xe bị đâm va

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo, đặc biệt là PGS TS Phạm Hữu Nam cùng các thầy giáo trong bộ môn ôtô của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Cùng với sự nỗ lực và cố gắng của bản thân tôi đã hoàn thành được luận văn của mình Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, cũng như thời gian có hạn, nên không thể tránh khỏi sai sót, rất

mong nhận được sự góp ý của các Thầy giáo để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Nam, Viện đào tạo sau đại học trường ĐHBK Hà nội, các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ tôi

Hà Nội, tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Trương Đình Điệp

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

Với một đất nước đang trên đà phát triển mạnh mẽ như nước Việt Nam chúng ta thì giao thông đang là một trong những yếu tố nắm vai trò chủ đạo Đối với phương tiện giao thông đường bộ thì ôtô là loại phương tiện hữu ích nhất Ôtô ngoài mục đích là phương tiện đi lại còn là phương tiện vận chuyển lưu thông hàng hóa Vì vậy mỗi năm Thế giới lại xuất xưởng thêm hàng triệu xe ôtô đủ mọi chủng loại, đi kèm sự gia tăng quá nhanh đó là những bất cập, những hạn chế của các loại

xe Bên cạnh những chiếc xe hiện đại, đảm bảo được những quy định về tiêu chuẩn

kỹ thuật, tiêu chuẩn an toàn, bên cạnh đó là những chiếc xe không đảm bảo về an toàn, đó là những chiếc xe tự tạo, xe cũ tái chế Để giảm thiểu tai nạn giao thông do ôtô gây ra thì phải đảm bảo an toàn cho người và phương tiện khi xe chuyển động Một trong những thiết bị an toàn quan trọng nhất trong xe là hệ thống đai an toàn

Hệ thống đai an toàn được thiết kế để phòng ngừa hoặc giảm mức độ trầm trọng của chấn thương, đó cũng là một trong những thiết bị phát triển từ lâu và thông dụng trên xe Khi sử dụng đúng dây an toàn, ngăn ngừa có hiệu quả tới 45% trong trường hợp đâm va nặng và 67% hiệu quả trong ngăn ngừa tổn thương nghiêm trọng Tuy nhiên, khi xe bị đâm va, các chấn thương gây ra bởi dây đai an toàn ở vùng bụng, ngực hoặc cổ tạo ra các vết tím bầm và trầy tại nơi tiếp xúc của dây đai an toàn với người lái Do đó phương pháp giảm chấn thương do dây đai thông qua lực căng của

mô hình tính toán hệ thống đai an toàn cho người lái xe là rất quan trọng, nó liên quan đến nhiều lĩnh vực: điều khiển tự động, cơ khí, khí động học … Đây cũng chính là vấn đề an toàn cho người lái xe và hành khách khi xe bị đâm va

1.1 Tính an toàn

Tính an toàn chuyển động của ôtô là tổng hợp các tính chất nhằm giảm xác suất phát sinh tai nạn giao thông (an toàn chủ động) và giảm thiểu tổn thất về vật chất và con người khi xảy ra tai nạn giao thông (an toàn bị động) An toàn chuyển động của ôtô được coi là một trong những tính chất khai thác quan trọng nhất bởi vì

nó ảnh hưởng tới đời sống và sức khỏe con người, tới chất lượng của ôtô, của hàng hóa chuyên chở, các công trình giao thông v.v…

Các giải pháp kết cấu của ôtô tạo điều kiện đảm bảo an toàn trong vận tải thuộc vào yêu cầu cơ bản và cũng là chỉ tiêu quan trọng trong vận tải Tổn thất kinh

tế do tai nạn giao thông đặc biệt do chướng ngại vật trên đường sẽ rất lớn Chuyển động của ôtô là tổng hợp các trạng thái động lực học phức tạp tạo nên bởi 3 thành phần có thể biểu diễn bằng hình 1.1

Hình 1.1 Hệ thống ‘‘ôtô – người lái – môi trường’’

Nhiệm vụ quan trọng của kết cấu là cho phép ôtô có các đặc tính sao cho hỗ trợ người lái tránh được các tình huống sự cố và bảo vệ tối đa con người, ôtô và hàng hóa trước khi tai nạn xảy ra

Hình 1.2 Các thành phần của tính an toàn trong vận hành

Đối với lái xe, trình độ nghề nghiệp chuyên môn là yếu tố quan trọng vì nó liên quan đến khả năng điều khiển, khả năng quan sát, sức khỏe, độ tuổi, giới tính

- Phân bố khối lượng

Môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của người lái xe như: khí hậu, địa hình

và phương tiện tham gia giao thông v.v

Các thành phần của tính an toàn liên quan đến các vấn đề kết cấu toàn của ôtô, tính điều khiển, các thiết bị an toàn bị động: cho người ngồi bên trong, khách

bộ hành và các thành phần tham gia giao thông bên ngoài khác, môi trường sống của con người xung quanh (khí xả, độ ồn và bụi độc )

Tính an toàn của ô tô được chia thành hai phần:

- Tính an toàn trong vận hành trên đường bao gồm: an toàn chủ động và an toàn bị động, các yếu tố này được quan tâm tới mục đích đảm bảo hạn chế tai nạn giao thông do các đặc tính kỹ thuật ôtô và giảm thiểu tổn thất của tai nạn trong quá trình vận hành ôtô

- An toàn đối với cộng đồng được xác định là an toàn cho môi trường sống của cộng đồng Khu vực an toàn này được quan tâm tới các mức độ khác nhau, nhưng đặc biệt đối với điều kiện sử dụng ở các vùng đông dân (thành phố, thị xã và khu công nghiệp )

Để đảm bảo tính an toàn cho lái xe và hành khách khi tham gia giao thông được phân thành: an toàn chủ động, an toàn bị động

1.1.1 An toàn chủ động

An toàn chủ động được đảm bảo bởi các tính chất và chất lượng của kết cấu giúp cho lái xe tránh được các tai nạn giao thông An toàn chủ động chi phối bởi các tính chất phanh, tính ổn định, tính điều khiển, tính cơ động, tín hiệu báo âm thanh, hiệu quả chiếu sáng của đường và đèn pha v.v…

a Các yếu tố liên quan tới an toàn chủ động có thể mô tả tổng quát như hình 1.3

Các đặc tính kết cấu của ôtô liên quan đến điều khiển và thích ứng trước điều khiển:

Hệ thống phanh trong ôtô thì hệ thống phanh luôn được đặt lên vị trí hàng đầu Ngày nay hệ thống phanh đã được hoàn thiện hơn rất nhiều, đảm bảo an toàn gần như là tuyệt đối, ngoài ra còn có các hệ thống phụ trợ được nghiên cứu và áp dụng đến ngày nay như: hệ thống chống bó cứng phanh ABS(anti-lock branking

system), hệ thống phanh khi có ABS thì khi phanh gấp hoặc phanh trên đường trơn trượt không bị bó cứng, và giúp cho người lái dẽ dàng điều khiển không bị trượt, mất lái khi vào cua

Hình 1.3 An toàn chủ động của ôtô

Hệ thống lái sau hệ thống phanh thì hệ thống lái đứng thứ 2 về độ an toàn Những yêu cầu về hệ thống lái này từ việc áp dụng cơ cấu trợ lực lái để giảm nhẹ lực lái đến hệ thống "tay lái chủ động " (active steering) bắt đầu sử dụng từ 8/2002

là cả một cuộc cánh mạng của thế giới ôtô hệ thống lái thông minh này giúp giảm

An toàn chủ động

Tính chất môi trường

(Đảm bảo tính tiện nghi sử dụng)

Khả năng quan sát

(Đảm bảo quan sát và nhìn rõ)

Khả năng điều khiển

(Tin cậy và điều khiển chính xác)

- Thông gió

- Điều hòa

Mức độ ồn trong xe

Tiện nghi ghế ngồi (vị trí,kích thước, chống rung, điều chỉnh…)

Tâm lý thoải mái

Tầm quan sát rộng rãi

Quan sát trước, sau xe

Chiếu sáng đường chạy

Khả năng quan sát:

chiếu sáng, kính, gương, thiết

bị, tín hiệu

Vị trí người lái

Vị trí cơ cấu điều khiển

Lực điều khiển

Thiết bị kiểm tra và tín hiệu

Tín hiệu âm thanh

Tính năng

ổn định

hướng

căng thẳng cho người lái khiến việc điều khiển tay lái dễ dàng hơn và an toàn hơn trên mọi nẻo đường hệ thống lái thông minh đã liên kết điều khiển cơ-điện theo kiểu 'điều khiển kép " bởi trục tay lái và động cơ điện theo nguyên tắc khi xe chạy tốc độ thấp thì hệ thống điện sẽ hoạt động khiến việc lái nhẹ nhàng hơn nhưng khi ở tốc độ cao thì hệ thống điện lại tạo tác dụng cản trở khiến tăng lực đánh lái và làm cho việc lái sẽ đầm hơn ngoài ra còn có hệ thống lái iDrive, xDrive đã tạo cho người lái cảm giác dễ chịu, giảm căng thẳng khi ngồi sau tay lái Công nghẹ lái 'telematic' hiện đại trang bị cho xe các thiết bị điện tử dẫn đường từ vệ tinh, thông báo cho người lái biết tính hình giao thông trên đường Trên xe lắp các cảm biến tốc

độ và cự li để duy trì khoảng cách an toàn cho xe khi chạy trên đường

Hệ thống đèn pha cốt và đèn tín hiệu giúp cho ngừoi lái xe an toàn trong đêm

và khi đổi hướng chuyển động Các đèn pha xe-non có độ sáng lớn hơn gấp đôi đèn halogen đã cải thiện tình hình chiếu sáng khi xe chạy ban đêm Và hãng audi đã áp dụng loại đèn pha tự động chuyển hướng khi xe vào cua, tăng độ an toàn cho xe do mặt đường ở đoạn cua được chiếu sáng hơn nhiều so với đèn pha cố định

Hệ thống gương chiếu hậu theo dõi xe chuyển động phía sau và giúp người lái quan sát phía sau xe độ bao quát càng rộng độ an toàn càng cao

Tính năng bám đường ngoài những vấn đề nêu ra ở trên thì vấn đề lốp và áp suất lốp lại ít được sự quan tâm nhất Nhưng vấn đề này lại có tầm quan trọng khá lớn không chỉ đối với việc vận hành của ôtô mà còn ánh hưởng tới vấn đề tiêu thụ nhiên liệu nữa(một trong vấn đề cấp thiết hiên nay) Khi áp suất lốp non thì sức cản tăng khả năng tăng tốc khó khăn(không bon), lốp bị mòn nhanh dẫn đến tay lái nặng thì việc tiêu thụ nhiên liệu lúc đó sẽ tăng

Khả năng quan sát của người lái trên ghế ngồi: vùng quan sát, góc quan sát, vùng phản chiếu ánh sáng khi quan sát v.v…

Khả năng điều khiển chính xác và kịp thời của cơ cấu xung quanh người lái Các đặc tính liên quan đến tính tiện nghi của người lái bao gồm các đặc tính của ôtô nhằm gây mệt mỏi người lái trong quá trình điều khiển ôtô

Các yếu tố sau đây phụ thuộc:

- Sự thích hợp của ghế ngồi

- Các giải pháp về nhân trắc, không gian làm việc của người lái

- Lực điều khiển và hành trình cơ cấu gài

- Đáp ứng tốt khoảng thực của người lái

- Khí hậu buồng điều khiển tốt (khí hậu, điều hòa, sưởi nóng, thông gió, âm thanh phụ)

- Ánh sáng bên trong và bên ngoài xe phục vụ quan sát trong các điều kiện chuyển động, kể cả màu đèn tín hiệu v.v…

- Độ ồn và rung động v.v…

b Bố trí ghế ngồi

Bố trí ghế ngồi liên quan chặt chẽ với nhân trắc học và có ảnh hưởng tới an toàn chủ động trên ôtô Việc lựa chọn không gian, môi trường làm việc thích hợp của người lái về các phương diện: vật lý, tinh thần và khả năng làm việc thích hợp của con người, tạo cho con người sống và làm việc trên ôtô một cách tối ưu, đặc biệt với lái xe Trong đó việc bố trí ghế ngồi cần thiết thích hợp với các điều kiện làm việc của người lái và sinh hoạt của hành khách

Vấn đề bố trí ghế ngồi khi thiết kế cần xem xét liên quan tới khung vỏ ôtô bởi:

- Xác định kích thước hình học ghế ngồi hợp lý phù hợp với các cơ cấu điều khiển trong buồng lái

- Xác định các điểm tựa của cơ thể trên ghế tối ưu

- Xác định các lực điều khiển và sự dịch chuyển các cơ cấu điều khiển

- Tạo sự thích hợp của chiều dài, vị trí cần điều khiển, phím bấm

- Hình thành và cấu trúc các thiết bị kiểm soát các hệ thống cần thiết

- Xác định khả năng quan sát và nhận tín hiệu tốt nhất

- Hạ thấp tiếng ồn và rung động

- Xác định sự liên quan tới các cấu trúc an toàn bị động

Bố trí ghế ngồi cho người trên xe cần quan tâm đến các vấn đề liên quan

Hình 1.4 Bố trí ghế ngồi cho người trên xe

Chỗ ngồi của lái xe được quan tâm về các phương diện:

- Đảm bảo không gian ghế ngồi

- Đảm bảo khả năng quan sát

- Đảm bảo khả năng điều khiển

- Đảm bảo khả năng môi trường và khí hậu

- Đảm bảo tính an toàn thụ động

c Bố trí các cơ cấu điều khiển

Bố trí các cơ cấu điều khiển phải phù hợp với việc bố trí ghế ngồi Các cơ cấu điều khiển được quyết định tới:

- Khả năng nhận biết vị trí cơ cấu điều khiển

- Khả năng điều khiển các cơ cấu về phương diện lực và chuyển dịch cơ cấu

- Khả năng kiểm soát các tín hiệu trên các bảng điều khiển

Các quy định được ghi trong tiêu chuẩn ECE R35 Lựa chọn cơ cấu điều khiển có thể chia ra:

- Loại dùng chân điều khiển

- Loại dùng tay điều khiển

- Loại dùng tay khiển phím ấn, xoay v.v…

Bố trí ghế ngồi trong xe

Kích thước không gian

trong ôtô

Kích thước ghế ngồi

của người lái và cơ

cấu điều khiển chính

Kích thước cơ cấu

điều khiển bằng tay

Kích thước không gian

bên trong

Tạo dáng cho ghế ngồi

Hình dáng, khả năng

chịu tải Trạng thái tâm sinh lý

Các vấn đề động lực học (rung v.v…) Tiện nghi sử dụng

An toàn thụ động

- Vùng mù là vùng không quan sát được, vùng này khoảng chừng 300

Các vùng quan sát liên quan nhiều tới việc bố trí khung vỏ Trong vùng quan sát trực tiếp cần đảm bảo cấu trúc khung vỏ so cho không hạn chế vùng quan sát của người lái Trên hình 1.5 trình bày sự phân chia các vùng quan sát của người lái

Hình 1.5 Sự phân chia các vùng quan sát của người lái

Trên ôtô con vùng quan sát toàn bộ có thể chiếm tới xấp xỉ 80%, bao hàm vùng quan sát trực tiếp và vùng quan sát gián tiếp

Hình1.6 Xác suất va chạm theo các hướng

Các va chạm ở các vùng theo tốc độ khác nhau cũng phân bố khác nhau (hình 1.6) Khi tốc độ thấp xác suất va chạm lớn ở vùng sau và vùng bên, thường xảy ra do các nguyên nhân khách quan Khi tốc độ cao va chạm thường xảy ra ở phía trước và gia tăng theo tốc độ ôtô chuyển động

Hình 1.7 Biểu đồ xác suất va chạm theo các hướng

Các tai nạn giao thông này có thể gây tổn hại đến con người tham gia giao thông Theo các nhà nghiên cứu thì có thể chia ra các mức:

Mức 0 : Không gây tổn thương cho con người

Mức 1: Tổn thương nhỏ

Mức 2: Tổn thương vừa

Mức 3: Tổn thương nặng

Mức 4: Tổn thương rất nặng

Mức 5: Tổn thương nghiêm trọng xác suất sống sót rất nhỏ

Mức 6: Tổn thương rất nghiêm trọng không có khả năng sống

Các mức tổn hại này dùng để đánh giá an toàn thụ động với con người Nhiệm vụ chính của an toàn thụ động là giảm các tổn thương của người lái

và hành khách,các thành phần tham gia giao thông khi xảy ra đâm va Hình 1.8 trình bày sơ đồ biểu diễn các thành phần liên quan đến tính an toàn thụ động của ôtô

a Các tiêu chuẩn về bảo vệ con người

Trong giai đoạn hiện nay thông qua các hệ thống tiêu chuẩn quốc tế và các quốc gia, vấn đề an toàn thụ động đang quản lý chặt chẽ, tạo điều kiện cho các sản phẩm trong ngành công nghiệp ô tô phục vụ con người ở mức độ cao hơn Các tiêu chuẩn bảo vệ con người phần lớn thiết lập cho ô tô con, ngày nay cũng đã dần dần thiết lập và ứng dụng cho ô tô chở người và ô tô tải

Tiêu chuẩn quốc tế của ôtô được hình thành trên cơ sở thỏa thuận theo các quy định chặt chẽ của quốc tế, đồng thời phải chấp nhận các thử nghiệm nhất định phù hợp các tiêu chuẩn và có giá trị cho tất cả các quốc gia, vùng lãnh thổ có thể có các quy định của riêng mình Các quốc tế, quốc gia hay vùng lãnh thổ riêng

Các tiêu chuẩn về bảo vệ con người thiết lập theo các hệ thống được áp dụng rộng rãi :

- ECE (Economic commission for Europe) hình thành 1958

- ECE (European Economic Community) hình thành 1993 cho các nước EU, ngày nay ký hiệu gọn bằng tiếng Anh là: EC, hệ thống tiêu chuẩn ECE cũng nằm trong hệ thống EC

- FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standart) tiêu chuẩn của Mỹ

Nội dung của tiêu chuẩn ECE liên quan tới việc bảo vệ con người trong ôtô khi xảy ra tai nạn làm giảm thiểu tổn thất của con người bằng cách:

- Hạn chế tốc độ tối đa sự va chạm cứng với các bộ phận cứng của cơ thể để gây nên gãy vỡ xương (hạn chế mức 3,4,5,6)

- Đảm bảo khoảng không gian cho phép để con người trong xe có khả năng duy trì sự sống (mức 3 trở lên)

- Giảm thiểu khả năng gây thương tích cho lái xe và hành khách trong xe bởi các cơ cấu điều khiển, các bề mặt trong của vỏ xe và các bề mặt xung quanh con người (trang bị nội thất)

- Đảm bảo khả năng tháo dỡ nhanh các cụm để giảm thời gian cứu hộ con người trong xe

- Hạn chế tối đa xảy ra cháy nổ

b Bảo vệ người lái và hành khách ngồi trên xe với ôtô con

Bảo vệ người lái trước chấn thương là mục đích của an toàn thụ động bên trong xe bao gồm các vấn đề sau :

- Các bộ phận đàn hồi bên trong của khung vỏ (bố trí các bộ phận có khả năng biến dạng của trục lái, làm mềm các bề mặt giảm áp lực va đập)

- Loại trừ các vật liệu khi gãy vỡ tạo thành nhọn sắc, cứng

Quan niệm về bảo vệ con người khi nghiên cứu an toàn thụ động trong các

hệ thống tiêu chuẩn bao gồm các công việc cần bảo vệ khi va chạm và sau va chạm được miêu tả tổng quát như hình 1.8

Hình 1.8 An toàn thụ động và các vấn đề bảo vệ con người

Giới hạn

cơ sinh học khí

Kết cấu trong khung vỏ khí

Kết cấu ngoài khung vỏ khí

Giới hạn

cơ sinh học

Bảo vệ hành người trong xe

KẾT CẤU AN TOÀN TRONG XE

KẾT CẤU AN TOÀN NGOÀI XE

KHẢ NĂNG SỐNG CHO TẤT CẢ THÀNH PHẦN THAM GIA GIAO THÔNG

Tự bảo vệ

Bảo vệ các thành phần tham gia giao thông khác

Bảo vệ người lái Bảo vệ hành

khách trên xe

c Sự cháy nổ của ôtô

Sự cháy nổ của ôtô khi tai nạn xảy ra là yếu tố hết sức nguy hiểm Điều kiện

để xuất hiện sự cháy hình thành bởi hỗn hợp xăng nóng ở dạng bốc hơi với không khí môi trường và nguồn gây lửa

Để đảm bảo chống cháy cần phải bố trí các đường dẫn điện, vỏ bọc dây dẫn

và bố trí bình điện để khi xảy ra tai nạn có khả năng nhỏ nhất xuất hiện tia lửa và đốt cháy nhiên liệu

d Dây đai an toàn và túi khí bảo vệ

Các chi tiết bên trong khi va chạm có thể gây thương tích cho người lái Thống kê cho ôtô con về các tổn thất khi va chạm xảy ra ở phía trước hình 1.9 Phần quan trọng cần quan tâm đó là khi xảy ra đâm va, người lái bị ép vào vô lăng hoặc kính chắn gió những va đập đó gây ra thương tích cho người lái ở vùng ngực

Hình 1.9 Xác suất gây thương tích khi va chạm trước

Một giải pháp kết cấu bố trí nội thất như sau:

a Trục lái có các khớp nối mềm

b c d

Hình 1.10 Giải pháp kết cấu bố trí nội thất

- Sử dụng dây đai an toàn kết hợp với túi khí bảo vệ người lái và hành khách

- Sử dụng trục lái có khớp nối mềm và đàn hồi (a)

- Vành lái có khả năng tự dịch chuyển khi va chạm (b)

- Chống tỳ ép vành lái vào người lái (c)

Trong trường hợp khi xe bất ngờ đâm va với một vận tốc lớn, gia tốc tác động lên người lái, hành khách và xe độc lập hoàn toàn với nhau Phản lực từ xe dừng lại hoặc nảy ngược lại Thay vì toàn bộ xe phải dừng lại bất ngờ, vùng chịu lực từ phía trước hoặc sau sẽ bị biến dạng Nếu không thắt dây an toàn, cơ thể của người lái sẽ bị va vào kính chắn gió, bảng táp lô hoặc va đầu vào vô lăng Vì vậy các yêu cầu đối với đai an toàn và túi khí bảo vệ là:

- Có hiệu quả hoạt động nhanh kể từ khi xuất hiện gia tốc chậm dần đủ lớn, theo hướng chống xô mạnh người lái và hành khách về phía trước Hiện nay hiệu quả tác động nhanh trong khoảng 50 †20ms (miligiây)

- Sau tác động bảo vệ, túi khí phải nhanh chóng xả khí để chống ngạt

- Lực căng của dây đai tác động lên người lái và hành khách phù hợp với giới hạn cơ sinh học của con người

- Hệ thống không tự hoạt động trong phạm vi sử dụng thông thường và không phải thường xuyên hiệu chỉnh độ căng dây giữ

- Thực hiện các yêu cầu giữ chặt trẻ em theo tiêu chuẩn ECE R16 và ECE

Kết cấu điển hình cho giải pháp đai an toàn và túi khí bảo vệ như hình 1.11

1 Đai an toàn 2 Túi khí cho hành khách

3 Túi khí cho lái xe 4 Thiết bị điều khiển

Hình 1.11 Giải pháp đai an toàn và túi khí bảo vệ

f An toàn thụ động bên ngoài

An toàn thụ động bên ngoài là giảm hậu quả tai nạn đối với mọi người tham gia giao thông, đặc biệt là người đi trên đường

Các giải pháp chính để đảm bảo an toàn thụ động bên ngoài là:

- Tạo nên các tấm chắn giảm va phía trước và sau xe

- Kết cấu hợp lý các phần đầu xe, tránh va chạm vào chỗ cứng của người đi đường v.v

- Loại trừ tất cả những đường cong nhọn trên khung vỏ

- Loại trừ mọi kết cấu bắt bên ngoài có thể văng xa khi xảy ra tai nạn

1.2 Đặc điểm tổn thương của người lái và hành khách

Khi xe đâm vào xe khác hoặc vật thể cố định, nó dừng lại rất nhanh nhưng không phải ngay lập tức Ở thời điểm va đập, đầu xe ngừng dịch chuyển nhưng phần còn lại của xe vẫn dịch chuyển với vận tốc nhất định Xe bắt đầu hấp thụ năng lượng va đập và giảm tốc độ vì phần trước của xe bị ép lại hình 12 a

Khi đó khoang hành khách bắt đầu chuyển động chậm lại hoặc giảm tốc, nhưng người lái và hành khách vẫn tiếp tục chuyển động lao về phía trước với vận tốc như vận tốc ban đầu trong khoang xe hình 1.2 b Khi đó, xe không có túi khí và đai an toàn, người lái và hành khách sẽ có nguy cơ va ngực vào vô lăng hoặc phần

đầu của người lái và hành khách sẽ lao vào kính chắn gió (nếu ngồi ở phía trước),

khi đó người lái và hành khách bị tổn thương hoặc tử vong

a Xe bị đâm va b Xe không có túi khí và

người lái không thắt đai an

toàn

c Xe có túi khí và người lái thắt đai an

toàn

Hình 1.12 Hệ thống đai an toàn và túi khí

Trong trường hợp xe có đai an toàn và túi khí nó giảm các chấn thương ở vùng đầu, cổ ngực và mặt của người lái và hành khách khi xe bị va chạm

Vì vậy đai an toàn có tác dụng để giữ cho hành khách không bị văng ra khỏi ghế, lao về phía trước khi xe bị đâm va Hay nó có nhiệm vụ làm triệt tiêu quán tính

Đai an toàn phải chịu một lực kéo cực mạnh, tốc độ va chạm diễn ra càng nhanh thì lực kéo của đai an toàn càng lớn, gây chấn thương cho người ngồi trong

xe

Hình 1.13 Chấn thương ở vùng bụng và ngực do đai an toàn gây ra sau khi đâm va

Cho nên một số hệ thống đai an toàn được chế tạo có giới hạn tải trọng tác động để giảm thiểu các chấn thương do tác dụng của đai an toàn

Như vậy, qua các phân tích trên tác giả nhận thấy để nghiên cứu đai an toàn

xe bị đâm va là chưa đủ, cần phải kể đến các yếu tố lực kéo của đai an toàn làm hạn chế tổn thương ở vùng bụng và lồng ngực của người lái và hành khách khi xe bị đâm va

Nhiều tác giả ngoài nước đã công bố các công trình nghiên cứu liên quan đến

hệ thống đai an toàn trên xe ôtô và đặc biệt các đề tài nghiên cứu chấn thương liên quan đến dây đai an toàn khi xe bị đâm va Tác giả Kent (2007) đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá về giới hạn tổn thương trong lĩnh vực an toàn của dây đai cho người lái nhằm kiểm soát hệ thống lực căng dây đai, khi xe bị đâm va, nhằm giảm chấn thương vùng ngực của người lái

Kết quả nghiên cứu về giới hạn tổn thương trong lĩnh vực dây đai an toàn cho con người như sau:

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Để giải quyết vấn đề nêu ra ở trên, nhiều bài báo và tài liệu đã viết về cách

sử dụng dây đai an toàn phổ biến trên các trang kỹ thuật khoa học như: Bài viết chuyên đề đai an toàn trên xe hơi [2504], Thắt dây an toàn có nhiều cơ hội sống sót v.v…Tài liệu của các hãng xe giới thiệu hướng dẫn sử dụng dây đai như: tuyệt kỹ dây an toàn tự phồng của Ford Fusion v.v… Ở Việt Nam cho đến nay các công trình tính toán động lực học về hệ thống đai an toàn còn chưa có

Nhận xét:

Các bài báo chủ yếu tập trung vào cách sử dụng của dây đai, kết cấu và nguyên lý của hệ thống dây đai và tài liệu của các hãng giới thiệu hướng dẫn sử dụng dây đai Việc tính toán các tối ưu của hệ thống dây đai an toàn chưa được đề cập tới Nói tóm lại, việc tìm hiểu và phát triển hệ thống đai an toàn trên xe ôtô vẫn chưa được các tác giả đi sâu nghiên cứu

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, nghiên cứu đai an toàn trên ôtô đã được tiến hành từ lâu, với rất nhiều công trình của các tác giả khác nhau Càng về sau này, từ khoảng những năm 90 cho đến nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử với sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán mạnh mẽ như: Matlab Simulink, ANSYS,…việc nghiên cứu hệ thống đai an toàn trên ôtô trở lên dễ dàng hơn rất nhiều Cũng vì thế

mà có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành tập trung nhiều vào việc nghiên cứu bộ hạn chế tải trọng nhằm giảm tổn thương gây ra bởi dây đai an toàn khi nó tác động Một số nghiên cứu điển hình:

Luận án tiến sỹ „„ Thiết kế hệ thống đai an toàn cho người lái‟‟ của tác giả E.P van der Laan, Trường Đại học công nghệ Eindhoven, Hà Lan (năm 2009)

Luận án tiến sỹ „„ Phát triển hệ thống đai an toàn cho hành khách‟‟ của tác giả Abdulwahab A Alnaqi and Ahmet S Yigit, Đại học Waterloo, Kuwait University (năm 2011)

Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đa phần được tiến hành với sự trợ giúp của máy tính điện tử và phần mềm mô phỏng Một số nghiên cứu đã đưa ra được luật điều khiển để đáp ứng việc thay đổi các thông số kỹ thuật hệ thống đai an toàn trong khi xe bị đâm va

1 Xây dựng được mô hình của hệ thống đai an toàn cho người lái;

2 Nghiên cứu động lực học hệ thống đai an toàn (các chấn thương liên quan đến đai an toàn khi xe bị đâm va để nhằm kiểm soát hệ thống lực căng dây đai) mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink;

3 Dựa trên các kết quả mô phỏng, phân tích so sánh các đặc điểm làm việc của hệ thống đai an toàn

Nội dung của luận văn gồm các chương:

Chương I: Tổng quan về đối tượng nghiên cứu: tìm hiểu các lĩnh vực nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu của đề tài, từ đó phân tích lý do lựa chọn đề tài và nêu những mục tiêu, yêu cầu mà luận văn cần giải quyết

Chương II: Đặc điểm kết cấu của hệ thống đai an toàn: tìm hiểu về cấu tạo phân tích những đặc điểm và khả năng làm việc, nguyên lý làm việc của hệ thống đai 3 điểm

Chương III: Mô hình tính toán động lực học hệ thống đai an toàn cho người lái xe: xây dựng mô hình tính toán tổn thương lồng ngực phục vụ cho việc nghiên cứu an toàn thụ động của ôtô; lập phương trình vi phân chuyển động của hệ thống đai an toàn trên cơ sở mô hình lựa chọn; xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống đai toàn sử dụng phần mềm Matlab Simulink

Chương IV: Phân tích nhận xét các kết quả mô phỏng từ đó có những đánh giá, so sánh khả năng đảo bảo các chỉ tiêu dao động của hệ thống đối với hai vận tốc khi đâm va

Phần kết luận: Tổng hợp các kết quả thu được của đề tài và xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG II ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG ĐAI AN TOÀN

Đặc điểm làm việc của đai an toàn:

- Trạng thái bình thường, dây an toàn của xe có khả năng co giãn Người lái

vẫn ngả người về trước trong khi sợi dây vẫn đang ở trạng thái căng

- Khi xảy ra đâm valúc đó lực quán tính của người lái và của xe là hoàn toàn phụ thuộc vào nhau Ví dụ: „„phản lực từ gốc cây sẽ tác dụng vào xe để buộc xe dừng lại nhưng cùng lúc đó lực quán tính của xe vẫn còn tồn tại Nếu không có đai

an toàn, người lái sẽ lao vào vô lăng với tốc độ 50 km/h hoặc bay qua kính chắn gió với tốc độ tương tự Bảng điều khiển, kính chắn gió sẽ ngăn cản chuyển động của

cơ thể người lái bằng cách tác dụng một lực vào cơ thể bạn‟‟

Hình 2.1 Xe xảy ra đâm va từ phía trước

Những phân tích trên nói lên rằng khi xe bị đâm va, sẽ có tác dụng lực lên người lái, để làm người lái di chuyển chậm lại Nhưng còn phụ thuộc vào vị trí và cách tác dụng lực như thể nào Người lái có thể bị tử vong ngay lập tức hoặc bạn cóthể không bị bất kỳ một tổn thương nào Đai an toàn được dùng để tạo ra một lực ngăn cản sự sự di chuyển của cơ thể người lái trong một khoảng thời gian ngắn Một chiếc đai an toàn thông thường gồm các bộ phận: dây an toàn sẽ quàng qua cơ thể người lái và bộ căng đai, bộ phận sẽ điều khiển sự co giãn của dây đai Hai bộ phận này của đai an toàn sẽ giữ cố định cho người lái luôn ở trên ghế, nó sẽ tạo ra một lực hãm tốt nhất để bảo vệ cơ thể người lái Khi thắt đai an toàn bị trùng quá nhiều, lực tạo ra sẽ không tập trung bởi vậy nó không thể thực hiện được việc làm

bền và có khả năng co giãn Không nên để đai an toàn giãn ra quá nhiều vì người lái

có thể bị va vào vô lăng hoặc cửa sổ xe mặc dù thắt đai an toàn Làm sao chỉ để cơ thể bạn có thể dịch chuyển về phía trước một chút

2.1 Phân loại

Hệ thống đai an toàn trên xe ô tô là một trong những phát minh đáng chú ý nhất của ngành ôtô trong thế kỷ 20 Người đầu tiên phát minh ra dây đai là George Cayley vào đầu thế kỷ thứ 19, tuy nhiên sau đó cho đến tận năm 1946 thì Dr.Shelden trở thành người đầu tiên đưa ý tưởng dây đai an toàn lên ôtô, sau đó thì vào đầu những năm 50 những chiếc đai an toàn được cải tiến để có thể co rút được Những chiếc đai an toàn này xuất hiện đầu tiên tại Mỹ trên hãng xe Nash năm 1949

và sau đó là Ford vào năm 1955 nhưng ở dạng tùy chọn (Option) chứ không phải thiết bị tiêu chuẩn được trang bị trên tất cả các xe

Ngày nay, hệ thống đai an toàn là thiết bị không thể thiếu đối với ôtô trong vấn đề bảo đảm an toàn Hệ thống đai an toàn được phân làm nhiều loại khác nhau:

2.1.1 Phân loại theo vị trí lắp ghép

- Đai an toàn hai điểm:

Hệ thống đai an toàn hai điểm thông thường gồm các bộ phận: dây an toàn (1) sẽ quàng qua cơ thể con người và bộ căng dây đai (2), bộ phận sẽ điều khiển sự

co giãn của dây đai Hai bộ phận này của đai an toàn sẽ giữ cố định cho người lái và hành khách Đây là loại được tìm thấy trong những loại xe cũ vì lực tập trung lên cơ thể con người ít, do đó gây nguy hiểm cho con người

1 Dây đai an toàn và móc khóa đai 2 Bộ căng dây đai

Hình 2.2 Hệ thống đai an toàn hai điểm

- Đai an toàn ba điểm:

Gồm một dây ngang hông vòng qua xương chậu và dây còn bắt chéo ngang qua ngực Đây là các vị trí vững chắc nhất trên cơ thể của con người Phần đai dẹt làm từ vật liệu mềm đồng thời lực phân bố trên diện tích lớn, nên dây đai ít gây nguy hiểm cho con người

1 Dây đai an toàn 2 Vòng móc D

3 Bộ điều khiển 4 Giắc cắm và móc khóa

Hệ thống đai an toàn 4,5 và 6 điểm được tìm thấy trong ghế an toàn trẻ

em và xe đua vì diện tích tiếp xúc của dây đai với cơ thể con người là rất lớn Khi vận tốc lớn, cơ thể trẻ em chưa vững chắc lên cần diện tích tiếp xúc lớn

2.1.2 Phân loại theo điều khiển

Hệ thống đai an toàn hiên nay có hai loại, hệ thống ây đai an toàn điều khiển bằng cơ khí và hệ thống đai an toàn điều khiển bằng điện kết hợp với hệ thống túi khí SRS và kích hoạt bằng bộ cảm biến túi khí trung tâm

2.2 Các cụm chi tiết của hệ thống đai an toàn 3 điểm

Các bộ phận chính của hệ thống đai an toàn 3 điểm được mô tả như ở hình 2.5

1 Dây đai an toàn 2 Vòng móc D

3 Bộ điều khiển 4 Giắc cắm và móc khóa

Hình 2.5 Kết cấu của hệ thống đai an toàn 3 điểm

2.2.1 Dây đai an toàn

Dây đai an toàn kết hợp với bộ điều khiển, móc khóa và vòng móc D giữ cho người lái không bị lao về phía trước khi xe bị đâm va Dây đai an toàn gồm có hai loại là: dây đai bằng vải, dây đai tự phồng

a Dây đai bằng vải

Là một dải vải được chế tạo từ vật liệu dẻo, bền và có khả năng co giãn, vành đai thông thường có một độ cứng giữa 10-20%, độ dày 1-1,5 mm và chiều rộng 48-

51 mm Một đầu của dây đai nối với một bộ dẫn động kéo đai co lại gọi là bộ căng đai, đầu còn lại lắp với khoen khóa an toàn và ở giữa liên kết với vòng móc D

Hình 2.6 Dây đai an toàn bằng vải

b Dây đai bằng túi khí

Hình 2.7 Dây đai bằng túi khí

Hệ thống dây đai an toàn này có nhiều lớp và sử dụng máy nén để đẩy khí làm “bung” dây đai Khi các cảm biến trên xe phát hiện những va chạm từ phía

dây đai lên gấp khoảng 3 lần Chính việc tăng kích thước của dây đai sẽ làm phân

bố lực va chạm ra phạm vi rộng hơn, giảm áp lực tác động lên vùng ngực tránh chấn thương cho người ngồi trên xe

Bộ điều khiển của đai an toàn gồm các cơ cấu như: cơ cấu căng đai, cơ cấu khóa đai, cơ cấu hạn chế lực, cơ cấu quấn dây đai, bộ tạo khí và cảm biến bộ căng đai được mô tả hình 2.6

Hình 2.8 Kết cấu của bộ điều khiển

2.2.2 Cơ cấu căng đai

Đai an toàn không cố định người lái hoàn toàn vào ghế, vẫn có một khoảng

tự do cần thiết giữa đai an toàn và người một thiết bị để cuốn đai an toàn ngay tức thì khi va đập vừa xẩy ra và giữ cho người tránh va đập Hiện nay cơ cấu căng đai gồm có hai loại: cơ cấu căng đai bằng cơ khí và cơ cấu căng bằng điện

a Cơ cấu căng đai kiểu cơ khí

Bộ phận chính của bộ căng đai là một lõi cuốn đai gắn với một đầu của đai

an toàn Bên trong bộ căng đai còn có một lò xo cuộn dùng để tạo lực xoắn hoặc mô men để cuốn dây đai Khi cụm chi tiết này làm việc, nó sẽ tạo ra lực xoắn để cuộn lại phần đai nếu bị lỏng ra mô tả hình 2.9