Washington Henrique F. Silva
AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO DE SISTEMAS DE AIR BAG
EM VEÍCULOS DE PASSEIO
Trabalho de final de curso apresentado à
Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre
em Engenharia Automotiva (Mestrado
Profissionalizante)
São Paulo
2005
Washington Henrique F. Silva
AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO DE SISTEMAS DE AIR BAG
EM VEÍCULOS DE PASSEIO
Trabalho de final de curso apresentado à
Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre
em Engenharia
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva
(Mestrado Profissionalizante)
Orientador:
Arlindo Tribess
São Paulo
2005
Silva, Washington Henrique Freitas da
Avaliação e validação de sistemas de air bag em veículos de passeio / W.H.F. da Silva. – São Paulo, 2005.
67 p.
Trabalho de curso (Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
1. Engenharia automotiva 2. Segurança veicular 3. Air bag 4. Veículos de passeio 5 . Tecnologia I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. II. t
AGRADECIMENTOS
Ao orientador Prof. Dr. Arlindo Tribess, pela motivação, confiança e permanentes incentivos dedicados a minha pessoa, durante o desenvolvimento e concretização deste sonho, e, sobretudo pela sabedoria dispensada durante estes anos de pesquisa e desenvolvimento intelectual.
À minha família, especialmente a minha esposa Ailza, que durante o curso me deu o maior presente de minha vida, a gravidez e o nascimento de meu filho Pedro, e o incondicional apoio, que sempre alavancaram os meus esforços na busca do melhor caminho.
Meus sinceros agradecimentos aos professores da Escola Politécnica da USP e colegas da General Motors, pelos momentos de convivência e pela troca de conhecimentos, que tanto enriqueceram minha formação pessoal e acadêmica.
Finalmente, agradeço a Deus e a todos que, direta ou indiretamente, colaboraram na execução deste trabalho, seja dividindo angustias, ansiedades e momentos de muito nervosismo, seja compartilhando entusiasmos e conquistas.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURASLISTAS DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS RESUMO
ABSTRACT
1.INTRODUÇÃO...1
1.1Objeto de estudo e objetivo do trabalho...7
1.2Organização do trabalho...8
2. SISTEMA DE AIR BAG...10
2.1Histórico do air bag...10
2.2Componentes do sistema de air bag...12
2.2.1As bolsas infláveis...13
2.2.2Os insufladores...14
2.2.3O módulo eletrônico de comando...16
2.3Princípio de funcionamento do sistema de air bag...17
2.4Air bag frontal... ...19
2.5Air bag lateral...20
3. ANÁLISE DE IMPACTO...23
3.1Impacto em veículos...23
3.2Sistema de coordenadas...25
3.2.1Análise de impacto sob a ótica das coordenadas móveis...27
3.2.2Análise de impacto sob a ótica das coordenadas móveis...28
4. SENSORES DE IMPACTO...33
4.1Desenvolvimento de sensores...34
4.2Sensor do sistema de air bag – acelerômetro...36
4.3Critérios de disparo do dispositivo de abertura do air bag ...36
4.3.1Critério das 5 polegadas menos 30 milisegundos (Regra 5” – 30 ms)...37
4.3.2Critério de performance dos ocupantes (Regra OPC)...39
5. AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG...43
5.1Avaliação em câmara de testes...43
5.2Avaliação em testes de impacto (crash tests)...46
5.3Os bonecos utilizados em testes de impacto: os dummies...47
5.3.1Os testes de impacto (crash tests)...48
6. VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG...50
6.1Avaliações de crash tests para validação do sistema de air bag ...50
6.2Critério de comportamento funcional da cabeça – HIC: Head Injury Criterion...52
7. TESTE DE VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG...55
7.1Teste de validação...55
7.2Aplicação do critério HIC...59
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS...63
9. CONCLUSÕES...65
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Encosto de cabeça ativo 4
Figura 1.2 Acionamento mecânico do encosto de cabeça ativo 4
Figura 1.3 Encosto de cabeça ativo com air bag 4
Figura 1.4 Cinto pirotécnico acionado pelo principio de êmbolo 6 Figura 2.1 Ilustração de atuação do sistema de air bag 10
Figura 2.2 Componentes do sistema de air bag 12
Figura 2.3 Bolsa inflável do sistema de air bag 13
Figura 2.4 Módulo de insuflação do air bag 14
Figura 2.5 Módulo eletrônico de comando do sistema de air bag 16
Figura 2.6 Air bag frontal 19
Figura 2.7 Air bag lateral 21
Figura 2.8 Limite de impacto para acionamento do air bag lateral 21 Figura 3.1 Sinal de aceleração medido no compartimento de passageiros em
colisão frontal a 48 km/h em barreira rígida
23
Figura 3.2 Sinal de aceleração, medido no compartimento do motor em colisão frontal a 48 km/h em barreira rígida
24
Figura 3.3 Curvas de aceleração, velocidade e deformação demonstradas a partir de um sistema de coordenadas fixas
28
Figura 3.4 Curvas de aceleração, velocidade e deformação demonstradas a partir de um sistema móvel
29
Figura 3.5 Dados de impacto a 15 km/h em barreira em barreira rígida 30 Figura 3.6 Dados de impacto a 48 km/h obtidos em colisão obliqua à 30o. em
barreira rígida
31
Figura 3.7 Dados de impacto obtidos a 48 km/h em colisão com poste 31 Figura 3.8 Dados de impacto obtidos a 48 km/h em colisão com poste, sob 32
sistema de coordenadas fixas
Figura 4.1 Dados de impacto a 48 km/h em barreira rígida, medidos na parte frontal do veículo
33
Figura 4.2 Sensor do sistema de air bag – acelerômetro 35 Figura 4.3 Curvas de aceleração e deslocamento de um ocupante sem cinto
de segurança, numa colisão frontal hipotética – determinação gráfica dos instantes limites para disparo de um sensor versus tempo requerido para se insuflar a bolsa de amortecimento.
38
Figura 4.4 Análise conforme critério de OPC para impacto frontal a 48 km/h 40 Figura 4.5 Gráfico comparativo entre critérios OPC e 5” – 30 ms em um
impacto frontal em poste a 22 km/h
41
Figura 4.6 Gráfico comparativo entre critérios OPC e 5” – 30 ms em um impacto frontal em barreira rígida a 56 km/h
42
Figura 5.1 Câmara estática de teste do air bag 43
Figura 5.2 Dados de deslocamento para determinação do tempo de atraso para o disparo do impactador
44
Figura 5.3 Representação esquemática para cálculo do tempo de atraso 45
Figura 5.4 Impacto sincronizado 46
Figura 5.5 Exemplos de dummies utilizados em crash tests, tipo (a) EUROSID e (b) modelo Hybrid III..
47
Figura 5.6 Dummies Hybrid III de vários tamanhos 48
Figura 5.7 Testes de impacto com dummy fora da posição 49
Figura 6.1 Imagens obtidas durante crash test 50
Figura 6.2 Limites biomecânicos na face 53
Figura 6.3 Curva de Wayne State 54
Figura 7.1 Instante de inicio de impacto (t=0 ms) 56
Figura 7.2 Veículo no instante de início do impacto (t= 0 ms) 56 Figura 7.3 Instante de deflagração do air bag (t= 19 ms) 57
Figura 7.4 Veículo no instante de deflagração do air bag (t= 19 ms) 57 Figura 7.5 Instante de contato do air bag insuflado com o dummy (t= 49 ms) 58 Figura 7.6 Veículo no instante de contato do air bag insuflado com o dummy
(t= 49 ms)
58
Figura 7.7 Instante de máximo deslocamento do dummy (t= 103 ms) 60 Figura 7.8 Gráfico de aceleração resultante do dummy em relação ao sistema
de coordenadas fixas
60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 Marcos históricos relacionados a segurança veicular 3 Tabela 3.1 Dados comparativos de magnitude e duração da aceleração nos
impactos a 15 km/h e 48 km/h
30
Tabela 4.1 Tempos de disparo em função das velocidades consideradas e do tipo de impacto
39
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABS Anti Block SystemDAS Data Acquisition System
FMVSS Federal Motor Vehicle Safety Standard HIC Head Injury Criterion
MDV Mira Data Viewer
NHTSA National Highway Traffic Safety Administration OPC Occupant Performance Criterion
RS Restraint Space SID Side Impact Dummy TOT Total Occupant Travel
RESUMO
O ser humano possui várias e graves limitações do ponto de vista das solicitações impostas pelo trânsito. Por isso, e também por deficiências do veículo e das vias onde o tráfego flui, há a necessidade de se incorporar ‘dispositivos compensadores destas limitações’ ao veículo. Uma das formas de se reduzir e/ou evitar ferimentos graves dos ocupantes em colisões de veículos é por meio da utilização de equipamentos de segurança passiva. O sistema de air bag, juntamente com o sistema de cintos de segurança, pode desempenhar um papel importante. Por serem elementos infláveis, os air bags se comportam como amortecedores que absorvem energia de movimento entre a parte superior do corpo de ocupantes do veículo e o volante de direção, painel de instrumentos ou vidro pára-brisa, por ocasião de uma colisão. No Brasil o air bag ainda é um item opcional de segurança passiva, não existindo a cultura de utilização deste equipamento. Com a abertura do mercado à importação de veículos, porém, este conceito vem se alterando aos poucos. No presente trabalho são discutidos aspectos relacionados com os testes de avaliação e validação destes sistemas, com a apresentação dos resultados de um teste de validação realizado. Inicialmente são apresentadas as funcionalidades do sistema de air bag e detalhados os componentes constitutivos do sistema, o seu funcionamento e os tipos de sistemas utilizados, bem como as técnicas de engenharia para análise de impactos (crash
tests), o desenvolvimento de sensores de impacto e os critérios para o disparo do
dispositivo de abertura do air bag. Em seguida, são apresentados e discutidos os testes de avaliação para validação do sistema de air bag realizados pelo fabricante e na montadora. Procedimentos de avaliação em câmaras de testes e em crash tests são detalhados. Finalizando, os critérios de comportamento funcional biomecânico utilizados na avaliação de validação do sistema são apresentados O critério de comportamento funcional da cabeça, HIC (Head Injury Criterion) é detalhado. Resultados do teste de validação apresentaram valor máximo para HIC de 658,75, para o intervalo de duração de impacto compreendido entre 67 e 103 ms. O valor obtido está abaixo do valor limite de HIC igual a 1000, da norma FVMSS 208; o que mostra que o sistema de air bag testado atendeu satisfatoriamente o requisito.
ABSTRACT
The human being has several and serious limitations of the point of view of the requests imposed by the traffic. Therefore, and also for deficiencies of the vehicle and of the roads, there is the need to incorporate 'compensatory devices for these limitations' to the vehicle. One way to reduce and/or to avoid serious injuries of the occupants in collisions of vehicles is by the use of passive safety equipment. The air bag systems, together with the seatbelts systems, can play an important rule. Air bags are inflated elements and behave as shock absorbers, that absorb movement energy between the superior part of the occupants' of the vehicle body and the direction steering wheel, the panel of instruments or the windshield, for occasion of a collision. In Brazil the air bag is still an optional item of passive safety, not existing the culture of the use of this equipment. With the opening of the market to the import of vehicles, however, this concept is changing little by little. In the present work aspects related with the evaluation and validation tests of these systems are discussed, with the presentation of the results of a validation test. Initially, the functionalities of the air bag system are presented and the components of the system, its operation and the systems types, as well as the engineering techniques for analysis of impacts (crash tests), the development of sensors of impact and the criteria for the shot to opening the air bag are detailed. Soon afterwards, the evaluation tests for the air bag system validation accomplished by the manufacturer and by the OEM are presented and discussed. Evaluation procedures in test chambers and in crash tests are detailed. Concluding, the criteria of the biomechanical functional behavior used in the evaluation for validation of the system are presented. The Head Injury Criterion (HIC) is detailed. Results of the validation test presented a maximum value of HIC equal to 658,75, for the interval of impact among 67 and 103 ms. This value is below the 1000 HIC limit value predicted by the FVMSS 208 norm; what shows that the air bag system attends the requirement satisfactorily.
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
O homem, apesar de ser uma máquina perfeita conforme o ponto de vista de vários filósofos e estudiosos que fizeram esta afirmação ao longo dos séculos possui várias e graves limitações do ponto de vista das solicitações impostas pelo trânsito, pois sua capacidade de julgamento nem sempre conduz à melhor saída, seus tempos de percepção e reação são relativamente lentos e dependentes do estado físico e/ou psicológico, não possui uniformidade nas reações, etc.Por isso, e também por deficiências do veículo e das vias onde o tráfego flui e que interagem junto ao meio ambiente, há a necessidade de se incorporar ‘dispositivos compensadores destas limitações’ ao veículo.
A estes dispositivos convencionou-se chamar de segurança ativa, e são todos aqueles equipamentos e/ou características de projeto que procuram ‘evitar’ a colisão e manter a integridade física dos ocupantes dos veículos, como por exemplo: faróis, lanternas, dispositivos reflexivos; freios (incluindo ABS), luzes de freio; espelhos retrovisores, desembaçadores e limpadores de pára-brisa; suspensão, direção, rodas, pneus, etc.
Paralelamente, há a necessidade de se incorporar equipamentos e/ou características de projeto para ‘reduzir’ e/ou ‘evitar’ lesões graves decorrentes de colisões, que compõem os dispositivos de segurança passiva. Nesta linha pode-se citar os cintos de segurança otimizados com ancoragem superior ajustável, fecho fixado ao banco, retrator com travamento de emergência, três pontos para o banco traseiro central e pré-tensionadores nos bancos dianteiros e os sistemas de air bag. Podem ser relacionados também os bancos dianteiros, com efeito anti submarino, encosto de cabeça ativo em todos os bancos, painéis internos almofadados e deformáveis, pedais de freio destacáveis, barra de proteção lateral nas portas, volante e coluna de direção colapsáveis, travas de portas com destravamento automático em casos de impactos e sistemas de segurança a crianças, célula de sobrevivência otimizada, pára-brisa laminado, etc. A BMW e a Mercedes Benz iniciaram o desenvolvimento e a Holdens, uma subsidiária da General Motors, está desenvolvendo sistema de cortinas de air bags e bolsas para regiões específicas do corpo humano; locais onde impactos podem gerar lesões mais graves (GM, 2005).
A evolução dos conceitos de segurança nos veículos e o desenvolvimento de sistemas de restrição na indústria automobilística tiveram grande avanço entre as décadas de 1980 e 1990. Na Tabela 1.1 é apresentada uma relação de componentes e ano de lançamento de equipamentos de segurança na história da evolução dos veículos automotivos (Chan, 2000).
Os aspectos de conforto e segurança não sobrevivem isolados e, quando considerados hoje em dia, possuem uma grande parcela de inter-relacionamento, muito embora convencionalmente possam ser tratados separadamente.
A busca por um equilíbrio que favoreça uma interface mais harmoniosa entre homem/veículo/via/meio ambiente, de uma maneira ordenada e disciplinada, é cada vez mais premente. Neste contexto, e como o homem freqüentemente se esquece de que também é parte da natureza, a segurança veicular adquire dimensões prioritárias na medida em que visa, acima de tudo, a vida do homem.
A redução no número de acidentes de trânsito, e conseqüentemente de mortos e/ou feridos, baseia-se em quatro princípios:
Na tentativa da mudança do comportamento do homem (motorista e pedestre). No uso mais seguro das vias existentes e em projetos mais aperfeiçoados das futuras vias.
No melhoramento do desempenho da segurança ativa dos veículos.
Na redução das trocas danosas de energia entre os ocupantes e não-ocupantes com o veículo, quando de uma colisão (segurança passiva).
Nos primórdios da segurança no trânsito, a ênfase era dada aos dois primeiros itens, ou seja, no controle do homem e na melhoria das vias. Mais recentemente ganhou vulto o enfoque da segurança veicular, correspondente aos dois últimos itens, cujo projeto contempla três fases bem distintas relacionadas aos acidentes, que são:
Antes (segurança ativa) Durante (segurança passiva)
É óbvio que o ideal em termos de segurança é não se ter mais acidentes, mas como isso é virtualmente impossível, pelo menos até o momento, há a necessidade de se conviver com as colisões inerentes ao sistema composto por homem, veículo, via e meio-ambiente. Tabela 1.1 Marcos históricos relacionados à segurança veicular (Chan, 2000).
Data Componente / Equipamento
1949 Painel de instrumentos almofadado, Chrysler. 1950 Cinto de segurança, Ford.
1951 Zona de colapso, Mercedes-Benz (MB).
1959 Cinto de segurança dianteiro de três pontos, Volvo.
1966 Pára-brisa resistente à penetração, Ford e General Motors (GM). 1967 Cinto de segurança traseiro de três pontos, Volvo.
Encosto de cabeça, Chrysler.
1968 Assento de segurança para criança, GM. 1969 Barra de proteção da porta, Ford e GM.
1971 Luzes de advertência no painel de instrumentos para o cinto de segurança, Volvo. 1972 Air bag, GM.
1974 Sinal sonoro de advertência do cinto de segurança, Volvo. 1975 Sistema integrado do cinto de segurança, Volkswagen (VW). 1978 Sistema de freio ABS, MB e BMW.
1983 Pára-brisa com película de segurança, GM.
1985 Air bag (para o motorista e acompanhante dianteiro), MB
1986 Coluna de direção colapsável, Audi. 1989 Barra de rolagem automática, MB.
Sistema de cinto de segurança integral, MB e BMW.
1994 Primeira utilização de acelerômetro como elemento em Crash Test, SAAB.
1995 Controle de cruzeiro adaptável, Mitsubishi.
Air bag para impactos laterais, Volvo.
1996 Sensor de presença em bancos, BMW.
1997 Coxim tubular inflável para proteção de impactos laterais, BMW. 1998 Air bag com acionamento pirotécnico, vários fabricantes.
Assim, tornou-se fundamental também o desenvolvimento e aperfeiçoamento de dispositivos que reduzam, ou até mesmo eliminem, a ‘segunda colisão’, que consiste na troca danosa de energia entre os seres humanos e as partes agressivas do veículo.
Para diminuir ou até mesmo eliminar os efeitos danosos desta ‘segunda colisão’ pode ser utilizados dispositivos como encostos de cabeça ativos, cintos de segurança com acionamento pirotécnico e o air bag.
O encosto de cabeça muitas vezes passa despercebido para os ocupantes de veículos, porém a correta regulagem de altura é de fundamental importância para a prevenção de lesões. A parte superior do encosto de cabeça, tanto o traseiro como o dianteiro, deve ficar sempre próximo da cabeça, aproximadamente à altura dos olhos, nunca no nível do pescoço. Nesta última condição o efeito benéfico passa a ser prejudicial, pois em caso de colisões o encosto atua como ponto de apoio para o efeito chicote, que é o movimento para trás e para frente que a cabeça tende a fazer em função da sua inércia.
Lesões relacionadas à garganta podem ser minimizadas ou até eliminadas com o uso de encostos de cabeça ativos. Os bancos dianteiros recebem o encosto de cabeça ativo (Fig.1.1) que visa a proteção da cabeça e do pescoço dos ocupantes. Equipado com uma articulação, a estrutura do encosto de cabeça ativo juntamente com o encosto, move-se na direção do ocupante, suportando e limitando o movimento da cabeça para trás, reduzindo o risco de lesões (GM, 2005).
O sistema do encosto de cabeça ativo pode ser mecânico ou automático. No caso do sistema mecânico o encosto de cabeça é ligado a uma barra interna que exerce a função de uma alavanca (Fig. 1.2). Quando ocorre uma colisão o corpo dos ocupantes é lançado contra o encosto do banco no segundo impacto. O movimento da alavanca projeta o encosto para frente, evitando o movimento de chicote da cabeça.
No caso de sistema automático (Fig. 1.3), bolsas infláveis semelhantes ao air bag são insufladas nas mesmas condições estabelecidas para o sistema mecânico. A diferença consiste no fato de existirem sensores que monitoram as condições de impacto para o acionamento das bolsas infláveis (Bigi et al, 1998).
O objetivo destes sistemas é reduzir significativamente as cargas de impacto no pescoço e cabeça evitando lesões na coluna serviçal.
Figura 1.1 – Encosto de cabeça ativo (GM, 2005).
Figura 1.2 – Acionamento mecânico do encosto de cabeça ativo (Bigi et al, 1998).
Figura 1.3 – Encosto de cabeça ativo com air bag (Bigi et al, 1998).
Tecido flexível Emenda Air Bag Cobertura do tecido Espuma Espuma deformável Insulflador Espuma Tecido flexível Emenda Air Bag Cobertura do tecido Espuma Espuma deformável Insulflador Espuma
A utilização de cintos de segurança é item obrigatório em veículos. Sempre que um cinto de segurança tiver sido exigido, isto é, submetido a esforços, como por exemplo, num acidente, ou quando o retrator do cinto de segurança apresentar ruídos na extração e retração deverá ser substituído por um novo.
O cinto de três pontos deve ser posicionado ajustando o encosto do banco de forma que a pessoa fique em posição vertical. O cinto deve ser ajustado sobre o corpo sem torcê-lo e a fivela do cinto encaixada no fecho até se perceber o ruído característico de travamento. A parte sub-abdominal do cinto deve estar em posição baixa e rente aos quadris, tocando as coxas. O cinto diagonal deverá passar sobre o ombro e transversalmente ao tórax. Estas partes do corpo são adequadas para receber os esforços dos cintos de segurança.
Mesmo que travados, os cintos de segurança poderão não ser eficazes se a pessoa estiver em posição reclinada. O cinto diagonal pode não ser eficaz, pois não estará apoiado no corpo. Em caso de colisão, a pessoa poderá deslizar, recebendo lesões no pescoço ou em outros locais. O cinto sub-abdominal também pode não ser eficaz, pois em caso de colisão, o cinto poderá estar acima de seu abdômen. As forças do cinto estarão concentradas naquele local e não sobre seus ossos pélvicos. Isto poderá causar sérias lesões internas. Para obter proteção adequada enquanto o veículo estiver em movimento, o encosto deve ser mantido em posição vertical e a pessoa deve estar bem encostada usando o cinto de segurança corretamente (GM, 2005).
O sistema do cinto de segurança dos bancos dianteiros pode incorporar pré-tensionadores do cinto. Na eventualidade de uma colisão frontal os fechos do cinto são puxados para baixo, fazendo com que o cadarço diagonal e sub-abdominal sejam instantaneamente esticados.
Os pré-tensores são acionados por meio de dois princípios básicos. O pré-tensor pode ser acionado por meio de esferas armazenadas num tubo guia. Ao ser excitado, dispara uma carga pirotécnica que põe em movimento as esferas, impulsionando-as de maneira que passem por uma roda dentada, isto é, uma catraca até o recipiente captador. O enrolador do cinto é acionado pela roda dentada, que recebe energia de impulso das esferas, rebobinando assim o cinto com um curso de 200 mm em 12 ms, com limitação de 500 kg (GM, 2005)
Outra possibilidade de acionamento consiste na explosão de uma carga pirotécnica que impulsiona um êmbolo, tracionando um sistema de cabos ligados ao enrolador do cinto,
fazendo com que o mesmo seja recuado. Este dispositivo é posicionado no interior da coluna em conjunto com o sistema de retração dos cintos dianteiros (Fig. 1.4).
Figura 1.4 – Cinto pirotécnico acionado pelo princípio de êmbolo (Damoulis, 2003).
1.1 OBJETO DE ESTUDO E OBJETIVOS DO TRABALHO
O sistema de air bag, objeto de estudo do presente trabalho, serve para completar o sistema de cintos de segurança de três pontos e tensionadores do cinto. Portanto, os cintos de segurança devem sempre ser usados pelos ocupantes do veículo, independentemente do veículo ser equipado ou não com sistema de air bag.
Devem sempre ser observados os sistemas de auto-diagnóstico dos veículos, pois caso haja algum problema no sistema de air bag, pré-tensionadores ou demais itens de segurança, o usuário deverá procurar corrigir estes problemas em locais apropriados, pois assim os sistemas de segurança poderão proporcionar a confiança esperada.
Os sistemas atuais de retenção, tais como cintos de segurança, são projetados para o amortecimento dos ocupantes em casos de colisão. A sua eficácia, porém, é discutível para alguns valores de velocidade e/ou desacelerações envolvidos (GM, 2005); daí também a importância do uso complementar de sistema de air bag.
Durante uma colisão e considerando-se a não utilização do sistema de retenção pelos ocupantes, estes podem sofrer impactos secundários contra o volante, painel, teto ou outras superfícies do interior da cabina. As lesões sofridas em uma colisão terão maior ou menor
gravidade dependendo das velocidades envolvidas, condições de impacto, posições ocupadas no veículo e a própria configuração interna da cabina.
No desenvolvimento de sistemas de air bag é necessário simular o efeito de acidentes em seres humanos sem, contudo, colocar sua integridade física em risco. E isto pode ser feito por meio da simulação numérica e/ou testes de impacto (crash tests) utilizando bonecos (dummies).
A norma da agência norte-americana Federal Motor Vehicle Safety Standard - FMVSS 208 (Smith et al, 2003) estabelece padrões rígidos para validação do sistema de air bag. Neste processo o importante é simular os graus de movimento que os ocupantes podem ter em caso de colisão e avaliar o impacto na bolsa inflada.
No presente trabalho são apresentadas as funcionalidades do sistema de segurança passiva air bag e detalhados os componentes do sistema, o seu funcionamento, bem como a avaliação e validação do sistema. São apresentados resultados de teste de avaliação e validação de sistema air bag, considerando limites de tolerâncias à lesão de ocupantes do veículo.
1.2
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
No estudo de avaliação e validação de sistemas de air bag em carros de passeio os assuntos foram divididos em capítulos conforme detalhado a seguir.
No Capítulo 2 inicialmente é apresentada uma visão geral do sistema de air bag, com a apresentação de um breve histórico. Em seguida são detalhados os componentes constitutivos do air bag e seu funcionamento. O capítulo termina com a apresentação dos sistemas de air bag frontal e lateral.
No capítulo 3 são apresentadas técnicas de engenharia para análise de impactos e a correta extração de informações de dados coletados numa colisão para avaliação de resultados de testes de impacto (crash tests). O capítulo 4 trata do desenvolvimento de sensores de impacto e os critérios para o disparo de dispositivo de abertura do air bag.
No capítulo 5 são apresentados e discutidos os testes de avaliação para validação do sistema de air bag realizados pelo fabricante e na montadora. Procedimentos de avaliação em câmaras de testes estáticas e em crash test são detalhados.
O capítulo 6 trata das avaliações de crash test para validação do sistema de air bag e apresenta os critérios de comportamento funcional biomecânico utilizados na avaliação de validação do sistema. O critério de comportamento funcional da cabeça, HIC (Head Injury
Criterion) é detalhado.
No capítulo 7 são apresentados resultados de crash test realizado com veículo de passeio. São apresentados também resultados de aplicação do critério de comportamento funcional da cabeça, HIC (Head Injury Criterion) na avaliação do sistema de air bag.
No capítulo 8 são apresentadas algumas considerações finais e no Capítulo 9 as conclusões do trabalho.
CAPÍTULO 2
O SISTEMA DE AIR BAG
O sistema de air bag (Fig. 2.1) é mais um exemplo de tecnologia originalmente desenvolvida para propósitos militares, sendo convertida posteriormente para aplicações no mundo civil. Nas últimas décadas a indústria automobilística também se beneficiou com o aumento no grau de desenvolvimento destas tecnologias. Foi nos anos de 1960 que a idéia de se desenvolver um sistema completo de air bag, uma espécie de almofada de ar que automaticamente se inflava para proteger os passageiros de um veículo, começou a se tornar realidade.Figura 2.1 – Ilustração de atuação do sistema de air bag (GM, 2005).
2.1 Histórico do air bag
Segundo relatos históricos apresentados em Chan (2000), o desenvolvimento do sistema de bolsas infláveis, mais conhecido como air bag, data de 1952, com a concessão da patente à J.W. Hetrick, nos Estados Unidos. Em 1953 outra patente foi registrada na Alemanha por Walter Linder.
Nos primeiros testes foi encontrada grande dificuldade para inflar a bolsa de ar em um curto espaço de tempo. As experiências iniciais com o ar sendo altamente comprimido falharam e seus resultados não foram satisfatórios. Até o início dos anos de 1970 várias tentativas sem êxito foram realizadas exaustivamente nos Estados Unidos com diversos tipos de gases infláveis em cilindros de alta pressão.
Paralelamente, houve um grande esforço de desenvolvimento do sistema de air bag na Alemanha. Este esforço pode ser atribuído ao fato da exportação de automóveis para os Estados Unidos ter se tornado um negócio significativo naquele tempo, estimulando a indústria automobilística alemã a buscar suas próprias soluções. Outra motivação foi devido às leis norte americanas introduzirem itens de segurança obrigatórios nos carros de passageiros e os alemães precisarem ter seus próprios projetos para atender e estes requisitos.
Um passo decisivo foi tomado no final do ano de 1970 quando um pequeno grupo de pesquisadores de uma empresa do sul da Alemanha, conhecida pela fabricação de impulsores pirotécnicos para foguetes, estava trabalhando em um projeto militar. O desafio era disparar uma bomba de uma aeronave por meio de uma carga impulsora de maneira que a pressão da descarga não trouxesse danos à aeronave. A idéia de transferir este princípio para um pequeno combustível sólido gerador de gás, projetado para inflar uma bolsa de ar no menor tempo possível, marcou o ponto inicial para a construção dos primeiros protótipos, que foram apresentados ao público em maio de 1971. O principio fundamental do sistema air bag acabava de ter nascido (Damoulis, 2003).
De maio de 1971 até o ano de 1980, quando os fabricantes de automóveis da Alemanha decidiram oferecer o air bag como opcional em veículos de classe luxuosa, foram realizadas uma infinidade de baterias de testes para solucionar problemas e também porque um “impulsor inofensivo” tinha que ser desenvolvido. Ao mesmo tempo, o projeto dos primeiros protótipos foi modificado para que o sistema de air bag se tornasse viável para uma produção econômica em escala.
A produção de automóveis com sistema de air bags nos Estados Unidos também foi iniciada mais ou menos na mesma época. Contudo, a produção em escala ocorreu somente por volta de 1985, por intermédio dos fabricantes europeus instalados no país como Mercedes-Benz, Volvo e BMW. Em 1986, 50.000 veículos já tinham este equipamento instalado naquele país. Dez anos depois, o órgão regulador norte-americano NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) calculou em 38 milhões o número de veículos equipados com air bag para motorista, além de 15 milhões com air bag duplo. Este montante representava 25% do parque automotivo norte-americano (GM, 2005). Nos anos de 1980 a agência norte-americana Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) iniciou um programa de introdução de medidas de segurança passiva para automóveis. Estas medidas visavam disponibilizar o sistema de air bag em veículos
gradativamente, sendo o objetivo atingir 10% dos veículos produzidos em 1987, 25% em 1988, 40% em 1989 e finalizando no ano de 1990 em 100%, situação que persiste até hoje. No Brasil os primeiros veículos que possuíam este equipamento foram importados. Para os veículos montados no território nacional os primeiros registros datam da metade da década de 1990. Vale lembrar que no Brasil o uso do sistema air bag é considerado opcional, sendo incorporado a modelos médios e de luxo como opção de compra pelo cliente (GM, 2005).
Do ponto de vista de conceito, há diferenças importantes entre os air bags norte-americanos e europeus. O norte-americano é muito maior e mais potente que os utilizados na Europa. Inicialmente, no continente europeu foram introduzidos os Eurobags, bolsas pequenas e pouco pressurizadas, destinadas essencialmente a proteger a cabeça. As últimas gerações de air bags europeus procuram aliar a proteção do air bag norte-americano com a limitação da agressividade das bolsas infláveis, que trazem benefícios aos ocupantes. No Brasil os modelos de air bags seguem a tendência norte americana. Apesar de não termos a mesma legislação com relação ao uso de cintos de segurança, a validação do sistema air bag procura seguir normas mais rigorosas para preservação da integridade física dos ocupantes (GM, 2005).
2.2 Componentes do sistema de air bag
O sistema de air bag é constituído por três componentes interconectados: as bolsas infláveis, os dispositivos geradores de gás (insufladores) e o módulo eletrônico de comando com sensores de detecção de desaceleração (Huelke, 1999).
Veículo Inflador
Sensores Módulo do Air Bag
Cinto de Segurança Módulo de Controle do Sistema Veículo Inflador Sensores Módulo do Air Bag
Cinto de Segurança
Módulo de Controle do Sistema
2.2.1 As bolsas infláveis
As bolsas infláveis (Fig. 2.3), feitas de fibras sintéticas, possuem tiras e costuras próprias para limitar o seu comprimento e velocidade durante a abertura, desinflando gradativamente através de orifícios laterais (ou traseiros) logo após contato com o corpo dos ocupantes. Isto amortece a velocidade de deslocamento do corpo, evitando, juntamente com o cinto de segurança, o impacto contra o interior do veículo (mais diretamente volante e painel de instrumentos).
A bolsa inflável é o elemento visível do sistema de air bag. O volume e a largura da bolsa variam muito. A bolsa do motorista tem em média o volume de 60 litros. A do passageiro, por se encontrar mais distante, no painel em geral, varia de 100 a 120 litros.
O tecido mais empregado para a confecção da bolsa é a poliamida. Para responder às exigências especiais de temperatura, seu interior pode ser revestido de neoprene ou silicone. Inflada a bolsa, o amortecimento se torna possível a medida que ela se esvazia através dos orifícios de escapes (laterais ou traseiros).
2.2.2 - Os insufladores
Os insufladores consistem, basicamente, de um receptáculo de metal que contém em seu interior uma quantidade precisa de um impulsor pirotécnico em forma de pastilhas proporcional ao tamanho da bolsa.
Os insufladores, também conhecidos como circuitos de ignição, são responsáveis pelo armazenamento do “combustível”, isto é, o impulsor e geração do gás que infla e preenche todos os espaços do interior da bolsa em frações de segundos.
Na Figura 2.4 é apresentado o módulo de insuflação de um sistema de air bag constituído de uma unidade de ignição cercada por uma carga de impulsor pirotécnico. A unidade de ignição é composta de um fio resistivo responsável pela ignição elétrica (1) e de uma mistura de ignição pirotécnica (2), colocados em uma câmara de pressão (3). O impulsor pirotécnico é formado por pastilhas (4) colocadas em uma câmara de combustão selada hermeticamente. O gás gerado flui através de orifícios (5) para o módulo da bolsa de ar (6).
Figura 2.4 - Módulo de insuflação do air bag (Damoulis, 2003).
O fio resistivo (1), aquecido pela passagem de corrente elétrica, provoca ignição em uma carga primária, que pode ser chumbo trinitrorecorcinato (C6H3N3O9Pb). A energia liberada
é transferida para uma mistura de ignição (2) que usualmente é composta de boro (B) e nitrato de potássio (KNO3). Freqüentemente, uma nitrocelulose (NC) como pó de algodão,
é integrada também nesta mistura. Esta mistura desempenha a função de uma pré-ignição que tem como tarefa acender o insuflador. Os gases quentes e partículas resultantes da reação química da mistura de ignição (2) entram na câmara de combustão onde as pastilhas do combustível impulsor (4) se encontram.
A maioria dos insufladores utiliza impulsores a base de azida de sódio (NaN3). Uma vez na
câmara de combustão, os gases quentes e partículas iniciam uma forte reação química que tem características de uma combustão instantânea ou deflagração. Em comparação com uma detonação, porém, a velocidade de conversão dos produtos durante a combustão instantânea é 100 a 1000 vezes mais lenta.
Na forma idealizada, a conversão de um combustível impulsor sólido para um gás que infla uma bolsa, pode ser expressa como:
21 NaN3 +_KNO3 + 4 Fe2O3 + 2.5 SiO2 (impulsor) (2.1)
10.5 Na2O x 0.5 K2O x 4 Fe x 2.5 SiO2 x 4 FeO (resíduo sólido) (2.2)
+ 32 N2 (gás nitrogênio) (2.3)
Aproximadamente três milisegundos após o insuflador ser “aceso”, o componente que gera o gás azida de sódio (NaN3) e o agente oxidante nitrato de potássio (KNO3), geram em
torno de 40% de massa de nitrogênio e 60% de sólidos. Parte destes resíduos sólidos fica retida na câmara de combustão em forma de óxido de silício (SiO2). O óxido de ferro
(Fe2O3) contido no combustível, responde por uma temperatura de combustão na ordem de
1330º C (sem o óxido de ferro, a temperatura estaria acima de 1930º C). Alguns defletores são colocados no filtro da câmara de combustão de maneira que o gás gerado entre limpo e resfriado na via que vai levá-lo até a bolsa inflável.
O nitrogênio, que representa quase 99% do volume, esfria rapidamente como resultado de uma rápida expansão, chegando sua temperatura a 150º C. Como o gás permanece na bolsa de ar por apenas alguns milisegundos antes de escapar pelas aberturas de descarga, o calor do gás não é disperso para o material da bolsa. Assim, não há risco de queimaduras quando do contato da bolsa com a pele das pessoas (GM, 2005).
Quanto a formas e dimensões, em princípio, o insuflador tem uma forma tubular e dois diferentes desenhos conforme sua aplicação seja montada no volante (motorista) ou no painel de bordo (acompanhante). Os insufladores projetados para serem instalados no volante de direção ou portas apresentam um formato semelhante a um disco de arremesso (Figura 2.4), com diâmetro de 100 mm e 35 mm de espessura. Já o insuflador para o acompanhante possui um diâmetro pequeno e um comprimento considerável, normalmente em torno de 60 mm de diâmetro e 230 mm de comprimento.
2.2.3 O módulo eletrônico de comando
A unidade eletrônica de comando (Fig. 2.5) é fixada à estrutura do veículo, sendo na maior parte das vezes em sua região central sobre o túnel central, compreendendo os seguintes componentes e/ou circuitos:
a) Sensor de colisão: um ou dois sensores que são frequentemente micro acelerômetros e são orientados para frente. Assim, numa colisão traseira, não fazem com que o sistema dispare e infle as bolsas;
b) Estabilizador de tensão: proporciona uma tensão de alimentação de 5V para os sensores e microprocessadores;
c) Memória: utiliza-se uma EPROM para armazenar os parâmetros de impacto do microprocessador e as avarias registradas;
d) Microprocessador: analisa a todo o momento os valores de aceleração frontal recebidos dos sensores para verificar se deve emitir ou não um sinal de ativação ao circuito de disparo (Fig. 2.4).
Figura 2.5 – Módulo eletrônico de comando do sistema de air bag (GM, 2005) Nos veículos mais modernos o microprocessador é capaz ainda de, quando houver ativação dos air bags, enviar um sinal de crash à unidade eletrônica de gerenciamento do motor, para desativação do relé da bomba de combustível, e a uma unidade eletrônica de conforto e conveniência, fazendo as portas do carro destravarem, acendendo a iluminação interna do habitáculo e acionando as luzes de advertência do veículo.
Com o avanço da tecnologia da informação, o microprocessador em conjunto com sistemas de localização GPS pode informar uma central de socorro que o veículo esteja imobilizado, acionando serviços de socorro, guincho, carro reserva etc.
2.3 Princípio de funcionamento do sistema de air bag
Quando ativado pela desaceleração súbita do veículo, o sensor transmite os dados para o módulo eletrônico que interpreta se há a necessidade ou não de abertura das bolsas. Este módulo age comparando o sinal a um conjunto de curvas-limite características de dados levantados em diversos testes de impacto (crash tests), gerados com o tipo de veículo em questão. O módulo, julgando necessário o disparo, envia um pulso elétrico que provoca ignição do propelente químico armazenado nos dispositivos geradores de gás (insufladores), produzindo como resultado da reação o gás nitrogênio, que infla as bolsas. Este processo ocorre muito rapidamente - em torno de 30 milisegundos para o air bag do motorista, e 60 milisegundos para o air bag do passageiro (air bag maior, com o dobro do volume).
Todo este processo de detecção, insuflação, amortecimento e desinsuflação do air bag precisa atingir sua máxima eficiência de modo a garantir um máximo de benefícios para os ocupantes do veículo. Assim é muito importante que a seqüência de abertura seja adequadamente controlada. Uma vez que todo o aparato de funcionamento é inicializado pelo disparo dos sensores, o desenvolvimento destes é um ponto crítico para a confiabilidade e eficácia deste sistema.
Os dados obtidos pelos sensores são a base para a determinação do tempo de abertura do sistema. Com base nestes dados, são geradas as curvas de impacto, a partir das quais se verificarão os tempos críticos para a abertura ou não das bolsas de ar. Aberturas tardias ou antecipadas, ou ainda “não previstas” podem causar sérios danos aos passageiros, inclusive a morte.
O circuito eletrônico de disparo transmite um pulso de ignição para os insufladores do air
bag e, se aplicável, aos pré-tensionadores do cinto de segurança. Se a unidade de comando
do air bag é considerado o cérebro do sistema, então pode-se dizer que os insufladores são o coração.
Medidas tomadas no projeto asseguram que o insuflador cumpra sua função de insuflar uma bolsa em um acidente mesmo após 15 anos de uso do veículo. Assim que o insuflador recebe o pulso de ignição, o combustível e o impulsor sólido são queimados instantaneamente, liberando um gás inócuo que vai inflar a bolsa dobrada do motorista dentro do tempo estabelecido para o modelo de veículo, respeitando as condições de segurança dos ocupantes.
Com o aumento da pressão, a tampa do módulo se abre permitindo assim que o air bag se expanda. A bolsa insufla em primeiro lugar lateralmente, logo em seguida verticalmente para evitar agredir o ocupante se ele estiver muito perto do módulo da bolsa. O air bag acaba de ser inflado e pressurizado em direção ao ocupante aplicando as forças de retenção em toda superfície da cabeça e o peito.
Durante uma colisão de um veículo em uma barreira rígida a 50 km/h, o movimento do carro pode cessar, mas os objetos não fixados nele de maneira rigorosa, continuam em movimento. Preventivamente um pré-tensionador no cinto de segurança de três pontos de fixação é ativado para evitar que haja um escorregamento por baixo, fixando a parte superior do tronco dos ocupantes no encosto do banco.
O sistema de air bag, como todo sistema de segurança deve seguir algumas recomendações específicas para o seu bom funcionamento, dentre as quais se podem destacar:
a) Não se deve manter nenhum tipo de objeto entre as bolsas e os ocupantes dos bancos dianteiros, pois em caso de acionamento o objeto poderá se tornar um projétil lançado contra os ocupantes;
b) Não instalar qualquer acessório não original no volante ou no painel onde esteja o módulo do air bag;
c) Nunca efetuar alterações nos componentes do sistema de air bag;
d) Para evitar falhas no sistema eletrônico que controla o air bag e os pré-tensionadores do cinto de segurança (localizados normalmente no console central, ou em alguma região próxima), nenhum objeto imantado ou que produza ondas magnéticas deve ser colocado nas proximidades do módulo de controle;
e) Caso o veículo sofra inundação ou alagamento, solicitar sempre o reparo em locais indicados pelos fabricantes.
f) A desmontagem do volante e do painel de instrumentos (bem como os painéis laterais nos casos de side air bag), deve sempre obedecer a procedimentos restritos que se não observados podem geram problemas com relação a futuras necessidades de funcionamento.
O air bag é projetado para disparar somente uma única vez. Uma vez disparado, não poderá ser reutilizado para o mesmo fim, sendo recomendado por todos os fabricantes a sua imediata substituição.
2.4 Air bag frontal
Devido ao maior uso dos assentos dianteiros e aos impactos frontais responderem por aproximadamente 65% dos acidentes fatais (GM, 2005), inicialmente foram desenvolvidos
air bags incorporados aos volantes de direção e na região do painel acima do porta-luvas.
O sistema suplementar de retenção frontal é identificado pela inscrição Air Bag no volante para o motorista e acima do porta-luvas para o passageiro (Fig. 2.6). Este sistema é composto de:
Bolsas infláveis com geradores de gás alojados no interior do volante e do painel Controle eletrônico com sensor de desaceleração integrado
Luz indicadora no painel de instrumentos
Figura 2.6 - Air bags frontais (GM, 2005)
Os air bags frontais são dispositivos complementares de segurança que, em conjunto com os cintos de segurança dianteiros e seus pré-tensionadores, aumentam a eficiência da proteção aos ocupantes em colisões com desacelerações muito bruscas do veículo. Sua função é a de proteger a cabeça e o tórax do ocupante contra choques violentos no volante de direção ou painel em acidentes em que a proteção oferecida somente pelos cintos de segurança não for suficiente para se evitar lesões graves e/ou fatais.
O air bag não será acionado em impactos frontais de baixa severidade, em que o cinto de segurança for o bastante para proteger os ocupantes, em impactos laterais, traseiros, capotamentos, derrapagens e outras situações em que o ocupante não é projetado para frente com severidade.
O módulo eletrônico com o sensor de desaceleração gerencia a ativação dos pré-tensionadores dos cintos de segurança e dos air bags. Havendo a necessidade, dispara
inicialmente os pré-tensionadores dos cintos de segurança dianteiros para segurar ainda mais os ocupantes nos bancos e, dependendo do nível de desaceleração, também ativa os geradores de gás que insuflam as bolsas em milésimos de segundo, amortecendo o contato do corpo dos ocupantes com o volante de direção ou painel.
A explosão do dispositivo gerador de gás, provocada para insuflar as bolsas não é prejudicial para o sistema auditivo humano e a nuvem de fumaça formada durante o disparo do sistema de air bag nada mais é do que um “talco” não tóxico, cuja função é a de minimizar o atrito entre o corpo do ocupante e as bolsas infláveis (GMB, 2005).
2.5 Air bag lateral
Este sistema é indicado pela inscrição de Side Air Bag na coluna central (coluna B) entre as portas, atuando independentemente dos air bags frontais. Sua função é aumentar a proteção do motorista e passageiro dianteiro em caso de colisão lateral severa na região das portas dianteiras, diminuindo o risco de lesão no tronco, através da deflagração de bolsas infláveis laterais. Ao contrário dos frontais, a atuação dos air bags laterais (Fig. 2.7) é independente entre si, isto é, o acionamento de um dos lados não implica no acionamento do outro lado.
Figura 2.7. Air bag lateral (GM, 2005)
A velocidade, direção do movimento e deformação do veículo, além do obstáculo atingido, determinam a severidade do acidente e o acionamento ou não do air bag lateral. O sistema não será acionado em casos de capotamento, colisão traseira, colisão frontal ou se o impacto ocorrer fora dos limites de 60º, conforme apresentado na Figura 2.8.
O sistema possui sensores posicionados nas portas dianteiras que podem ser danificados ou ter seu funcionamento afetado durante uma colisão leve ou em reparos realizados em locais não indicados pelos fabricantes.
Figura 2.8 – Limite de impacto para acionamento do air bag lateral (GM, 2005). Da mesma forma que os air bags frontais, os laterais são um complemento ao sistema de cintos de segurança. Em toda e qualquer situação os ocupantes do veículo devem utilizar os cintos de segurança corretamente, pois estes garantem a retenção necessária para que o
air bag atue com eficácia.
É importante observar também que para o bom funcionamento do sistema de air bag lateral não se deve posicionar o corpo ou qualquer objeto, inclusive travesseiros, entre os bancos dianteiros e as portas. Os ocupantes do banco dianteiro não deverão se inclinar ou dormir apoiados na porta; sentando sempre no centro do banco (GM, 2005).
Pesquisas recentes vem se concentrando em fornecer maior proteção contra colisões laterais, que segundo as estatísticas, representam 20% de todos os tipos de acidentes que causam mais danos e piores conseqüências aos ocupantes dos veículos (GM, 2005). O principal problema nos impactos laterais, é que não há uma zona de deformação da estrutura suficiente que absorva parte do choque, assim como ocorre na colisão frontal, retardando o impacto contra o ocupante.
As bolsas de ar lateral, ou como são conhecidos side bags, estão integradas ou dentro das portas ou nas extremidades dos assentos. Este sistema foi oferecido ao mercado pela primeira vez em veículos do ano 1995, nos modelos Volvo 850s e 960s.
Os side air bags tem como função básica proteger as zonas do tórax e abdômen contra impactos laterais, frontais e oblíquos. Embora cada sistema de air bag tenha uma tarefa específica e distinta a cumprir, todos têm o mesmo principio de funcionamento. A unidade de comando eletrônica que gerencia os side air bags está incorporada na mesma unidade de comando dos air bags frontais.
Mesmo utilizando à mesma unidade de comando, seus sensores são independentes, isto é, se após um impacto frontal com disparo do air bag houver um impacto lateral severo, um
CAPÍTULO 3
ANÁLISE DE IMPACTO
Análise de impacto é a prática de engenharia que facilita o entendimento de um evento de impacto e a extração de informações dos dados coletados numa colisão (GM, 2005). O ponto de partida é a apresentação dos dados de impacto em termos de comportamento do veículo e seus ocupantes no momento da colisão.3.1 Impacto em veículos
O início do processo para se determinar o tempo de abertura do air bag é por meio de testes de impacto no veículo (crash tests). O dado principal está em forma de sinais de aceleração medidos nos acelerômetros localizados em vários pontos do veículo. Isto porque, quando este sofre uma colisão, diferentes partes desaceleram com diferentes variações de velocidade. Como resultado as acelerações (desacelerações) medidas nesta área irão flutuar em tempo e magnitude (GM, 2005). As figuras 3.1 e 3.2 mostram a variação entre a aceleração no compartimento dos passageiros e no compartimento do motor. Tempo - ms A ce le ra çã o (g ) Tempo - ms A ce le ra çã o (g )
Figura 3.1 - Sinal de aceleração medido no compartimento de passageiros em colisão frontal a 48
Tempo - ms A ce le ra çã o (g ) Tempo - ms A ce le ra çã o (g )
Figura 3.2 - Sinal de aceleração, medido no compartimento do motor em colisão frontal a 48 km/h
em barreira rígida (Chan, 2000).
A seguir são apresentados aspectos relevantes relacionados aos impactos em veículos: a) Duração do impacto
A definição de “duração do impacto” é o período entre o início do impacto, onde o veículo toca a barreira até o momento em que a aceleração causada pelo impacto diminui a níveis insignificantes, que podem ser desconsiderados. Para o impacto veículo-barreira, isto exclui o tempo de retorno (ricocheteio) do veículo após a deformação por ocasião da colisão. Para um impacto de veículo-veículo, o tempo começa quando ambos se tocam até quando ambos retornam, separando-se. Este período tem duração em torno de 80 a 120 milisegundos em colisões frontais de veículos com barreiras rígidas para a grande maioria dos veículos de passageiros leves.
O tempo de duração de impacto está associado com as características do veículo e o tipo de impacto. As propriedades estruturais da região de contato entre o veículo e o obstáculo determinam como os dois objetos interagem entre si. Se o mesmo veículo atingir uma barreira rígida, um poste ou um outro veículo irá gerar sinais de aceleração distintos. Um veículo com uma área frontal rígida, como um caminhão, irá gerar sinais diferentes se comparado a um carro de passageiros colidindo com o mesmo obstáculo na mesma velocidade.
b) Impactos “leves” e “pesados”
Um impacto “leve” tem um tempo de duração de impacto relativamente longo, enquanto um impacto “pesado” tem duração relativamente curta. Por exemplo, impactos em ângulo com barreira, em barreiras deformáveis, e postes são “leves” se comparados com os impactos frontais em barreiras rígidas para o mesmo veículo. Impactos em ângulos nas barreiras e impactos em postes freqüentemente geram sinais de aceleração com duração de 20 a 50 % mais longos do que o impacto frontal. Um caminhão com uma frente rígida gerará um sinal “pesado” quando comparado com um carro de passageiros com uma frente deformável no mesmo obstáculo.
c) Dependência dos sinais de impacto nos vários tipos de veículos
Se dois veículos possuem estruturas diferentes, eles irão gerar diferentes tipos de sinais de impacto. Por outro lado se eles tiverem o mesmo tipo de estrutura, seus sinais serão similares. Quanto mais rígida a estrutura, mais curto será o tempo de duração do impacto. Em geral os veículos de passageiros têm estrutura mais “macia” (entenda-se deformável) do que as caminhonetes ou caminhões/ônibus. Uma observação importante é que os carros pequenos, mesmo aqueles com frente mais “macia” tendem a ter um tempo de duração mais curto do que os carros de maior porte, pois têm um espaço pequeno para a deformação que é logo consumido antes que o motor ou as longarinas do veículo sejam envolvidos.
d) Dependência dos sinais de impacto nos vários tipos de colisões.
Uma colisão é caracterizada pela interação entre veículo e obstáculo, o que faz o tipo de colisão ser muito importante na determinação dos dados de impacto. Por exemplo: colisões em ângulo ou postes geram sinais de aceleração fracos (atingem inicialmente apenas uma pequena parte do veículo, ao contrário de uma colisão frontal), que se tornam fortes se a colisão é severa o suficiente para resultar em uma grande deformação.
Raramente os testes de impacto ocorridos representam exatamente o que ocorre no mundo real. Portanto, os dados obtidos deste mundo real precisam estar contidos no desenvolvimento do sensoriamento do sistema.
3.2 Sistema de coordenadas
a) Coordenadas fixas: Por este sistema, uma câmera fixada numa posição relativa ao solo filma o veículo a partir do impacto na barreira rígida. Se um acelerômetro é orientado para frente do veículo, os dados de aceleração mostrarão um sinal com valores negativos, uma vez que o veículo está desacelerando. Este sinal é normalmente gravado em intervalos de um ms ou menos. A velocidade do veículo na colisão vista pela câmera irá decrescer da velocidade de pré-impacto a zero quando o veículo pára, ou para valores negativos quando este retorna da barreira.
b) Coordenadas móveis: Por este sistema uma câmera está montada dentro do habitáculo, com o propósito de gravar o deslocamento e aceleração dos ocupantes em relação ao interior do veículo no momento em que este atinge a barreira fixa ou obstáculo. A velocidade do ocupante inicia em zero e aumenta até este atingir o volante ou a almofada do painel de instrumentos.
Na literatura especializada os impactos dividem-se em três tipos:
Impacto primário: quando o veículo atinge a barreira ou um obstáculo; Impacto secundário: Quanto o ocupante atinge o interior do veículo;
Impacto terciário: ocasionado entre os órgãos internos do ocupante imediatamente após este ter atingido o interior do veículo.
Informação extraída
Os dois sistemas de coordenadas apresentados anteriormente obtém igualmente informação útil, mas por meio de perspectivas diferentes. Antes de se entrar em detalhes, admita-se que a aceleração é gravada numa localização específica no compartimento dos passageiros. Embora os dados sejam armazenados em instantes discretos de tempo, convém tratá-los como sendo funções contínuas:
Aceleração = a(t) & t = 0 a T 3.1) onde a(t) é função de aceleração e T é o período gravado
Quando os valores de aceleração são negativos, eles são comumente convertidos para valores positivos, como mostrados nas Figuras 3.1 e 3.2, com o propósito de análise. Para evitar confusão e para efeito de explicação, o símbolo ap(t) será utilizado para sinais positivos, e an(t) para sinais negativos. A única diferença para ambos é o sinal trocado. A
3.2.1 Análise de impacto sob a ótica das coordenadas fixas
Por este sistema, a velocidade começa na velocidade de pré-impacto v0 e diminui de
acordo com a equação:
( )
t v a( )
t dt v t p * 1 0 0 1 = − (3.2) Importante notar na equação (3.2) que ap(t) mostra valores positivos para a aceleração. Então a velocidade diminui no tempo e também pode ser expressa inversamente:+ = 1 0 0 1) ()* ( t n t dt a v t v (3.3)
A função velocidade expressa os valores absolutos de velocidade do veículo como observado num sistema de coordenadas fixas. A integral desta função é obtida abaixo:
= 1 0 1) ()* ( t dt t v t d 3.4)
O resultado é uma função que indica como a parte frontal do veículo se deforma durante o impacto. Uma vez que a distância percorrida do compartimento dos passageiros durante o impacto é equivalente à deformação da parte frontal, pode-se representá-la através da integral da função velocidade. Mas isto é válido apenas quando as funções aceleração e velocidade são medidas em um local do compartimento dos passageiros onde praticamente não haja deformação. A Figura 3.3 mostra a curva de aceleração da Figura 3.1 e correspondentes curvas de velocidade e deformação. Quando o veículo começa a retornar da barreira, próximo dos 75 ms, a curva de deformação atinge o seu máximo, e começa a regredir.
Como conseqüência da restituição de parte da estrutura deformada, os valores da curva de deformação e a curva residual medidas no veículo podem não ser os mesmos.
Tempo - ms A ce l. (g ), ve lo c. (k m /h ), es m ag am . ( cm ) Aceleração Velocidade Esmagamento Tempo - ms A ce l. (g ), ve lo c. (k m /h ), es m ag am . ( cm ) Aceleração Velocidade Esmagamento Aceleração Velocidade Esmagamento
Figura 3.3 - Curvas de aceleração, velocidade e deformação demonstradas a partir de um sistema
de coordenadas fixas (Chan, 2000).
3.2.2 Análise de impacto sob a ótica das coordenadas móveis
Num sistema de coordenadas móveis, a velocidade do ocupante começa no zero, e aumenta conforme a equação (3.5): = 1 0 1) ()* ( t p t dt a t v (3.5)
Observa-se que ap(t) indica na equação (3.5) valores positivos para a seqüência de aceleração, implicando que a velocidade aumenta com o tempo. A função velocidade dá a velocidade de um ocupante livre (sem a utilização de qualquer elemento de restrição) relativo ao interior do veículo. Outra interpretação da curva é que esta representa a • V ou variação da velocidade do veículo durante o impacto. Em adição, a integral da função velocidade pode ser expressa como:
= 1 0 1) ( )* ( t dt t v t d (3.6)
A função resultante é uma aproximação do deslocamento de um ocupante “livre” dentro do veículo durante um evento de impacto. A premissa é que o movimento deste ocupante pode ser expressa por um ponto de massa. Então a simples integração da aceleração produz o deslocamento. O real deslocamento do ocupante é afetado por parâmetros de bancos e mecânica do corpo mesmo se o ocupante não estiver atado ao cinto de segurança.
A Figura 3.4 mostra a curva de aceleração da Figura 3.1 e as correspondentes curvas de velocidade e deslocamento. As Figuras 3.3 e 3.4 são construídas sob o mesmo conjunto de dados de aceleração da Figura 3.1. Elas são apenas representadas pelos dois diferentes sistemas de coordenadas para ilustrar o mesmo fenômeno sob duas diferentes visões.
Tempo (ms) A ce le r. (g ), V el oc . ( km /h ), D es lo c. (c m ) Aceleração Velocidade Deslocamento Tempo (ms) A ce le r. (g ), V el oc . ( km /h ), D es lo c. (c m ) Aceleração Velocidade Deslocamento Aceleração Velocidade Deslocamento
Figura 3.4 - Curvas de aceleração, velocidade e deformação demonstradas a partir de um sistema
móvel (Chan, 2000)
O uso de dupla integração para obter o deslocamento do ocupante não leva em consideração o efeito dos sistemas de segurança, como os cintos, por exemplo. Entretanto com esta técnica, se obtém uma aproximação útil de primeira ordem na análise de impacto. Quando o ocupante atinge o interior do veículo ou é suportado pelos cintos de segurança ou air bags, as curvas de velocidade e deslocamento irão se orientar diferentemente das apresentadas aqui.
3.3 Análise de impacto em veículos
Além dos dados de aceleração, normalmente são coletados outros dados: fabricante, modelo, ano do veículo, tipo de impacto, velocidade de pré-impacto, número de eixos de dados, intervalos de tempo entre os pontos de dados, etc.
As Figuras 3.4 e 3.5 comparam o mesmo veículo em duas situações de impacto frontal numa barreira rígida, à velocidade de 48 km/h e a 15 km/h. Os dados sobre o impacto são apresentados de forma resumida na Tabela 3.1.
A magnitude e o corpo dos sinais de aceleração dependem grandemente do tipo e condição do impacto. Num impacto com barreira oblíqua, o veículo inicialmente faz contato com o
obstáculo em uma extremidade da parte frontal, com o subseqüente dano processando-se de maneira triangular, ao invés de um impacto abrangendo toda a frente do veículo.
Tempo (ms) A ce le r. (g ), V el oc . ( km /h ), D es lo c. (c m ) Aceleração Velocidade Deslocamento Tempo (ms) A ce le r. (g ), V el oc . ( km /h ), D es lo c. (c m ) Aceleração Velocidade Deslocamento Aceleração Velocidade Deslocamento
Figura 3.5 – Dados de impacto a 15 km/h em barreira rígida (Chan, 2000)
Numa colisão em poste, a penetração máxima do obstáculo, é maior do que a resultante de um impacto frontal direto, à mesma velocidade. Geralmente impactos em ângulo e em postes, prolongam o período de contato da colisão. No início, a magnitude pode ser menor devido ao comprometimento parcial da parte frontal do veículo com o obstáculo, mas após este instante a aceleração torna-se maior como resultado da penetração profunda ou deformação na estrutura do veículo. Essa característica é demonstrada nas Figuras 3.6 e 3.7.
Tabela 3.1. Dados comparativos de magnitude e duração da aceleração nos impactos a 15 km/h
e 48 km/h (Chan, 2000)
15 km/h 48 km/h
Magnitude da aceleração 12.g 65.g
Sinal da acerelação Mantém-se perceptível até 100 ms antes de tornar-se insignificante
Mantém-se perceptível até 100 ms antes de tornar-se insignificante
Velocidade após 50 ms 6 km/h 26 km/h
Deslocamento após 50 ms 4 cm 13 cm
Verificações durante o evento Velocidade do Crash Test
onde g é a aceleração da gravidade
A Figura 3.6 mostra dados de uma colisão de 30° veículo com barreira, e a Figura 3.7 mostra dados de uma colisão veículo-poste, ambas para o mesmo veículo.
