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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
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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
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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.
A todos vocês muito obrigado!
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTAS DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
RESUMO
ABSTRACT
1.INTRODUÇÃO.................................................................................................................1
1.1 Objeto de estudo e objetivo do trabalho.....................................................................7
1.2 Organização do trabalho.............................................................................................8
2. SISTEMA DE AIR BAG...............................................................................................10
2.1 Histórico do air bag.................................................................................................10
2.2 Componentes do sistema de air bag........................................................................12
2.2.1 As bolsas infláveis...........................................................................................13
2.2.2 Os insufladores................................................................................................14
2.2.3 O módulo eletrônico de comando...................................................................16
2.3 Princípio de funcionamento do sistema de air bag..................................................17
2.4 Air bag frontal........................................................................................ .................19
2.5 Air bag lateral...........................................................................................................20
3. ANÁLISE DE IMPACTO.............................................................................................23
3.1 Impacto em veículos.................................................................................................23
3.2 Sistema de coordenadas...........................................................................................25
3.2.1 Análise de impacto sob a ótica das coordenadas móveis................................27
3.2.2 Análise de impacto sob a ótica das coordenadas móveis................................28
3.3 Análise de impacto em veículos...............................................................................29
4. SENSORES DE IMPACTO..........................................................................................33
4.1 Desenvolvimento de sensores..................................................................................34
4.2 Sensor do sistema de air bag – acelerômetro...........................................................36
4.3 Critérios de disparo do dispositivo de abertura do air bag .....................................36
4.3.1 Critério das 5 polegadas menos 30 milisegundos (Regra 5” – 30 ms)............37
4.3.2 Critério de performance dos ocupantes (Regra OPC).....................................39
5. AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG.................................43
5.1 Avaliação em câmara de testes.................................................................................43
5.2 Avaliação em testes de impacto (crash tests)..........................................................46
5.3 Os bonecos utilizados em testes de impacto: os dummies.......................................47
5.3.1 Os testes de impacto (crash tests)...................................................................48
6. VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG...............................................................50
6.1 Avaliações de crash tests para validação do sistema de air bag ............................50
6.2 Critério de comportamento funcional da cabeça – HIC: Head Injury Criterion.....52
7. TESTE DE VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG..........................................55
7.1 Teste de validação....................................................................................................55
7.2 Aplicação do critério HIC........................................................................................59
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................................................63
9. CONCLUSÕES..............................................................................................................65
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................66
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 30
o
. 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
Figura 7.9 Gráfico do HIC máximo 62
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
Tabela 7.1 Valores de aceleração média e de HIC 61
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABS Anti Block System
DAS 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)
Depois (incêndio - 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
Figura 2.2 - Componentes do sistema de air bag (GM,2005)
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).
Figura 2.3 – Bolsa inflável do sistema de air bag (GM, 2005).
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 (C
6
H
3
N
3
O
9
Pb). A energia liberada
é transferida para uma mistura de ignição (2) que usualmente é composta de boro (B) e
nitrato de potássio (KNO
3
). 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 (NaN
3
). 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 NaN
3
+_KNO
3
+ 4 Fe
2
O
3
+ 2.5 SiO
2
(impulsor) (2.1)
10.5 Na
2
O x 0.5 K
2
O x 4 Fe x 2.5 SiO
2
x 4 FeO (resíduo sólido) (2.2)
+ 32 N
2
(gás nitrogênio) (2.3)
Aproximadamente três milisegundos após o insuflador ser “aceso”, o componente que gera
o gás azida de sódio (NaN
3
) e o agente oxidante nitrato de potássio (KNO
3
), 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 (SiO
2
). O óxido de ferro
(Fe
2
O
3
) 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
side air bag correspondente será ativado (Damoulis, 2003).
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
Aceleração (g)
Tempo - ms
Aceleração (g)
Figura 3.1 - Sinal de aceleração medido no compartimento de passageiros em colisão frontal a 48
km/h em barreira rígida (Chan, 2000).
Tempo - ms
Aceleração (g)
Tempo - ms
Aceleração (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
Existem dois tipos de sistemas de coordenadas para se fazer a análise de impacto:
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 a
n
(t) para sinais negativos. A única diferença para ambos é o sinal trocado. A
magnitude e seqüência permanecem as mesmas (GM, 2005).
3.2.1 Análise de impacto sob a ótica das coordenadas fixas
Por este sistema, a velocidade começa na velocidade de pré-impacto v
0
e diminui de
acordo com a equação:
( ) ( )
dttavtv
t
p
*
1
0
01
−=
(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
01
*)()(
t
n
dttavtv
(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
dttvtd
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
Acel. (g), veloc. (km/h), esmagam. (cm)
Aceleração
Velocidade
Esmagamento
Tempo - ms
Acel. (g), veloc. (km/h), esmagam. (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
dttatv
(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
dttvtd
(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)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
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)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
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.
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Figura 3. 6 – Dados de impacto a 48 km/h obtidos em colisão oblíqua à 30º em barreira rígida
(Chan, 2000)
Na Figura 3.6, a aceleração atinge seu pico de 45.g após 35 ms do início do impacto. O
sinal torna-se insignificante após 120 milisegundos. A magnitude é ainda considerável
após 75 milisegundos, que não é o caso de colisão frontal.
Na Figura 3.7, o longo período de contato com o poste é evidente no sinal da aceleração,
que mostra que a magnitude da aceleração é ainda considerável (30 – 50 g) após 60
milisegundos. O sinal de aceleração é relativamente mais longo que o encontrado em uma
colisão frontal. Uma comparação entre as Figuras 3.4, 3.6 e 3.7 indica que as mudanças da
velocidade em colisões em ângulo ou postes aumenta à uma taxa relativamente mais lenta
no começo do que nos casos de impacto frontal direto.
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Desloc. (cm)
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Aceleração
Velocidade
Deslocamento
Figura 3.7 – Dados de impacto obtidos a 48 km/h em colisão com poste (Chan, 2000).
Para ilustrar melhor o uso do sistema de coordenadas fixas na análise de impactos, os
dados mostrados na Figura 3.7 foram convertidos nos da Figura 3.8. As curvas de
aceleração nas duas figuras permanecem as mesmas, mas a velocidade e o deslocamento na
Figura 3.7 são substituídos pelos dados da Figura 3.8.
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Esmag. (cm)
Aceleração
Velocidade
Esmagamento
Tempo (ms)
Aceler. (g), Veloc. (km/h), Esmag. (cm)
Aceleração
Velocidade
Esmagamento
Aceleração
Velocidade
Esmagamento
Figura 3.8 – Dados de impacto obtidos a 48 km/h em colisão com poste, sob sistema de
coordenadas fixas (Chan, 2000)
Analisando-se a Figura 3.8, verifica-se que a velocidade do veículo decresce da velocidade
de pré-impacto de 48 km/h para 33 km/h, depois de 50 ms, com a parte frontal do veículo
deformada em 60 cm. Nesta colisão em poste a deformação atinge seu máximo em 80 cm
em 90 ms, antes do veículo retornar elasticamente. Por outro lado, o veículo em impacto
frontal direto na barreira rígida, como mostrado na Figura 3.5, tem deformação máxima de
60 cm após 70 ms. Os dados da Figura 3.5 correspondem a uma colisão a 48 km/h.
CAPÍTULO 4
SENSORES DE IMPACTO
Os pulsos de impacto medidos em diferentes locais do veículo podem ser muito diferentes.
Por exemplo, medidas feitas do radiador do veículo num impacto frontal denotam um
pulso violento uma vez que este está dentro da zona de esmagamento do impacto direto
(Figura 4.1).
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h)
Aceleração
Velocidade
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h)
Aceleração
Velocidade
Aceleração
Velocidade
Figura 4.1 – Dados de impacto a 48 km/h em barreira rígida, medidos na parte frontal do veículo
(Chan, 2000).
Um ponto a ser observado é que um sinal de uma zona de esmagamento exibe padrões
oscilatórios. Devido à sua localização, o sensor está sujeito a ser deslocado drasticamente,
rotacionar, ser destacado da estrutura ou mesmo destruído.
Isto pode ser verificado pelo súbito salto na curva da velocidade, na Figura 4.1. Uma vez
que não há como se prever o que acontecerá com o sensor após um impacto súbito, este
tem que estar em perfeito funcionamento até o momento da colisão.
Definições:
Zona de esmagamento é a porção do veículo que está mais sujeita à deformação
direta ou à destruição numa colisão direta. Progride incrementalmente em uma
colisão específica e estende-se para diferentes porções do veículo em impactos
diversos. Possui pulsos voláteis e oscilatórios; altos valores de aceleração e
mudanças súbitas de velocidades são comuns. Medição no pára-choque (ou locais
próximos) é exemplo de zona de esmagamento.
Zona de não-esmagamento. Porção do veículo afastada da zona de impacto direto;
os pulsos são suaves, indicando como o veículo desacelera durante a colisão.
Medições no compartimento dos passageiros, como túnel central ou coluna-B, são
exemplos de zonas de não-esmagamento.
Devido a esta distinção, os sensores de impacto devem ter diferentes características:
Sensores de zona de esmagamento tendem a ser reativos, uma vez que estão ou na
zona de esmagamento ou muito próximos dela.
Sensores de zona de não-esmagamento precisam ser preditivos, e, portanto mais
sensíveis, uma vez que estão recebendo um sinal já filtrado pela zona de
deformação.
Portanto, uma das estratégias utilizadas para se obter de forma mais correta os sinais é
distribuir os sensores em várias partes do veículo.
4.1 Desenvolvimento de sensores.
Uma preocupação importante durante as experiências e estudos realizados no início do
desenvolvimento de sistemas
air bag
foi a determinação de um conjunto de parâmetros
apropriados de acidentes. De outro lado, era necessário encontrar medidas eficazes de
minimizar os danos em acidentes graves, com um cálculo correto das conseqüências e
danos para um veículo de passeio e os seus ocupantes.
Para tal, seria necessário a utilização de sensores de colisão que seriam capazes de medir
parâmetros com confiabilidade. Um valor marginal também tinha que ser estabelecido para
o disparo do
air bag
, pois valores muito baixos disparariam a bolsa no mais simples
impacto, mas se um valor selecionado fosse muito elevado, o cinto de segurança sozinho
não forneceria a proteção adequada.
Em uma descoberta elementar feita durante uma pesquisa sobre as forças que agiam nos
veículos, verificou-se que elas eram proporcionais ao grau de desaceleração sofrido pelo
carro durante o impacto. Esta é a razão pela qual são empregados acelerômetros como
sensores no sistema de
air bag
.
Os primeiros experimentos foram executados com dispositivos eletromecânicos de disparo:
uma pequena bola de metal instalada em um cilindro era deslocada devido a uma pressão
provocada por um volume de gás selado, fechando um contato elétrico após uma espera
definida. Posteriormente foram testadas molas tipo cone.
Tornou-se evidente que este conceito não atendia os objetivos desejados. Era necessário
um disparo mais preciso após a detecção da desaceleração em um impacto. A segunda
geração de
air bags
surgiu a partir de 1987 e os acelerômetros utilizados funcionam
segundo o princípio piezelétrico e eram integrados na unidade de comando do
air bag
,
podendo ser um ou dois em quantidade, dependendo do projeto. Na Figura 4.2 é
apresentado um modelo de sensor comparado com um palito de fósforo para ilustrar a
dimensão dos atuais sensores e suas tendências no mercado brasileiro (GM, 2005).
Figura 4.2 – Sensor do sistema de air bag – Acelerômetro (GM, 2005).
O funcionamento básico deste sensor é gerar uma pequena tensão elétrica a partir de uma
vibração sofrida pelo cristal de quartzo devido à força de inércia provocada pela aceleração
ou desaceleração. Os sensores são normalmente posicionados na unidade de comando
central e em alguns casos podem-se encontrar acelerômetros posicionados na posição
interna dos trilhos dos pára-choques dianteiros. Para o caso de
air bags
de cabeça nos
assentos, também podem ser posicionados nos pára-choques traseiros.
Os sensores de colisão lateral se diferenciam dos sensores de colisão frontal por estarem
instalados fora da unidade de comando. Estão geralmente localizados embaixo dos
assentos do motorista e do passageiro e sua função é detectar os valores de aceleração
transversal que uma colisão produz nos assentos.
Na verdade são pequenas unidades de controle, com sensores piezoelétricos, memória e um
microprocessador que se comunicam com a unidade de comando central através da linha
de alimentação, informando a necessidade de ativação ou se existe alguma falha no sensor.
A falha é indicada por meio do acendimento de luzes de advertência localizada no painel
de instrumentos (GM, 2005)
Para que o desenvolvimento dos sensores seja otimizado é importante que se tenha uma
boa biblioteca de dados de impactos significativos e satisfatórios. Por exemplo, embora
muitos testes-padrão sejam do tipo veículo-barreira, colisões veículo-veículo ocorrem mais
freqüentemente no mundo real do que impactos frontais em barreiras.
O primeiro tipo de testes de impacto que deve existir na biblioteca é de não-abertura do
air
bag
, tal como colisões de baixa velocidade (em torno de 10 -14 km/h) em barreiras ou de
testes em estrada acidentada em condições abusivas (com protuberâncias, buracos e
ranhuras). Alguns fabricantes colocam pequenos animais ou objetos.
O segundo grupo de testes consiste nos impactos moderados – ou médios – de velocidade
(entre 20 e 40 km/h). Os tipos de impacto podem ser diversos, incluindo aqueles frontais
em barreira perpendicular, barreira oblíqua, ou postes. Este conjunto de dados,
normalmente contém uma condição de impacto acima do limite de abertura do
air bag
.
O terceiro grupo de testes inclui os testes de alta velocidade de diversos tipos de colisões,
como impacto frontal direto em barreira, impacto em ângulo na barreira, ou impacto em
poste. Uma biblioteca típica deve conter no mínimo um impacto frontal a 48 km/h e um
impacto em ângulo de 30 graus em barreira, de modo que os dados possam ser avaliados
contra a legislação governamental existente. Alguns fabricantes acrescentam testes a alta
velocidade.
A biblioteca também deve possuir outros tipos de testes, por exemplo, os testes com
barreira devem ser feitos nas configurações cheia (por exemplo, toda extensão da frente do
veículo a ser atingida) ou parcial (por ex, 40% da largura da frente do veículo a ser atingida
– offset de 40%). Batidas carro contra carro em diversos níveis de offset lateral e condições
de balanço dos veículos (over - ride ou under-ride), também devem ser consideradas.
4.2 Critérios para o disparo do dispositivo de abertura do air bag
A maioria dos controles de disparo dos sistemas de amortecimento frontal (
air bag
) está
regulada para acionamento quando as diferenças de velocidades envolvidas (antes e após
impacto) ultrapassem 16 km/h, independente da velocidade absoluta do veículo. Na
realidade, devido à grande diversidade de condições de impacto aliada às tolerâncias
construtivas dos sensores, o momento de disparo dos dispositivos de amortecimento não é
ajustado exatamente p/ uma diferença de 16 km/h, mas sim para uma faixa de velocidade
que normalmente se encontra entre 13 e 22 km/h (para ocupantes não presos ao cinto de
segurança). Portanto, têm-se três situações distintas:
a)
O disparo do dispositivo não deveria ocorrer para diferenças de velocidades abaixo do
limite inferior estabelecido.
b)
O disparo do dispositivo pode ou não ocorrer dentro da faixa de velocidades
estabelecidas.
c)
O disparo do dispositivo deveria ocorrer para diferenças de velocidades acima do limite
superior estabelecido.
Dispositivos de disparo denominados “inteligentes” podem antecipar ou retardar o
momento de disparo pelo reconhecimento de fatores de segurança relevantes como o uso
ou não do cinto de segurança, posição dos ocupantes sobre os assentos, etc.
Uma vez decidido pelo acionamento do
air bag
, como descrito anteriormente, a grande
questão é: quando o sensor deve iniciar o acionamento do mecanismo. O êxito de um
sistema de amortecimento depende precisamente do momento em que a bolsa se encontra
suficientemente inflada para proporcionar um amortecimento eficaz ao ocupante, antes que
este tenha se deslocado excessivamente à frente de sua posição original sobre o assento.
Atualmente, para a determinação do momento de disparo, são utilizadas duas técnicas.
a)
A primeira, bastante simples, denominada “regra das cinco polegadas menos trinta
milisegundos” (Regra 5”- 30 ms)
que informa aproximadamente o momento de início
da insuflação da bolsa de amortecimento (
air bag
);
b)
A segunda, mais sofisticada e precisa, é auxiliada por simulação computacional, e
considera a soma de todas as distâncias reais que separam os ocupantes do painel do
veículo. É o critério de desempenho dos ocupantes (Regra OPC –
Occupant
Performance Criterion
).
4.2.1 Critério das 5 polegadas menos 30 milisegundos ( Regra 5”- 30 ms)
Essa regra empírica simples está baseada nas duas considerações abaixo descritas e serve
de base para validação do conjunto air bag do veículo:
1.
A distância média de um ocupante até a superfície de uma bolsa completamente
insuflada é de cinco polegadas.
2.
Uma vez que o propelente receba um sinal de disparo do sensor, o tempo médio de se
inflar uma bolsa é de 30 milisegundos, considerando-se o
air bag
do motorista. Para a
bolsa do passageiro dianteiro, um tempo maior deve ser considerado (60 ms).
Essa regra, porém, não pode ser aplicada em todas as situações de impacto, estando seu uso
limitado apenas como parâmetro na obtenção de um primeiro valor do tempo de disparo
necessário aos sensores.
A Figura 4.3 ilustra as curvas de aceleração e deslocamento de um ocupante, que não está
utilizando o cinto de segurança, numa colisão frontal hipotética, onde se pode observar a
determinação gráfica dos instantes limites para disparo de um sensor, como também o
tempo requerido para se inflar uma bolsa de amortecimento.
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 inflar a bolsa de amortecimento (Chan, 2000).
A escolha do tempo de disparo mais adequado de um sensor para um determinado veículo
deve ser feita pela elaboração de testes, utilizando-se dados da biblioteca de ensaios de
impacto juntamente com software de simulação.
Na tabela 4.1 são apresentados alguns exemplos de sensores com seus respectivos tempos
de disparo em função das velocidades consideradas e do tipo de impacto.
Tabela 4.1 - Tempos de disparo em função das velocidades consideradas e do tipo de impacto
(Chan, 2000).
VELOCIDADE
(km/h)
TIPO DE COLISÃO
(OBSTÁCULO)
TEMPO DE DISPARO
(ms)
48 - 64 BARREIRA RÍGIDA 10 - 20
48 - 64
BARREIRA RÍGIDA
ANGULAR
20 - 30
24 - 32
BARREIRA RÍGIDA
30 - 50
24 - 32
POSTE
50 - 70
96 - 128
VEÍCULO CONTRA
VEÍCULO
20 - 30
48 - 64
VEÍCULO CONTRA
VEÍCULO
30 - 50
4.2.2 Critério de Performance dos Ocupantes (Regra OPC)
Uma outra forma mais sofisticada na determinação de um melhor momento de disparo do
air bag
, é por meio do conceito do OPC -
occupant performance criterion
(Shokoohi,
1995). Com o auxílio de modelação computacional é simulada e analisada uma melhor
condição de disparo da bolsa do
air bag
.
Este critério define o momento ideal de disparo do
air bag
evitando que os ocupantes
sofram graus severos de lesões. O grau de lesão é a tolerância para o acionamento e
eficácia do sistema de insuflação da bolsa de ar.
Neste conceito são consideradas as distâncias reais que separam os ocupantes do painel do
veículo, como segue:
a)
Espaço de Contenção (
Restraint Space
- RS): representa o espaço potencialmente
permitido para o deslocamento à frente do ocupante e é determinado pela soma da
compressão admissível do tórax + deflexão da bolsa do
air bag
+ curso de
contração da coluna de direção.
b)
Deslocamento Total do Ocupante (
Total Occupant Travel
- TOT): é a soma do
espaço de contenção + espaço livre de deslocamento, que é representado pela
distância inicial do ocupante sobre seu assento e a face do
air bag
já inflado.
A seguir é apresentado um caso exemplo com as variáveis envolvidas em uma colisão de
um veículo a 48 km/h em barreira rígida a 0°:
distância do tórax ao volante: 390 mm.
profundidade do
air bag
: 254 mm
deslocamento total do ocupante: 390 – 254 = 136 mm
deflexão tórax: 40 mm
penetração no
air bag
: 175 mm
retração coluna direção: 60 mm
espaço total retenção: 40 + 175 + 60 = 275 mm
deslocamento total: 136 + 275 = 411 mm
máxima aceleração no tórax: 48 g
tempo de insuflação da bolsa: 30 ms
A Figura 4.4 mostra o resultado de uma análise de OPC, onde o instante de abertura
requerido, para esse caso, foi de 22 ms. Somando-se 30 ms, tem-se o
air bag
totalmente
inflado e o ocupante amortecido. Deve-se observar que a velocidade do ocupante,
apresentada no gráfico, é medida segundo o sistema fixo de coordenadas e o deslocamento
deste é referenciado em relação às coordenadas móveis. Isto pode ser visto pelo
deslocamento total do ocupante, onde os 411 mm previstos para o deslocamento foram
totalmente percorridos até o instante em que a velocidade se igualou à zero.
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h), Deslocamento (cm)
Deslocamento total do ocupante
Velocidade global do ocupante
Aceleração do ocupante
Espaço total de contenção = 275 mm
Deslocamento total do ocupante = 411 mm
Contenção efetiva
a 52 ms
Deslocamento da massa
livre até 52 ms
Deslocamento de
contenção após 52 ms
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h), Deslocamento (cm)
Deslocamento total do ocupante
Velocidade global do ocupante
Aceleração do ocupante
Deslocamento total do ocupante
Velocidade global do ocupante
Aceleração do ocupante
Espaço total de contenção = 275 mm
Deslocamento total do ocupante = 411 mm
Contenção efetiva
a 52 ms
Deslocamento da massa
livre até 52 ms
Deslocamento de
contenção após 52 ms
Figura 4.4 – Análise conforme critério de OPC para impacto frontal a 48 km/h (Shokioohi, 1995).
Pelo critério “OPC”, o tempo correto de disparo é determinado pela comparação do
movimento total do ocupante com o espaço disponível no interior do veículo. Se o
movimento do ocupante exceder o “TOT”, isto implica que o tempo de disparo deve ser
antecipado ou a força exercida pela bolsa deve ser aumentada. Caso contrário, se o “TOT”
for maior que o deslocamento total do ocupante, o tempo de disparo da bolsa deve ser
retardado ou sua força amenizada.
Nas Figuras 4.5 e 4.6, respectivamente, são apresentados mais dois bons exemplos
comparativos dos critérios OPC e 5” – 30 ms. No primeiro é mostrado um gráfico de
impacto central em poste a 22 km/h, onde se observa o instante de disparo de 54 ms,
considerando OPC, contra o instante 46 ms baseado no critério de 5” – 30 ms. No segundo
exemplo, a 56 km/h em barreira rígida frontal, observa-se o efeito contrário, e o disparo
regido pelo conceito OPC acontece no instante 12 ms, enquanto, pelo critério 5” – 30 ms,
isso só acontece aos 16 ms.
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h), Deslocamento (cm)
Deslocamento total do ocupante
Velocidade total do ocupante
Aceleração do ocupante
Espaço total de contenção = 175 mm
Deslocamento total do ocupante = 311 mm
Contenção efetiva
a 72 ms
Deslocamento da
massa livre até 72 ms
Deslocamento de
contenção após 72 ms
Tempo de fechamento do sensor
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h), Deslocamento (cm)
Deslocamento total do ocupante
Velocidade total do ocupante
Aceleração do ocupante
Deslocamento total do ocupante
Velocidade total do ocupante
Aceleração do ocupante
Espaço total de contenção = 175 mm
Deslocamento total do ocupante = 311 mm
Contenção efetiva
a 72 ms
Deslocamento da
massa livre até 72 ms
Deslocamento de
contenção após 72 ms
Tempo de fechamento do sensor
Figura 4.5 – Gráfico comparativo entre critérios OPC e 5 – 30ms em um impacto frontal em poste
a 22 km/h (Shokoohi, 1995).
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h), Deslocamento (cm)
Deslocamento total do ocupante
Velocidade total do ocupante
Aceleração do ocupante
Espaço total de contenção = 275 mm
Deslocamento total do ocupante = 411 mm
Contenção efetiva
a 43 ms
Deslocamento da
massa livre até 43 ms
Deslocamento de
contenção após 43 ms
Tempo (ms)
Aceleração (g), Velocidade (km/h), Deslocamento (cm)
Deslocamento total do ocupante
Velocidade total do ocupante
Aceleração do ocupante
Deslocamento total do ocupante
Velocidade total do ocupante
Aceleração do ocupante
Espaço total de contenção = 275 mm
Deslocamento total do ocupante = 411 mm
Contenção efetiva
a 43 ms
Deslocamento da
massa livre até 43 ms
Deslocamento de
contenção após 43 ms
Figura 4.6 - Gráfico comparativo entre critérios OPC e 5 – 30ms em um impacto frontal em
barreira rígida a 56 km/h (Shokoohi, 1995).
A razão para a diferença entre os resultados é em parte devido ao fato de que uma bolsa
totalmente cheia não seria necessária para fornecer proteção satisfatória para seus
ocupantes em baixas desacelerações. Entretanto, para impactos mais severos, o critério
OPC implica em abertura de bolsa antecipada se comparado com o critério 5” – 30 ms,
com o objetivo de limitar o espaço livre de deslocamento percorrido pelo ocupante.
43
CAPÍTULO 5
AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO
DO SISTEMA DE AIR BAG
Na avaliação para validação do sistema de
air bag
são realizados testes que envolvem
obrigatoriamente ensaios realizados pelo fabricante e pela montadora. No Brasil, estes
testes são realizados segundo a norma norte-americana FMVSS 208 (Smith et al., 2003),
mais rigorosa que a norma européia ECE.
Por parte do fabricante são realizados testes estáticos e dinâmicos do conjunto a ser
entregue para a montadora. Na montadora são realizados testes dinâmicos (
crash tests
) do
sistema instalado e em funcionamento nos automóveis.
5.1 Avaliação em câmara de testes.
Os ensaios do sistema de
air bag
por parte dos fabricantes são realizados em câmaras
estáticas (Fig. 5.1), em condições similares àquelas do sistema em uso.
Figura 5.1
– Câmara estáticas de testes do air bag (Smith et al, 2003).
Nesta câmara são realizados os seguintes testes:
a)
Teste de inflar a bolsa: Este teste é executado ativando o módulo de insuflação do
air bag
no volante de direção ou em um receptáculo apropriado. As características
44
de abertura da bolsa são filmadas com uma câmera de alta velocidade e sua pressão
é medida. Este teste configura o teste estático da bolsa.
b)
Teste do pêndulo (impactador): a bolsa é submetida ao impacto de um pêndulo.
Este pêndulo é liberado e interceptado (almofadado) pela bolsa inflada. As
indicações das características de desempenho dinâmico do sistema de limitação
podem ser obtidas através da medição do comportamento da desaceleração do
pêndulo.
c)
Teste de trenó de impacto: é utilizado para determinar a efetividade do módulo de
disparo, medindo a aceleração de um boneco (
dummy
) em teste de impacto. Os
valores de desaceleração, que são programados no controlador do trenó de impacto
para vários tipos de colisão, são usualmente determinados nos estudos de novos
avanços dos fabricantes, seja por simulação em câmara de testes ou em
crash tests
.
Na realização do teste de pêndulo (impactador) o primeiro passo é acionar o módulo do
air
bag
estaticamente. Nesta etapa alguns parâmetros são monitorados sincronizadamente
pelos sensores e pelo vídeo de alta velocidade (Figura 5.2), podendo-se citar:
[1]
tempo em milisegundos até alcançar a insuflação total (T
ab
).
[2]
distância externa do
air bag
da superfície do impactador (D
ab
).
Timp
Tdelay Tab Dab
Tempo ( segundos)
Deslocamento
Velocidade
Aceleração
Timp
Tdelay Tab Dab
Tempo ( segundos)
Deslocamento
Velocidade
Aceleração
Figura 5.2– Dados de deslocamento para determinação do tempo de atraso para o disparo do
impactador (Smith et al, 2003)
Na Figura 5.3 é apresentada uma representação esquemática do processo do teste de
impacto para a determinação do tempo de atraso necessário para o disparo do impactador.
45
Figura 5.3
– Representação esquemática para cálculo do tempo de atraso
(Smith et al., 2003).
Para a determinação do tempo de atraso necessário para o disparo do impactador basta
realizar o seguinte procedimento:
Fazer a medição da distância da borda principal do impactador à borda externa
do módulo do
air bag
; com isto será obtida a distância total (D
tot
).
Calcular a distância percorrida pelo impactador antes de manter o primeiro
contato, isto é, o impacto com a bolsa insuflada do
air bag
(D
imp
);
D
imp
= D
tot
– D
ab
.
(5.1)
Determinado o tempo desde o
acionamento
do impactador até o contato com a
bolsa, isto é, o tempo correspondente à obtenção do D
imp
, na obtenção da curva
do deslocamento pelo tempo (T
imp
).
Calcular o tempo de atraso (T
delay
) necessário para o disparo do impactador
para o
air bag
:
T
delay
= T
imp
– T
ab
.
(5.2)
No teste de trenó de impacto em câmara os dummies são fixados em trenós que são
lançados contra a bolsa. Independente da forma e disponibilidade da câmara, a forma do
impactador depende das necessidades do teste. Conforme a avaliação desejada do módulo
de
air bag
para coletar dados significativos, filmagens sincronizadas de alta velocidade são
necessárias. Na Figura 5.4 é apresentada uma imagem de um impacto sincronizado
coletado a partir deste modelo de equipamento para controle e avaliação.
Impactador
Módulo do
Air Bag
Air Bag acionado
Impactador
Módulo do
Air Bag
Air Bag acionado
46
Figura 5.4
– Impacto sincronizado (Smith et al, 2003).
Os testes em câmara estática apresentam algumas dificuldades relacionadas principalmente
com câmeras e ângulos de visão, pois em qualquer avaliação efetuada em sistemas de
air
bag
, além das dificuldades de coleta de dados é necessária uma avaliação sincronizada com
câmeras de alta velocidade para a obtenção dos dados.
Um sistema de aquisição de dados (DAS –
data acquisition system
) é necessário para
coletar os dados de impacto, aceleração, pressão, temperatura, tempo de insuflação e
desinsuflação etc.
Os testes são realizados em lotes, por amostragem, e os resultados, uma vez estando de
acordo com a norma, constituem a validação do
air bag
no fabricante. O laudo, assinado
pelo engenheiro responsável, é enviado à montadora juntamente com o lote.
5.2 Avaliação em testes de impacto (crash tests)
Os primeiros testes de impacto (
crash tests)
com veículos arremessados contra barreiras
rígidas surgiram na década de 1950. Isto ocorreu devido ao advento, naqueles anos, do
conceito de carrocerias como construções que incorporaram zonas de deformação para, em
caso de colisão absorverem energia de deformação impedindo que as mesmas passem aos
ocupantes do veículo. Assim, houve uma real necessidade do desenvolvimento de técnicas
de
crash test
que pudessem realizar simulações de colisões e do que realmente aconteceria
aos ocupantes em caso de acidente.
A indústria aeroespacial também trouxe um grande avanço para a engenharia
automobilística, pois também foi nessa época que surgiram os primeiros bonecos
(
dummies)
, desenvolvidos para testes com assentos ejetores de aviões de combate, que
mais tarde foram utilizados para a realização de testes com veículos em colisão.
47
5.3 Os bonecos utilizados em testes de impacto: os dummies
Os
dummies
foram desenvolvidos com os segmentos do corpo variando segunda a
aplicação, de corpos rígidos, passando por corpos quase rígidos, até modelos
completamente deformáveis.
Atualmente existem diversas técnicas de análise de colisões, desde simulações utilizando
super computadores, até gerações de
crash tests
com
dummies
do tipo híbrido III, que
muito se assemelham ao corpo humano e são responsáveis pela coleta preciosa de dados
durante um
crash test
(GM, 2005).
Na Figura 5.5 são mostrados dois tipos de
dummies
comumente utilizados em testes de
impacto: o primeiro modelo EUROSID e USSID (SID -
Side Impact Dummy
) e o segundo
um
dummy
do tipo HYBRID III. Importante observar que, em todo trabalho de simulação
experimental, os
dummies
são monitorados para obter dados mais próximos dos reais.
(a) (b)
Figura 5.5 – Exemplos de dummies utilizados em crash tests, tipo (a) EUROSID e (b) modelo
HYBRID III (GM, 2005).
Os primeiros modelos foram discretizados em forma de elipsóides rígidas modeladas para
análise computacional. A superfície destes
dummies
, porém, não possuía uma forma
realista, o que influenciava na definição de contato e atrito entre cinto de segurança e
corpo. Daí em diante, verificou-se a necessidade da modelagem real da forma do
dummy,
para que os resultados pudessem ser mais aproximados das situações experimentais
(Damoulis, 2003). O dummy mais utilizado atualmente pelas indústrias automotivas é o
HYBRID III que simula com perfeição as condições de aplicação.
48
5.3.1 Os testes de impacto (crash tests)
Avaliações de
crash tests
são realizadas rotineiramente pelas montadoras obedecendo a um
número mínimo de testes (CONTRAN, ano). A quantidade de testes é função do
automóvel ser de modelo corrente (um teste por ano/modelo) ou de se tratar de modelo
novo (15 testes). Nestes testes de impacto são realizadas avaliações de vários componentes
e sistemas, incluindo o
air bag
.
A realização de
crash tests
deve atender especificações da norma FMVSS 208 (Smith,
2003). Até recentemente, os testes em
air bags
eram reservados para
dummies
construídos
sob medida, sendo sempre avaliados para adultos corretamente assentados envolvidos em
colisões.
As exigências da norma FMVSS 208 atualizadas, contudo, tratam também de tamanhos
múltiplos dos ocupantes (Fig. 5.6) em uma variedade de posições, com testes fora de
posições normalmente adotadas, isto é, com
dummies
não perfeitamente acomodados com
as costas encostadas no encosto dos bancos. A mudança visou assegurar que os ocupantes
de tamanhos menores do que os normalmente adotados em
dummies,
de adultos
posicionados perto do
air bag,
não seriam feridos seriamente caso o
air bag
insuflasse.
Figura 5.6 –
Dummies hybrid III
de vários tamanhos (GM, 2005).
49
Os procedimentos de teste específicos foram desenvolvidos para
air bags
frontais do
motorista e do passageiro. Na Figura 5.7 pode-se verificar a simulação de uma condição de
testes utilizando um d
ummy
fora de posição (Smith et al, 2003).
O desenvolvimento de novos sistemas de
air bag
e os testes para a sua validação mudam
constantemente para refletir projetos novos e novas exigências de legislação. O esforço da
indústria está sendo feito para desenvolvimentos mais seguros e eficazes de sistemas de
air
bag
incorporando novas tecnologias introduzidas nos últimos anos. Paralelamente, as
metodologias e os procedimentos do teste são atualizados continuamente para avaliar mais
adequadamente os sistemas de
air bag
desenvolvidos.
Figura 5.7 – Teste de impacto com dummy fora de posição (Smith et al, 2003).
50
CAPÍTULO 6
VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG
Para a validação do sistema de
air bag
são realizados estudos do efeito dos carregamentos
nos
dummies
durante
crash tests
e suas conseqüências em certas regiões do corpo para
avaliar o dano causado (Chan, 2000). Isto é feito utilizando-se critérios de comportamento
funcional biomecânico, que serão discutidos neste capítulo.
6.1 – Avaliações de crash test para validação do sistema de air bag
Na Figura 6.1 são apresentadas imagens de
crash test
durante ensaio de validação de
sistema
air bag
. Em atendimento à norma FMVSS 208 (Smith et al., 2003), durante a
realização dos ensaios de validação do sistema de
air bag
são coletadas as seguintes
informações:
a)
o tempo de insuflação e desinsuflação da bolsa de ar;
b)
aceleração do
dummy
no momento do impacto e no momento do contato com a
bolsa;
c)
pressão de contato do dummy em diversos pontos do corpo;
d)
deslocamento do
dummy
.
Figura 6.1
– Imagens obtidas durante
crash test
(GM, 2005)
Uma vez levantados estes dados são realizados cálculos por meio de programas
computacionais MDV –
Mira Data Viewer
(Movias Pro, 2002); Pam Crash (ESI Group,
2000), que fornecem informações para determinação dos critérios de comportamento
funcional biomecânico para colisões frontais, que são:
51
a)
Critério de comportamento funcional da cabeça ou HIC (Head Injury Criterion): O
critério HIC dita os limites para os efeitos das forças de impacto e desaceleração
ocorridos na cabeça durante uma colisão. Este critério trata de lesões em um dos
órgãos do corpo humano que mais sofre em casos de colisões (Chan, 2000). Em
função disto, um ensaio de validação do sistema de
air bag
utilizado o critério de
lesões na cabeça (HIC -
Head Injury Criterion
) será apresentado no Capítulo 7.
Detalhes da avaliação de validação utilizando este critério são apresentados no item
6.2.
b)
Critério de lesões no pescoço ou NIC (Neck Injury Criterion): determinado pelo
esforço de compressão axial, pelo esforço de tração axial e pelo esforço transverso
na interface cabeça/pescoço, expresso em kN, e pela duração da aplicação destes
esforços, expressa em ms. Além disto, o momento fletor do pescoço, em torno de
um eixo lateral na interface cabeça/pescoço, não deve exceder o valor 57 Nm
(Smith et al, 2003).
c)
Critério de esforço no fêmur (FFC): determinado pelo esforço de compressão,
expresso em kN, exercido axialmente em cada um dos fêmures do
dummy,
e pela
duração de aplicação desse esforço expressa em ms (Smith et al, 2003).
d)
Critério de esforço de compressão nas tíbias (TCFC) e índice das tíbias (TI): o
TCFC é determinado pelo esforço de compressão (F), expresso em kN, transmitido
axialmente a cada uma das tíbias do
dummy
; o índice das tíbias é calculado com
base nos momentos fletores (Mx e My), através da seguinte formula:
( ) ( )
+
=
zFc
Fz
RMC
MR
TI
(6.1)
onde:
Mx = momento fletor em torno do eixo x
My = momento fletor em torno do eixo y
(Mc)R = momento fletor crítico, tomado como 225 Nm
Fz = esforço de compressão axial na direção z
(Fc)z = esforço de compressão crítico na direção z, tomado como 35,9 kN
( ) ( )
22
MyMxMR +=
(6.2)
52
O índice das tíbias deve ser calculado em relação à parte de cima e em relação à
base de cada tíbia. Todavia, o esforço F pode ser medido em qualquer das duas
posições. O valor obtido deve ser utilizado para os cálculos relativos ao TI em cima
e na base. Os momentos Mx e My são medidos separadamente em ambas as
posições.
O critério do esforço de compressão nas tíbias (TCFC) não deve exceder a 8 kN. O
índice das tíbias, medido na parte de cima e na base de cada tíbia, não deve exceder
1,3 em ambos os locais.
e)
Critério de compressão do tórax (TTI ou TCC) e Critério Viscoso (V*C): o TTI é
determinado pelo valor absoluto da deformação do tórax, expressa em mm. O
critério de compressão do tórax não deve exceder 50 mm. O critério viscoso é
calculado como sendo o produto instantâneo da compressão e a taxa de deflexão do
esterno. O critério viscoso para o tórax não deve exceder 1.0 m/s (Smith et al,
2003).
A resposta máxima dos tecidos moles é o valor máximo do critério dos tecidos
moles em qualquer costela, calculado por meio do produto instantâneo da
compressão relativa do tórax, em relação à largura do hemitorax, pela velocidade
de compressão obtida por derivação da compressão.
6. 2 Critério de comportamento funcional da cabeça
-
HIC
Head Injury Criterion
Durante o impacto, a inércia do cérebro faz com que este seja comprimido dentro da caixa
craniana, provocando uma sobre-pressão na parte frontal e uma redução de pressão na
parte posterior, podendo levar ao rompimento do córtex cerebral (Damoulis, 2002). A
Figura 6.2 mostra os valores limites biomecânicos na face em colisão frontal para um
crânio de 4,5 kg; onde
g
é a aceleração da gravidade.
O critério HIC dita os limites para os efeitos das forças de impacto e desaceleração
ocorridos na cabeça durante uma colisão.
53
200 g
200 g
80 g
50 g50 g
200 g
40 g
30 g
200 g
200 g
80 g
50 g50 g
200 g
40 g
30 g
Figura 6.2 –
Limites biomecânicos na face (Damoulis, 2002).
Segundo a norma americana FMVSS 208, da National Highway Traffic Safety
Administration (NHTSA), o HIC máximo não deve ultrapassar 1000, e a aceleração
resultante na cabeça não deve ultrapassar 80g num intervalo de mais de 3 ms (Smith et al.,
2003).
O cálculo do HIC é função da aceleração resultante média
â
no intervalo mais crítico da
desaceleração (Henn, 1998; Chan, 2000) por meio das equações:
( )
−
=
2
1
)
12
1
ˆ
t
t
dtta
tt
a
(6.3)
[
]
(
)
12*
ˆ
max
5,2
ttaHIC −=
(6.4)
onde t2 e t1 são os dois instantes que delimitam o intervalo de tempo entre o início do
contato da cabeça na bolsa inflada e o início do retorno do
dummy
à posição inicial.
A expressão do HIC será máxima quando o intervalo de tempo t2-t1 for igual a 36 ms
(Kamarajan, 1999). O expoente 2,5 foi obtido experimentalmente, e corresponde ao
decremento de 1/2,5 da reta média representativa da curva de “
Wayne State
” (Fig. 6.3).
54
Esta curva, em escala logarítmica, mostra os resultados de desaceleração na cabeça obtidos
em testes de longos impactos feitos com cadáveres, animais e voluntários (Damoulis,
2002).
Aceleração (g)
5 10 50
Tempo (ms)
1
10
200
100
50
30
Reta média com decremento de 1/2,5
Curva de Wayne State
Figura 6.3 –
Curva de Wayne State (Damoulis, 2002).
55
CAPÍTULO 7
TESTE DE VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE AIR BAG
Neste capítulo são apresentadas as etapas de um teste real de impacto realizado na General
Motors para avaliação de um sistema de
air bag
em automóvel modelo sedan em barreira
rígida à 48 km/h.
Foram consideradas somente as acelerações, velocidades e deslocamentos da cabeça do
dummy
(posição do motorista) como fator de validação do teste. Em um processo real de
validação são instalados e monitorados cerca de 95 a 120 sensores para avaliar todas as
partes do corpo. Para o critério HIC são utilizados de 10 a 20 sensores posicionados em
toda a face e distribuídos em torno da cabeça.
7.1 Teste de validação
1. Instante t = 0 ms
O instante t = 0 ms demarca o início do impacto do veículo. Até esse instante, nada
ocorreu. Pode-se comprovar isso pela posição da cabeça do dummy em relação à escala
sobre a porta do veículo (pos. 0), pelo
air bag
do volante ainda não ter disparado e também
pela integridade da carroçaria, conforme apresentado nas Figuras 7.1 e 7.2.
2. Instante t = 19 ms
Nesse instante, já se tem a deflagração do módulo de insuflação para a abertura do
air bag
,
que é caracterizada pelo início do rompimento do revestimento central do volante. Apesar
de o impacto ter sido iniciado há 19 ms, observa-se pelos gráficos (Fig. 7.3 e 7.4) que o
dummy
ainda permanece em sua posição original sobre o assento, em relação ao referencial
móvel (escala sobre a porta). De forma idêntica, a cabeça do
dummy
ainda possui
aceleração nula e velocidade constante (14 m/s), decorrentes da capacidade de absorção de
energia de deformação oferecida pela carroçaria, mesmo depois desta ter se deslocado
267 mm após o início do impacto.
3. Instante t = 49 ms
Esse momento é um dos mais importantes para a validação do ensaio, pois determina a
eficácia no amortecimento do ocupante (como visto anteriormente). Verifica-se nos
gráficos das Figuras 7.5 e 7.6 que a bolsa do
air bag
já está totalmente inflada e marca o
início de contato entre a face do
dummy
e a superfície desta, exatamente 30 ms após o
início de sua insuflação (t = 19 ms), conforme previsto na teoria 5” -30 ms.
56
Figura 7.1 – Instante de início de impacto (t= 0 ms)
Figura 7.2 – Veículo no instante de início de impacto (t = 0 ms)
57
Figura 7.3 – Instante de deflagração do air bag (t= 19 ms)
Figura 7.4 – Veículo no instante de deflagração do air bag (t= 19 ms)
58
Figura 7.5 – Instante de contato do air bag insuflado com o dummy (t= 49 ms)
Figura 7.6 – Veículo no instante de contato do air bag insuflado com o dummy (t= 49 ms)
59
Analisando-se a posição do
dummy
(Fig. 7.5 e 7.6) em relação ao referencial móvel (escala
sobre a porta p/ t = 49 ms), verifica-se que já está à frente da posição inicial em
aproximadamente 130 mm (1 divisão = 100 mm).
Ainda da análise das Figuras 7.5 e 7.6 verifica-se que a posição t = 49 ms indica o início do
decréscimo de velocidade (de 14 m/s p/ 13,7 m/s), determinado também pelo início da
desaceleração (10,5 g). Isto ocorre devido a estrutura da carroçaria não absorver mais a
energia total de deformação e assim começar a transferir aos ocupantes os esforços
decorrentes do impacto.
A partir desse instante, o
dummy
já percorreu 0,68 m em relação ao referencial fixo, desde
o início do impacto. Os valores de desaceleração aumentam rapidamente enquanto as
velocidades da cabeça do
dummy
decrescem em proporção inversa, devido ao efeito de
amortecimento da bolsa do
air bag
.
4. Instante t = 103 ms
Nessa posição, o
dummy
alcançou seu maior deslocamento no eixo x com relação às
coordenadas fixa e móvel, com velocidade praticamente nula (Figs. 7.7). A partir desse
instante e até o final do ensaio (t = 0,249 s), inicia-se o movimento de retorno à posição
inicial, que é evidenciado pelo deslocamento e velocidade negativos como também pela
aceleração com valores pouco expressivos. Neste ponto, a aceleração ainda possui valores
positivos (apesar da velocidade em “x” ser nula), pois está se considerando a resultante de
aceleração e não somente a aceleração.”.
Pela análise dos resultados verifica-se a coerência do método preliminar 5” – 30 ms para a
determinação do momento de disparo. A validação dos parâmetros, contudo, pode ainda
depender de ajustes finos na calibração dos sensores e programação do módulo de controle
do
air bag
, e principalmente do valor obtido no cálculo do HIC (Head Injury Criterion),
visto a seguir.
7.2 Aplicação do método HIC
Os dados para a determinação do HIC para o exemplo deste trabalho, um veículo sedan
com sistema de
air bag
para o motorista, foram obtidos nos testes de impacto (Figs. 7.1 a
7.6) e tratados através de software específico desenvolvido para este fim, o programa
MDV (Movias Pro, 2002). Como resultado se obteve a curva de aceleração resultante do
dummy
, considerando sistema de coordenadas fixas, apresentada na Figura 7.7.
60
Figura 7.7 – Instante de máximo deslocamento do dummy (t= 103 ms)
Figura 7.8 - Gráfico da aceleração resultante do dummy em relação ao
sistema de coordenadas fixas.
61
Os valores das acelerações do
dummy
em função do tempo (Fig. 7.7) obtidos no programa
MDV foram transportados para uma tabela em Excel, de onde se extraiu a aceleração
média
â
, e os valores de HIC, para os tempos críticos de t2 e t1, conforme apresentado na
Tabela 7.1.
Tabela 7.1 - Valores da aceleração média e de HIC
t (ms) a (g) â (g) HIC
49 10.57 36.53 290.26
50 10.91 37.96 319.67
51 12.63 39.35 349.63
52 14.22 40.67 379.75
53 14.69 41.86 408.23
54 15.33 43.00 436.53
55 15.65 44.23 468.39
56 16.37 45.43 500.90
57 18.04 46.39 527.75
58 20.76 47.07 547.26
59 23.49 47.59 562.35
60 25.18 48.10 577.65
61 26.81 48.65 594.39
62 28.67 49.21 611.50
63 30.67 49.72 627.62
64 32.73 50.10 639.44
65 33.93 50.38 648.46
66 35.85 50.60 655.61
67 36.57 50.70 658.75
68 34.54 50.67 658.00
69 36.48 50.52 653.08
70 39.60 50.21 643.19
71 39.57 49.78 629.51
72 37.20 49.32 614.92
73 41.03 48.79 598.54
74 48.27 48.08 577.14
75 51.14 47.22 551.61
76 53.26 46.26 524.09
77 60.20 45.17 493.72
78 57.54 44.02 462.82
79 58.55 42.87 433.17
80 61.63 41.64 402.81
81 61.45 40.36 372.55
82 60.96 39.07 343.49
83 62.53 37.75 315.30
84 61.59 36.42 288.08
85 63.14 35.04 261.65
86 61.86 33.30 230.44
62
Os valores da Tabela 7.1 foram limitados entre os tempos de 49 ms e 121 ms (tempos T1 e
T2 das Eqs. 6.1 e 6.2), por ser o intervalo onde ocorrem os valores mais significativos da
aceleração resultante (Fig. 7.7). A curva de aceleração deste intervalo foi varrida
calculando-se a aceleração média
â
para cada intervalo de 36 ms (onde a expressão de HIC
é maximizada), considerando um passo de 1 ms entre cada um dos intervalos de 36 ms
compreendidos entre 49 ms (ponto de contato do dummy com a bolsa do
air bag
) e 121 ms
(ponto onde ainda se verificam acelerações resultantes significativas).
O resultado é um HIC máximo de 658,75, para o intervalo de duração de impacto
compreendido entre 67 e 103 ms, conforme apresentado na Figura 7.8. Portanto
comparando-se o valor máximo obtido com o valor limite de 1000, determinado pela
norma FVMSS 208 (Smith et al, 2003), verifica-se que o sistema atende satisfatoriamente
o requisito.
Figura 7.9 - Gráfico do HIC máximo
63
CAPÍTULO 8
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento do sistema de
air bag,
objeto de estudo deste trabalho, consiste em
ajustar todos os parâmetros de controle do sistema para maximizar a proteção aos
ocupantes; o que, basicamente, passa pelas seguintes etapas (FMVSS 208 (Smith et al.
2003)):
Definição do tipo e quantidade de bolsas.
Definição dos requisitos de proteção aos ocupantes (níveis máximos de lesões).
Definição do tipo de sistema de controle.
Análise do comportamento estrutural do veículo.
Análise da dinâmica dos ocupantes durante os impactos e conseqüente
determinação dos tempos ideais de disparo do sistema.
Desenvolvimento de uma calibração que atenda a estes requisitos (tempos ideais).
Testes finais para validação da calibração desenvolvida.
O sistema de
air bag
é avaliado por meio da coleta de informações a partir de
crash tests
,
onde parâmetros como velocidade do veículo, velocidade de deslocamento do
dummy
aceleração e tempo de impacto do
dummy
com a bolsa após o impacto são monitorados.
As condições de testes adotadas nesta fase procuram cobrir os limites de operação do
sistema (condições limite de disparo e não disparo do
air bag
). Ainda nesta etapa, são
efetuados testes de utilização do veículo em condições abusivas que eventualmente
poderiam ser interpretadas por engano como acidente pelo sistema de controle do
air bag
.
Durante o impacto, a movimentação dos
dummies
é filmada com câmaras de alta
velocidade (na maioria dos casos, 1000 quadras/ segundo). O levantamento das lesões e a
observação das imagens (em “slow motion”) registradas durante o impacto, permitem a
definição precisa das condições adequadas para se acionar ou deixar de acionar o
air bag
.
Definidas as condições em que o
air bag
deve ser acionado, as imagens são utilizadas para
a determinação dos tempos ideais de disparo do
air bag
, a partir do início do impacto.
Um dos critérios utilizados para determinação destes tempos é conhecido como T125-30.
Neste critério, quando a cabeça do boneco se deslocar 125 mm em direção a frente do
veículo, deverá encontrar o air bag totalmente inflado. Como o tempo necessário para se
inflar o
air bag
é de aproximadamente 30 ms, para se atender este critério, o
air bag
deve
64
ser acionado 30 ms antes da cabeça do boneco atingir o deslocamento de 125 mm para
frente. Ainda nesta etapa, são definidas as prioridades a serem consideradas na fase de
calibração do módulo de controle e também as tolerâncias permitidas.
De posse de todas as informações geradas nas etapas anteriores, o fabricante do módulo de
controle do
air bag
irá desenvolver um algoritmo capaz de atender todos os requisitos
previamente determinados.
Basicamente a programação do processador do módulo irá conter instruções que definirão
os níveis de aceleração com suas respectivas durações dentro dos quais o sistema deve ser
acionado. Ainda nesta etapa, com a utilização de programas específicos a calibração é
testada por método de simulação em computador.
Na hipótese do algoritmo não ser capaz de atender 100% dos requisitos do fabricante do
veículo, é nesta etapa que são consideradas as prioridades definidas na etapa anterior, ou
seja, em que seqüência os requisitos devem ser atendidos.
Os testes de validação são executados com veículos protótipos absolutamente
representativos dos veículos de produção, que recebem os bonecos antropomórficos
devidamente instrumentados. Além dos bonecos, são instalados nos veículos acelerômetros
em pontos estratégicos (um deles sobre o módulo de controle) e instrumentação que vai
registrar o instante do disparo do
air bag
, caso isto ocorra.
Os testes usuais adotados para validação do sistema consideram as seguintes situações:
a)
Impactos frontais contra barreira em baixas velocidades em condições em que o
sistema não deve disparar. Os testes de baixa velocidade consideram impactos com
100% de contato do painel frontal e outros com contato parcial (40% ou 50%).
b)
Impactos frontais contra barreira em velocidades em que deve ocorrer o disparo.
Nesta bateria de testes são consideradas as várias combinações de velocidades,
ângulos de impacto, diferentes áreas de impacto, rigidez na superfície de impacto da
barreira rígida ou deformável e diferentes obstáculos como, por exemplo, um poste.
Os testes desta etapa consideram impactos envolvendo dois veículos se chocando de
frente ou um batendo na traseira do outro. Nestas condições existem situações em
que o disparo deve ocorrer e outras em que o disparo não é esperado.
65
CAPÍTULO 9
CONCLUSÕES
Neste trabalho foram abordados aspectos de segurança veicular identificando
componentes de segurança passiva e ativa e suas principais características relacionadas à
preservação da integridade física dos ocupantes. Ênfase maior foi dada ao sistema de
air
bag
, objeto de estudo do presente trabalho.
O
air bag
dentro do contexto de componentes de segurança veicular, desde a sua
origem apresentou grandes avanços e uma confiabilidade cada vez maior, sendo
considerado um item obrigatório nos veículos norte-americanos desde a década de 1980.
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.
A evolução nos conceitos de construção de veículos e no seu desempenho vem
estabelecendo uma preocupação contínua com o avanço dos sistemas de restrição a
impactos. Alterações efetuadas na norma FVMSS 208 (Smith et al, 2003), incorporando
novos testes com
dummies
de diferentes tamanhos e em uma variedade de posições (com
testes fora de posições normalmente adotadas), demonstram preocupação adicional e a
busca por englobar todas as situações que possam gerar lesões em ocupantes de veículos.
No presente trabalho foram discutidos aspectos relacionados com os testes de
avaliação e validação de sistemas de
air bag
. Resultados de um teste de validação
realizado foram apresentados. Foi utilizado critério de comportamento funcional da cabeça,
o critério HIC (Head Injury Criterion), na análise.
O resultado do teste de validação apresentou valores máximos de HIC de 658,75, para
o intervalo de duração de impacto compreendido entre 67 e 103 ms. Os valores obtidos
estão abaixo do limite de 1000, determinado pela norma FVMSS 208 (Smith et al, 2003).
Verificou-se, portanto, que o sistema de
air bag
testado atendeu satisfatoriamente o
requisito.
66
CAPÍTULO 10
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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68
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