Benzinli Motorlar

pasifemniyetsistemleri

Pasif güvenlik, bir kaza ile karşılaşılması durumunda, kazanın olumsuz sonuçlarını olabildiğince azaltmak amacıyla yapılan bütün yapısal ve tasarım özelliklerini kapsamaktadır. Pasif güvenliği aşağıdaki alt başlıklarda incelemek mümkündür.

Dış güvenlik:

"Dış güvenlik" terimi, taşıt tarafından çarpılan yayalar, bisiklet ve motosiklet sürücülerinin yaralanmalarını en aza indirmek için taşıta kazandırılması gereken tüm tasarım özelliklerini kapsar. Dış güvenliği belirleyen başlıca faktörler;

- Taşıt gövdesinin deformasyon davranışı ve

- Taşıtın dış biçimidir.

Buradaki temel amaç, taşıtın dış kısmının birinci dereceden çarpışmayı (taşıtın dışındaki kişileri ve taşıtın kendisini içeren çarpışma) en aza indirecek biçimde tasarlanmasıdır. Taşıt tarafından çarpılan yayalardaki en ciddi yaralanmalar, taşıtın ön tarafının çarptığı kişilerde görülmektedir. İki tekerlekli taşıtlar ve binek otomobillerini içeren kazaların sonuçları, binek otomobillerinin tasarımında dikkate değer doğal enerji bileşenleri kullanılması, yüksek koltuk pozisyonu ve temas noktalarının genişletilmesiyle çok az da olsa iyileştirilebilmektedir. Binek otomobillerine uygulanan bu tür tasarım özelliklerinden bazıları şunlardır:

- Hareket edebilir ön farlar,

- Gizlenmiş, durabilir cam silecekleri,

- Gizlenmiş yağmur olukları,

- Gizlenmiş kapı kolları,

- Katlanabilir yan dikiz aynaları,

- Esnek tamponlar.

Trafikte çok çeşitli boyut ve özellikteki taşıtlar bir arada seyretmek durumunda olduğundan, hafif ve ağır taşıtlar arasında kazaların olması da kaçınılmazdır. Bu taşıtlar arasındaki kütle, boyutlar ve yapısal katılık farklılıkları nedeniyle küçük taşıtların aleyhine olan dengesizliğin sonucu olarak, hafif taşıtların hasar riski daha yüksek olmaktadır.

Tasarımla ilişkili dış güvenliği geliştirmek amacıyla ticari taşıtlara, ön ve arkadakilere ilave olarak, Şekil‘ de görüldüğü gibi yanal koruyucu saptırma elemanları yerleştirilerek; küçük taşıtların, motosiklet, bisiklet sürücülerin ve yayaların bu taşıtların altına girmeleri önlenmeye çalışılmaktadır.

İç güvenlik:

"İç güvenlik" terimi, bir kaza durumunda, taşıtın içerisindeki kişilere etki eden ivme ve kuvvetleri en aza indirecek, onlara yeterince hayati hacim sağlayacak ve kazadan sonra onları taşıtın dışına çıkarmada kritik öneme sahip elemanların çalışmasını garanti edecek önlemleri kapsar. Taşıtın içerisindeki kişilerin güvenliğini etkileyen önemli faktörler şunlardır:

- Taşıt gövdesinin deformasyon davranışı,

- Yolcu kabininin dayanımı, çarpışma sırasında ve sonrasındaki hayati hacmin büyüklüğü,

- Engelleme sistemi,

-Çarpma alanları (taşıtın iç kısmı),

- Direksiyon sistemi,

- Taşıtın içindekilerin kurtarılması,

- Yangından korunma

İç güvenliğin önemini vurgulamak amacıyla, sabit bir duvara 80 km/h hızla çarpan bir otomobildeki yaklaşık 0,15 saniye süren bir kaza sırasında cereyan eden olaylar önek olarak verilmiştir.

0,026. s: Ön tamponlar araca gömülür. Araç, ağırlığının 30 katı kadar bir kuvvetle frenlenir. Eğer emniyet kemeri ve hava yastığı kullanılmıyorsa, taşıttaki yolcular kabin içerisinde 80 km/h hızla hareketlerine devam ederler.

0,039. s: Sürücü, koltuğu ile birlikte 15 cm öne fırlamıştır.

0,044. s: Sürücü, göğüs kafesiyle direksiyona çarpar.

0,050. s: Taşıt ve içindekiler üzerine etkiyen yavaşlatıcı ivme, ~80 g (g: yerçekimi ivmesi, 9,81 m/s2) ye ulaşır, (uçuş simülatörlerinde yapılan denemelerde 6 g'lik bir ivmenin etkisinde kalan bir pilotun yüzündeki tüm etlerin geriye doğru çekildiği, kemiklerinin fırladığı görülmüştür). Yani, taşıt ve içindekilerin üzerine, ağırlıklarının ~80 katı kadar kuvvetler etki etmektedir.

0,068. s: Sürücü, ~9 tonluk bir kuvvetle gösterge paneline çarpar.

0,092. s: Sürücü, yanındaki yolcu ile birlikte, aynı anda kafasını ön cama çarpar. Sürücünün yanındaki yolcu, bu çarpma sonucunda kafasından ölümcül bir yara alarak dışarıya fırlar.

0,100. s: Direksiyon simidi tarafından tutulan sürücü, tekrar aracın içine düşer. O anda ölmüştür.

0,110. s: Araç yavaşça geri çekilmeye başlar.

0,113. s: Sürücünün arkasında oturan yolcu (emniyet kemeri yoksa), sürücünün seviyesine kadar yükselir ve kafasıyla ona sert bir darbe yaparken, aynı anda kendisi de ölümcül biçimde yaralanır.

0,150. s: Cam ve çelik parçaları yere düşer, tekrar sessizlik egemen olur.

Görüldüğü gibi, 0,2 saniyeden daha kısa bir süre içerisinde her şey bitmektedir. Ortaya çıkan enerjinin, 1 ton ağırlığındaki bir otomobili, yaklaşık 30 m yukarıya fırlatabilecek boyutlarda olduğu ifade edilmiştir.

Sürücü ve yolcu sınırlama sitemlerinin amacı, çarpışma anında sürücü ve yolcunun araç iç parçalarına çarpmasını engellemek ve herhangi bir dış ve iç yaralanmaya sebebiyet vermemek üzere hareketlerini sınırlamaktır. Bu amaçla, özellikle elastiki ve plastik uzama kapasiteli modern emniyet kemerleri ve bunlarla birlikte kinematik hava yastıkları kullanılmaktadır.

Emniyet kemerlerinin güvenlilik ve verimlilikleri gerçek kazalarda kanıtlanmış olmakla birlikte, geliştirilmeleri henüz tamamlanmamıştır. Çarpışma anında kemerlerin gerilmesi ile optimum koruma elde edilmektedir. Gevşek emniyet kemerlerinde, kemer gerilene kadar kullananların hareketleri engellenememektedir. Klasik emniyet kemerlerinin, yapılarından kaynaklanan ve etkinliklerini sınırlayan şu eksiklikleri bulunmaktadır:

Emniyet kemerine bir çekme bırakma hareketi uygulandığında, bu hareket, kayışın bobin üzerine yığılmasına neden olabilir. Ciddi darbe anında kayış kilitlense de, sürücü kayış sıkışana kadar öne doğru hareket eder. Dolayısıyla gereksiz yere sürücünün kafasının direksiyon ve gösterge paneline yaklaşmasına izin verir.

Belirli bir rahatlığı sağlamak amacıyla, vücut ve kayış arasında bir miktar boşluk bırakmak kaçınılmazdır. Bu boşluğun etkisi, 1 no'lu maddeyle aynıdır.

Klasik emniyet kemeri sistemleri kullanıcılar tarafından çalıştırılırken, Şekil 3 'te görülen ön gergili otomatik sistemler, yolcu müdahalesi olmaksızın birkaç milisaniyede fonksiyonel hale gelirler. Yeterli düzeyde bir ön darbe sırasında, genellikle orta konsol içine yerleştirilmiş olan elektronik beyin, ön koltukların emniyet kemerini sıkıştıran ön gerdirme mekanizmasını (Şekil 4) harekete geçirir ve üç noktadan sınırlayan sistem otomatik olarak geri çekilerek optimum koruma sağlanır. Emniyet kemerleri tek elle bağlanıp, çözülebilmelidirler.

Şekil 3: ön gergili emniyet kemeri

Şekil 4:kemer gerdirme sistemi

Şekil 4 deki sistemde darbe anında beyin sensöre sinyal gönderip fünyeyi tetikler ve silidire hızla basınçlı gaz boşalır buda pistonu ileri hareket ettirir. Böylece kemer gerilmiş olur.

Şekil 5 'teki eğriler, % 5, % 50 ve % 95 lik test mankenleri (dummy) ile yapılan çarpma testleriyle belirlenmiş yolcuların kinetik enerjilerinin değişimini göstermektedir. Yolcuların kinetik enerjilerinin bağıl hızın karesinin fonksiyonu olması nedeniyle, koruyucu sınırlayıcıların kazanın ilk anlarında uygulanmasının avantaj sağladığı ifade edilmektedir. Elektronik beyinin sarsıntılardan etkilenmeyecek biçimde düzenlenmesiyle, taşıt ivmelenirken meydana gelebilecek gerilme önlenebilmektedir. Bu ise, özellikle yüksek hızdaki çarpma durumlarında çok büyük önem kazanmaktadır.

Şekil 5:çarpma sırasında yolcuların kinetik enerjilerinin değişimi

Günümüzde kullanılmakta olan gerilmesi sınırlandırılmış emniyet kemerleri, çarpışma sırasında araç hızının aniden sıfıra düşmesi sonucunda, ön koltuklarda oturanların göğüs ve kalçalarının emniyet kemerlerinin sıkmasından çok fazla etkilenmemeleri için, oluşan kuvveti sınırlayan ve kısa bir zaman aralığına yayan sarma/kilitleme sistemiyle donatılmaktadır.

Hava yastıkları, emniyet kemerlerini tamamlayıcı olarak geliştirilen pasif güvenlik elemanlarıdır, Şekil 6. Sistem, aracın yavaşlama ivmesini hesaplayan kendi elektronik beyni tarafından yönetilir. Elektronik beyin, yeterli düzeyde bir ön darbe olduğunda, sürücü için direksiyon simidi içine, sürücünün yanında oturan yolcu için de torpido gözüne yerleştirilmiş olan ve her ikisinin kafalarını koruyacak biçimde şişen hava yastıklarını harekete geçirir. 60 litrelik bir hava yastığının dolma süresi yaklaşık 40 ms dir.

Şekil 6: Sürücü ve yolcu hava yastıkları.

Hava yastığındaki olumsuzlukları gidermek üzere sisteme eklenen koltuk ağırlık algılayıcı (sensör), çocukların ve minyon yapılı yetişkinlerin korunması için, belirli ağırlığın (örneğin 30 kg) altındaki yolcu ağırlıklarında hava yastığını işlemez duruma getirmektedir. Zayıf bayanların ve ağır gençlerin koltukta ne biçimde oturduklarının algılanması, halen zorlukları oluşturmaktadır. Ayrıca, hava yastığının etkin kontrolü için, kemerin bağlanıp bağlanmadığının ve çarpışmanın şiddetinin dikkate alınması da düşünülmektedir. Temel fikir, günümüzde kullanılmakta olan iki kademeli şişiricilerin basınç artışının daha olumlu kontrolüdür.

Yolcu sınırlama sitemlerinin önemli bir parçası da, çarpışma sırasında vücudun alt kısımlarının enerjisinin absorbe edilmesi için kullanılan diz yastığıdır. Ayrı diz yastığı, sistemin karmaşıklaşmasına ve fiyat artışına yol açtığından, daha ucuz ve basit bir çözüm, Şekil 7 'de görüldüğü gibi, aşağıya monte edilen yolcu hava yastığı (LMPAB) sistemine bir diz yastığı eklenerek elde edilmiştir

Şekil 7: diz yastığı eklenerek geliştirilmiş yolcu hava yastığı:

Hava yastığı ve emniyet kemerinin tek başına ve birlikte kullanılmaları durumundaki yaralanma riskleri, hava yastığıyla % 18, emniyet kemeriyle % 42, ikisinin birlikte kullanılmaları durumunda ise, % 46 kadar azalmaktadır.

Yeni model taşıtlarda, yanal çarpmalara karşı koruma sağlayan yanal hava yastıkları veya Şekil 8 'de görüldüğü gibi, şişirilebilen koruyucu yan hava perdeleri de kullanılmaya başlamıştır. Yanal hava yastıkları, sürücü ve yolcunun kolunun yastıkla kapı arasında sıkışma riskini de önleyecek biçimde düzenlenmektedir.

Boyun kırılması gibi, arkadan çarpmalardaki darbe hasarlarını azaltmak üzere kafayı destekleyen boyunluklar kullanılmaktadır. Hasar riskini daha da azaltmak amacıyla, Opel tarafından, kaza sırasındaki işleyişi Şekil‘ de açıklanan aktif boyunluklar kullanılmaya başlamıştır.

Volvo, arkadan çarpmalarda görev yapan bir koruma sistemini (WHIPS - whiplash protection system) Mayıs 1999'dan itibaren uygulamaya almıştır. Arkadan çarpmalarda sistemin koltuğu gövdenin geriye doğru hareketini izlemektedir. Böylelikle, gövdenin üst kısmı ile kafa birlikte ve paralel olarak hafifçe ve dengeli bir biçimde geriye doğru gideceğinden, gövdedeki gerilmeler azaltılmaktadır. Koltuğun arkası daha sonra geriye/aşağıya doğru alçaltılarak, geriye fırlamaya ve tehlikeli kırbaçlama hareketinin riskine karşı gelmektedir.

Taşıt gövdesinin deformasyon davranışı:

Amerika'da 1966 yılında yürürlüğe giren Motorlu Taşıtlar Güvenlik Kanunu'ndan sonra, bir dizi yasal kısıtlamalar getirilmiştir. Bunlardan en iyi bilineni, bir otomobilin sabit bir bariyere 48.3 km/h (30 mil/h) hızla önden çarpması durumunda, yolcuların hayati tehlike oluşturacak boyutta yaralanmamaları şartıdır. Model onayının alınması yapılan çarpma testleri ve diğer testlerde karşılanması zorunlu olan şartlar aşağıda açıklanmıştır:

Baş yaralanma kriteri (HIC - Head Injury Criterion); Baş yaralanma kriterinin belirlenmesinde baş ivme değerleri kullanılmaktadır ve müsaade edilebilir maksimum ivme değeri HIC < 1000 m/s2 değeriyle sınırlandırılmıştır.

Göğüs yaralanma kriteri; göğüs kafesinin müsaade edilebilir maksimum ivmesi, 60 g/3ms olarak sınırlandırılmıştır.

Bacak yaralanma kriteri; kalçaya etki eden kuvveti 10 kN olarak sınırlandırılmıştır.

Diğer genel şartlar şunlardır:

- Yakıt deposunda sınırlı sızıntı olabilir,

- Çarpma sırasında kapılar açılmamalıdır,

- Çarpmadan sonra kapılar yeterince açılabilmelidir,

- Ön camın koruduğu bölgeye taşıt parçaları girmemelidir,

- Direksiyon simidinin yatay kayma miktarı, < 10 cm olmalıdır,

- Yolcu mahallindeki kapaklar açılmamalıdır,

- Hayati hacim boyutları küçülmemelidir.

Bu şartların tamamlayıcısı olarak, darbe durumunda enerji absorbe edebilme özelliği bulunan ön yapı, belirli ve olabildiğince düzgün bir yavaşlama ivmesine sebep olmalıdır. Yolcu bölümü ise, mümkün olabildiğince sağlam ve şekil değişimine karşı dirençli olmalıdır. Eskinin ağır gövdeleri yerine, günümüzde uzay kafes (SF-space frame) sistemine göre üretilmekte olan yüksek dayanımlı profillerden yapılan hafif gövdeler ve çarpışma anındaki darbe kuvvetinin yolcu kafesine ulaşmadan sönümlenmesi için eklenen ön deformasyon kuşakları, Şekil 10'da da açıklandığı gibi, çarpışma anındaki kuvvetleri önemli ölçüde absorbe ederek hayat kurtarıcı bir fonksiyon üstlenmektedir.

Çok sayıda eşitliğin çözülmesini gerektirdiğinden, taşıt gövdesinin deformasyon ve enerji absorbe etme davranışı bilgisayar sümülasyonları ile analiz edilmektedir. Bunun için, şasi ve tüm gerekli elemanları dahil, taşıt gövdesinin binlerce elemana bölündüğü sonlu elemanlar yöntemi kullanılır. Öncelikle önemli elemanlar incelenir. Örneğin, uzunlamasına darbe sönümleyici kirişlerin Şekil‘ de görüldüğü gibi akordeon biçiminde deforme olması durumunda absorbe ettiği enerji, eğilmesi halinde absorbe ettiği enerjiden daha fazladır. Bu ise, kirişin uygun tasarımı, levha kalınlığı, kesit biçimi ve yolcu kabini ile taşıtın ön kısmına tutturulma biçimi gibi faktörlere bağımlıdır.

Direksiyon sütununun üst ucunun arkaya doğru maksimum yer değiştirme miktarı yasal olarak sınırlandırılmıştır. Uzunlamasına ve yanal çarpmalarda deforme olabilmesi için, direksiyon millerinin alt kısımları katlanabilir üniversal mafsallı, muhafazaları yarıklı veya körüklü vb. yapılmaktadır.

Karşıdan çarpmalarda sürücünün ayağındaki baskıyı ve muhtemel bacak hasarlarını azaltmak üzere pedal serbest bırakma sistemleri (PRS) kullanılmaktadır. Yolcu tutucu sistemler de ergonomik olarak tasarlanmalıdır.

Kaza sonrasında taşıtın yanma riskini azaltmak için yakıt deposunu korumak üzere ön deformasyon sacı kullanılmakta, yakıt boruları deformasyon bölgesi dışına alınmakta, ayrıca, yolcu bölümündeki yangın tehlikesini azaltmak üzere, yanmaya karşı dirençli malzemeler kullanılmalıdır.

Çarpışmalarda güvenlik artırıcı sistemlere çok ihtiyaç vardır. Ancak, taşıtların yapısal tasarımları sadece güvenlik temeline dayandırılmamaktadır ve ayrıca, birçok tasarım amacı birbirleriyle çatışabilmektedir. Örneğin özellikle aracın ön darbelere karşı mukavemetli olması için, ön kısmı ile yolcu bölümü arasında deforme olabilen fakat sağlam bir bağlantı olması istenmektedir. Bu bağlantının ses geçirgenliği ise istenmeyen bir durumdur. Çünkü, motor sesi bu ses köprüsü vasıtası ile yolcu bölümüne iletilmekte ve şartlara bağlı güvenliği olumsuz yönde etkilemektedir. Günümüzde, amaçlanan bu tasarım karmaşalarının çözümü, bilgisayar simülasyonları yardımıyla olmaktadır.