Nguyên lý hoạt động của dây đai an toàn

Ngày nay, hệ thống dây đai an toàn là bộ phận tối thiểu nhất trong hệ thống an toàn thụ động và không thể thiếu trên các xe hơi. Khi bạn nghĩ đến dây an toàn, bạn sẽ đặt câu hỏi: làm sao chỉ với dải lụa lại có thể cứu sống được con người? Nguyên lý hoạt động của chúng ra sao? Trong bài viết này chúng ta cùng nghiên cứu về công nghệ của dây an toàn để biết tại sao chúng lại là một trong những công nghệ quan trọng nhất trên bất cứ chiếc ôtô nào.

Những ý tưởng về va chạm

Nguyên lý làm việc cơ bản của dây an toàn rất đơn giản: Nó giữ chặt bạn không cho bạn bay về trước và đập vào kính chắn gió hoặc va đập vào bảng đồng hồ khi chiếc xe đột ngột dừng lại. Nhưng tại sao điều này lại xảy? Có thể nói tóm tắt rằng: do lực quán tính. Vậy quán tính là gì?

Quán tính là một xu hướng của một vật thể giữ nguyên chuyển động của nó khi có bất cứ vật gì chống lại chuyển động này. Hay nói cách khác, quán tính là sự chống lại của vật thể đối với sự thay đổi tốc độ và hướng chuyển động. Mọi vật đều muốn giữ chuyển động của chúng một cách tự nhiên.

Nếu một chiếc ô tô có tốc độ 50 km/giờ, quán tính sẽ luôn muốn giữ chúng chuyển động ở 50 km/giờ ở hướng đó. Sức cản của không khí và ma sát với mặt đường làm nó chuyển động chậm lại, nhưng nguồn động lực từ động cơ xe bù lại những năng lượng mất mát để thắng ma sát của mặt đường và sức cản của không khí.

Bất cứ vật gì ở trên chiếc xe, bao gồm cả người lái và hành khách đều có quán tính riêng, theo quán tính của chiếc xe. Chiếc xe làm tăng vận tốc của người lái theo tốc độ của nó. Hãy tưởng tượng rằng bạn đang lao đi với vận tốc đều đều 50 km/h. Tốc độ của bạn và tốc độ chiếc xe gần như bằng nhau, vì vậy bạn cảm thấy mình và chiếc xe đang di chuyển như một khối duy nhất.

Nếu bất ngờ chiếc xe đâm vào một cột điện thoại, nó sẽ chứng tỏ ngay cho bạn rằng quán tính của bạn và chiếc xe hoàn toàn độc lập với nhau. Lực của cột điện thoại tác dụng lên chiếc xe làm nó đột ngột dừng lại, thế nhưng tốc độ của bạn thì vẫn được giữ nguyên. Nếu không có dây an toàn, bạn sẽ bị “ném” vào vành tay lái hoặc bay lên đập vào cửa kính chắn gió với vận tốc 50 km/giờ. Cũng như cột điện thoại làm chiếc xe đứng lại, bảng đồng hồ, kính chắn gió hoặc mặt đường sẽ làm bạn dừng lại bằng cách giữ bạn lại bằng một lực mạnh khủng khiếp.

Nhiệm vụ của dây an toàn

Trong phần trước, bạn đã biết rằng khi một chiếc xe bất ngờ dừng lại, hành khách cũng bất ngờ bị dừng lại theo. Công việc của dây an toàn là phân phối lực dừng đó vào phần khoẻ mạnh của cơ thể để giảm tối thiểu nguy hiểm.

Kiểu dây an toàn truyền thống là lapbelt (thường kéo qua hông của bạn) hoặc shoulder belt (kéo qua vai). Hai loại dây an toàn này được buộc chặt với thân xe để giữ thân người cột chặt vào ghế của họ.

Khi dây an toàn được thắt chính xác, chúng sẽ cung cấp toàn bộ lực dừng vào lồng ngực hoặc vùng xương chậu, là những vùng chịu lực khoẻ nhất của cơ thể. Bởi vì dây an toàn tác dụng lên một dải rộng ngang theo cơ thể người nên lực dừng không tập trung vào một vùng nhỏ mà được phân tán, vì vậy không gây nguy hiểm lớn. Hơn nữa, dây an toàn được chế tạo bằng vật liệu mềm dẻo hơn so với bảng đồng hồ và kính chắn gió. Chúng có thể kéo căng được một chút, nghĩa là sự dừng sẽ không quá đột ngột. Vì vậy nếu xảy ra va chạm bạn chỉ có thể dịch chuyển được một chút, và đương nhiên là vẫn không rời chiếc ghế của bạn.

Ngoài hệ thống dây an toàn, người ta còn để cho chiếc xe có những vùng hấp thụ năng lượng va chạm. Những vùng này rất “mềm”, nằm ở phía trước và sau xe. Khi bị đâm từ phía trước hoặc sau đến, đầu xe hoặc đuôi xe sẽ bị dúm lại. Thay cho việc toàn bộ chiếc xe bị dừng lại đột ngột khi đâm vào một chướng ngại vật, nó hấp thụ một phần lực va chạm vào chính phần bị bẹp ở vùng bị va đập, giống như bạn bóp một lon sô đa rỗng. Ca-bin chiếc xe cứng vững hơn, không bị bẹp lại và vì vậy chúng ta tránh được tình trạng “ép cam”. Nếu khi đó, chiếc xe vẫn chưa dừng lại thì chính phần đầu xe bị vò nát sẽ là trở ngại đối với chướng ngại vật. Tuy nhiên, những vùng vò nát sẽ chỉ bảo vệ bạn khi bạn đang ở trong ca-bin xe, và đương nhiên nếu bạn thắt dây an toàn.

Loại dây an toàn đơn giản nhất, được nhìn thấy ở các trò chơi cảm giác mạnh ở các công viên giải trí. Nó gồm có một sợi dây mảnh gắn chặt với thân xe. Những sợi dây này luôn giữ chặt bạn vào chiếc ghế, rất an toàn nhưng làm bạn hơi khó chịu.

Các dây an toàn của xe có khả năng co giãn rất tốt. Bạn có thể ngả người về trước trong khi sợi dây vẫn đang ở trạng thái căng. Nhưng nếu có va chạm, dây an toàn sẽ đột ngột giữ bạn chặt hơn vào ghế.

Giãn và co: Hai yếu tố tiên quyết

Trong hệ thống dây an toàn bình thường, một dải vải được nối với một cơ cấu căng dây. Yếu tố trung tâm của cơ cấu căng dây là một ống xoay gắn với đầu cuối của sợi dây. Bên trong của bộ căng dây là một lò xo cung cấp một lực để xoay ống xoay. Nhờ vậy, ống xoay lập tức cuộn cho sợi dây căng lại bất cứ khi nào dây trùng đi.

Khi bạn kéo dây ra để thắt vào người, ống xoay sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ và nó sẽ làm quay lò xo hồi vị xoay đi cùng chiều. Thực tế, ống xoay làm việc để giải phóng sức căng của lò xo. Lò xo thì luôn muốn giữ lại hình dạng lúc đầu của nó, vì vậy nó chống lại chuyển động xoắn vào. Nếu bạn giải phóng sợi dây vải, lò xo sẽ kéo chặt lại, xoay ống xoay cùng chiều kim đồng hồ đến khi dây an toàn đạt đến một độ căng nào đó. Bộ căng dây có một cơ cấu khoá để không cho ống xoay bị xoay đi khi chiếc xe va chạm. Hiện nay, có hai hệ thống khoá thông thường:

- Hệ thống được kích hoạt bằng chuyển động của chiếc xe.

- Hệ thống được kích hoạt bằng chuyển động của dây an toàn.

Hệ thống thứ nhất sẽ khoá ống xoay khi chiếc xe giảm tốc đột ngột (khi đâm phải chướng ngại vật chẳng hạn). Sơ đồ dưới đây cho biết kiểu đơn giản nhất của thiết kế này. Nhân tố làm việc trung tâm của cơ cấu này là một quả nặng. Khi chiếc xe dừng lại đột ngột, quán tính của vật nặng làm nó lắc về trước. Một vấu nằm ở đầu kia của vật nặng lập tức chèn vào các răng của bánh răng kết nối với ống xoay. Vì bị vấu cam giữ lại nên bánh răng không thể xoay theo ngược chiều kim đồng hồ nên không thể làm cho ống xoay xoay theo được. Khi dây an toàn bị lỏng ra sau va chạm, bánh răng lại xoay cùng chiều kim đồng hồ và vấu cam được giải phóng ra khỏi bánh răng.

Hệ thống thứ hai khoá ống xoay khi có vật gì đó giật mạnh sợi dây. Yếu tố làm việc chính của thiết kế này là một ly hợp ly tâm – đòn bẩy (1) có chốt xoay được lắp đặt với ống xoay. Khi ống xoay quay chậm, đòn bẩy không quay quanh trục của nó. Một lò xo giữ nó ở nguyên vị trí. Thế nhưng, nếu dây an toàn bị giật đột ngột, làm xoay mạnh ống xoay, lực ly tâm làm cho vật nặng cuối đòn bẩy bắn ra ngoài. Đòn bẩy văng ra đẩy một vấu cam (5) vào một không gian của cơ cấu căng. Cam này được nối với một chốt hãm bởi một chốt trượt trong rãnh nhỏ (4). Khi cam di chuyển sang trái, chiếc chốt di chuyển dọc theo đường rãnh của chốt hãm. Điều này đã kéo chốt hãm vào một bánh răng cóc (2) ăn khớp với ống xoay. Chốt hãm lập tức khoá các răng của bánh cóc không cho nó quay ngược chiều kim đồng hồ, giữ ống xoay không cho dây trùng đi.

Trên một vài cơ cấu dây an toàn mới hơn, bộ căng dây trước va chạm - pretensioner cũng có kết cấu làm việc để làm chặt dây đai, tuy nhiên có hơi khác so với hai thiết kế trên. Sau đây là nguyên lý làm việc của cơ cấu này.

Ý tưởng của cơ cấu này là thít chặt dây an toàn bất cứ lúc nào nó bị lỏng ra trong trường hợp xảy ra va chạm. Ngược lại với cơ cấu khoá thông thường ở một bộ căng dây là giữ dây luôn căng trong mọi tình huống, pretensioner chỉ thực sự kéo sợi dây khi cần thiết. Lực này làm cho chúng ta có một vị trí thích hợp nhất khi xảy ra va chạm. Pretensioner luôn làm việc cùng với cơ cấu khoá thông thường, không thay thế cho chúng.

Trên thị trường hiện có một số hệ thống pretensioner khác nhau. Một vài loại kéo toàn bộ cơ cấu căng dây về sau, một vài loại chỉ quay ống xoay mà thôi. Thông thường, pretensioner được kết nối với bộ xử lý điều khiển trung tâm cùng với điều khiển túi khí. Bộ xử lý sẽ giám sát toàn bộ các tín hiệu từ cảm biến cơ khí hoặc điện tử khi phát hiện ra sự giảm tốc đột ngột của va chạm. Khi một cuộc va chạm được phát hiện thấy, bộ xử lý sẽ kích hoạt các bộ căng dây sau đó kích hoạt đến túi khí.

Bộ pretensioner

Một vài bộ pretensioner được thiết kế dùng mô tơ điện hoặc cuộn dây điện, nhưng đa số các thiết kế phổ thông hiện nay lại sử dụng hạt lửa để kéo căng dây an toàn. Sơ đồ dưới đây cho biết một mẫu điển hình của thiết kế này.

Yếu tố trung tâm của bộ pretensioner này là một buồng kín có chứa khí cháy. Bên trong buồng kín này có một không gian nhỏ có chứa hạt nổ. Bộ kích nổ này được điều khiển bằng hai dây điện nối từ buồng cháy đó với bộ xử lý trung tâm. Khi bộ xử lý phát hiện ra va chạm, nó tức khắc cung cấp một dòng điện qua hai cực của bộ đánh lửa để sinh tia lửa đốt hạt nổ làm cháy khí ga có sẵn. Khí cháy sinh áp suất cao đẩy mạnh piston lên cao với tốc độ rất lớn. Một cơ cấu thanh răng kết nối với piston làm cho bánh răng quay và cuộn ống xoay. Tốc độ của thanh răng lớn nên làm ống xoay cuộn rất mạnh, kéo căng toàn bộ dây đai.

Nhiều năm nay, dây an toàn đã chứng tỏ chắc chắn là một thiết bị an toàn quan trọng nhất trên các xe ô tô. Tuy vậy cũng không có nghĩa là chúng bảo đảm được an toàn 100% cho chúng ta. Với trình độ khoa học ngày càng phát triển, những công nghệ tiên tiến sẽ cho phép các thiết bị an toàn ngày càng thông minh và chính xác hơn. Trong tương lai, những chiếc xe sẽ được cung cấp những dây an toàn, túi khí tốt hơn với những công nghệ an toàn hoàn toàn mới. Tuy nhiên, chính phủ sẽ phải chú tâm tới vấn đề lớn hơn, đó là việc buộc mọi người phải sử dụng các thiết bị an toàn khi sử dụng xe.

Ngọc Hải