کمربند ایمنی خودرو چگونه کار می‌کند؟

براساس گزارش اداره‌ی ملی ایمنی بزرگراه‌ها آمریکا (NHTSA) استفاده از کمربند ایمنی سالانه جان ۱۳ هزار آمریکایی را نجات می‌دهد و در تصادفات منجر به مرگ، حدود ۷ هزار نفر از آمار متوفیان را می‌کاهد. البته استفاده از کمربند ایمنی در بعضی حالات نادر، می‌تواند باعث بروز آسیب‌های جدی و مرگ شود؛ اما تقریبا همه‌ی متخصصان ایمنی بر این باورند استفاده از کمربند ایمنی می‌تواند بخت زنده‌ماندن سرنشینان در تصادفات را به‌طورچشمگیری افزایش دهد. با استناد به گزارش NHTSA، استفاده از کمربند ایمنی حداکثر ۵۰ درصد احتمال مرگ سرنشینان جلو را کاهش می‌دهد.

با اندکی تأمل در این آمار و ارقام، به تأثیر شگفت‌انگیز کمربند ایمنی در حفظ جان افراد پی می‌بریم؛ اما به‌راستی تسمه‌ای پارچه‌ای چگونه می‌تواند فاصله‌ی میان مرگ و زندگی باشد؟ این قطعه‌ی به‌ظاهر ساده چگونه عمل می‌کند؟ چه فناوری‌ای در پس این حافظ جان انسان‌ها نهفته است؟ در این مقاله، سعی می‌کنیم ضمن پاسخ‌گویی به این سؤالات، سایر جنبه‌های فنی و پیشرفت‌ها در این زمینه را بررسی کنیم.

ایده‌ی ابتدایی استفاده از کمربند ایمنی بسیار ساده است: این تکه تسمه‌ی بافته‌شده وظیفه دارد از پرتاب‌شدن و حرکت ناگهانی سرنشینان به‌سمت جلو هنگام توقف ناگهانی ناشی از تصادف جلوگیری کند. سؤال مهم این است: چرا هنگام تصادف یا توقف ناگهانی به‌سمت جلو پرتاب می‌شویم؟ پاسخ کوتاه «اینرسی» است.

اینرسی تمایل جسم برای حفظ حرکت با سرعت و جهت مشخص است تا زمانی‌که سرعت یا جهت حرکت یا هر دو به‌واسطه‌ی عاملی بیرونی دچار تغییر شود. به‌بیان‌دیگر، اینرسی مقاومت جسم دربرابر تغییر سرعت یا جهت حرکت است؛ چراکه به‌طورطبیعی اجسام دوست دارند حالت پیشین خود را حفظ کنند. برای مثال، خودرویی که با سرعت ۸۰ کیلومتر بر ساعت در جهتی خاص در حال حرکت است، براساس اینرسی به حفظ جهت و سرعت حرکت خود تمایل دارد. در این حالت، مقاومت هوا و اصطکاک سرعت خودرو را کاهش می‌دهند که در این حالت، پیشرانه وظیفه‌ی جبران مقاومت‌های ذکرشده را برعهده دارد.

علاوه‌بر خودرو، سرنشینان و سایر اجزای موجود در خودرو اینرسی خاص خود را دارند که با اینرسی خودرو متفاوت است. برای درک این موضوع، تصور کنید خودرو از حالت سکون سرعت‌گیری برای رسیدن به سرعتی خاص را شروع می‌کند. در این حالت، افراد و اجزای موجود در خودرو به‌طورتقریبی با شتاب و سرعتی برابر با خودرو به‌حرکت درمی‌آیند. در این وضعیت، تصور می‌کنید خودرو و تمام سرنشینان و اجزای آن باید به‌صورت شیئی واحد در نظر گرفته شوند؛ اما درصورت برخورد خودرو با تیر چراغ برق، به‌طورواضح مشاهده می‌شود اینرسی خودرو و سایر اجزای موجود در آن متفاوت‌اند. در این حالت، تیر چراغ برق سبب می‌شود خودرو در کسری از ثانیه به حالت سکون برسد؛ اما سرنشینان تمایل دارند با سرعت قبلی (آخرین سرعت قبل از برخورد) به حرکت ادامه دهند.

بدون استفاده از کمربند ایمنی، سرنشینان با آخرین سرعت قبل از تصادف به‌سمت جلو پرتاب می‌شوند که در این وضعیت، یا به فرمان یا به شیشه‌ی جلو یا به صندلی سرنشینان جلو خودرو برخورد خواهند کرد. نتیجه‌ی این برخورد رسیدن به حالت سکون خواهد بود؛ اما انرژی ناشی از برخورد می‌تواند به‌راحتی سبب مرگ یا جراحات جدی شود. به‌همین‌دلیل، هنگام وقوع تصادف اینرسی سرنشینان باید با اعمال نیرو کنترل شود. نیروی اعمالی باید به نواحی مشخص و با اندازه‌ای کنترل‌شده به سرنشینان وارد شود تا خود سبب بروز آسیب نشود. برای مثال، درصورت برخورد سر سرنشینان با شیشه‌ی جلو، نیروی زیادی به‌صورت متمرکز به سر وارد خواهد شد که نتیجه‌ی آن آسیب‌های جدی است. کمربند ایمنی با اعمال نیروی بازدارنده بر نواحی کم‌خطرتر بدن، ضمن توزیع نیروی حاصل از برخورد، مدت زمان اعمال نیرو را افزایش می‌دهد تا توزیع نیروی لحظه‌ای کاهش یابد و بخش‌های حیاتی بدن را از آسیب جدی حفظ کند.

در بخش قبل، دریافتیم هنگام تصادف، خودرو در کسری از ثانیه متوقف می‌شود و درنتیجه‌ی وجود اینرسی، سرنشینان به حفظ سرعت قبلی تمایل دارند؛ ولی باید با اعمال نیرویی اینرسی سرنشینان مهار شود. وظیفه‌ی کمربند ایمنی این است که با توزیع نیروی حاصل از برخورد در نقاط با آسیب‌پذیری کمتر، از پرتاب‌شدن سرنشینان جلوگیری کند. در بخش جلو و عقب خودرو، فضاهایی وجود دارند که وظیفه‌‌شان جذب ضربات تصادف ازطریق خُردشدن و تغییر شکل است. هنگام تصادف، بخشی از نیرو صرف خُردکردن و تغییرشکل این فضاها می‌شود و بقیه‌ی نیرو به کابین خودرو و سرنشینان وارد می‌شود.

کمربند ایمنی معمولی با توزیع نیرو روی دو بخش مجزا، وظیفه‌ی خود را انجام می‌دهد. بخشی در ناحیه‌ی فوقانی بدن (دور کمر) قرار می‌گیرد و بخش دیگر از شانه تا روی قفسه‌ی سینه امتداد می‌یابد. کمربند ایمنی محکم به بدنه‌ی اصلی خودرو متصل می‌شود تا از عملکرد مناسب آن مطمئن شود. درصورت استفاده‌ی صحیح از کمربند ایمنی، هنگام تصادف بخش بزرگی از نیروی بازدارنده به ناحیه‌ی میانی بدن و قفسه‌ی سینه وارد خواهد شد که در اغلب مواقع بدون آسیب سبب حفظ جان سرنشینان می‌شود. با این کار، نیروی بازدارنده در سطح زیادی از بدن توزیع می‌شود؛ به‌همین‌دلیل، اندازه‌ی نیروی اعمالی در‌مقایسه‌با حالتی کمتر است که نیروی بازدارنده بر ناحیه‌ای کوچک نظیر سر متمرکز می‌شود. به‌علاوه، الیاف استفاده‌شده در کمربند ایمنی قابلیت کشسانی بسیار اندکی دارند که این موضوع هنگام بروز تصادفات شدید ممکن است بخشی از نیروی تصادف را جذب کند و سبب کش‌آمدن کمربند شود تا درنتیجه‌ی آن، از میزان نیروی اعمالی به سرنشینان کاسته شود.

ساده‌ترین نوع کمربند ایمنی را می‌توان در بعضی از ترن‌های هوایی یافت. در این کمربندها، تسمه‌ی تنیده‌شده‌ای از الیاف با استحکام فراوان به بدنه‌ی ترن پیچ و با بسته‌شدن آن، سرنشین محکم و با حداقل آزادی به صندلی فشرده می‌شود. این حالت ایمنی زیادی دارد؛ اما راحتی سرنشینان را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. خوشبختانه کمربند ایمنی به‌کاررفته در خودروها قابلیت باز و جمع شدن دارد. این کمربندها به مکانیزمی مجهزند که می‌توانند با تغییر طول سبب ایجاد آزادی حرکتی مناسب شوند و سرنشین را همواره ایمن روی صندلی حفظ کنند.

در کمربند ایمنی معمولی، تسمه‌ی کمربند به مکانیزمی جمع‌کننده متصل است. هسته‌ی مرکزی این مکانیزم از قرقره‌ای تشکیل شده است که فنر پیچشی گشتاور موردنیاز برای چرخاندنش را فراهم می‌کند. این مکانیزم سبب می‌شود برای بستن کمربند ایمنی مجبور شوید آن را بکشید تا همیشه طول بهینه‌ی کمربند برای حفاظت حداکثری از سرنشین حفظ شود.

با کشیدن کمربند ایمنی، قرقره به‌صورت پادساعت‌گرد می‌چرخد و درنتیجه‌ی آن، فنر پیچشی نیز به‌صورت پادساعت‌گرد جمع می‌شود. انرژی پتانسیل فنر سبب چرخش ساعت‌گرد قرقره و جمع‌شدن تسمه‌ی کمربند می‌شود. این مکانیزم علاوه‌بر جمع‌کردن تسمه، هنگام استفاده از کمربند ایمنی سبب محکم‌شدن آن روی بدن می‌شود. مکانیزم جمع‌کننده‌ی کمربند ایمنی به قفلی نیز مجهز است که از افزایش طول کمربند هنگام تصادف مانع می‌شود. به‌طورکلی، مکانیزم قفل‌کننده‌ی کمربند ایمنی به دو صورت فعال می‌شود: نوعی از قفل‌ها با تشخیص تغییر ناگهانی در حرکت خودرو فعال می‌شود و در نوع دیگر، تغییر ناگهانی در حرکت تسمه‌ی کمربند آن را فعال می‌کند.

در سیستم قفل نوع اول، سیستم قفل با تشخیص کاهش شتاب شدید و ناگهانی مانند حالتی که در تصادف روی می‌دهد، سبب قفل‌شدن کمربند می‌شود و از افزایش طول تسمه و برخورد سرنشینان با فرمان و سایر اجزا جلوگیری می‌کند. بخش اصلی در این مکانیزم پاندولی (وزنه) با وزن مشخص است که به دندانه‌ای متصل است. هنگام وقوع تصادف، اینرسی پاندول سبب حرکت آن به‌سمت جلو و درنتیجه‌ی آن، دندانه‌ی متصل به سر دیگر پاندول با دندانه‌های قرقره درگیر می‌شود. با درگیرشدن دندانه‌ها، چرخش قرقره متوقف و افزایش طول کمربند متوقف می‌شود. با رسیدن به حالت سکون پس از تصادف، پاندول دوباره در موقعیت تعادل قرار می‌گیرد و دندانه‌ها از یکدیگر جدا می‌شوند و عملکرد کمربند به حالت عادی بازمی‌گردد.

در سیستم قفل نوع دوم، سرعت چرخش قرقره عامل فعال‌شدن قفل کمربند ایمنی است. قطعه‌ی اصلی در این مکانیزم کلاچی گریز از مرکز است. در نمونه‌های ساده، اهرمی متصل به فنر روی قرقره تعبیه شده است که در حالت چرخش عادی و آرام، قرقره کامل روی آن قرار گرفته است. با چرخش قرقره سریع‌تر از حد تعیین‌شده، فنر متصل به اهرم سبب می‌شود تحت‌تأثیر نیروی گریز از مرکز زبانه‌ی اهرم به‌سمت خارج از قرقره حرکت کند. این جابه‌جایی کوچک کافی است تا دندانه‌ی تعبیه‌شده در خارج از قرقره با اهرم درگیر شود. دندانه‌ی یادشده را پین درون مسیری منحنی روی قطعه‌ای متشکل از چند دندانه می‌لغزاند و این لغزش تا انتهای مسیر سبب حرکت جزئی دندانه‌ها و بالاآمدن و قفل شدن آن‌ها با دندانه‌های قرقره می‌شود. تمام این اتفاقات، تنها در کسری از ثانیه رخ می‌دهد و سبب قفل‌شدن کمربند ایمنی و حفظ جان سرنشینان می‌شود.

با پیشرفت فناوری و مهندسی، نسل جدیدی از کمربندهای ایمنی تولید و در خودروهای امروزی به‌کار گرفته می‌شود. در این کمربندهای ایمنی، مکانیزمی کمکی به‌نام «پیش‌کشنده» سبب می‌شود با تشخیص تصادف، کمربند ایمنی دور بدن سرنشینان محکم‌تر شود.

ایده‌ی ابداع سیستم پیش‌کشنده در کمربندهای ایمنی از آنجا شکل گرفت که گاهی تسمه‌ی کمربند محکم و بهینه دور بدن سرنشینان قرار نمی‌گیرد و به‌عبارت‌دیگر، تسمه اندکی خلاصی دارد که البته برای رفاه سرنشینان الزامی است. شل‌بودن اندک تسمه می‌تواند فاصله‌ی میان مرگ و زندگی را رقم بزند؛ به‌همین‌دلیل، مهندسان با ابداع مکانیزمی درست در لحظه‌ی تصادف کمربند ایمنی را تاحدممکن دور بدن سرنشینان محکم می‌کنند تا مطمئن شود از پرتاب افراد به‌سمت جلو جلوگیری خواهد شد.

اساس عملکرد سیستم پیش‌کشنده استفاده‌ی موتورهای الکتریکی سلونوییدی یا مواد پیروتکنیک برای ایجاد انفجار کنترل‌شده است. از میان آنچه گفته شد، مواد پیروتکنیک بیشتر به‌کار گرفته می‌شود؛ به‌همین‌دلیل، درادامه عملکرد آن را بررسی می‌کنیم. در این سیستم، سیلندر و پیستون حاوی مواد پیروتکنیک ضمن اتصال با قرقره‌ی اصلی کمربند ایمنی، ازطریق سیم‌هایی به واحد کنترل‌کننده‌ی کیسه‌های هوا متصل می‌شود. واحد کنترلی با تشخیص تصادف در کسری از ثانیه ابتدا با ارسال جریان الکتریکی به پیستون سیستم پیش‌کشنده سبب فعال‌شدن چاشنی و انفجار کنترل‌شده‌ی مواد پیروتکنیک می‌شود و پس‌از‌آن، سیگنال بازشدن کیسه‌های هوا را صادر می‌کند.

درون سیلندر سیستم پیش‌کشنده، مواد پیروتکنیک در محفظه‌ای ایمن منفجر و سبب حرکت سریع و ناگهانی پیستون می‌شود. روی پیستون دندانه‌هایی وجود دارد که با حرکت پیستون با دنده‌های روی قرقره درگیر و سبب حرکت آن و درنتیجه، محکم‌شدن تسمه‌ی کمربند می‌شوند. واضح است این سیستم درست مانند کیسه‌های هوا پس از فعال‌شدن باید به‌طورکلی تعویض شود تا دوباره استفاده‌شدنی شود.

در تصادف‌های شدید که خودرو با سرعت بسیار زیاد دچار سانحه می‌شود، اینرسی سرنشینان بسیار زیاد است؛ درنتیجه باید نیروی بسیار بزرگی صرف غلبه بر اینرسی شود. این میزان از نیرو در این شرایط به آن معنی است که کمربند ایمنی برای حفظ سرنشین در جای خود باید نیروی زیادی به بدن او وارد کند. اندازه‌ی این نیرو به‌قدری است که در وضعیت خاص می‌تواند خسارات جبران‌ناپذیر جسمی و حتی مرگ در پی داشته باشد. به‌همین‌دلیل، بعضی از کمربندهای ایمنی به مکانیزم‌هایی مجهز شده‌اند که می‌توانند حداکثر نیروی اعمالی کمربند ایمنی را کنترل کنند تا میزان آسیب‌های ناشی از بستن کمربند ایمنی به‌حداقل برسد.

ایده‌ی اصلی محدودکننده‌ی نیرو آزادکردن طول بسیار کوتاهی از تسمه هنگام تصادف شدید است. ساده‌ترین راه دستیابی به این هدف تاکردن و دوخت طول کوتاهی از تسمه به‌شکلی است که با اعمال میزان نیرویی خاص، دوخت پاره و بخش تاشده از طول تسمه آزاد شود تا طول کمربند ایمنی اندکی افزایش یابد و درنتیجه، میزان حداکثر نیروی اعمالی به سرنشین کنترل شود.

در سیستم‌های پیشرفته‌تر، میله‌ای پیچشی در مکانیزم جمع‌کننده تعبیه می‌شود که با اعمال میزان معینی نیرو می‌تواند دچار پیچش شود. این میله به‌طورمستقیم از یک‌سو به مکانیزم قفل‌کننده‌ی کمربند ایمنی و از سوی دیگر به قرقره متصل است. هنگام تصادف شدید که اینرسی سرنشین نیروی زیادی به تسمه‌ی کمربند و درنتیجه به قرقره وارد می‌کند، میله‌ی پیچشی اندکی دچار پیچش می‌شود و مکانیزم قفل‌کننده را برای لحظه‌ای آزاد می‌کند. در این حالت، طول تسمه اندکی افزایش می‌یابد و حداکثر نیروی اعمالی به سرنشین کاهش می‌یابد.