84
Washington Henrique F. Silva AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO DE SISTEMAS DE AIR BAG EM VEÍCULOS DE PASSEIO Trabalho de final de curso apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia Automotiva (Mestrado Profissionalizante) São Paulo 2005

Washington Henrique F. Silva - Livros Grátislivros01.livrosgratis.com.br/cp058403.pdf · Figura 6.1 Imagens obtidas durante crash test 50 ... de impacto (t=0 ms) 56 Figura 7.2 Veículo

Embed Size (px)

Citation preview

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

Livros Grátis

http://www.livrosgratis.com.br

Milhares de livros grátis para download.

Washington Henrique F. Silva

AVALIAÇÃO E VALIDAÇÃO DE SISTEMAS DE AIR BAG

EM VEÍCULOS DE PASSEIO

Trabalho de final de curso apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia

Área de Concentração:

Engenharia Automotiva

(Mestrado Profissionalizante)

Orientador:

Arlindo Tribess

São Paulo

2005

Silva, Washington Henrique Freitas da

Avaliação e validação de sistemas de air bag em veículos de passeio / W.H.F. da Silva. – São Paulo, 2005.

67 p.

Trabalho de curso (Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

1. Engenharia automotiva 2. Segurança veicular 3. Air bag 4. Veículos de passeio 5 . Tecnologia I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. II. t

AGRADECIMENTOS

Ao orientador Prof. Dr. Arlindo Tribess, pela motivação, confiança e permanentes

incentivos dedicados a minha pessoa, durante o desenvolvimento e concretização deste

sonho, e, sobretudo pela sabedoria dispensada durante estes anos de pesquisa e

desenvolvimento intelectual.

À minha família, especialmente a minha esposa Ailza, que durante o curso me deu o maior

presente de minha vida, a gravidez e o nascimento de meu filho Pedro, e o incondicional

apoio, que sempre alavancaram os meus esforços na busca do melhor caminho.

Meus sinceros agradecimentos aos professores da Escola Politécnica da USP e colegas da

General Motors, pelos momentos de convivência e pela troca de conhecimentos, que tanto

enriqueceram minha formação pessoal e acadêmica.

Finalmente, agradeço a Deus e a todos que, direta ou indiretamente, colaboraram na

execução deste trabalho, seja dividindo angustias, ansiedades e momentos de muito

nervosismo, seja compartilhando entusiasmos e conquistas.

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 30o. em

barreira rígida

31

Figura 3.7 Dados de impacto obtidos a 48 km/h em colisão com poste 31

Figura 3.8 Dados de impacto obtidos a 48 km/h em colisão com poste, sob 32

sistema de coordenadas fixas

Figura 4.1 Dados de impacto a 48 km/h em barreira rígida, medidos na parte

frontal do veículo

33

Figura 4.2 Sensor do sistema de air bag – acelerômetro 35

Figura 4.3 Curvas de aceleração e deslocamento de um ocupante sem cinto

de segurança, numa colisão frontal hipotética – determinação

gráfica dos instantes limites para disparo de um sensor versus

tempo requerido para se insuflar a bolsa de amortecimento.

38

Figura 4.4 Análise conforme critério de OPC para impacto frontal a 48 km/h 40

Figura 4.5 Gráfico comparativo entre critérios OPC e 5” – 30 ms em um

impacto frontal em poste a 22 km/h

41

Figura 4.6 Gráfico comparativo entre critérios OPC e 5” – 30 ms em um

impacto frontal em barreira rígida a 56 km/h

42

Figura 5.1 Câmara estática de teste do air bag 43

Figura 5.2 Dados de deslocamento para determinação do tempo de atraso

para o disparo do impactador

44

Figura 5.3 Representação esquemática para cálculo do tempo de atraso 45

Figura 5.4 Impacto sincronizado 46

Figura 5.5 Exemplos de dummies utilizados em crash tests, tipo (a)

EUROSID e (b) modelo Hybrid III..

47

Figura 5.6 Dummies Hybrid III de vários tamanhos 48

Figura 5.7 Testes de impacto com dummy fora da posição 49

Figura 6.1 Imagens obtidas durante crash test 50

Figura 6.2 Limites biomecânicos na face 53

Figura 6.3 Curva de Wayne State 54

Figura 7.1 Instante de inicio de impacto (t=0 ms) 56

Figura 7.2 Veículo no instante de início do impacto (t= 0 ms) 56

Figura 7.3 Instante de deflagração do air bag (t= 19 ms) 57

Figura 7.4 Veículo no instante de deflagração do air bag (t= 19 ms) 57

Figura 7.5 Instante de contato do air bag insuflado com o dummy (t= 49 ms) 58

Figura 7.6 Veículo no instante de contato do air bag insuflado com o dummy

(t= 49 ms)

58

Figura 7.7 Instante de máximo deslocamento do dummy (t= 103 ms) 60

Figura 7.8 Gráfico de aceleração resultante do dummy em relação ao sistema

de coordenadas fixas

60

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 dotecido

EspumaEspuma deformável

Insulflador

Espuma

Tecido flexível

Emenda

Air Bag

Cobertura dotecido

EspumaEspuma 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 deControle do Sistema

Veículo

Inflador

Sensores

Módulo do Air Bag

Cinto de Segurança

Módulo deControle 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 (C6H3N3O9Pb). A energia liberada

é transferida para uma mistura de ignição (2) que usualmente é composta de boro (B) e

nitrato de potássio (KNO3). Freqüentemente, uma nitrocelulose (NC) como pó de algodão,

é integrada também nesta mistura. Esta mistura desempenha a função de uma pré-ignição

que tem como tarefa acender o insuflador. Os gases quentes e partículas resultantes da

reação química da mistura de ignição (2) entram na câmara de combustão onde as pastilhas

do combustível impulsor (4) se encontram.

A maioria dos insufladores utiliza impulsores a base de azida de sódio (NaN3). Uma vez na

câmara de combustão, os gases quentes e partículas iniciam uma forte reação química que

tem características de uma combustão instantânea ou deflagração. Em comparação com

uma detonação, porém, a velocidade de conversão dos produtos durante a combustão

instantânea é 100 a 1000 vezes mais lenta.

Na forma idealizada, a conversão de um combustível impulsor sólido para um gás que infla

uma bolsa, pode ser expressa como:

21 NaN3 +_KNO3 + 4 Fe2O3 + 2.5 SiO2 (impulsor) (2.1)

10.5 Na2O x 0.5 K2O x 4 Fe x 2.5 SiO2 x 4 FeO (resíduo sólido) (2.2)

+ 32 N2 (gás nitrogênio) (2.3)

Aproximadamente três milisegundos após o insuflador ser “aceso”, o componente que gera

o gás azida de sódio (NaN3) e o agente oxidante nitrato de potássio (KNO3), geram em

torno de 40% de massa de nitrogênio e 60% de sólidos. Parte destes resíduos sólidos fica

retida na câmara de combustão em forma de óxido de silício (SiO2). O óxido de ferro

(Fe2O3) contido no combustível, responde por uma temperatura de combustão na ordem de

1330º C (sem o óxido de ferro, a temperatura estaria acima de 1930º C). Alguns defletores

são colocados no filtro da câmara de combustão de maneira que o gás gerado entre limpo e

resfriado na via que vai levá-lo até a bolsa inflável.

O nitrogênio, que representa quase 99% do volume, esfria rapidamente como resultado de

uma rápida expansão, chegando sua temperatura a 150º C. Como o gás permanece na bolsa

de ar por apenas alguns milisegundos antes de escapar pelas aberturas de descarga, o calor

do gás não é disperso para o material da bolsa. Assim, não há risco de queimaduras quando

do contato da bolsa com a pele das pessoas (GM, 2005).

Quanto a formas e dimensões, em princípio, o insuflador tem uma forma tubular e dois

diferentes desenhos conforme sua aplicação seja montada no volante (motorista) ou no

painel de bordo (acompanhante). Os insufladores projetados para serem instalados no

volante de direção ou portas apresentam um formato semelhante a um disco de arremesso

(Figura 2.4), com diâmetro de 100 mm e 35 mm de espessura. Já o insuflador para o

acompanhante possui um diâmetro pequeno e um comprimento considerável, normalmente

em torno de 60 mm de diâmetro e 230 mm de comprimento.

2.2.3 O módulo eletrônico de comando

A unidade eletrônica de comando (Fig. 2.5) é fixada à estrutura do veículo, sendo na maior

parte das vezes em sua região central sobre o túnel central, compreendendo os seguintes

componentes e/ou circuitos:

a) Sensor de colisão: um ou dois sensores que são frequentemente micro

acelerômetros e são orientados para frente. Assim, numa colisão traseira, não fazem

com que o sistema dispare e infle as bolsas;

b) Estabilizador de tensão: proporciona uma tensão de alimentação de 5V para os

sensores e microprocessadores;

c) Memória: utiliza-se uma EPROM para armazenar os parâmetros de impacto do

microprocessador e as avarias registradas;

d) Microprocessador: analisa a todo o momento os valores de aceleração frontal

recebidos dos sensores para verificar se deve emitir ou não um sinal de ativação ao

circuito de disparo (Fig. 2.4).

Figura 2.5 – Módulo eletrônico de comando do sistema de air bag (GM, 2005)

Nos veículos mais modernos o microprocessador é capaz ainda de, quando houver ativação

dos air bags, enviar um sinal de crash à unidade eletrônica de gerenciamento do motor,

para desativação do relé da bomba de combustível, e a uma unidade eletrônica de conforto

e conveniência, fazendo as portas do carro destravarem, acendendo a iluminação interna do

habitáculo e acionando as luzes de advertência do veículo.

Com o avanço da tecnologia da informação, o microprocessador em conjunto com sistemas

de localização GPS pode informar uma central de socorro que o veículo esteja imobilizado,

acionando serviços de socorro, guincho, carro reserva etc.

2.3 Princípio de funcionamento do sistema de air bag

Quando ativado pela desaceleração súbita do veículo, o sensor transmite os dados para o

módulo eletrônico que interpreta se há a necessidade ou não de abertura das bolsas. Este

módulo age comparando o sinal a um conjunto de curvas-limite características de dados

levantados em diversos testes de impacto (crash tests), gerados com o tipo de veículo em

questão. O módulo, julgando necessário o disparo, envia um pulso elétrico que provoca

ignição do propelente químico armazenado nos dispositivos geradores de gás

(insufladores), produzindo como resultado da reação o gás nitrogênio, que infla as bolsas.

Este processo ocorre muito rapidamente - em torno de 30 milisegundos para o air bag do

motorista, e 60 milisegundos para o air bag do passageiro (air bag maior, com o dobro do

volume).

Todo este processo de detecção, insuflação, amortecimento e desinsuflação do air bag

precisa atingir sua máxima eficiência de modo a garantir um máximo de benefícios para os

ocupantes do veículo. Assim é muito importante que a seqüência de abertura seja

adequadamente controlada. Uma vez que todo o aparato de funcionamento é inicializado

pelo disparo dos sensores, o desenvolvimento destes é um ponto crítico para a

confiabilidade e eficácia deste sistema.

Os dados obtidos pelos sensores são a base para a determinação do tempo de abertura do

sistema. Com base nestes dados, são geradas as curvas de impacto, a partir das quais se

verificarão os tempos críticos para a abertura ou não das bolsas de ar. Aberturas tardias ou

antecipadas, ou ainda “não previstas” podem causar sérios danos aos passageiros, inclusive

a morte.

O circuito eletrônico de disparo transmite um pulso de ignição para os insufladores do air

bag e, se aplicável, aos pré-tensionadores do cinto de segurança. Se a unidade de comando

do air bag é considerado o cérebro do sistema, então pode-se dizer que os insufladores são

o coração.

Medidas tomadas no projeto asseguram que o insuflador cumpra sua função de insuflar

uma bolsa em um acidente mesmo após 15 anos de uso do veículo. Assim que o insuflador

recebe o pulso de ignição, o combustível e o impulsor sólido são queimados

instantaneamente, liberando um gás inócuo que vai inflar a bolsa dobrada do motorista

dentro do tempo estabelecido para o modelo de veículo, respeitando as condições de

segurança dos ocupantes.

Com o aumento da pressão, a tampa do módulo se abre permitindo assim que o air bag se

expanda. A bolsa insufla em primeiro lugar lateralmente, logo em seguida verticalmente

para evitar agredir o ocupante se ele estiver muito perto do módulo da bolsa. O air bag

acaba de ser inflado e pressurizado em direção ao ocupante aplicando as forças de retenção

em toda superfície da cabeça e o peito.

Durante uma colisão de um veículo em uma barreira rígida a 50 km/h, o movimento do

carro pode cessar, mas os objetos não fixados nele de maneira rigorosa, continuam em

movimento. Preventivamente um pré-tensionador no cinto de segurança de três pontos de

fixação é ativado para evitar que haja um escorregamento por baixo, fixando a parte

superior do tronco dos ocupantes no encosto do banco.

O sistema de air bag, como todo sistema de segurança deve seguir algumas recomendações

específicas para o seu bom funcionamento, dentre as quais se podem destacar:

a) Não se deve manter nenhum tipo de objeto entre as bolsas e os ocupantes dos

bancos dianteiros, pois em caso de acionamento o objeto poderá se tornar um

projétil lançado contra os ocupantes;

b) Não instalar qualquer acessório não original no volante ou no painel onde esteja o

módulo do air bag;

c) Nunca efetuar alterações nos componentes do sistema de air bag;

d) Para evitar falhas no sistema eletrônico que controla o air bag e os pré-tensionadores

do cinto de segurança (localizados normalmente no console central, ou em alguma região

próxima), nenhum objeto imantado ou que produza ondas magnéticas deve ser colocado

nas proximidades do módulo de controle;

e) Caso o veículo sofra inundação ou alagamento, solicitar sempre o reparo em locais

indicados pelos fabricantes.

f) A desmontagem do volante e do painel de instrumentos (bem como os painéis

laterais nos casos de side air bag), deve sempre obedecer a procedimentos restritos

que se não observados podem geram problemas com relação a futuras necessidades

de funcionamento.

O air bag é projetado para disparar somente uma única vez. Uma vez disparado, não

poderá ser reutilizado para o mesmo fim, sendo recomendado por todos os fabricantes a

sua imediata substituição.

2.4 Air bag frontal

Devido ao maior uso dos assentos dianteiros e aos impactos frontais responderem por

aproximadamente 65% dos acidentes fatais (GM, 2005), inicialmente foram desenvolvidos

air bags incorporados aos volantes de direção e na região do painel acima do porta-luvas.

O sistema suplementar de retenção frontal é identificado pela inscrição Air Bag no volante

para o motorista e acima do porta-luvas para o passageiro (Fig. 2.6). Este sistema é

composto de:

� Bolsas infláveis com geradores de gás alojados no interior do volante e do painel

� Controle eletrônico com sensor de desaceleração integrado

� Luz indicadora no painel de instrumentos

Figura 2.6 - Air bags frontais (GM, 2005)

Os air bags frontais são dispositivos complementares de segurança que, em conjunto com

os cintos de segurança dianteiros e seus pré-tensionadores, aumentam a eficiência da

proteção aos ocupantes em colisões com desacelerações muito bruscas do veículo. Sua

função é a de proteger a cabeça e o tórax do ocupante contra choques violentos no volante

de direção ou painel em acidentes em que a proteção oferecida somente pelos cintos de

segurança não for suficiente para se evitar lesões graves e/ou fatais.

O air bag não será acionado em impactos frontais de baixa severidade, em que o cinto de

segurança for o bastante para proteger os ocupantes, em impactos laterais, traseiros,

capotamentos, derrapagens e outras situações em que o ocupante não é projetado para

frente com severidade.

O módulo eletrônico com o sensor de desaceleração gerencia a ativação dos pré-

tensionadores dos cintos de segurança e dos air bags. Havendo a necessidade, dispara

inicialmente os pré-tensionadores dos cintos de segurança dianteiros para segurar ainda

mais os ocupantes nos bancos e, dependendo do nível de desaceleração, também ativa os

geradores de gás que insuflam as bolsas em milésimos de segundo, amortecendo o contato

do corpo dos ocupantes com o volante de direção ou painel.

A explosão do dispositivo gerador de gás, provocada para insuflar as bolsas não é

prejudicial para o sistema auditivo humano e a nuvem de fumaça formada durante o

disparo do sistema de air bag nada mais é do que um “talco” não tóxico, cuja função é a de

minimizar o atrito entre o corpo do ocupante e as bolsas infláveis (GMB, 2005).

2.5 Air bag lateral

Este sistema é indicado pela inscrição de Side Air Bag na coluna central (coluna B) entre as

portas, atuando independentemente dos air bags frontais. Sua função é aumentar a

proteção do motorista e passageiro dianteiro em caso de colisão lateral severa na região das

portas dianteiras, diminuindo o risco de lesão no tronco, através da deflagração de bolsas

infláveis laterais. Ao contrário dos frontais, a atuação dos air bags laterais (Fig. 2.7) é

independente entre si, isto é, o acionamento de um dos lados não implica no acionamento

do outro lado.

Figura 2.7. Air bag lateral (GM, 2005)

A velocidade, direção do movimento e deformação do veículo, além do obstáculo atingido,

determinam a severidade do acidente e o acionamento ou não do air bag lateral. O sistema

não será acionado em casos de capotamento, colisão traseira, colisão frontal ou se o

impacto ocorrer fora dos limites de 60º, conforme apresentado na Figura 2.8.

O sistema possui sensores posicionados nas portas dianteiras que podem ser danificados ou

ter seu funcionamento afetado durante uma colisão leve ou em reparos realizados em locais

não indicados pelos fabricantes.

Figura 2.8 – Limite de impacto para acionamento do air bag lateral (GM, 2005).

Da mesma forma que os air bags frontais, os laterais são um complemento ao sistema de

cintos de segurança. Em toda e qualquer situação os ocupantes do veículo devem utilizar

os cintos de segurança corretamente, pois estes garantem a retenção necessária para que o

air bag atue com eficácia.

É importante observar também que para o bom funcionamento do sistema de air bag

lateral não se deve posicionar o corpo ou qualquer objeto, inclusive travesseiros, entre os

bancos dianteiros e as portas. Os ocupantes do banco dianteiro não deverão se inclinar ou

dormir apoiados na porta; sentando sempre no centro do banco (GM, 2005).

Pesquisas recentes vem se concentrando em fornecer maior proteção contra colisões

laterais, que segundo as estatísticas, representam 20% de todos os tipos de acidentes que

causam mais danos e piores conseqüências aos ocupantes dos veículos (GM, 2005). O

principal problema nos impactos laterais, é que não há uma zona de deformação da

estrutura suficiente que absorva parte do choque, assim como ocorre na colisão frontal,

retardando o impacto contra o ocupante.

As bolsas de ar lateral, ou como são conhecidos side bags, estão integradas ou dentro das

portas ou nas extremidades dos assentos. Este sistema foi oferecido ao mercado pela

primeira vez em veículos do ano 1995, nos modelos Volvo 850s e 960s.

Os side air bags tem como função básica proteger as zonas do tórax e abdômen contra

impactos laterais, frontais e oblíquos. Embora cada sistema de air bag tenha uma tarefa

específica e distinta a cumprir, todos têm o mesmo principio de funcionamento. A unidade

de comando eletrônica que gerencia os side air bags está incorporada na mesma unidade

de comando dos air bags frontais.

Mesmo utilizando à mesma unidade de comando, seus sensores são independentes, isto é,

se após um impacto frontal com disparo do air bag houver um impacto lateral severo, um

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

Ace

lera

ção

(g)

Tempo - ms

Ace

lera

ção

(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

Ace

lera

ção

(g)

Tempo - ms

Ace

lera

ção

(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 an(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 v0 e diminui de

acordo com a equação:

( ) ( ) dttavtvt

p *1

001 �−= (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

001 *)()(

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

01 *)()(

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

Ace

l. (g

), ve

loc.

(km

/h),

esm

agam

. (cm

)

AceleraçãoVelocidadeEsmagamento

Tempo - ms

Ace

l. (g

), ve

loc.

(km

/h),

esm

agam

. (cm

)

AceleraçãoVelocidadeEsmagamento

AceleraçãoVelocidadeEsmagamento

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

01 *)()(

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

01 *)()(

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)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

Tempo (ms)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

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)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

Tempo (ms)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

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/hMagnitude da aceleração 12.g 65.g

Sinal da acerelaçãoMantém-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/hDeslocamento após 50 ms 4 cm 13 cm

Verificações durante o eventoVelocidade 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)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

Tempo (ms)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

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)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

Tempo (ms)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), D

eslo

c. (c

m)

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

AceleraçãoVelocidadeDeslocamento

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)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), E

smag

. (cm

)AceleraçãoVelocidadeEsmagamento

Tempo (ms)

Ace

ler.

(g),

Vel

oc. (

km/h

), E

smag

. (cm

)AceleraçãoVelocidadeEsmagamento

AceleraçãoVelocidadeEsmagamento

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)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h)

AceleraçãoVelocidade

Tempo (ms)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h)

AceleraçãoVelocidadeAceleraçãoVelocidade

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 - 5024 - 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)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h),

Des

loca

men

to (

cm)

Deslocamento total do ocupanteVelocidade global do ocupanteAceleração do ocupante

Espaço total de contenção = 275 mmDeslocamento total do ocupante = 411 mm

Contenção efetiva a 52 msDeslocamento da massa

livre até 52 ms

Deslocamento de contenção após 52 ms

Tempo (ms)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h),

Des

loca

men

to (

cm)

Deslocamento total do ocupanteVelocidade global do ocupanteAceleração do ocupante

Deslocamento total do ocupanteVelocidade global do ocupanteAceleração do ocupante

Espaço total de contenção = 275 mmDeslocamento total do ocupante = 411 mm

Contenção efetiva a 52 msDeslocamento 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)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h),

Des

loca

men

to (

cm)

Deslocamento total do ocupanteVelocidade total do ocupanteAceleração do ocupante

Espaço total de contenção = 175 mmDeslocamento 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)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h),

Des

loca

men

to (

cm)

Deslocamento total do ocupanteVelocidade total do ocupanteAceleração do ocupante

Deslocamento total do ocupanteVelocidade total do ocupanteAceleração do ocupante

Espaço total de contenção = 175 mmDeslocamento 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)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h),

Des

loca

men

to (c

m)

Deslocamento total do ocupanteVelocidade total do ocupanteAceleração do ocupante

Espaço total de contenção = 275 mmDeslocamento 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)

Ace

lera

ção

(g),

Vel

ocid

ade

(km

/h),

Des

loca

men

to (c

m)

Deslocamento total do ocupanteVelocidade total do ocupanteAceleração do ocupante

Deslocamento total do ocupanteVelocidade total do ocupanteAceleração do ocupante

Espaço total de contenção = 275 mmDeslocamento 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 (Tab).

[2] distância externa do air bag da superfície do impactador (Dab).

TimpTdelay Tab Dab

Tempo ( segundos)

DeslocamentoVelocidadeAceleração

TimpTdelay Tab Dab

Tempo ( segundos)

DeslocamentoVelocidadeAceleração

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 (Dtot).

� Calcular a distância percorrida pelo impactador antes de manter o primeiro

contato, isto é, o impacto com a bolsa insuflada do air bag (Dimp);

Dimp = Dtot – Dab. (5.1)

� Determinado o tempo desde o acionamento do impactador até o contato com a

bolsa, isto é, o tempo correspondente à obtenção do Dimp, na obtenção da curva

do deslocamento pelo tempo (Timp).

� Calcular o tempo de atraso (Tdelay) necessário para o disparo do impactador

para o air bag:

Tdelay = Timp – Tab. (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 dummy 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

FzRMC

MRTI (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 g80 g

50 g50 g200 g

40 g

30 g

200 g 200 g80 g

50 g50 g200 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)

121

ˆt

tdtta

tta (6.3)

[ ] ( )12*ˆmax 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).

Ace

lera

ção

(g)

5 10 50Tempo (ms)

110

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

BIGI, D.; HEILING, A.; STEFFAN, H.; EICHBERGER, A. (1988). A comparison

study of active head restraints for neck protection in rear-ends collisions. TRW

Occupant Restraints Germany, University of Technology Graz Austria, Paper # 98-

S5-O-15.

CHAN, C. (2000), Fundamentals of crash sensing in automotive air bag systems,

Citation Publishing

CHIN, B. (2002), Crashworthiness and its Influence on Vehicle Design, SAE

Dados de Crash tests obtidos do Laboratório de Segurança Veicular da General Motors

do Brasil situado em Cruz Alta, Indaiatuba – SP.

DAMOULIS, G. (2002), Projeto e Construção de Carrocerias, FEI.

ESI Group – The Virtual Try Out Space Company (2000), Programa de simulação

computacional para Crash Tests, Programa Pam Crash.

GM CORPORATION (2005), Air Bag History – GMAbility/Safety. USA

(www.gm.com/company/gmability/safety/protectoccupats/air_bags/history)

HENN, H., (1998), Crash Tests and the Head Injury Criterion, Teaching

Mathematics and its Applications, Volume 17, Nº 4.

HUELKE, D. (1999), Adult Front-Seat Passengers Exposed to Airbag

Deployments, SAE-1999-01-0760

KAMARAJAN, J.; REJAGOPALAN, R.; GUPTA, V. (1999), Effects of Multiple

Impacts on Head Injury Criteria, SAE-1999-01-0297.

MOVIAS PRO (2002), Programa de simulação computacional para Crash Tests,

Programa MDV – Mira Data Viewer.

NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) – (1999) – Air Bag

Technology in Light Passenger Vehicles.

MOVIAS PRO (2002), Programa de simulação computacional para Crash Tests,

Programa MDV – Mira Data Viewer

67

PIKE, J. (1994), SAE SEMINAR - Automotive Safety – Anatomy, Injury, Testing

& Regulation, ART. 616.001: 614.86 PIK – Instructor: J.A. Pike.

PIKE, J. (2003), Automotive Safety – Anatomy, Injury, Testing & Regulation,

Livro publicado pela SAE.

SAE-J885, HSJ885 APR80, Human Tolerance to Impact Conditions as Related to

Motor Vehicle Design.

SHOJAATI, M., (2003), 3º Swiss Transport Research Conference – Correlation

Between Injury Risk and Impact Severity Index ASI, IVT, ETH Zurich.

SHOKOOHI, F. (1995), Air Bag Sensor Fire Time – Occupant Performance

Criterion, Paper SAE-950873.

SMITH, M.; KALETO, H.; NOWAK, T.; GOTWALS, D. (2003), Advancements in

Equipment and Testing Methodologies for Air Bag Systems in Response to

Changes to Federal Safety Requirements, SAE-2003-01-0497.

68

Livros Grátis( http://www.livrosgratis.com.br )

Milhares de Livros para Download: Baixar livros de AdministraçãoBaixar livros de AgronomiaBaixar livros de ArquiteturaBaixar livros de ArtesBaixar livros de AstronomiaBaixar livros de Biologia GeralBaixar livros de Ciência da ComputaçãoBaixar livros de Ciência da InformaçãoBaixar livros de Ciência PolíticaBaixar livros de Ciências da SaúdeBaixar livros de ComunicaçãoBaixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNEBaixar livros de Defesa civilBaixar livros de DireitoBaixar livros de Direitos humanosBaixar livros de EconomiaBaixar livros de Economia DomésticaBaixar livros de EducaçãoBaixar livros de Educação - TrânsitoBaixar livros de Educação FísicaBaixar livros de Engenharia AeroespacialBaixar livros de FarmáciaBaixar livros de FilosofiaBaixar livros de FísicaBaixar livros de GeociênciasBaixar livros de GeografiaBaixar livros de HistóriaBaixar livros de Línguas

Baixar livros de LiteraturaBaixar livros de Literatura de CordelBaixar livros de Literatura InfantilBaixar livros de MatemáticaBaixar livros de MedicinaBaixar livros de Medicina VeterináriaBaixar livros de Meio AmbienteBaixar livros de MeteorologiaBaixar Monografias e TCCBaixar livros MultidisciplinarBaixar livros de MúsicaBaixar livros de PsicologiaBaixar livros de QuímicaBaixar livros de Saúde ColetivaBaixar livros de Serviço SocialBaixar livros de SociologiaBaixar livros de TeologiaBaixar livros de TrabalhoBaixar livros de Turismo