Nghiên cứu an toàn của người lái khi sử dụng đai bảo hiểm thông minh

ª TS. Nguyễn Tuấn Anh Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Đặng Việt Hà

 Tóm Tắt: Trên cơ sở mô hình động lực học của người lái khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng, bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu đánh giá an toàn của người lái trong trường hợp không sử dụng đai bảo hiểm, sử dụng đai bảo hiểm thông thường và sử dụng đai bảo hiểm thông minh (Pretensioner Seat Belt). Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink cho thấy chỉ số chấn thương đầu (HIC) và chỉ số chấn thương ngực (CTI)của người lái giảm rõ rệt nhờ hệ thống đai bảo hiểm thông minh với cơ cấu tự động căng đai khẩn cấp và hạn chế lực xiết.

Từ khóa: An toàn, đai bảo hiểm.

Abstract: This article introduces the results of research on driver safety with pretensioner seat belt based on a driver-vehicle dynamic model in frontal rigid barrier crash in the case without seat belt, with normal seat belt, and with pretensioner seat belt. The simulation results obtained from Matlab/Simulink show that both head injury criteria (HIC) and combined thoracic index (CTI) of the driver would be reduced significantly when pretensioner seat belt were used before crashing.

Keywords: Safe, title insurance.

1. Đặt vấn đề

Xuất hiện từ sau năm 1900, ban đầu đai bảo hiểm có kết cấu đơn giản gồm một dây đai cài qua thắt lưng (đai bảo hiểm 2 điểm) và chỉ được trang bị trên xe đua để ngăn người lái không bị lao ra khỏi xe khi va chạm. Loại đai bảo hiểm có thêm dây cài qua vai và cơ cấu cuốn đai quán tính đang sử dụng phổ biến hiện nay (đai bảo hiểm 3 điểm) do hãng Volvo giới thiệu đầu tiên năm 1956 được thiết kế nhằm bảo vệ người lái và hành khách không bị va đập với các thiết bị trong xe khi xảy ra tai nạn (Hình 1.1) [5]. Nhiệm vụ của đai bảo hiểm là phân phối lực quán tính của người lái vào các bộ phận chắc chắn của cơ thể như ngực, vai và hông để giảm nguy cơ người lái bị chấn thương trong các trường hợp va chạm trực diện, va chạm bên, va chạm từ phía sau và tai nạn lật xe. Do cơ cấu cuốn đai quán tính có khả năng co giãn nhất định nên khi xảy ra va chạm đai bảo hiểm thông thường có thể không đảm bảo được khoảng cách an toàn giữa người lái với các thiết bị trong xe.

Hình 1.1: Đai bảo hiểm thông thường (đai 3 điểm)

 

Hệ thống đai bảo hiểm thông minh với cơ cấu cuốn đai khẩn cấp (Pretensioner Seat Belt) ra đời năm 1984 có khả năng tự động xiết chặt người lái vào ghế ngồi khi va chạm nhờ cơ cấu cuốn đai điện tử được kích hoạt đồng thời với hệ thống túi khí. Năm 1995, Mercedess Benz giới thiệu hệ thống đai bảo hiểm thông minh với cơ cấu giới hạn lực xiết (Load Limiter) cho phép nới lỏng dây đai ngực một cách nhẹ nhàng khi lực tác dụng lên đai lớn hơn 4kN để giảm tối đa chấn thương ngực cho người lái.

Ngay từ khi ra đời, đai bảo hiểm đã trở thành thiết bị an toàn tiêu chuẩn không thể thiếu trên ô tô. Các kết quả điều tra và thống kê cho thấy, đai bảo hiểm có thể hạn chế đến 50% nguy cơ chấn thương và 61% tử vong cho lái xe và hành khách ở hàng ghế phía trước trong các vụ va chạm trực diện. Tuy nhiên, kết quả điều tra cũng cho thấy, trên 50% số vụ tai nạn nghiêm trọng đai bảo hiểm đã không được sử dụng [5]. Để tăng tỷ lệ sử dụng đai bảo hiểm, từ năm 2000, hệ thống nhắc cài đai bảo hiểm (Seat Belt Reminder) đã được trang bị trên hầu hết các loại xe hiện đại. 

Hình 1.2: Hoạt động của hệ thống đai bảo hiểm thông minh

Trên cơ sở phân tích hoạt động của hệ thống đai bảo hiểm, bài báo giới thiệu mô hình động lực học nghiên cứu an toàn của người lái khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng và đánh giá mức độ an toàn của người lái thông qua chỉ số chấn thương đầu HIC (Head Injury Criterion) và chỉ số chấn thương ngực CTI (Chest Thorax Index) [3] trong trường hợp người lái không sử dụng đai bảo hiểm, khi sử dụng đai bảo hiểm thông thường và khi sử dụng đai bảo hiểm thông minh. Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink cho thấy hiệu quả rõ rệt của đai bảo hiểm thông minh trong việc đảm bảo an toàn cho người lái khi va chạm.

2. Mô hình nghiên cứu an toàn của người lái khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng

Mô hình động lực học nghiên cứu an toàn của người lái với đai bảo hiểm khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng được giới thiệu trên Hình 2.1.

Trong đó: m_dvà m_v(kg) - Tương ứng là khối lượng của người lái và khối lượng của ô tô; k_d  và k_v(N/m)-Hệ số độ cứng của đai bảo hiểm và hệ số độ cứng của khung vỏ xe; c_d và c_v(Ns/m) - Hệ số cản của đai bảo hiểm và hệ số cản của khung vỏ xe; v₀(m/s) - Vận tốc của ô tô trước khi va chạm; δ(m) - Đặc trưng cho khe hở giữa đai bảo hiểm và người lái trước khi va chạm. Hai bậc tự do của mô hình là dịch chuyển tương đối của người lái so với xe x_d(m) và dịch chuyển tuyệt đối của xe x_v(m) trong hệ quy chiếu quán tính. Bỏ qua ma sát giữa người lái và ghế ngồi và ma sát lăn giữa bánh xe và mặt đường khi va chạm.

Khác với mô hình va chạm Kelvin và Maxwell [2,4], mô hình nghiên cứu an toàn của người lái khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng có xét đến ảnh hưởng của hệ thống đai bảo hiểm thông minh thông qua giá trị khe hở δ = 0 và giới hạn lực xiết đai F_d ≤ 4kN khi cơ cấu căng đai khẩn cấp và cơ cấu hạn chế lực xiết làm việc.

Hình 2.1: Mô hình nghiên cứu an toàn của người lái khi sử dụng đai bảo hiểm

 

Phương trình chuyển động của ô tô khi va chạm được viết như sau:

 

(1)

 

Đối với người lái, khi va chạm ban đầu, người lái di chuyển tự do về phía trước với tốc độ v₀, sau khi triệt tiêu khe hở δ, chuyển động của người lái bị cản trở bởi hệ thống đai bảo hiểm. Chuyển động tương đối của người lái được mô tả bằng phương trình:

 

(2)

 

Ở đây, t_δ(s) là thời điểm đai bảo hiểm bắt đầu làm việc, nghĩa là x_d (t_δ) = δ, (Hình 3.3).

Giá trị cụ thể các thông số của mô hình nghiên cứu an toàn của người lái với đai bảo hiểm khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng tham khảo từ tài liệu [3] được giới thiệu trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Thông số mô hình nghiên cứu an toàn của người lái

 

 

3. Mô phỏng và đánh giá

Hệ phương trình va chạm (1) và (2) được giải bằng phần mềm Matlab Simulink với các trường hợp: Người lái không sử dụng đai bảo hiểm, người lái sử dụng đai bảo hiểm thông thường và người lái sử dụng đai bảo hiểm thông minh. Trường hợp người lái không sử dụng đai bảo hiểm, khe hở δ = 0,3(m)là khoảng cách giữa người lái và vô lăng; trường hợp sử dụng đai bảo hiểm thông thường δ = 0,05(m); khi sử dụng đai bảo hiểm thông minh, do tác dụng của bộ căng đai khẩn cấp nênδ = 0. Kết quả mô phỏng động học của người lái trong quá trình va chạm trong các trường hợp được giới thiệu tương ứng trên Hình 3.2, Hình 3.3 và Hình 3.4.

 

 

An toàn của người lái khi ô tô va chạm vào vật cản cứng được đánh giá thông qua chỉ số chấn thương đầu HIC và chỉ số chấn thương ngực CTI theo công thức, [3]:

 (4)

 

(5)

 

Trong đó: a_d (t) - Gia tốc của người lái tính theo g(m/s²), a_{d max} (g) - Gia tốc lớn nhất của người lái, x_{d max} (cm) - Dịch chuyển lớn nhất của người lái, t₁ và t₂ - Thời điểm đầu và cuối quá trình va chạm (s). Theo Tiêu chuẩn FMVSS208 của Mỹ [3], khi chỉ số chấn thương đầu HIC > 1000 hoặc chỉ số chấn thương ngực CTI > 1 thì người trên xe có thể bị chấn thương nghiêm trọng dẫn đến tử vong.

Bảng 3.1. Giá trị chỉ số chấn thương HIC và CTI

 

 

Kết quả tính toán các chỉ số chấn thương HIC và CTI trong Bảng 3.1 cho thấy:

-  Khi ô tô va chạm vào vật cản, nếu người lái không sử dụng đai bảo hiểm, cơ thể người lái sẽ lao về phía trước trong khi ô tô bị dừng đột ngột bởi vật cản khiến người lái bị va đập mạnh với vô lăng. Chỉ số chấn thương đầu và ngực có giá trị vượt quá giới hạn cho phép hàng chục lần khiến người lái có thể tử vong.

- Khi sử dụng đai bảo hiểm thông thường, chỉ số HIC và CTI giảm đáng kể do tác dụng đàn hồi của dây đai giúp người lái không bị va chạm vào vô lăng. Tuy nhiên, giá trị của các chỉ số chấn thương vẫn ở mức cao, gần với ngưỡng cho phép khiến người lái có thể gặp tình trạng choáng váng, hoa mắt và chấn thương nhẹ.

- Với đai bảo hiểm thông minh, nhờ hệ thống căng đai khẩn cấp và cơ cấu hạn chế lực xiết, gia tốc và dịch chuyển của người lái giảm rõ rệt, chỉ số chấn thương đầu HIC = 421,5 và chỉ số chấn thương ngực CTI = 0,56 khiến người lái có thể tránh được các chấn thương khi ô tô bị va chạm.

4. Kết luận

Dựa trên mô hình nghiên cứu động lực học của người lái khi ô tô va chạm trực diện với vật cản cứng, bài báo giới thiệu kết quả mô phỏng và đánh giá an toàn của người lái khi người lái không sử dụng và có sử dụng đai bảo hiểm. Kết quả tính toán các chỉ số chấn thương đầu và ngực cho thấy đai bảo hiểm có thể giúp người lái tránh khỏi nguy cơ tử vong khi ô tô va chạm với vật cản cứng ở tốc độ 35(km/h). Đặc biệt, đai bảo hiểm thông minh còn có khả năng giảm thiểu rủi ro chấn thương cho người lái nhờ tác dụng của hệ thống căng đai khẩn cấp và cơ cấu hạn chế lực xiết.

Tài liệu tham khảo

[1].  Ke Dong(2011), H∞ Robust Control of a SeatBelt Load-limiting Device, 50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference (CDC-ECC), Orlando, FL, USA.

[2].  Mathew Huang (2002), Vehicle Crash Mechanics, CRC Press, USA.

[3].  Michael Kleinberger, et.al., (1998), Development of ImprovedInjury Criteria for theAssessment of AdvancedAutomotive Restraint Systems, NHTSA, USA.

[4]. Witold Pawlus, et al. (2013), Investigation of vehicle crash modeling techniques: theory and application, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Springer-Verlag London.

[5]. M.G.C. Rekveldt, K. Labibes (2003), Literature survey on in-vehicle safety devices, International Swedisch National Road Administration (SNRA), SE-78187 Borl#nge, Sweden.