Fundación Universidad de Atacama Escuela Técnico Profesional Unidad Técnico Pedagógica Profesor: Sr. Jorge Hernández Valencia Módulo: Mantenimiento y montaje de los sistemas de seguridad y confortabilidad del vehículo. Guía Nº 2 de Mecánica Automotriz. Objetivo: Conocer y analizar los elementos y sistemas de seguridad pasiva. Figura Nº 1.
Concepto de seguridad en automóviles. LA SEGURIDAD EN EL AUTOMÓVIL. Hace apenas unos cuantos años el concepto de seguridad en vehículos era muy diferente; es más, personas con información insuficiente acerca del medio automovilístico aún conservan aquellos viejos parámetros para juzgar las características de un automóvil moderno y todavía podemos escuchar frases como: "...ya no los hacen como antes", "...mi coche del '51 sí que era resistente" y así sucesivamente. Estas frases, sin embargo, encierran una verdad indiscutible; es cierto que ya no se hacen los coches como antes afortunadamente!. También es cierto que un vehículo del '51 era muy resistente pues en una colisión casi no sufría daños... los sufrían los ocupantes. El ahorro en el taller se gastaba en hospital. La evolución del automóvil trajo consigo toda una nueva cultura de la seguridad y por supuesto está cambiando la mentalidad con que se juzgan actualmente las características de los vehículos. La figura Nº 1 nos expone los nuevos criterios (página 1). Las características y el comportamiento de los vehículos pueden variar muchísimo, algunos son muy perdonadores de errores de manejo, otros no tanto; del mismo modo, los diferentes tipos de caminos - baches, agua, arena, afectan la maniobrabilidad de los autos; de hecho, las condiciones del camino en sí son frecuentemente la principal causa de accidentes. La seguridad vehicular es afectada por una gran variedad de factores pero sigue dependiendo de los conductores y de sus vehículos el desempeñarse exitosamente. El vehículo, por su parte, debe ser diseñado para apoyar al conductor a superar las más críticas situaciones de manejo. Podemos decir que la seguridad activa es la habilidad que un vehículo tiene para evitar accidentes y que la seguridad pasiva está dirigida a minimizar las consecuencias negativas (daños y lesiones) si un accidente llega a ocurrir. Ambas, tanto la activa como la pasiva, cubren una amplia gama de aspectos específicos y para definirlos se efectúan más de 30 variantes de pruebas de choque (crash test); la siguiente ilustración (figura Nº 2) nos describe cuatro pruebas típicas. Figura Nº 2. En estas pruebas se utilizan dos "dummies" que registran las tensiones, flexiones y presiones resultantes del impacto. Estas lecturas son medidas por equipo muy sofisticado. Los resultados de estas costosas pruebas son la materia prima para incorporar mejoras constantes en las características y comportamiento de la estructura de la carrocería. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 2
Equipo de dummies arriesga la vida en crash test. (figura Nº 4) Aquí no se emplean ni se emplearán animales de laboratorio; mucho menos se utilizarán voluntarios de alguna prisión. El riesgo es muy alto y las probabilidades de salir con lesiones son ciertamente grandes de modo que ningún extra de cine podrá presumir jamás de haber participado en alguna de estas pruebas. Sin embargo, nuestros héroes callados y siempre bien dispuestos están presentes cuando se requiere probar una nueva carrocería, un nuevo diseño de seguridad, un nuevo dispositivo que pudiera salvar la vida a un ser humano, nos estamos refiriendo a la gran familia Dummies (figura 3). Figura Nº 3. Famila Dummies. Figura Nº 4. Crash Test. Dotados de instrumentos de registro muy sofisticados, cada uno de los dummies (figura Nº 5) proporcionan información acerca del nivel y gravedad de los esfuerzos, impactos, presiones, torsiones, inercias, etc., que un cuerpo humano tendría que sufrir en diferentes tipos de colisiones. Con esta información se procede a incrementar el nivel de protección que ofrecen las carrocerías, a base de modificaciones y mejoras en el diseño y el desempeño dinámico de los componentes que la integran. Figura Nº 5. Dummie Las pruebas de choque proporcionan las bases para mejorar el futuro desempeño de las carrocerías y sin duda las computadoras son la herramienta esencial para el desarrollo de nuevos componentes de seguridad. Para esto, el vehículo es dividido en unidades estructurales lo más pequeñas posible. Figura Nº 6 El resultado de la combinación de esfuerzos, es una carrocería con elevados índices de seguridad, diseñada para proteger la integridad física de sus ocupantes. En la figura Nº 6 podemos observar la manera en que un impacto sería "dirigido" por los elementos estructurales hacia la parte baja de la carrocería evitando daños al habitáculo de seguridad El principio más importante en materia de seguridad es el que establece la consunción de la energía de un impacto por medio de la deformación programada de elementos de la carrocería. Deformar una plancha es fácil, a fin de cuentas en un impacto las carrocerías se deforman; pero hablar de deformación programada implica un modo previsto para lograr que esa deformación tenga una secuencia ordenada y gradual. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 3
Materiales. Para lograr esto, las estructuras se fabrican con diferentes espesores de material, empezando con lo más delgado en la parte delantera de los elementos y engrosando progresivamente hacia atrás. De este modo, según la magnitud de la colisión, se deformará solamente la parte superada por la fuerza del golpe absorbiendo con ello la energía del impacto que de otro modo afectaría a los ocupantes. Además, de esa manera limita la magnitud del daño sin afectar al resto de la carrocería, sobre todo al habitáculo de seguridad. (Figura Nº 7) Figura Nº 7. TIPOS DE CRASH TEST. Figura Nº 8. Colisión frontal clase; uno de los impactos más dañinos. Sin embargo, como se aprecia en la imagen, el habitáculo permanece intacto. Colisión frontal al 50% descentrado; quizá uno de los impactos más comunes. El parabrisas se rompió pero el habitáculo permaneció firme. Figura Nº 9. Figura Nº 10. Colisión conocida como "alcance". Nótese la gran deformación del trasero (gran absorción de la energía del impacto) y la permanencia casi sin daño del habitáculo. Figura Nº 11. Impacto frontal entre dos vehículos de diferente tamaño y peso; sin embargo los daños son proporcionales y la indeformabilidad del habitáculo es evidente ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 4
El habitáculo de seguridad dispone de dos travesaños para mantener la integridad del mismo en colisiones laterales. Figura Nº 12. Del mismo modo, las puertas contienen una barra o un perfil posicionado de manera que resiste la penetración de objetos a través de los costados para mejorar la integridad del habitáculo. Figura Nº 13. En un impacto de hasta 56 kilómetros por hora, la columna de la dirección no se proyectará contra el conductor ya que en su parte inferior existe un acoplamiento que se dobla y la columna se colapsa dentro de sí misma con un recorrido de 170 mm. Figura Nº 14. OTROS ELEMENTOS DE SEGURIDAD PASIVA Asiento antisubmarino o antijabonazo. Un importante elemento de seguridad que permanece oculto bajo el acolchado y la tapicería es el "armazón" del asiento, de gran rigidez y estabilidad (figura Nº 15.). Su forma asegura un soporte a los muslos, libre de fatiga y sin causar problemas de circulación sanguínea. Seguramente ningún acolchado puede substituir la conformación anatómica de su ajuste. El borde delantero se eleva a un ángulo definido con precisión. Este reborde previene que el cuerpo del conductor se deslice sobre el asiento durante frenadas enérgicas o colisiones, fenómeno llamado "submarinismo" o jabonazo y que puede llegar a que el conductor quede con el cuerpo bajo el cinturón de seguridad. También evita que la correa pélvica del cinturón pueda causar lesiones internas al oprimir las partes blandas de su anatomía. Figura Nº 15. Figura Nº 16. Por otra parte, el asiento trasero cuenta con un respaldo de chapa metálica para proteger a sus ocupantes contra objetos pesados o puntiagudos que pudieran encontrarse sueltos en la cajuela y proyectarse violentamente hacia adelante en la eventualidad de un accidente (figura Nº 16). ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 5
Cinturones de Seguridad. El vehículo y los ocupantes viajan a la misma velocidad. Si el vehículo se detiene bruscamente, como en una colisión, los ocupantes seguirán hacia adelante con la misma velocidad que el vehículo llevaba. Este efecto no se puede eliminar pues es una de las manifestaciones de las leyes de la inercia, pero se pueden reducir sus efectos negativos y la mejor manera de hacerlo, hasta ahora, es con el uso de cinturones de seguridad. Figura Nº 17 Éstos tienen por objetivo mantener a los ocupantes del vehículo fijos en sus asientos durante una colisión para evitar que se golpeen contra las partes interiores del auto y también para evitar que sean lanzados al exterior (figura Nº 17). Los cinturones de seguridad empleados ahora en la mayoría de los automóviles se aplican en tres puntos de apoyo: uno en cada pilar y los otros dos en los costados inferiores de los asientos delanteros. Estos cinturones se llaman pélvico-toráxicos. Cinturones pirotécnicos. La necesidad de mantener sujetos a los ocupantes del vehículo en sus asientos llevó a desarrollar sistemas de retracción para evitar la holgura que resulta entre la espalda y el respaldo durante la aplicación del bloqueo en el cinturón en el momento de un impacto, sin menoscabo de la comodidad requerida durante el uso normal del cinturón (figura Nº 18). Estos dispositivos retractores requieren de un accionamiento instantáneo y la activación más rápida se logra por medio de una o varias pequeñas explosiones que generan un gran desprendimiento de nitrógeno; la presión generada se aplica a un componente que tira el cinturón por medio de varios mecanismos. Figura Nº 18. A continuación se presentan 3 tipos de retractores: Figura Nº 19. Retractor pirotécnico tubular con embolo de acción por cable. Figura Nº 20. Retractor pirotécnico tipo Wankel de acción por arrollamiento. Figura Nº 21. Retractor pirotécnico con mando de bolsas y acción por arrollamiento con limitador de fuerzas ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 6
Airbag o Bolsa de Aire. La seguridad alcanzada por medio de los cinturones pirotécnicos dotados con pretensores y limitadores de fuerza resulta más que suficiente en colisiones a baja velocidad (14.5 Km/h o menos contra un muro inamovible), donde los elementos deformables de la carrocería absorben gran parte de la energía del choque, pero en impactos a velocidades mayores se requiere de los airbags para una retención eficaz. Los airbags del conductor y del acompañante sólo podrán activarse por la desaceleración o impacto frontal (longitudinal) del vehículo y nunca se dispararán por impactos laterales o alcances (impactos por atrás). Figura Nº 22. Como se aprecia en la figura Nº 22, el módulo de control ubicado bajo la consola central se encarga de los airbags frontales y dos sensores bajo los asientos controlan los airbags laterales. Debido a la forma en que se encuentran instalados y a las características de su operación, los sensores sólo podrán activar sus airbags respectivos cuando la colisión corresponda a la dirección protegida por cada sensor. En el caso de un impacto sobre el costado izquierdo, sólo se activará el airbag correspondiente a ese lado y pasará algo semejante en un impacto por el costado derecho. En las colisiones frontales el módulo de control activará los airbags del conductor y del acompañante si el impacto acontece a más de 14.5 Km. por hora y afecta un ángulo de 60 sobre la carrocería en relación al sensor correspondiente, según fabricante (figura Nº 23) Rangos de activación por impacto. En una colisión de costado, el airbag integrado en la parte externa de los respaldos delanteros es activado por su sensor respectivo, rompe la costura especial de la vestidura y se infla para proteger la zona blanda del tórax lateral del ocupante del asiento (figura Nº 24). El detonador recibe la señal del módulo de control, se dispara e inflama el compuesto de ignición, que a su vez comunica el encendido al propelente, un compuesto a base de sodio azoico y nitrato de potasio. El gas generado, hasta 120 litros, expande el airbag en un tiempo de 25 a 30 milisegundos (en algunos casos se libera nitrógeno). Figura Nº 23. Figura Nº 24. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 7
Desarrollo de los Airbag en una colisión Frontal. Figura Nº 25. Según lo explica la gráfica de la figura Nº 25, el proceso completo desde el momento del impacto hasta el desinflado de los airbags, toma solamente 150 milésimas de segundo (0.150 seg.)*. Un airbag no se infla como un globo; si así fuera rebotaría la cabeza hacia atrás causando más daño todavía. La amortiguación consiste en la expulsión del aire de la bolsa a través de un orificio cuando la cabeza la oprime. Esa acción instantánea es más que suficiente para reducir la violencia del movimiento hacia adelante y evitar el contacto contra el volante o el tablero. * En la gráfica se exagera el desplazamiento de los cuerpos. La precisión en el control de la operación de los airbags frontales obedece a una doble señal eléctrica. Dentro del módulo de control se encuentran dos sensores; uno de ellos es sensible a los impactos y el otro a la desaceleración (detención brusca); para que los airbags se activen se deben generar las dos señales simultáneas. De este modo los airbags no se activarán accidentalmente por un impacto (sistemas de seguridad actualizados, evitando el accionamiento por cunetazos, golpe en el cárter, etc.) Visibilidad. La superficie encristalada del auto nos permite ubicar la posición de los vehículos que circulan en el tránsito. Para conducir con seguridad, una buena visibilidad periférica es indispensable y mientras más área se cubra mayor seguridad tendremos. Los espejos retrovisores cubren el área posterior y parte de los costados del auto. El espejo exterior derecho es convexo para lograr una mayor cobertura (figuras 26 y 27). La visibilidad nocturna depende de las características de los faros, es decir, de la clase de ampolletas, reflectores y ópticos de que esté dotado el vehículo. El objetivo de una iluminación adecuada no se reduce a obtener la máxima intensidad de la luz o a tener una mayor cantidad de faros o focos. Las calles y carreteras son compartidas con muchos automóviles y se debe respetar el derecho que sus conductores tienen a ver bien sin ser deslumbrados por un auto en sentido opuesto con luces no reglamentarias. Para evitar ese inconveniente, se ha recurrido a diversos diseños de faros que modifican el patrón luminoso (haz de luz) tanto en la forma como en la intensidad. En la figura Nº 28 se muestran tres patrones de iluminación que han logrado controlar en forma cada vez más eficiente el problema del deslumbramiento. Figura Nº 26. Figura Nº 27 ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 8
Nótese en la figura Nº 28 que en cualquiera de los tres casos el haz de luz luminoso es asimétrico pues es más bajo su alcance del lado izquierdo para no deslumbrar al conductor del vehículo que circule en sentido opuesto. Figura Nº 28. Por otra parte tenemos las luces de posición, llamadas "estacionamiento"; las luces de freno "stops"; las luces direccionales (intermitentes), y las luces intermitentes de emergencia (Hazard). Estas constituyen la iluminación para ser visto y para que los demás usuarios del camino sepan si el conductor de un vehículo está frenando, si se va a detener, si va a virar a la izquierda o si el vehículo está parado por cualquier razón. Es evidente que tanto el concepto de seguridad en los vehículos como los sistemas y dispositivos utilizados para lograrla han evolucionado muchísimo en unos cuantos años. Las altas velocidades sostenidas a las que se conduce en las supercarreteras actuales y el elevado número de automóviles en circulación en las grandes ciudades, requieren que los autos tengan todos los elementos de seguridad disponibles para proteger, hasta donde sea posible, la integridad física del conductor y los ocupantes del vehículo. Un buen sistema de frenos; aceleración eficaz; luces eficientes para ver y ser visto de noche; visibilidad periférica (superficie de cristales) suficiente; sistema de dirección ágil para maniobrar con precisión; suspensión firme para estabilidad en curvas; ergonomía en los mandos y controles; claridad y fácil lectura de los instrumentos del tablero, etc., son algunos más de los factores que intervienen en el moderno concepto de un automóvil seguro; un vehículo que se comporte conforme a las expectativas del conductor y que perdone los errores de manejo, en fin, un auto que haga sentir a sus ocupantes casi tan seguros como en la sala de su casa (figura Nº 29). Figura Nº 29 ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ 9