Đai An Toàn Tích Tụ Độ Trống Làm Sao Trong Những Mili Giây Đầu Tiên?

Cơdigital pre-tensioner là một bộ phận an toàn nhỏ nhưng cực kỳ quan trọng, hoạt động bằng thuốc nổ pyrotechnic, thắt chặt độ lỏng của dây đai trong những mili giây đầu tiên của vụ va chạm và ghim hành khách vào ghế. Nó làm việc cùng với bộ giới hạn lực giúp hạn chế tải trọng lên ngực; hai bộ phận này cùng nhau làm giảm thêm rủi ro tử vong của dây đai trung bình 12,8% trên ô tô.

Khi nhắc đến dây an toàn, chúng ta luôn nghĩ ngay đến một thứ duy nhất: dải băng nổi tiếng buộc quanh người, luồn qua ổ khóa, thắt chặt lại. Nhưng bao nhiêu người biết rằng thứ thực sự biến dải băng thành dây đai lại được giấu bên trong con lăn? Tôi vốn tưởng mình đã biết hết mọi thứ cho đến khi tìm hiểu về bộ căng trước (pretensioner) - khi đó góc nhìn của tôi về dây an toàn đã hoàn toàn thay đổi. Hãy tưởng tượng: ngay khi va chạm xảy ra, sợi dây đai lỏng khoảng 20-30 cm quấn chặt lấy bạn trong thời gian ngắn hơn cả một phần trăm giây. Phép màu này diễn ra như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu lần lượt.

Bộ căng trước là gì và tại sao nó cần thiết?

Hãy nghĩ thế này: nếu có một khoảng trống giữa tẩy trên đầu bút chì và giấy trước khi bạn ấn xuống, thì tẩy có còn hiệu quả không? Có, nhưng kém hiệu quả hơn nhiều. Điều này cũng đúng với dây an toàn. Trong lúc lái xe hàng ngày, dây đai hơi lỏng - độ rộng giữa hai vai, áo khoác dày, tư thế ngồi... dễ dàng tạo ra khoảng trống 20-30 cm (gọi là slack). Việc cơ thể bạn tự do bay qua khoảng trống đó lúc va chạm đồng nghĩa với việc bạn đạt tốc độ cao hơn nhiều trước khi dây đai kịp giữ bạn lại. Chỉ một chút độ lỏng nhỏ ấy cũng có thể làm tăng đáng kể các lực tác động lên cơ thể bạn.

Và chính tại điểm đó, bộ căng trước được kích hoạt. Một cơ chế pyrotechnic nhỏ ẩn bên trong con lăn sẽ thu phần dây thừa lại ngay khi phát hiện va chạm, ghim bạn vào ghế. Nói cách khác, bộ căng thực chất làm cho dây đai có hiệu lực ngay từ "khoảnh khắc tiếp xúc đầu tiên". Một nhiệm vụ nhỏ nhưng cực kỳ quan trọng.

Hệ thống hoạt động trong mili giây được kích hoạt như thế nào?

Để tôi kể lại quy trình từng bước, vì khâu định thời ở đây chính là phần điện ảnh nhất:

1. Các cảm biến va chạm của xe phát hiện sự giảm tốc đột ngột và gửi thông tin này đến bộ điều khiển túi khí.
2. Khi tín hiệu vượt qua ngưỡng cường độ nhất định, bộ điều khiển kích nổ lượng thuốc pyrotechnic nhỏ trong bộ căng.
3. Áp suất khí tạo ra đẩy nhanh các viên bi thép hoặc piston, điều này thắt chặt dây đai tới 15 cm trong vòng mili giây.
4. Toàn bộ quá trình này hoàn tất trong 10-15 mili giây; hệ thống triển khai trong vòng 15-30 ms sau khi phát hiện va chạm, đưa hành khách vào đúng tư thế trước cả túi khí.

Chi tiết đáng ngạc nhiên ở đây là: ngưỡng kích hoạt của bộ căng thấp hơn túi khí. Nghĩa là bộ căng có thể kích nổ trước khi túi khí kích nổ. Ở va chạm cản cố định với tốc độ khoảng 15–25 km/h, bộ căng dây hoạt động trong khi túi khí (với ngưỡng 25–50 km/h) thường không kích hoạt. Nếu trong một va chạm vừa phải bạn nhận ra dây an toàn giữ bạn vào ghế nhưng túi khí không bung, đừng hoảng hốt; điều đó có nghĩa là hệ thống đang vận hành đúng như nó cần.

Các loại bộ căng dây: loại xoay, loại khóa cài và điện tử

Không phải loại nào cũng làm cùng một việc, có ba cách tiếp cận khác nhau. Bộ căng dây xoay xoay bộ bánh răng cuộn trong trụ B bằng các viên bi thép để cuộn dây lại; đây là loại phổ biến nhất. Bộ căng dây loại khóa cài hoạt động dưới ghế: piston, kéo phần đai lại để siết chặt dây đai an toàn từ phía dưới. Loại thứ ba hơi khác một chút - bộ căng dây điện tử (ví dụ hệ thống PRE-SAFE của Mercedes) dùng mô-tơ điện để siết dây trước khi có mối đe dọa và có thể nới lỏng nếu va chạm không xảy ra. Nói cách khác, nó có thể đảo ngược được. Ngược lại, bộ căng dây pyrotechnic chỉ dùng một lần; khi đã kích hoạt thì công việc của nó kết thúc.

Sau khi siết dây, nó làm gì tiếp: vai trò của bộ giới hạn lực

Bây giờ đến phần ngược chiều, lần đầu tôi đọc đã thốt lên "khoan, cái này có hợp lý không?". Bộ căng giữ bạn chặt chẽ, nhưng va chạm vẫn tiếp diễn và quán tính đẩy cơ thể về phía trước dồn lên dây. Nhưng nếu bạn đặt lực vô hạn lên lồng ngực thì dây an toàn muốn bảo vệ bạn lại có thể tự gây ra chấn thương. Vậy giải pháp là gì? Cho dây một chút dư địa!

Đó là lúc bộ giới hạn lực (load limiter) tham gia. Khi lực trên dây vai vượt quá một mức được định trước, bộ cuộn sẽ có kiểm soát nhả ra thêm một chút dây. Nhưng đây không phải lỗi hay sự mất mát khả năng bảo vệ; ngược lại, nó hoạt động như một bộ hấp thụ xung lực. Nó làm mềm quán tính đẩy bạn về phía trước, phân tán năng lượng theo thời gian và khoảng cách. Trong giai đoạn bộ căng dây, lực lên vai khoảng 2 kN (khoảng 200 kg), còn sau đó bộ giới hạn cố gắng giữ tải trọng lên ngực trong khoảng 4–6 kN.

Tức là hai bộ phận có nhiệm vụ ngược hướng nhưng bổ sung cho nhau: một bên siết, bên kia nới lỏng có kiểm soát. Chúng hoạt động tuần tự trên cùng một dây an toàn. Bộ căng dây loại bỏ độ chùng ở giai đoạn rất sớm của va chạm, còn bộ giới hạn tham gia sau đó, khi hành khách bắt đầu dồn lực lên dây. Bạn có thể hình dung như việc giảm cú đánh giáng vào cơ thể thay vì đầu; khi ăn một cú đấm, một bàn tay đẩy bạn gây tổn thương ít hơn nhiều. Tăng rồi phân tán lực luôn là điều tốt.

Tại sao tải trọng lên lồng ngực cần bị giới hạn?

Trong các tai nạn va chạm trực diện, tải trọng lên ngực do dây vai gây ra làm tăng nguy cơ chấn thương ngực nghiêm trọng (chấn thương lồng ngực) nhiều hơn so với các vùng khác của cơ thể. Dây an toàn với lực nó tạo lên ngực gây nguy hiểm gãy xương sườn và biến dạng (độ võng); đã được chứng minh rằng nguy cơ chấn thương chủ yếu được quyết định bởi tải trọng đỉnh của dây an toàn. Vì vậy các kỹ sư cố gắng giữ độ lệch ngực trong một giới hạn milimet nhất định - ví dụ, người ta đưa ra quan điểm rằng một phương án giới hạn độ lệch ở mức 34 mm sẽ giảm 16-24% chấn thương ngực nghiêm trọng cho người ngồi ở ghế trước trong va chạm frontal.

Sự cân bằng ở đây thực ra rất mang tính con người: vừa phải giữ bạn, vừa không được đè nát bạn. Vì vậy bộ giới hạn tải không phải là một thứ xa xỉ, mà là một phần của việc bảo vệ. Người ta còn cho rằng bộ giới hạn cũng giúp kiểm soát sự bật ngược (rebound) của cơ thể và đầu; nghĩa là sau khi giữ bạn lại khi văng về phía trước, nó làm bạn ít bị giật cục hơn.

Công nghệ này có thực sự hiệu quả không?

Bây giờ hãy đến với câu hỏi chính. Phân tích rộng rãi của NHTSA (cơ quan an toàn đường bộ trực thuộc Bộ Giao thông Hoa Kỳ) về các vụ tai nạn giai đoạn 1986-2011 cho thấy, ở phân hạng ô tô, CUV và minivan, nguy cơ tử vong của tài xế và hành khách ghế trước có thắt dây an toàn kèm bộ căng trước và giới hạn lực thấp hơn 12,8%. Nghĩa là ngoài việc thắt dây an toàn, việc ngồi trên xe có công nghệ này còn mang lại thêm khoảng 5-7 điểm cho hiệu quả của dây an toàn. Con số này có khoảng tin cậy rộng nên hiệu quả chưa được đo đạc chính xác; trên các xe based trên bán tải (pick-up, SUV body-frame, van cỡ lớn) chưa thể chứng minh tác động đáng kể.

Ngoài ra tiêu chí chấn thương đầu (HIC) và gia tốc ngực cũng được cải thiện: người ta ước tính tổ hợp bộ căng và giới hạn giảm trung bình 6,6 g gia tốc ngực và giảm HIC 232 điểm. Các tổ chức thử nghiệm va chạm như Euro NCAP cũng đưa các đặc tính như giới hạn tải dây an toàn vào quá trình đánh giá của họ. Nói ngắn gọn, đây không phải là một trò tiếp thị; mà là một thành tựu kỹ thuật có thể đo lường được, mà cả các giao thức thử nghiệm cũng ghi nhận.

Hãy đi một vòng nhỏ qua lịch sử: trong khi bộ căng lần đầu xuất hiện trên một số ô tô năm 1981, thì bộ giới hạn lực ra mắt vào năm 1995. Việc phổ biến trên toàn ngành bắt đầu khoảng năm 1998, và đến model year 2008 đã trở thành tiêu chuẩn trên tất cả xe mới tại Hoa Kỳ cho ghế tài xế và hành khách trước. NHTSA chưa bao giờ bắt buộc các công nghệ này, nhưng đã khuyến khích các nhà sản xuất bằng cách tiếp tục liệt kê chúng trong các tờ brochure.

Các câu hỏi thường gặp: sau khi kích hoạt thì sao?

Trong phần này tôi tổng hợp một số câu hỏi thực tế được quan tâm, vì tất cả đều thực sự hữu ích:

• Có hoạt động trên ghế trống không? Không. Bộ căng không kích hoạt nếu điều kiện ghế có người và dây đã thắt không được thỏa mãn.
• Sau khi kích hoạt có thể sử dụng tiếp không? Bộ căng pirotechnic chỉ dùng một lần và phải được thay thế hoàn toàn. Dây có thể thắt bằng tay nhưng chức năng siết không còn nữa; hơn nữa đèn cảnh báo túi khí luôn sáng và dữ liệu va chạm được ghi vào bộ điều khiển.
• Có kích hoạt trong va chạm bên không? Tùy vào mức độ nghiêm trọng và model. Bộ điều khiển tự quyết định dựa trên dữ liệu cảm biến xem những thành phần nào sẽ được kích hoạt.
• Có phải là bộ phận bị hao mòn theo thời gian không? Không. Nó không có tuổi thọ giới hạn; chỉ cần thay thế sau khi kích hoạt.
• Bộ căng dây có gây hại không? Khi sử dụng đúng cách, lực khoảng 2 kN thường chỉ ở mức bầm tím hoặc trầy xước nhẹ; loại tác dụng phụ nghiêm trọng như vậy rất hiếm.

Bộ căng điện tử và bộ căng pyrotechnic có dùng cùng nhau không?

Có, trên các xe hiện đại cả hai thường có mặt cùng nhau. Bộ căng điện tử hoạt động như một lớp phòng ngừa: khi hệ thống dự báo mối đe dọa, nó dùng động cơ điện để siết dây, và nới lỏng lại khi nguy hiểm qua đi. Nhưng nếu xảy ra va chạm thực sự thì hệ thống có thể hoàn nguyên này là chưa đủ; lúc này, lực nén mạnh hơn nhiều và chỉ dùng một lần của bộ căng đai pirotechnic được kích hoạt. Nói cách khác, một cái giống như cảnh báo và chuẩn bị, cái kia là nước cứu nguy cuối cùng.

Nhìn vào toàn bộ bức tranh này, phải thừa nhận rằng dây an toàn là một hệ thống thông minh hơn nhiều so với chúng ta nghĩ. Không chỉ là một dải dây đơn thuần; mà là một tuyến phòng thủ gồm các cảm biến, bộ điều khiển, một bộ đẩy pyrotechnic và một bộ quản lý năng lượng cơ khí, vận hành theo kế hoạch từ những mili giây đầu tiên cho đến khoảnh khắc cuối cùng. Lần tới khi thắt dây an toàn, đừng quên nói một lời "cảm ơn" đến cuộn dây - chiếc hộp nhỏ ấy có thể đang quản lý mười lăm mili giây quan trọng nhất đời bạn mà bạn không hề hay biết.

Nguồn tham khảo

• Effectiveness of Pretensioners And Load Limiters for Enhancing Fatality Reduction by Seat Belts (NHTSA DOT HS 811 835)
• NCAP Test Improvements with Pretensioners and Load Limiters (NHTSA 809562)
• When Does Seat Belt Pretensioner Activate?
• What is the purpose of a seatbelt pretensioner?
• Load Limiters – How Seat Belts Work
• US20060017276A1 – Seat belt pretensioner
• Euro NCAP Glossary