Tại sao cột lái lại được thiết kế chủ động gập lại khi va chạm?

Trong va chạm, cột lái được thiết kế cố ý để gập xuống; việc chủ động phá vỡ một chi tiết chính là một trong những nước đi kỹ thuật khéo léo nhất bảo vệ người lái khỏi chấn thương ngực.
Trong va chạm, cột lái được thiết kế cố ý để gập xuống; việc chủ động phá vỡ một chi tiết chính là một trong những nước đi kỹ thuật khéo léo nhất bảo vệ người lái khỏi chấn thương ngực.

Chia sẻ trang này

Trụ lái, khi lực va chạm vượt qua ngưỡng thiết kế sẽ đổ gập có kiểm soát để hấp thụ năng lượng va chạm; nhờ đó vô lăng không bị đẩy về phía người lái và nguy cơ chấn thương ngực giảm đáng kể. Nghe có vẻ lạ phải không? Một bộ phận cố tình gãy sao lại là an toàn được? Đúng vậy, bài viết này sẽ giải thích chính xác điều đó.

Điểm Nổi Bật

  • Trụ lái đổ gập được là bắt buộc tại Mỹ kể từ cuối thập niên 1960.
  • Trụ đổ gập có thể hấp thụ tải khoảng 15 kN trong va chạm; trụ cứng không hấp thụ bất kỳ năng lượng nào.
  • Túi khí phải bơm phồng trước khi trụ hoàn thành hành trình gập.
  • Trụ hiện đại có thể cung cấp chế độ gập hai hoặc ba mức tùy theo tốc độ xe, cân nặng người lái và tình trạng dây đai.

Thời Kỳ Trụ Cứng: Khi Trục Xuyên Qua Người Lái

Trước hết hãy nhìn về những ngày xưa cũ tồi tệ, vì câu chuyện thực sự bắt đầu từ đó. Ở những chiếc ô tô thời kỳ đầu, trụ lái là một trục thép dài, cứng và liền khối nối vô lăng với hộp lái phía dưới. Không có lò xo, không có khớp nối, chỉ là thanh sắt thẳng tắp. Dĩ nhiên, trong lái xe bình thường nó hoạt động khá tốt.

Nhưng khi va chạm xảy ra thì sao? Khi phần trước bị nghiền nát, trục cứng này bị đẩy vào bên trong xe mà không ngắt lực. Nghĩa là vì vô lăng gắn liền với trục lái nên nó lao về phía ngực người lái như một cây giáo. Nghiêm trọng đến mức trong tài liệu người ta dùng từ "impale", tức là xuyên thủng, để mô tả tình huống này. Đây chính xác là một trong những nguyên nhân thường gặp nhất của các chấn thương chết người trong va chạm trước nghiêm trọng. Chính khi các kỹ sư nói rằng "vì trục này không thể chuyển động, hãy làm cho nó chuyển động được", một ý tưởng mang tính cách mạng trong an toàn chủ động đã ra đời.

Cơ Chế Gập Hoạt Động Như Thế Nào? Vật Lý và Nguyên Tắc Thiết Kế

Bây giờ hãy đến với vấn đề chính. Logic cơ bản của trụ lái đổ gập như sau: trụ đứng thẳng cho đến khi đạt một ngưỡng lực nhất định, và khi vượt ngưỡng đó, nó chủ động rút ngắn lại. Nhờ đó năng lượng va chạm được dành cho sự biến dạng của trụ chứ không phải cho cơ thể người lái. Hãy nghĩ đến thế lực đẩy-kéo mà bạn nhớ từ môn vật lý: nếu bạn trải cùng một lượng năng lượng trên quãng đường dài hơn, lực đỉnh sẽ giảm. Trụ gập xuống tạo ra khoảng cách đó, năng lượng chuyển thành biến dạng cơ học.

Ống trong ống và các viên bi thép

Các thiết kế đầu tiên hoạt động theo nguyên lý "ống trong ống", tức tube-in-tube: lớp vỏ trong và ngoài gồm hai ống chồng lên nhau, khi va chạm ống trong trượt vào trong ống ngoài kiểu ống lồng, rút ngắn trụ lại. Trong một phiên bản phổ biến, các viên bi thép được đặt giữa hai lớp vỏ và giữ bằng một loại nhựa an toàn chắc chắn. Khi nhựa đạt đến một áp suất nhất định thì vỡ ra, các viên bi được giải phóng và lớp vỏ trong bắt đầu trượt. Nói ngắn gọn, họ gắn sức kháng cự của trụ vào độ bền của một loại keo - theo tôi là một giải pháp vô cùng thanh lịch.

Trong một cách tiếp cận khác, ở kiểu trụ ống giãn nở, một bộ phận ma sát gọi là "collapse ring" xác định lực ma sát giữa thân trụ và ống chính. Độ nghiêng nhẹ và bậc gờ trong vòng kẹp sẽ định hướng cho ống biết chỗ nào và cách nào sẽ bị biến dạng khi quá trình sập xuống tiến triển. Nói cách khác, sự sập xuống không phải là một vụ ép ngẫu nhiên mà là một quá trình được kiểm soát từng bước.

Ai quyết định ngưỡng này: các chốt, dải kim loại và cầu chì pyrotechnic

Vậy ai báo cho trụ lái biết khi nào cần sập xuống? Câu trả lời là: thiết kế. Phương thức kích hoạt được chia thành ba nhóm chính:

  • Chốt cắt (shear pin): Chốt cơ khí đứt ra khi đạt đến một lực xác định; khi đứt, trục được giải phóng và trục trên có thể trượt qua trục dưới.
  • Biến dạng có kiểm soát: Chi tiết kim loại chủ động biến dạng ở một áp suất xác định; một dải kim loại chạy dọc theo rãnh trên thân, bị ép biến dạng dẻo, đóng vai trò như phần tử hấp thụ năng lượng.
  • Thiết bị pyrotechnic: Các piston đẩy nhỏ giải phóng cơ cấu ngay lập tức; rất phổ biến trên xe hiện đại.

Một nguyên lý sáng chế khiến tôi đặc biệt thích: áp suất vỡ của ống có thể sập được phải được thiết kế thấp hơn áp suất vỡ của vô lăng. Tại sao? Bởi vì trong va chạm, nếu trụ lái là điểm đứt đầu tiên thì vô lăng vẫn nguyên vẹn và năng lượng được hấp thụ đúng ở nơi mong muốn, tức là tại trụ lái. Biết đặt một cách chủ ý vòng yếu ở đâu - đó chính là vẻ đẹp của kỹ thuật.

Sự sập xuống thích ứng: mỗi va chạm đều không giống nhau

Các hệ thống hiện đại thậm chí không chỉ có một cấp độ. Một số thiết kế đưa ra hai hoặc ba cấp tải, gồm tối thiểu, trung bình và tối đa. Việc lựa chọn cấp độ được thực hiện dựa trên dữ liệu cảm biến đo tốc độ xe, trọng lượng tài xế, vị trí ghế và việc có thắt dây an toàn hay không. Với một tài xế vóc dáng nhỏ hoặc đã thắt dây an toàn, cấp tải thấp được kích hoạt, còn với tài xế nặng người hoặc không thắt dây, hoặc trong va chạm ở tốc độ cao, cấp tải cao được lựa chọn. Nói cách khác, trụ lái được điều chỉnh cho bạn từ va chạm này sang va chạm khác. Điều này nghĩa là khả năng an toàn thụ động gần như trở nên cá nhân hóa.

Phần khó của thiết kế cũng chính là sự cân bằng này: nếu độ kháng quá nhỏ thì khi lái xe bình thường - dưới mô-men xoay bạn tác dụng khi qua các khúc cua - trụ có thể tự sập xuống. Nếu độ kháng quá lớn thì không hấp thụ đủ năng lượng trong va chạm và lực một lần nữa trở về với bạn. Giữa hai cực đó, các kỹ sư đang đi trên một sợi dây mỏng.

Sự đồng bộ với túi khí và dây an toàn: Trò chơi đồng đội

Direksiyon kolonu milisaniye milisaniye hesaplanmış bir koreografiyle çöker, çünkü hava yastığıyla uyumsuzluk sizi korumak yerine içine fırlatır.

Trụ lái không bao giờ làm việc một mình. Trong một va chạm, ở những phần rất nhỏ của giây, ba hệ thống bảo vệ đồng thời kích hoạt như thể đã được biên đạo vũ đạo sẵn. Ngay khi bộ điều khiển túi khí phát hiện va chạm, nó kích hoạt bộ căng dây an toàn trước để ghim bạn vào ghế, và đồng thời bơm phồng túi khí trên vô lăng.

Thời điểm là rất quan trọng: túi khí phải được bơm phồng trước khi trụ lái hoàn tất hành trình sập xuống. Nhờ vậy, khi bạn bị văng về phía vô lăng, một túi khí đã bơm phồng hoàn toàn xen vào và ngực bạn va vào một bề mặt mềm chứ không phải một vô lăng đang sập xuống. Nếu đảo ngược trình tự, túi khí có thể đẩy bạn về phía vô lăng đã sập - hiệu ứng hoàn toàn ngược lại.

Hơn nữa, sự đồng bộ này tinh tế đến mức vị trí và biến dạng của cột lái có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của túi khí. Trong các va chạm phía trước nghiêm trọng, sự chuyển động quá mức của cột được liên hệ với việc đầu người giả đi xuyên qua túi khí và đập thẳng vào vô lăng; nghĩa là việc sập xuống mất kiểm soát hoặc quá mức có thể làm giảm hiệu quả của túi khí. Không phải càng sập xuống nhiều càng tốt trong mọi điều kiện - sập xuống có kiểm soát mới là tất cả.

Còn có vấn đề về mức độ nghiêm trọng của va chạm: thân vỏ xe hiện đại được thiết kế để bảo vệ tính toàn vẹn của khoang hành khách cho đến tốc độ va chạm khoảng 64 km/h. Ở tốc độ cao hơn - ví dụ như va chạm trực diện vào tường cứng ở 80 km/h - kết quả trên người giả cho thấy khả năng sống sót rất thấp. Cột lái là một bộ phận làm tốt công việc của mình trong giới hạn của thân vỏ; thật tiếc là nó không thể hủy bỏ các định luật vật lý.

Lịch sử: Từ Chevrolet 1967 đến nay

Ý tưởng này có một lịch sử đã được đưa vào bảo tàng. Chúng ta thấy cột lái hấp thụ năng lượng xuất hiện trên các dòng Chevrolet đời 1967; thời đó đã có nhiều thiết kế khác nhau được đề xuất như kéo trắng, piston và lò xo. Trên Chevy II, một cấu trúc dạng lưới có tác dụng hấp thụ năng lượng bằng cách làm chậm cú va đập. Chẳng bao lâu sau, vào cuối thập niên 1960, cột lái sập được trở thành bắt buộc tại Mỹ - một bước được coi là cột mốc trong lịch sử an toàn thụ động.

Tác động cũng rất cụ thể: theo số liệu, việc tất cả các xe đều có cột lái sập được có thể ngăn chặn khoảng 1.300 ca tử vong và 23.000 ca bị thương mỗi năm. Theo tôi, độ lớn của con số này cho thấy một thanh trục trông có vẻ tầm thường thoạt nhìn có thể cứu được bao nhiêu sinh mạng.

Ngày nay tình hình có còn như vậy không? Có, và còn phát triển hơn nữa: các cột hiện đại vẫn giữ được khả năng sập xuống và hấp thụ năng lượng, đồng thời được bổ sung các cấp độ thích ứng và tích hợp cảm biến. Sự đơn giản cơ khí của những thiết kế đầu tiên đã tiến hóa thành các hệ thống điều khiển bằng điện tử và thiết bị nổ; nhưng nguyên tắc cơ bản - sập xuống có kiểm soát khi vượt ngưỡng - thì không hề thay đổi.

Sau va chạm: Cột đã sập có thể sửa chữa được không?

Bây giờ hỏi bạn: sau một vụ tai nạn, nếu vô lăng vẫn trông cứng cáp và nguyên vẹn thì mọi thứ có ổn không? Rất tiếc là không. Nếu cột đã sập xuống trong va chạm, cơ chế hấp thụ năng lượng chỉ dùng một lần - một khi đã kích hoạt thì không thể mang lại sự bảo vệ tương tự lần nữa. Vì vậy, nhiều nhà sản xuất khuyến nghị nên kiểm tra và đo đạc cột lái sau va chạm; một số nhà sản xuất bắt buộc phải thay cột nếu cơ chế hấp thụ năng lượng đã hoạt động.

Hơn nữa, vì hệ thống có thể được điều khiển bằng máy tính nên khi có lỗi, các mã lỗi sẽ được ghi lại và có thể cần đọc bằng thiết bị chẩn đoán. Nghĩa là cột lái không còn là một bộ phận cơ khí thuần túy, mà là một thành phần gắn liền với lưới an toàn của xe. Trong một va chạm có cường độ cao, nếu cột không sập xuống được, lực hướng về người lái có thể gây chấn thương nghiêm trọng - vì vậy nói "trông có vẻ ổn thì không có vấn đề gì" là một cách tắt nguy hiểm.

Câu hỏi thường gặp

Khi có túi khí, cột vô lăng vẫn cần phải sập xuống không?

Vẫn cần. Câu hỏi này đã được thảo luận cả trên các diễn đàn lẫn trong tài liệu chuyên môn, nhưng câu trả lời rất rõ ràng: túi khí là một hệ thống có thể xả hơi chỉ trong một giây và chỉ bơm phồng một lần duy nhất. Trong khi đó, cột vô lăng tiếp tục hấp thụ lực trong suốt quá trình va chạm kéo dài. Các cột vô lăng hiện đại vẫn giữ được khả năng sập xuống và hấp thụ năng lượng; túi khí không thay thế khả năng đó, mà cùng làm việc với nó.

Ngưỡng sập xuống là bao nhiêu?

Khó đưa ra một con số chính xác, vì ngưỡng này thay đổi tùy theo thiết kế. Trong khi một số nguồn đơn lẻ đề cập đến ngưỡng khoảng 11.000 Newton (khoảng 2.500 lbf), các nghiên cứu học thuật chỉ ra rằng cột vô lăng có thể sập xuống có thể hấp thụ tải khoảng 15 kN khi va chạm. Hai con số này đo lường hai thứ khác nhau: một là ngưỡng lực kích hoạt sự sập xuống, hai là tổng khả năng chịu tải của cột. Vì vậy, câu trả lời cho câu hỏi "sập xuống ở bao nhiêu Newton" thay đổi tùy theo xe và thiết kế.

Phải chăng mọi chiếc xe đều có cột vô lăng có thể sập xuống?

Trên các xe ở những thị trường phát triển, đây gần như là tiêu chuẩn, vì yêu cầu này đã tồn tại từ cuối thập niên 1960. Tuy vậy, trước đây người ta biết rằng một số mẫu xe giá rẻ vẫn sử dụng cột cứng; ngày nay tình trạng này phần lớn đã trở thành dĩ vãng, nhưng với xe cũ, đặc biệt là các mẫu xe đời cũ, việc kiểm tra chi tiết này không phải là ý tồi.

Lời cuối: Chi tiết trông yếu ớt thực ra lại là người hùng

Theo tôi, câu chuyện của cột vô lăng một mình đã nói lên bản chất của triết lý an toàn thụ động: năng lượng không biến mất, chỉ được chuyển đi. Cột được thiết kế để tiêu hao năng lượng đó trong chính thân của nó thay vì ngực của bạn. Nghĩa là việc sau một vụ va chạm, bạn có thể tựa vào vô lăng và nói "may mà cột đã sập xuống" là nhờ một trong những thành tựu thầm lặng và hiệu quả nhất của kỹ thuật. Lần tới khi bạn đánh lái, hãy nhớ rằng thanh trục bình thường kia dưới bàn tay bạn thực chất đang mang một kế hoạch được chuẩn bị dành riêng cho bạn. Vậy bạn đã bao giờ nhìn vào cột vô lăng khi xem danh sách trang bị an toàn của một chiếc xe chưa? Hãy thử xem - khi thấy cụm từ "cột hấp thụ năng lượng" ở đó, giờ đây bạn đã biết nó nghĩa là gì.

Tài liệu tham khảo