Airbag

Universidad De La Frontera Facultad de Ingeniera y Ciencias Termodinmica, IIM308
Trabajo de investigacin
Gases ideales en Airbag
Anlisis del comportamiento de gases, estructura y funcionamiento en un sistema
de seguridad pasivo.
Nombres
Docente
Fecha de entrega
:
:
Mara Jos Valds

Franco Reyes
Pablo Snchez
Gustavo Mayorga
Esteban Inzunza
Nayadeth Ibacache
20/10/15
Contenido
Resumen............................................................................................................. 3
Objetivos............................................................................................................. 3
Objetivos Generales......................................................................................... 3
Objetivos Especficos....................................................................................... 3
Marco Terico...................................................................................................... 4
Desarrollo............................................................................................................ 7
Resumen
El airbag es un sistema de retencin suplementaria que reduce la posibilidad de
sufrir daos irreparables en un 30% siempre que acte conjuntamente con el
cinturn de seguridad. Consiste en un saco de lona que permanece plegado,
cuando ocurre un accidente se infla mediante un gas y se despliega entre el o los
ocupantes y el vehculo, en la direccin y sentido en el que ocurre el accidente. Su
alta fama ha permitido que las grandes empresas fabricantes ni siquiera deban
persuadir a los clientes para incluir el dispositivo, ya que ste se transform en
esencial.
A continuacin analizaremos la termodinmica de uno de los inventos ms
revolucionarios en el rea de seguridad automotriz y responderemos a Cmo
sta pequea bolsa se puede expandir en menos de 40 milisegundos? Cunto
gas necesitamos? A qu temperatura?, entre otras.
Complementar una vez terminado el desarrollo.
Objetivos
Objetivos Generales
1. Aplicacin Ley de los Gases Ideales.
2. Establecer ecuacin ligada al comportamiento de los gases.
Objetivos Especficos
1. Analizar las distintas fases del funcionamiento Airbag.
2. Estudiar el comportamiento de la energa interna, calor perdido, flujos, etc.
3. Analizar el trabajo y temperatura necesaria para el proceso.
Marco Terico
El generador de gas usado en gran parte de los Airbags es el pirotcnico. Este se
caracteriza por liberar un gas y presurizar el saco de Airbag en milisegundos. Pero
Cunto gas necesitamos? O A qu temperatura? Para responder a ello,
debemos analizar las distintas fases y establecer sus ecuaciones.
Primero, debemos analizar la cinemtica de colisin para saber el tiempo en que
el generador de gas se dispara y su tiempo de llenado. En la siguiente tabla
podemos apreciar esta primera fase
Figura 1. Cinemtica de colisin a velocidad de 40 km/h
Luego es importante saber que el funcionamiento del generador de gas viene

dado por
1. Curva de presin sobre el tanque normalizado
2. Curva de flujo msico sobre el tanque normalizado (Mass-Flow)
3. Composicin y temperatura de los gases emitidos
Y cada una de estas caractersticas se basa en principios termodinmicos.

Analizando en primer lugar el flujo msico, debemos diferenciar entre todos los
que se encuentran influyendo en el saco durante su llenado. Para ello
establecemos la relacin:
dms dmg dme dmp
=
+
dt
dt
dt
dt
Dnde:
ms: masa del gas dentro del saco
mg: masa de gas suministrada por el generador de gas
me: masa de aire entrante por aspiracin del exterior
mp: masa de gas perdida a travs del tejido o pared de la bolsa
Luego la masa del gas
dmg
dt
a una temperatura y presin inicial proveniente del
generador, entra al volumen del saco a una presin mucho ms baja, provocando
as una expansin del gas. En aquel proceso su entalpa aumenta a tal punto que
las molculas del gas generan alta energa cintica.
Ahora, para poder establecer la cantidad de moles de gas, debemos analizar la
curva de flujo msico.
Figura 2. Curva Mass-Flow
Para determinar la cantidad de moles, debemos integrar la curva definida en un

intervalo de tiempo determinado (tiempo de llenado):
tf
MF dt
ti
Dnde:
ti: tiempo de salida del gas (en ms)
tf: tiempo de llenado del cojn (en ms)
Luego para determinar temperatura, presin y volumen del gas en un tiempo de
llenado x, establecemos la ecuacin de gases ideales:
Pgasx V =( n gas + naire )RT x
Luego, entre otros valores, tambin podemos calcular el gas y calor perdido a
travs de las paredes del saco.
El clculo de calor se rige por mecanismos muy complejos, ya que se manejan
altas temperaturas y muy bajos niveles de flujo msico, por lo tanto, no podemos
expresar este calor slo en una frmula de conduccin. Sin embargo, una
investigacin revelada en la introduccin a los airbag nos entrega una formula
dada de Fourier, que puede aproximar de manera aceptable un valor del calor.
Dado esto, podemos calcular el calor como:
t rotura
Q=
t disparo
K real
area( T gas T ambiente ) dt
E
Dnde:
K real =
k
40
K: coeficiente de conductividad trmica: 0,29

E: energa cintica de la cubierta
Finalmente el gas perdido durante el proceso de llenado,
calcularlo con la ley de gases ideales, aplicando:
tambin podemos
n=
PV
RT
Desarrollo
La principal funcin de un sistema de seguridad pasivo es actuar una vez ocurrido
el accidente y tienen como funcin disminuir los daos que puedan sufrir los
ocupantes del automvil, aqu entran en funcionamiento los Airbags.
Podemos diferenciar dos sistemas que se utilizan en la actualidad en donde su
diferencia radica en las diferentes formas de proporcionar el gas a la bolsa que lo
contendr durante una fraccin de segundo. Estas pueden ser mediante una
botella de gas comprimido o a travs de diferentes compuestos qumicos.
Tenemos el generador hibrido en el cual se utiliza un compuesto explosivo para
liberar el gas mediante presin que se encuentra contenido en un deposito. Este
consiste en una mezcla de gases nobles, entre los ms comunes estn el argn y
Na N 3
helio, por otro lado est el generador solido que emplea la azida sdica (
).
Para analizar el despliegue del gas en el airbag fue necesario estudiar el
comportamiento de los ocupantes del automvil antes, durante y despus del
impacto para as tener los tiempos de llenado y vaciado del gas en la bolsa. Este
paso es de vital importancia ya que un llenado, vaciado anticipado o tardo
afectaran directamente la funcin de la bolsa salva vidas.
El estudio comienza en los 0 milisegundos marcando el inicio del accidente, en
este instante se produce el primer contacto entre el automvil y el objeto
impactado. Los sensores instalados detectan mediante un sistema de inercia y
avisan al rea electrnica para comenzar a procesar la informacin y determinar
las cualidades del impacto y ver si es necesario o no el despliegue del sistema de
seguridad. A los 20 milisegundos la cabeza de los ocupantes comienzan su
movimiento hacia adelante (si es que el impacto fue frontal) y por su parte la bolsa
ya se encuentra realizando su proceso de llenado. El cinturn de seguridad ya se
encuentra activado y fijando el cuerpo de los ocupantes al asiento. Ya en los 40
milisegundos el Airbag se encuentra totalmente inflado y preparado para recibir el
impacto de la cabeza que avanza en direccin contraria a la direccin de llenado.
En los 60 milisegundos la cabeza es recibida por la bolsa ayudando a minimizar
los daos producidos por el impacto del automvil con el objeto. Una vez llegado a
los 120 milisegundos se produce el desinflado del Airbag y la cabeza inicia el

retorno hacia atrs devuelta a la cabecera del asiento. A los 140 milisegundos la
bolsa se encuentra totalmente desinflada y el cuerpo ya est nuevamente en la
posicin inicial antes del accidente.
Con estas referencias podemos ver que el llenado de la bolsa es de vital
importancia durante el accidente, ya que el impacto sigue una dinmica estndar
en funcin de la velocidad de impacto. Para esto el Airbag tiene un rango de
funcionamiento que depender de la velocidad ya antes mencionada y la fuerza de
impacto y ser normalmente mayor a 20 Km/h e inferior a los 60 km/h al momento
de contacto, esta es la medida ideal, fuera de estos mrgenes el airbag decae en
efectividad para disminuir daos debido a las velocidades de reaccin en la
activacin del producto y la velocidad de impacto de la cabeza del conductor.
En un generador de gas solido tenemos a la azida sdica que es un compuesto
Quimico que al ser sometido a una alta temperatura se descompone produciendo
Na N 3 Na+3 N
Sodio ( Na ) y tres tomos de nitrgeno ( N ):
.

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