1、汽车安全气囊系统与技术开展研究刘冲 安到全 叶侃 吉林大学：汽车安全气囊是自动为乘员提供碰撞保护的系统。所谓“自动是指车上乘员不需要做任何动作，一旦发生碰撞事故时，就会受到该系统的保护。目前，随着越来越多的汽车装备了气囊，交通事故死亡率已有所下降。本文在探讨汽车安全系统开展历史的根底上，主要探讨了汽车安全气囊的系统结构原理、使用过程中常遇到的问题和未来技术开展的方向。关键词：安全气囊一、前言安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。安装了安全气囊装置的轿车方向盘，平常与普通方向盘没有什么区别，但一旦车前端发生了强烈的碰撞，安全气囊就会瞬时间从方向盘内“蹦出来，垫在方向盘与驾驶者之间，防止驾驶者
2、的头部和胸部撞击到方向盘或仪表板等硬物上，这种奇妙的装置自从面世以来，已经挽救了许多人的性命。美国一研究所分析了1985年至1993年美国7000多起汽车交通事故中发现，有气囊装置的轿车前部撞车，驾驶者的死亡率，大轿车降低了30%，中型轿车降低11%，小型轿车降低14%。其实，早在40年前就创造了安全气囊。1953年8月18日，美国人约翰 赫特里特获得了“汽车缓冲安全装置的美国专利。赫特里特是一位自学成才的宾夕法尼亚州工程师，他在1952年的一次事故后，萌发了设计撞车安全装置的想法。在这次事故中，他为躲避一个障碍物而猛打方向盘进行制动，他和妻子都用手臂本能地保护坐在前座中间位置上的女儿。这次事
3、故后他意识到必须有一个更好的方法来保护乘员，两周之后他绘好了设计图纸交给了代理人，这份图纸确定了今天安全气囊的雏型。当然，事物的开展不是一帆风顺的，安全气囊从取得专利到应用推广，竟然走了三十多年的时间，经历了几上几下的曲折，因为汽车制造商以本钱理由拒绝接受安全气囊装置。前几年才由美国参议院通过公路死伤减少条例，确认了安全气囊的作用，规定从1995年9月1日以后制造的轿车前排座前均应装备安全气囊，美国政府还要求1998年以后的新轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊。目前各国生产的中高级轿车，大多数有安全气囊，有些轿车已将安全气囊列入必装件。二、安全气囊的作用在乘员使用安全带的情况下，气囊有助于减轻
4、胸、头和面部在碰撞时受伤的严重性。在汽车发生前碰撞时，首先是汽车要停止运动，车内乘员的惯性力作用下仍以原来速度继续向前运动。不佩戴安全带的乘员将会与转向盘、前挡风玻璃相碰，因而可能受到严重伤害；佩戴安全带的乘员将在安全带的作用下，随着汽车停止运动而逐渐停止向前运动。但当碰撞来重时，乘员向前运动更快，既使佩戴了安全带，在安全带使乘员完全停止运动前，他们仍会与车内物相碰。如果此时装在转向盘或仪表板内的气囊充气弹出，它就可以保护乘员减少其与车内物相碰的可能性，更均匀地分散头、胸的碰撞力，吸收乘员的运动能量，从而起到补充安全带效果的作用。因此气囊主要在缓冲前碰撞或近似前碰撞严重性方面，补充安全带提供保
5、护作用。实际事故统计说明，仅有10%左右的事故能使气囊充气。绝大局部事故都是靠安全带减少乘员受伤危险的。即使在气囊能充气的事故中，佩戴安全带也非常重要，一方面它确保乘员处于可获得气囊最有效保护的位置与姿势，另一方面也减少了充气气囊对乘员面部擦伤的危险。因此，无论车内是否装有气囊，都必须佩戴安全带，气囊只起辅助作用。三、安全气囊系统结构及工作原理安气囊系统在轿车上的布置如图1所示，它是由传感器、中央控制器、双气囊、双安全带预紧器和接头等组成。 中央控制器由中央传感器、电子控制器、安全传感器和辅助电源组成。气囊中除了气囊外，还有电雷管、气体发生器；安全带预紧器中也有电雷管。31系统工作原理在汽车行
6、驶中，3个传感器不断将车速变化的信息输入到电子控制器，经电子控制器不断地计算、分析、比拟和判断，并随时准备发出指令。当车速小于30km/h冲撞时，前方传感器和其串联的安全传感器同时向电子控制器输入撞车信号，并发出引爆安全带预紧器电雷管的指令，而中央传感器发出的信号不能使电子控制器发出引爆气囊电雷管的指令。所以，在低速(减速度较小)冲撞时，只要预紧器向后拉紧安全带，就足以保护驾乘人员不撞向前方。 在高速(减速度较大)冲撞时，前方传感器和中央传感器同时向电子控制器输入冲撞信号，电子控制器在迅速判断后发出指令，同时引爆左右预紧器和双气囊的电雷管。安全带向后拉紧的同时，2个气囊同时张开，吸收驾乘人员因
7、减速度大而产生的冲撞能量，有效地保护他们的安全，如图3所示。当汽车和前面的固定物冲撞时，汽车行驶的速度越快，减速度就越大，传感器接受到的力就越大。假设将前方传感器和中央传感器预设定的力分为上、下限，即前方传感器的预定冲撞速度在小于30km/h的下限值，并且相应的安全传感器预设值也是下限值，那么汽车发生低速冲撞时，电子控制器只使安全带预紧器引爆。中央传感器预设值为上限，那么汽车高速冲撞时，前方传感器，中央传感器和安全传感器同时向电子控制器输出冲撞信号，电子控制器使所有的电雷管引爆，那么安全带拉紧，气囊张开。从发生冲撞、传感器发出信号到控制器判断引爆电雷管，大约需要10ms时间。引爆后，气体发生器
8、产生大量氮气，迅速吹胀气囊。从发生冲撞到气囊形成，进而到安全带拉紧，全过程所需时间为30-35ms，所以气囊系统的保护效果是非常好的。当气囊引爆后，由于产生的气体大量涌进气囊，使气囊的压力增高，不利吸收冲撞能量，所以，在气囊的后面有2个排泄压力的气体排放孔，有利于保护驾乘人员的安全。 由于汽车发生碰撞事故的瞬间是非常短促的，因此安全气囊装置必须要立足于一个“快字，抢先在前。据计算，正规的安全气囊必须要做到在发生汽车碰撞内的百分之一秒内，微处理器开始工作，百分之三秒内点火装置启动，百分之五秒内高压气体进入气囊，百分之八秒内气囊向外膨胀，百分之十一秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。
9、图4、安全气囊充气瞬间32系统主要部件(1)前方传感器此传感器安装在保险杠后与挡泥板之间，用来感测低速冲撞的信号。前方左右2个传感器结构相同，都是偏心锤式机械传感器。传感器装在1个密封的防振保护盒内，其结构如图5所示。 汽车正常行驶时，扭力弹簧将锤、动触头定在止点位置，传感器没有触发信号给中央控制器。当汽车冲撞时，惯性力克服弹簧的扭力而使其产生运动，带动触头转动，使动、静触头接合。此时，传感器向中央控制器发生“接通信号，同时安全传感器也接通，于是电子控制器发出引爆安全带预紧器电雷管的指令，使安全带拉紧而到达安全保护作用。(2)中央传感器中央传感器装在中央控制器内，用来感测汽车发生高速冲撞的信息
10、，并将其输送到电子控制器，用来引爆气囊电雷管，使气囊张开。同时前方传感器也引爆了预紧器的电雷管，即安全带预紧和气囊张开同时起作用。中央传感器的结构如图6所示。其悬臂架压在半导体应变片的两端，当汽车发生冲撞时，半导体应变片在悬臂减速度力作用下发生弯曲变形，受压后的电阻发生变化，电阻的变化引起动态应变仪输出电压发生变化。汽车的速度越大，冲撞后产生的减速度力越大，那么输出的电压也越大。 (3)安全传感器本系统设立了2个安全传感器，用来防止系统在非冲撞时引起气囊的误动作。它们装在中央控制器内，是1个水银常开开关，如图7所示。当发生冲撞时，足够大的减速度力将水银抛上，接通电雷管电路。 (4)电子控制器电
11、子控制器包括引爆控制电路、驱动电路、储存电路和诊断电路等(参见图 2所示)。它们都集中装在中央控制器上。实际上，引爆控制电路是1个晶体管开关电路。当传感器传来的信号电压足够大时，晶体管的发射极和集电极就导通，将传来的信号与已经储存的信号(电阻、电压)相比拟，确认是冲撞信号后那么接通继电器，由驱动电路接通电源与电雷管的总开关电路，引爆气囊和安全带电雷管。储存电路和诊断电路是合在一起的。诊断电路不断地分析和诊断气囊系统的各种故障，将这些故障编码储入储存电路，以备将来检修时用。与此同时，驱动电路使仪表盘上的SRS警告灯开始闪烁。5辅助电源辅助电源包括1个直流稳压器和1个电容储能器。直流稳压器能保证供
12、应系统电压的恒定性，使系统能正常工作而不发生失效引爆事故。它是一种带比拟、放大和调节动能的集成稳压装置。电容储能器是利用电容储存电能，在冲撞中发生电源中断时，担负起气囊系统的电源作用，避得失效引爆事故。 图9、驾驶员气囊四、使用中的问题1烟和粉末气囊充气时不会燃烧或破裂，由于化学反响而产生烟和粉末状残渣，其成分大局部是演粉或滑石粉与钠的化合物，对人体无害。这些粉末用于防止折叠在组件内的气囊自身粘结，有助于充气时膨胀，充气后生成的微量氢氧化钠粉末与空气中水分相互作用，很快生成碳酸钠和碳酸氢钠小苏打。皮肤或眼睛如与沉淀物接触，可能有短时间刺激感，但不会对健康产生危害。气囊充气后，在乘客舱内将有检测
13、不出的微量叠氮化钠残潭存在。叠氮化钠是气体发生剂的主要成份，其固体状态有毒，但它密封在一个很结实的金属容器内，乘员或救缓人员不可能接触这种化学物质。发生碰撞事故时，传感器发出的电信号引爆气体发生剂，叠氮化钠发生化学变化，转变成无毒的氮气和二氧化碳，用于给气囊充气。2意外充气放出触发气囊充气的传感器是感知减速度的开关，它仅能被严重的前碰撞或近似前碰撞所激发。猛烈关门、坐在转向盘毂上、用手摇动保险杠、在上下不平路面上行吮等都不会产生足以激发气囊充气的减速度，气囊决不可能意外充气。传感器也能准确鉴别汽车紧急制动与严重前碰撞或近似前碰撞的差异，实际上，制动系统能产生的最大减速度仅仅为激发气囊充气所需的
14、1/10。3气囊充气后驾驶汽车气囊充气后，人体碰压使其很快泄气，只要汽车仍然能行驶，驾驶员就能继续操纵带有瘪气囊的转向盘。显然，在这种情况下行驶是危险的，只能在应急时这样做，而且应尽快把车送到修理厂去。4气囊充气对眼镜的损坏由于乘员与充气气囊相碰，可能使眼镜架折弯、损坏甚至断开，造成面部轻伤，但眼镜片不会破碎或伤及眼睛。5气囊充气的声音气囊充气时的声音很响，但持续时间极短，以致大多数乘员都没注意到。因为实际碰撞的声音几乎完全淹没了气囊充气的噪音。在试验和实际使用中，从未有任何乘员听力受损的报导，有些人反映，气囊充气后，他们的耳内有鸣响，不过很快就会消失。6在装有气囊的车室内放置物品在气囊的前方
15、、上方或近处放置的任何物品都有可能防碍气囊充气或被抛射出去，在车室内安装收音机、CD机等附件时，要遵照汽车厂的规定，否那么会影响气囊工作。7碰撞损坏汽车上的气囊如果在由于碰撞而严重损坏的汽车上有未引爆充气的气囊，那么可能该气囊的电路系统故障，以致没有电信号传给气体发生器，此时应首先断开电源线。但考虑到气囊系统有能量延迟特点，即在电源失效情况下也能在短时间内具有可以引爆充气的能力，因此在发生碰撞事故后不久，不要靠近或放置物品在未充气气囊旁边。在装有气囊的汽车着火时，当气囊组件的温度到达150左右时，气囊也会自行充气。已充过气的气囊组件没有任何危险性，撤除后可按一般废物处理。8气囊系统的更换在碰撞
16、后可修复的汽车上，必须更换已充过气的气囊系统。任何气囊系统都是与某一特定车型的碰撞特性及乘员舱尺寸相匹配的，因此，只能更换专门为该车型设计的气囊系统。9气囊与儿童约束乘坐汽车的儿童应使用适宜的儿童保护装置，在装有气囊的汽车上尤应如此。由于气囊充气可能对前排儿童产生意外危险，所经最好把儿童安排在后座椅上。五、安全气囊技术的新开展 51气囊织物技术 这种新型气囊质量较小、舒适性好、装配性能较好，能同时适用于轿车和货车，利于气囊的开展和普及。目前此种气囊仍处在试验阶段。轻型气囊的另一开展趋势是无涂层气囊。采用无涂层气囊，可让气体通过可穿透性织物从气囊中释放出来，而节省了缝纫的操作及本钱，也有利于缝纫技术的改善。 52气囊的内部结构 新