汽车安全气囊系统讲义

1、 课程讲义汽车安全气囊系统第一节 概述一、前言汽车发生碰撞事故时，在惯性的作用下，司机和乘客会高速撞向方向盘等车内部件，受到伤害。在汽车上安装安全带和安全气袋等保护系统，可以在撞车时把乘客约束在座椅上，限制乘客头部、胸部的移动距离，避免与车内部件发生剧烈碰撞，从而起到保护作用。所以也把这种保护系统叫做乘员防护系统。二、气囊的发展情况安全气袋于1958年发明并申请了专利。它作为汽车被动安全性研究的成果，是随着汽车被动安全性研究的深入而发展的。美国通用汽车公司在1974-1976年间安装了大约一万套气袋系统，但是，由于技术上的原因又停止了生产。直到90年代后，由于以下原因才得到推广和普及：碰撞试验

2、技术的进步；公众对于安全要求的提高；安全气袋系统所需电子技术的提高；安全气袋对于人体的保护效果显著。从1970年到1990年的20年间，欧美关于安全气袋方面的专利只有106项，而从1990年到1994年4月，有专利464项。在美国，到1995年，前排乘员的气袋安装率已超过60。法规规定在1997年9月1 日后出厂的轿车中100安装司机侧和前排乘员侧气袋。在欧洲则是标准装备和选件并存，现在新车型基本都安装有安全气袋。安全气袋的保护作用是十分显著的。据美国官方公布的数字，1986年至1997年2月15日，安全气袋共挽救了1828人的生命(1639名司机，189名乘员)。安全气袋同时也有副作用。在上

3、述时间段内，气袋造成38名儿童、21名司机、2个乘员死亡。这些主要发生在低速碰撞的情况。造成死亡的原因有如下几种儿童及儿童座椅靠近气袋；碰撞前的制动使得儿童更加靠近气袋。气袋主要造成头和颈部伤害。另外矮个子司机受到的伤害也是类似原因。目前欧美等发达国家对乘员保护系统的研究主要有下述几个方面：发展低能量气袋，减少气袋对离位乘员、儿童乘员的伤害。研究侧撞气袋、翻滚气袋等保护装置。研究智能保护系统。研究膝部、小腿、踝部的保护装置三、气囊的种类1、乘员防护系统的分类 （1）主动安全装置( ABS EBD VSC 自动避让系统)自动避让系统通过雷达等探测装置随时监测路面状况。在汽车运行中探测汽车运动方向

4、上的障碍物。可以根据距离周围车辆的远近而自行调整车速，使车辆间保持一个安全的距离，减小发生碰撞的可能。一旦发生紧急情况，碰撞事故在所难免，它可以发出警报并自行采取刹车等措施，而无需驾驶员的操作。从而大大减轻碰撞的程度甚至完全避免事故，为乘客提供了更有效的保护。(2)被动安全装置（安全气囊、安全带、三节转向柱等）四、气囊对人体的保护原理气囊的基本保护思想是：在发生碰撞后迅速在乘员和车内部件之间打开一个充满气体的袋子，让乘员扑在气袋上。通过气袋的排气节流阻尼吸收乘员的动能，使猛烈的车内碰撞得以缓冲，以达到保护乘员的目的。其工作原理为：传感器感受汽车碰撞强度并将其传给控制器，控制器进行判断并在适当时

5、机发出点火信号触发气体发生器，气体发生器点火后迅速产生大量气体展开气袋。从而达到保护乘员生命安全的目的3.、SRS的类型（1）根据保护对象分车外气囊车内气囊： 、正面气囊：主驾驶气囊，副驾驶气囊，后排乘员气囊，、侧面气囊：单个气囊气帘以奔驰汽车的车窗气囊为例，系与装在车门内的侧气囊连动，撞击时爆开，保持充气5秒钟以上，可同时保护前座及后座乘客之头部与胸部安全；且气帘为多气室设计，即使有一、二个气室被尖锐物刺穿，也不致因气体排泄，而影响气帘的正常防护功能。、膝部防护气囊。、两段式两段式引爆的智慧型前座气囊，以奔驰汽车为例，撞击速度介于20-35km/h之间时，只会引爆气囊内的第一个气室；当撞击速

6、度更大时，第二个气室才会爆开，如何可避免在小撞击时，因气囊爆开力过大而伤人。另外为使整个系统更聪明，在前座内设置感应装置，无人乘坐时不会引爆气囊，儿童坐在上面时则自动调整引爆力。（2）按气囊数量分气囊系统气囊系统（3）根据触发装置电子式：只用一个减速仪电气-机械式：要求前方有多个传感器机械式五、对安全气囊系统的要求1、点火时刻准确以司机侧气袋为例。气袋点爆后，气体发生器的充气时间约是30毫秒。对处于正常位置的50百分位假人，最佳情况下是发生碰撞时，气袋刚刚充满气体后，人的头部即与气袋接触，这样保护作用最好。如果人头部接触到气袋时，气袋尚未充气完毕(迟点火)，则气袋不仅不能起到缓冲吸能作用，巨大

7、的爆炸力反而会将人打伤。如果气袋充气完毕后很长时间人的头部才与气袋接触(早点火)，由于气袋节流小孔的排气作用，气袋中没有足够的气体压力，同样会影响对人的保护作用。如果乘员乘坐位置偏离了正常位置，如司机离方向盘过近或过远，称为离位乘员。气袋对离位乘员具有较强的伤害作用。以司机侧气袋为例，根据美国有关机构的尸体试验结果，如果气袋点爆时尸体胸部靠在方向盘上，气袋会将其肋骨打断；如果胳膊靠在方向盘上，气袋会使得胳膊骨折。气袋对离位儿童乘员的伤害尤为严重。因此美国在推行低能量气袋，即延长气袋的充气时间，减少气袋爆出时的侵略性。此时气袋的充气时间大于30ms，气袋的点爆时间要提前。 2、 抗粗糙路面干扰能

8、力强气袋系统是一次性使用的安全防护系统，若意外点爆，除了会造成经济损失，由于气袋点爆时的巨大声响和体积，会对乘员造成惊吓，可能会引发不必要的事故。因此必须具有高的抗粗糙路面干扰能力。当汽车以2060km/h的速度通过下述路面时，气袋不应点爆：上下110毫米高的台阶、铁路铁轨、270毫米深的坑及国标路面，计有扭曲路面、坑洼路面、石块路面、搓板路面、卵石路面等。这些情况都会产生较大的汽车减速度，气袋系统必须能识别出此种状况，气袋不能点爆。3、高可靠性与工作稳定性由于汽车的工作环境比较复杂，气袋必须有较高的工作可靠性和稳定性。 如汽车在雨中工作； 汽车在高温气候中行驶； 汽车在寒冷的地区使用； 汽车

9、在高海拔的地区使用； 汽车在强电磁干扰环境中等。这些环境都不能引起气袋系统的失效。另外，某些时候汽车上的电瓶电压可能偏低；在发生碰撞时，可能在碰撞的最初时刻即将电瓶破坏，使气袋系统失去电源。因此气袋系统要有很宽的工作电源范围，并且当电源失掉后，应能有数百毫秒的持续工作能力。 第二节 传感器一、功用：检测判断汽车撞击后的撞击信号，以便及时启动安全气囊，并提供足够的电触或机械能点燃启发器。二、对传感器的要求（1）在人只受轻微损伤时对气囊判断是否定的（2）在人体受到严重损伤必须使用时，必须启动气囊（3）必须在最大允许时间之前启动气囊。（4）必须保证相当大温差范围内传感器都能正常稳定工作。三、传感方式

10、1、多点式目前正在使用的多点传感式安全气袋系统的典型配置，共有三个传感器：一个机电式传感器，一个机电式右传感器和诊断模块中的一个电子传感器。司机侧和乘客侧各有一个气袋。两个档板传感器中只要有一个闭合，诊断模块就对电子传感器送来的信号进行处理和判断，当认为有必要点火时，就发出点火信号使气袋充气。2、单点式电子式：采用单个电子式传感器，并且传感器和点火控制模块以及诊断模块都集成在一起。目前，由于点爆控制算法越来越完善，单点传感式气袋系统正在逐步取代多点传感式气袋系统。 机械式：四、传感器的结构原理1、机械式2、机电式（1）滚筒式 （2）滚球式（3）偏心转子式这种传感器一般安装在保险杠与挡泥板之间，

11、用来感知低速碰撞的信号。传感器安装在一个密封的防振保护盒内（4）水银式安全传感器是一个水银常开开关。安全传感器用来防止系统在非碰撞状况引起气囊的误动作，一般装在中央控制器内。当发生碰撞时，足够大的减速度力将水银抛上，接通传爆管电路。 3、电子式其中电子式集成度高，其内部集成有加速度传感，低通滤波器，温度补偿等模块；接口简单，可靠性高；具有自测试功能，可及时发现异常现象。 第三节 气囊组件由气体发生器、点火器、气囊、饰盖和底板等组成。驾驶员侧气囊组件位于方向盘中心处，乘客侧气囊组件位于仪表板右侧杂货箱上方。 一、气体发生器1、作用：在有效的时间内产生气体，使气囊张开。2、燃烧式 （1）可燃固体式

12、结构气体发生器由上盖、下盖、充气剂（叠氮化钠固体药片）和金属滤网组成。金属滤网安装在气体发生器的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧产生的渣粒。（2）工作原理：气体发生器是利用热效反应产生氮气而充入气囊。在点火器引爆点火剂瞬间，点火剂会产生大量热量，叠氮化钠药片受热立即分解，产生氮气并从充气孔充入气囊。虽然氮气是无毒气体，但是叠化氮钠的副产品有少量的氢氧化钠和碳酸氢钠（白色粉末）。这些物质是有害的，叠氮化钠融于水后有毒，对环保不利，因此在清洁膨胀后的气囊时，应保持良好的通风并采取防护措施。各气袋生产厂家都在发展新型的燃烧剂。可燃气体式是其中的一种，他将氢气和氧气按一定比例混合加压储存在储气瓶中。

13、它燃烧后产生水，没有固体颗粒，燃烧前也没有害，是一种理想燃烧剂。3、压缩气体式主要与机械式传感器及控制器连用。由于其产气量少、充气速度慢等缺点，应用较少。4、混合式是用少量的燃烧物质产生足够的热量，使得压缩气体迅速膨胀而充满气袋。其产气量大，而产生的热量少，是今后的发展方向。 对温度的敏感性较低，低温条件下性能变化不大； 通过调整，容易控制峰值压力、压力上升曲线、溢出气体的速度等； 对环境有利。无毒性材料；优异的抗老化性能； 气体发生器表面温度低。在气体发生器作用后，其表面温度至多上升75度，塑料件可与气体发生器接触； 溢出的气体无害。产生的少量非毒性颗粒，产出的颗粒浓度比采用叠氮化钠等燃烧剂

14、的热式气体发生器低； 优异的燃烧剂抗老化性能。在车体中15年无变化，推进剂不会吸湿。 气体发生器有单级和两级气体发生器。单级气体发生器有一个产气部件，两级气体发生器有两个相互独立的产气部件，适当组合两个部件的工作时间，即可获得不同的充气特性。适用与智能乘员保护系统。二点火器三、气囊气囊多采用尼龙布涂氯丁橡胶或有机硅制成。橡胶涂层起密封和保护作用，气囊背面有2个泄气孔。乘客侧气囊没有涂层，靠尼龙布本身的孔隙泄气。气袋的形式有两种一种体积比较大，即使乘客不系安全带也能起到良好的保护作用，主要在美国市场，因为美国法规对安全带的佩戴没有强制性； 一种体积较小，与安全带配合使用，是将安全气袋与三点式安全

15、带共同组成一个乘员保护系统使之达到最佳的乘员保护效果。这种气袋主要在欧洲市场应用，因为欧洲对安全带的佩戴有强制性要求。目前气袋系统有两种形式，一种是与安全带配合使用，当低速碰撞时，主要是安全带对乘员起保护作用，当发生高速碰撞时，才启动气袋对人进行保护，此时气袋主要保护人的面部，又称之为“面袋”第二种是单独起保护作用，发生碰撞时，气袋要保护人的头部和胸部。第二种气袋的体积较大(对司机侧气袋为60升以上)，充气时间长，充气量大，启动气袋的碰撞车速较低，造价高。第一种气袋的体积较小，(对司机侧气袋为40升左右)，充气量小，充气时间短，启动气袋的碰撞车速高，造价低。就我国情况看，第一种气袋更适合我国国

16、情。四、时钟弹簧由于司机侧气囊是装在方向盘上的，而方向盘要能转动，为了实现这种静止端与活动端的电气连接，采用了时钟弹簧。时钟弹簧装在弹簧盘里，弹簧盘用螺栓固定在转向柱顶部。时钟弹簧以正、反两个方向的盘绕实现了作旋转运动的一端与固定端的电气连接。弹簧内侧是固定端，把塞键与转向柱连在一起。时钟弹簧的使用寿命要求不低于10万循环。五、安全气囊警示灯安全气囊警示灯装在仪表板上，有的用图形显示，有的用字母显示。安全气囊警示灯可反映安全气囊系统的工作情况。一般把点火开关置于“ON”挡后警示灯先闪亮（或不间断亮）68s后熄灭，说明安全气囊系统正常，如果安全气囊警示灯不亮，或不停地闪耀或常亮则说明安全气囊系统

17、有故障。六、安全气囊电源能给气囊引爆器提供电源的渠道有两种系统中的电容器蓄电池蓄电池是一种备用设备，也是一种为引爆点火器提供电源的装置。它是通过电源输出导线把电送给安全气囊电脑的。七、连接器1、防止安全气囊误引爆机构 在这种连接器中有一个短路片。当连接器插头与插座接在一起时，插头的绝缘体将短路片顶起，短路片与点火器的两个端子分开，点火器中电热丝电路处于正常连接状态；当连接器拨下时，短路片就自动将点火器的两个引线端子短接，使点火器的电热丝与短路片构成回路，此时即使误将电源加到点火器上，点火器也不会引爆，从而防止安全气囊误引爆。2、电路连接诊断机构 电路连接诊断机构是用来监测连接器是否连接可靠，常

18、用于前碰撞传感器。在这种连接器中，有一个诊断销，和两个诊断端子，连接器正常连接时，诊断销与前碰撞传感器中的常开触点并联。3、连接器双重锁定机构 安全气囊系统在线束的重要连接部位，其连接器都采用了双重锁定机构，用于锁定连接器的插头与插座，防止连接器脱开。当主锁未锁定时，插头上的两个凸台阻止副锁锁定；当主锁完全锁定时，副锁锁柄方能转动并锁定；当主锁与副锁双重锁定时，防止连接器插头与插座分开。4、端子双重锁定机构安全气囊系统的每一个连接器都设有端子双重锁定机构，用于阻止引线端子滑出。连接器的插头与插座都是由锁柄和分隔片两部分组成，锁柄为一次锁定机构，可防止端子沿引线轴向方向滑动；分隔片为二次锁定机构

19、，可防止端子沿引线径向移动。八、线束安全气囊系统的线束采用了特殊的包装和色标，这一方面是为了便于检查，一方面是为了保证在碰撞中能保持线路的连接。 第四节 安全气囊的工作一、工作原理当汽车车速低于30km/h发生碰撞时，碰撞产生的减速度和惯性力较小，安全传感器和中央传感器将此信号送到安全气囊ECU，安全气囊ECU判断结果为不引爆安全气囊，只引爆安全带收紧器的点火器。与此同时，向左、右安全带点火器发出点火指令使安全带收紧，防止驾驶员和乘客受伤。当汽车车速高于30km/h发生碰撞时，碰撞产生的减速度和惯性力较大，安全传感器和中央传感器将此信号送到安全气囊ECU，安全气囊ECU判断结果为需要引爆安全气

20、囊和安全带收紧器共同保护驾驶员和乘客。与此同时，向左、右安全带点火器和安全气囊点火器发出点火指令，在安全带收紧的同时，驾驶员侧气囊和乘客侧气囊同时打开，达到保护驾驶员和乘客目的。二、安全气囊的动作过程根据德国博世（BOSCH）公司在奥迪（Audi）轿车上试验研究表明：当汽车以车速50km/h与前面障碍物碰撞时，安全气囊系统SRS的动作时序如下（1）碰撞约10ms后，SRS达到引爆极限，点火器引爆点火剂并产生大量热量，使充气剂（叠氮化钠药片）受热分解，驾驶员尚未动作，如图所示。（2）碰撞约40ms后，气囊完全充满，体积最大，驾驶员向前移动，安全带斜系在驾驶员身上并拉紧，部分冲击能量已被吸收，如图

21、。（3）碰撞约60ms后，驾驶员头部及身体上部压向气囊，气囊的排气孔在气体和人体压力作用下排气节流吸收人体与气囊之间弹性碰撞产生的动能，如图（4）碰撞约110ms后，大部分气体已从气囊逸出，驾驶员身体上部回到座椅靠背上，汽车前方恢复视野，如图（5）碰撞约120ms后，碰撞危害解除，车速降低直至为零。由此可见，气囊在碰撞过程中动作时间极短。从开始充气到完全充满约为30ms；从汽车遭受碰撞开始到气囊收缩为止，所用时间仅为120ms左右，而人的眼皮眨一下所用时间约为200ms左右。因此，气囊动作状态和经历时间无法用肉眼确认。目前世界各国广泛采用模拟人体进行碰撞试验。SRS动作过程与经历时间之间的关系

22、如下表第五节 乘员存在探测系统(OSS)包括乘员存在探测和乘员位置传感两个方面。一、存在探测系统(OSS)的作用是： 1、反向儿童座椅时，气袋不点爆；2、客座无人乘坐时，气袋不点爆。 3、客座气囊关闭时，气袋不点爆二、位置传感系统功能1、员离方向盘太近时，屏蔽气袋并发出报警；2、员离方向盘较近，但仍在气袋膨胀区以外，提前触发气袋3、离方向盘较远，应延缓触发； 4、使用多级触发气袋，选择气袋的点火级数；5、乘员信号与碰撞强度信号综合构成智能安全约束系统(ISRS)，使安全带、正面气袋、侧面气袋等其余被动安全设施协调作用，达到最佳保护效果； 6、乘员的信号也可用于调节车内温度、音响等，提高乘员的舒

23、适性。三、构乘员位置感应系统有如下几种技术方案： 1、激光式：用激光束照射到待测物体上，再利用测光仪器（例如CCD和扫描系统)来确定乘员的位置。其缺点是成本太高。随着激光技术的发展，其前景不错。需注意的是防止激光射入乘员眼中造成伤害。2、雷达式：这个系统与激光式有类似的特性，需注意的是它对于乘员尤其是儿童的健康是否有危害。 3、超声波式：由于声波的传播速度局限，超声波的响应时间在4ms左右，它给出的信息量不如雷达和激光。但它的价格便宜且鲁棒性较强。 碰撞预测系统是未来汽车的理想装备。它采用雷达、红外线、可见光等多种传感器。 第六节 预紧式安全带一、基本原理预紧式安全带是近年来发展的一种安全带。

24、一般，为了乘员的舒适，安全带的预紧力不能太大，安全带与人体之间总有一定的间隙，当乘员衣服较厚时，此间隙会较大。在碰撞时，这个间隙将减小安全带的有效作用范围，降低安全带的效能。安全带使用预紧器后，可在碰撞达到一定强度时，启动预紧器，带动锁扣回缩或卷收器回转，使得安全带缩短一定距离，有效消除间隙，可以提高安全带的作用。预紧式安全带是在普通安全带上增加预紧器构成的。预紧器可以与锁扣结合在一起(锁扣预紧器)，也可以与卷收器结合在一起(卷收器预紧器)。二、种类1、锁扣预紧式使用火药作为动力。锁扣上面与织带相连，下面由钢丝绳与预紧器内的活塞相连。发生碰撞时，通过点火设备点爆安装在预紧器上的火药，火药燃烧产生气体充入气室内。活塞在气体的压力下向右移动，通过钢丝绳将锁扣向下拉回约80mm，消除安全带与乘员间的间隙。在活塞中安装有钢球，使得活塞只能向右移动，防止在安全带的拉力下活塞向左移动。 2、卷收器预紧式安装