汽车新技术 第五章

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第三节安全带新技术Home一、车身新材料二、车身新结构三、接缝接合新技术第五章汽车被动安全新技术第一节车身新技术Home一、车身新材料

第五章汽车被动安全新技术1.车身新材料的种类（1）高强度钢板从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50%，故只适用于形状简单、延伸度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2～3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。到2000年，其用量占车身钢板用量。已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。Home第五章汽车被动安全新技术Home第五章汽车被动安全新技术车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高15%～25%；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20%；具有良好的点焊性能。烘烤硬化冷轧钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一。冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，经烤漆后强度可进一步提高。适用于形状复杂且强度要求高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C≤0.005%）中加入适量钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。轻量化迭层钢板：迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.2～0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25%～65%。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有其57%。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。Home第五章汽车被动安全新技术（2）铝合金与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43%，使平均油耗降至每百公里3L的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再利用，深受环保人士的欢迎。根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、轿车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。Home第五章汽车被动安全新技术（3）镁合金和钛合金镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。此外，它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板，仪表盘，方向盘等。钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。Home第五章汽车被动安全新技术（4）泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.4～0.7g/cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。（5）蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%～60%，且易于冲压成型。Home第五章汽车被动安全新技术（6）工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。20世纪70年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的显著成果（表5-1-2）。中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外20世纪80年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15,000吨高性能ABS工程塑料的能力。工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。目前六大类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应用，通常用于制造车身覆盖件、车门门槛、车身内外装饰件、水箱面罩、保险杠和车轮护罩等。Home第五章汽车被动安全新技术Home第五章汽车被动安全新技术（7）高强度纤维复合材料复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。玻璃纤维增强树脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好，特别是有良好的可塑性，对模具要求较低，对制造车身大型覆盖件的模具加工工艺较简易，生产周期短，成本较低。在轿车和客车上，采用玻璃纤维增强树脂复合材料制造的轿车车身覆盖件、客车前后围覆盖件和货车驾驶室等零部件。高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用，美国开展的最好。20世纪80年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33%左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。Home第五章汽车被动安全新技术（8）陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力学性能以及对热、电、光等的物理性能，陶瓷材料特别是特种陶瓷在汽车上的应用日益受到人们的重视。我国已成功研制钛酸铝陶瓷-铝合金复合排气管、氮化硅陶瓷柴油机涡轮增压转子和球轴承等汽车部件。汽车的构造材料可反映人类应用材料的技术水平。目前，六类主要材料如钢﹑铁﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃共占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等），车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等），油漆、纤维制品。如富康轿车用料为钢55%，铸铁12%，塑料12%，铝6%，橡胶3%。常见汽车材料的构成如图5-1-1所示。Home第五章汽车被动安全新技术Home第五章汽车被动安全新技术2.车身新材料应用的现状目前，国内外车身轻量化的研究方向是开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构。通过多年的探索，已取得了新的进展。德国大众九十年代末开发的路波TDI车型就是采用新设计、新材料、新工艺的综合成果。TDI所有车身部件都是由轻质金属制成，包括前挡泥板、车门、发动机罩和尾门，其中尾门的金属外层是铝质，内板是镁制成的。汽车的内部设备很多也是由轻质金属制成的，如座椅的框架由铝制成，方向盘的内骨架由镁制成，乘客舱和发动机室之间组合隔板是铝质的。支撑结构通常也是由高强度的薄板金属制成的。为解决新材料的防腐蚀保护和连接，大众采用创新的冲孔铆接法、迭边压接、激光钎焊等技术。Home第五章汽车被动安全新技术宝马在E60车身结构设计上，又还出了新的一步。E60车身的每个部件都按照各自不同的要求使用最合适的材料。如图5-1-2所示。白车身由以下几部分组成：车身前部宝马E60，车身侧面框架和顶棚，侧面板前部，车身底部，车身后部。二、车身新结构Home第五章汽车被动安全新技术1.车身前部车身前部由于要减少重量会使用铝合金，所以又为“减重型铝质前车”，德文的缩写为GRAV，车身前部如图5-1-3所示。GRAV的主要优点是前部车身的重量减轻；车桥的负荷分批和车的行驶特性进一步优化；由于重量减少，整个行驶舒适性提高。Home第五章汽车被动安全新技术2.车身侧面框架和顶棚A柱加固板如图5-1-4所示，在A柱内，上面和下面有两块水平加固板，提高了车在碰撞时的强度。Home第五章汽车被动安全新技术车架空心腔内加固板如图5-1-5、图5-1-6所示。在侧面骨架空腔内和以前一样安放涨压空腔加固板（成形件）。在E60车内有22块这样的板块，它降低了车的内部噪声。这些空腔和鼓的道理是一样的，空腔的空间越小，它从内部发射出的的噪声就越小。Home第五章汽车被动安全新技术3.底板结构底板结构必须使用高强度的钢。底板的结构分成三节，和行李厢之间没有隔板。隔板和后排座在一起。侧面框架外部加高件是在侧面固定到纵向横梁上，这就使得在侧面碰撞和正面碰撞时明显提高了在门槛区间的强度。前部的底板分成三件，如图5-1-7所示。这种结构的新特点在于下面各个构件和底板的固定是采用了特种方式铆接的螺母，如发动机撑架后部加长段（图5-1-8）。Home第五章汽车被动安全新技术4.车后部结构轮罩分成四件，如图5-1-9所示。悬架弹簧减振杆的支座的强度提高，厚度增加为2.5mm。这样也就无须其他的加固方法。防撞板如图5-1-10所示。这个构件是三位一体的，上面安装保险杠的可变形件，这里指的不是保险杠的杆件，而是采用激光拼焊的冲压成型件。这块板上的四个孔用来固定保险杠的可变形构件。Home第五章汽车被动安全新技术1.钢件接合技术（1）点焊粘贴接合点焊粘贴接合有三个明显优点：①由于接合方式是面接触，受力状况改善，使车身的刚度提高；②车身刚度的提高也达到了降低噪声的效果；③整个表面的粘合和密封效果的改善，提高了防腐能力。使用的粘合材料是1K环氧化物粘合剂，这种粘合剂的优点在于有很高的机械强度，而且可以实施自动化的工艺操作。（2）MIG钎焊MIG钎焊，即惰性气体保护焊，和一般焊接的区别在于，它使用的材料是青铜焊丝，它和要粘焊的基底材料不互熔，但却有非常高的粘合强度，有时甚至能够高于基底材料的强度。由于使用的温度较低，对锌覆盖层的影响小一些。由于钎焊料和基底材料之间的不同的电化学电位，在粘焊的部位内有良好的防腐蚀能力。三、接缝接合新技术Home第五章汽车被动安全新技术2.铝件接合技术冲铆拼合技术是纯正的机械加工方法，在过程中没有加热。要拼合的构件采用冲铆接合。这种方法不需要预先钻孔。在冲铆过程中冲铆的两个平面都要露出来以便加工。在E60车身上面采用半孔铆接。把冲铆件放入冲压工装内，把铆钉冲进上面板件内，把下面件的铆钉头铆死。为了防腐蚀，铆钉表面也要有专门的覆盖护层。如图5-1-11所示。在有交变和振动负载时，铆钉的受力过大，可以在受力较高的部位加一道点焊的工艺过程。Home第五章汽车被动安全新技术3.钢件和铝件的接合技术钢和铝之间会形成电解，使铝件损伤。所以在钢件和铝件接合的时候一定要注意缝隙内有没有电解质。在E60车身钢件和铝件的连接处采用拼贴和冲铆相接合方法。这时粘合剂不但起着密封的作用，也起着对接合方位增强强度的作用。使用的粘合剂是1K环氧基的粘合材料。这种粘合剂的优点是高强度，可以方便使用自动化的工艺过程。Home第五章汽车被动安全新技术第二节安全气囊系统SRS

一、安全气囊的类型二、安全气囊系统主要部件三、安全气囊系统的工作原理及工作过程Home第五章汽车被动安全新技术一、安全气囊的类型按照气囊的数量可分为单气囊系统（只装在驾驶员侧）、双气囊系统（正、副驾驶员侧各有一个安全气囊）和多气囊系统（前排安全气囊、后排安全气囊、侧面安全气囊），如图5-2-3所示。按大小可分为保护全身的安全气囊、保护整个上身的大型气囊和主要保护面部的小型护面气囊。按照保护对象不同可分为驾驶员防撞安全气囊、前排乘员防撞安全气囊、后排乘员防撞安全气囊和侧面防撞安全气囊。Home第五章汽车被动安全新技术（1）驾驶员防撞安全气囊驾驶员防撞安全气囊装在方向盘上，分美式和欧式两种。美式气囊考虑到驾驶员没有佩戴座椅安全带而汽车相撞时起保护作用，其容积较大，为60L。欧式气囊是假定驾驶员佩戴座椅安全带而设计的，其容积较小，约40L。日本的安全气囊属于欧式气囊。近年来，由于安全气囊的生产成本下降，日本安全气囊规格有所增加，如本田轿车的驾驶员防撞安全气囊容积为60L。（2）前排乘员防撞安全气囊由于副驾驶位置乘员在车内位置不固定且前方空间较大，因此为保护其撞车时免受伤害，设计的防撞安全气囊也较大。美式的约160L左右，欧式的约75L左右（后者考虑了乘员受座椅安全带的约束）。（3）后排乘员防撞安全气囊装在前排座椅上，防止后排乘员在撞车时受到伤害。（4）侧面防撞安全气囊装在车门上，防止驾驶员及乘员受侧面撞击。Home第五章汽车被动安全新技术传感器（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。传感器装在一个密封的防振保护盒内，如图5-2-4所示。前方传感器大部分使用的是偏心锤式，其工作原理是：汽车正常行驶时，扭力弹簧将动、静触头定在止点位置，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，使安全带拉紧而达到安全保护作用。前方传感器有四个引脚，其中两个引脚接到电子控制器，另外两个为自诊断引脚。金属电阻的作用是诊断该传感器和中央控制器之间是处于开路状态还是正常状态。二、安全气囊系统主要部件Home第五章汽车被动安全新技术Home第五章汽车被动安全新技术（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，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。如图5-2-5所示。中央传感器是一个固体半导体压力传感器，具有稳定性好、应变灵敏系数K值大（约100～150）及压敏电阻效应线性好等特点。中央传感器的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，则输出的电压也越大。由于半导体应变传感器输出特性受温度影响较大，故应用晶体管的基极发射极间电压Vbe的温度变化来消除传感器输出特性的变化，所以半导体传感器要求有稳定电源。（3）安全传感器安全气囊系统设立了两个安全传感器，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，是一个水银常开开关。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。Home第五章汽车被动安全新技术2.电子控制器控制器是由周边器件和主芯片（或单片机）组成。周边器件是一些功能器件，如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件；单片机也称微控制器，是把存储器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的导通时间以控制电动机转速的驱动电路、输入输出端口等集成于一体而构成的计算机芯片。控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等，直接关系到气囊的性能和运行状态，也影响控制器本身性能和效率。大部分ECU的电路结构大同小异，控制功能的变化则依赖于软件及输入、输出模块的变化，随控制系统所完成任务的不同而不同。ECU的输入信号主要有三种形式，模拟信号、数字信号（包括开关信号）和脉冲信号。模拟信号通过A/D转换为数字信号提供给微处理器。控制系统要求模数信号转换具有较高的分辨率和精度（>10位）。为了保证测控系统的实时性，采样间隔一般要求小于4ms。Home第五章汽车被动安全新技术数字信号需要通过电平转换，得到计算机接受的信号。对超过电源电压、电压在正负之间变化、带有较高的振荡或噪声、带有波动电压等的输入信号，输入电路也对其进行转换处理。电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。它们都集中装在中央控制器上。实际上，引爆控制电路是一个晶体管开关电路。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）相比较，确认是冲撞信号后则接通继电器，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，如图5-2-6所示。3.气囊组件气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。Home第五章汽车被动安全新技术安全气囊所要做的就是将乘客的速度降为零，同时确保乘客受到较少的损伤，甚至毫发无损。安全气囊的使用非常严格。安全气囊只能在乘客和方向盘或仪表板之间的有限空间内发挥作用，并且必须在几分之一秒的时间内完成使命。不过，如果安全气囊系统能够匀速降低乘客的速度，而不是让其运动骤然而止，那么即便是如此有限的距离和时间也是很有价值的。这里首先介绍安全气囊的基本化学原理：汽车的安全气囊内有叠氮化钠（NaN3）或硝酸铵（NH4NO3）等物质。当汽车在高速行驶中受到猛烈撞击时，这些物质会迅速发生分解反应，产生大量气体，充满气囊。叠氮化钠分解产生氮气和固态钠；硝酸铵分解产生大量的一氧化二氮（N2O）气体和水蒸汽。三、安全气囊系统的工作原理及工作过程Home第五章汽车被动安全新技术1.安全气囊系统的工作过程当碰撞发生时，控制器根据传感器发出的加速度信号，识别和判断碰撞的强度，当碰撞强度达到设计条件时，引爆气囊的传感器迅速触动点火器引爆氮气固态粒子，形成迅速膨胀的气袋，以缓冲前排乘客所受的冲击力度，主要保护其头部不受伤害。根据德国罗伯特博世公司在奥迪轿车上的实验研究表明：当汽车以50km/h的速度与前面障碍物相撞时，安全气囊系统的动作时序如下所示：Home第五章汽车被动安全新技术碰撞10ms后，安全气囊系统达到引爆极限，气囊组件中的电雷管引爆点火剂并且产生大量热量，使充气剂受热分解。如图5-2-7（a）所示。碰撞大约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收紧，部分冲击能量已被吸收。如图5-2-7（b）所示。碰撞大约60ms后，驾驶员头部及身体上部压向气囊，气囊背面的排气孔在气体和人体压力作用下排气，利用排气节流作用吸收人体与气囊之间弹性碰撞产生的动能。如图5-2-7（c）所示。碰撞大约110ms后，大部分气体已从气囊逸出，驾驶员身体上部回到座椅依靠背上，汽车前方恢复视野。如图5-2-7（d）所示。碰撞大约120ms后，碰撞危害解除，车速降低至零。Home第五章汽车被动安全新技术2.安全气囊系统的有效范围汽车安全气囊系统并非在所有碰撞情况下都能起到作用。一般来说，只有在车辆正面一定角度范围内才是打开安全气囊的有效碰撞范围，后碰、侧碰、翻转都不会引发安全气囊打开。如桑塔纳2000升级版在车身正面左右各30以内受到重创时才会打开安全气囊。在下列条件之一的情况下，安全气囊系统不会引爆点火剂，也不会给安全气囊充气，如图5-2-8所示。（1）汽车遭受侧面碰撞超过斜前方±30时。（2）汽遭受横向碰撞时。（3）汽车遭受后方碰撞时。（4）汽车发生绕纵向轴线侧翻时。（5）纵向减速度未达到设定阈值时。（6）汽车正常行驶、正常制动或在路面不平的条件下行驶时。Home第五章汽车被动安全新技术3.安全气囊的引爆条件为了保证安全气囊在适当的时候打开，汽车生产厂家都规定了气囊的起爆条件，只有满足了这些条件，气囊才会爆炸。虽然在一些交通事故中，车内乘员碰得头破血流，甚至出现生命危险，车辆接近报废，但是如果达不到安全气囊爆炸的条件，气囊还是不会打开。安全气囊展开进行保护的过程，是一种不可逆的过程，在完成保护过程后，必须重新安装安全气囊控制器和安全气囊总成。一般来说，车辆的轻微碰撞不会使气囊打开。只有在车辆正面一定角度范围内碰撞才能使气囊打开。汽车发生碰撞时的主要受力部位是乘员舱骨架和车身纵梁。为了缓冲碰撞时的冲击力，车身前部大都设计有碰撞缓冲区，而且车身的刚度分布也是不均匀的。在一些事故中，例如当轿车与没有后部防护装置的卡车发生钻入性追尾事故，或轿车碰撞护栏后发生翻车事故，或发生车身侧面碰撞等，这样的事故往往没有车身前部的直接撞击，主要是车身上部和侧面发生碰撞，碰撞车身部位的刚度很小，虽然车舱发生了很大的变形，造成了车内乘员受伤或死亡，但是由于碰撞部位不对，有时候气囊并不能打开。Home第五章汽车被动安全新技术必须满足以下条件，安全气囊才会引爆：（1）车速一般在50km/h以上，但关键因素是碰撞发生时的加速度（在国家鉴定试验中，碰撞瞬时的加速度约为-40g）；（2）正面行驶；（3）碰撞物体：刚性墙壁或障碍物；（4）打开时间：在碰撞发生后的几十毫秒内；（5）碰撞物体的刚性：车辆以50km/h速度撞向墙壁和撞向沙堆的效果截然不同，因此50km/h只是相对速度，只有当实际碰撞满足条件时，安全气囊才会自动打开。这里所说的速度是在试验室中车辆相对刚性固定障碍物碰撞的速度，实际碰撞中汽车的速度高于试验速度，气囊才能打开。后碰、侧碰、翻转都不会引发气囊打开。安全气囊可将撞击力均匀地分布在头部和胸部，防止脆弱的乘客肉体与车身产生直接碰撞，大大减少受伤的可能性。此外，气囊爆发时的音量大约只有130分贝，在人体可忍受的范围；气囊中78%的气体是氮气，十分安定且不含毒性，对人体无害；爆出时带出的粉末是维持气囊在折叠状态下不粘在一起的润滑粉末，对人体亦无害。但是需要强调的是，系好安全带是安全气囊发挥保护作用的一个重要条件。侧面SRS气囊系统只有在汽车遭受侧面碰撞并且其横向加速达到设定阈值时，才能引爆点火剂使充气剂受热分解给侧面SRS气囊充气，而不会给正面SRS气囊充气。Home第五章汽车被动安全新技术第三节安全带新技术一、智能预紧式汽车安全带的工作原理二、气囊式安全带Home第五章汽车被动安全新技术一、智能预紧式汽车安全带的工作原理智能预紧式汽车安全带（PretensionerSeatBelt）也称预缩式安全带。这种安全带的特点是当汽车发生碰撞事故的一瞬间，乘员尚未向前移动时它会首先拉紧织带，立即将乘员紧紧地绑在座椅上，然后锁止织带防止乘员身体前倾，有效保护乘员的安全。预紧式安全带中起主要作用的卷收器与普通安全带不同，除了普通卷收器的收放织带功能外，还具有当车速发生急剧变化时，能够在0.1s左右加强对乘员的约束力，因此它还有控制装置和预拉紧装置。理想的安全带作用过程是：首先，及时收紧，在事故发生的第一时刻毫不犹豫地把人“按”在座椅上。然后，适度放松，待冲击力峰值过去，或人已能受到气囊的保护时，即适当放松安全带。避免因拉力过大而使人肋骨受伤。最先进的安全带都带有预收紧装置和拉力限制器。目前，己研制出安全带上装有安全气襄，被称为背带式安全气襄。Home第五章汽车被动安全新技术1.预收紧装置当今的多数设计采用点火方式来拉入安全带。当燃气点燃时，压力会推动活塞上行，从而旋转卷收器。这种预紧器中的核心元件是一个燃气室。在燃气室内，还有一个包含易爆点火材料的小燃烧室。这个小燃烧室带有两个电极，并连接至中央处理器。当处理器探测到撞击时，它会立即在电极上施加一个电流。电极产生的火花将点燃点火材料，从而将燃气室中的燃气点燃。当事故发生时，人向前，座椅往后，此时如果安全带过松，则后果很可能是：乘员从安全带下面滑出去（即所谓“下滑”现象）；或者，人已碰到了气囊，而此时安全带由于张紧余量过大而未能及时绷紧，将全部负担都交给了气囊。这两种情况都有可能导致乘员严重受伤。正确安装的安全带，其松动余地一是由于乘员的衣服本身有一定的厚度，另外在安全带装置中也多少隐藏了部分松动余地，这种余地无法消除，但真遇到事故时，还应该尽量消除。安全带预收紧装置负责提供瞬间绷紧的安全带，如图5-3-1所示。其作用过程是：首先由一个探头负责收集撞车信息，然后释放出电脉冲，该脉冲传递到气体发生器上，引爆气体。爆炸产生的气体在管道内迅速膨胀，压向所谓的球链，使球在管内往前窜，带动棘轮转。棘轮跟轴连为一体，安全带就绕在轴上。简单地讲，就是气体压力使球移动，球带动棘轮转，棘轮带动轴转——瞬间实现了安全带的预收紧功能。从感知事故到完成安全带预收紧的全过程仅持续千分之几秒。管道末端是一截空腔，用于容留滚过来的球。图5-3-2所示为齿条式预收紧装置示意图。Home第五章汽车被动安全新技术Home第五章汽车被动安全新技术2.安全带拉力限制器事故发生后，安全带在预收紧装置的作用下，已经绷紧了。但当受力峰值过去后，安全带的张紧力度马上降低，以减小乘员受力，这份特殊任务由安全带拉力限制器来完成。在安全带装置上，有一个如前所述的预收紧装置，底下卷绕着安全带。轴芯里边是一根钢质扭转棒。当负荷达到预定情况时，扭转棒即开始扭曲，这样就在一定程度上放松了安全带，实现了安全带的拉力限制功能，如图5-3-3所示。在安全带预收紧装置和安全带拉力限制器的共同作用下，安全带的保护能力几乎达到了理想状态。Home第五章汽车被动安全新技术3.智能预紧式汽车安全带控制过程该系统包括一个由电动机驱动的回卷器和模块化的电动机控制器。在汽车的前向雷达或其他探测系统提供预警信号的情况下，自动预紧式安全带回卷器，不仅能够降低由于汽车安全气囊爆发所导致的负面伤害程度，而且可以提高安全带使用的舒适度。智能型汽车安全带系统工作过程如图5-3-4所示。Home第五章汽车被动安全新技术其控制模块原理如图5-3-5所示。碰撞传感器（Collisionsensor），通过ADx、ADy、ADz与电控单元（ECU）相连，提供碰撞信息，为ECU提供预紧式安全的控制提供依据。电控单元（ECU）根据获得的碰撞信息，对应控制预紧式安全带电动机的操作，来收紧或放松安全带，实现舒适度和安全性的良好结合。同时，电控单元通过CAN总线与车身控制系统相连，可从CAN总线获得相关的传感器信息及控制指令，同时将自身的工作状态信息传送到其他控制单元。电控单元通过DR1和DR2来实现对预紧式安全带电动机的控制，实现电动机正转、反转、转速改变等操作。Home第五章汽车被动安全新技术Home第五章汽车被动安全新技术4.智能预紧式汽车安全带的两种控制模式智能预紧式汽车安全带的控制模式主要有两种：一种是电子控制模式（即E型），由电子控制单元（ECU）检测到汽车加速度的不正常变化，经过电脑处理将信号发至卷收器的控制装置，激发预拉紧装置工作，这种预紧式安全带通常与辅助安全气囊组合使用；另一种是机械控制模式（即M型），由传感器检测到汽车加速度的不正常变化，控制装置激发预拉紧装置工作，这种预紧式安全带可以单独使用。（1）电子控制模式电子控制模式由电控单元ECU、距离警示系统、车道偏离警示系统以及各种传感器组成。电控单元ECU，其安装位置因车型而异。当前碰撞传感器和防护传感器与ECU组装在一起时，ECU必须安装在汽车纵向轴线上。不同车型ECU的结构各有不同，但大同小异。电子控制单元（ECU）均主要由专用中央处理单元CPU、备用电源电路、稳压电路、信号处理电路、保护电路、点火电路和监测电路组成。距离警示系统：这是最新安全技术的核心部分，它的主要特点是可以帮助驾驶员知道与前车的安全距离。当距离警示系统被激活后，驾驶员可以预先设定自己与前车的时间间隔（共有五种选择）。汽车行驶时，系统探测到本车与前面的汽车时间间隔低于本车的设定阈值时，会使卷收器处于预工作状态，同时会根据其他信号（加速度信号）的变化适时迅速地启动安全带预紧系统。该系统和前向雷达配合使用。Home第五章汽车被动安全新技术车道偏离警示系统：车道偏离警示使用摄像头监测汽车在车道标线之间的位置，如果未使用变道信号而越过车道标线且转向盘转角在短时间内发生大幅度急剧变化，系统则认为驾驶员正在规避前方车辆，车辆处于危险状态，从而向卷收器发出卷收指令。该系统和方向盘转角传感器配合使用。汽车在行驶过程中，各种传感器随时监测汽车的实时信号，并将这些信号传送至电子控制单元（ECU）。电子控制单元（ECU）根据这些信号判断汽车此时的行驶状态。在汽车行驶中，前向雷达通过发射和接受超声波判断汽车与前车或前方障碍物的实时距离，并将信号传送至电子控制单元（ECU），通过电子控制单元（ECU）与汽车出厂时生产厂商设定的阈值进行对比，判断汽车是否处于危险状态，进而判断是否需要向安全带卷收器发出预紧指令。在汽车行驶中，车速传感器不仅探测、感知汽车的实时车速，更监控汽车的瞬时加速度，或准确地说是瞬时减速度。当车速传感器检测到汽车的瞬时减速度超过某一阈值时，则认为汽车可能处于急刹车状态，于是向安全带卷收器发出指令，使安全带预紧。当汽车瞬时减速度恢复到正常范围时，将这一情况反馈到安全带卷收器，卷收器放松。Home第五章汽车被动安全新技术在汽车行驶中，不仅车速传感器工作，前碰撞传感器同时也处于工作状态。前碰撞传感器用于感知汽车遭受碰撞瞬间的受力大小并将此信号传送至ECU，进而判断出汽车遭受碰撞的剧烈程度，从而使得原来松跨在乘员身上的安全带瞬时拉紧，以减少冲击力。当汽车遭受碰撞、与前车距离小于最小安全距离或减速度达到前碰撞传感器和防护传感器设定阈值时，ECU判断汽车遭受碰撞或为躲避危险而处于紧急制动状态。此时，为防止驾驶员和前排乘客在巨大的惯性力作用下与方向盘或仪表台发生碰撞而受伤，必须使安全带预紧卷收。于是ECU立即通过前碰撞传感器和防护传感器将安全带卷收器的点火电路接通，向安全带收紧点火器发出点火指令，使收紧点火器电路接通，气体发生器就会产生氮气使收紧器工作，在碰撞8ms内将安全带收紧15～20cm，最终缩短驾驶员和前排乘员身体向前移动的距离，防止面部、胸部与转向盘、挡风玻璃或仪表台发生碰撞而受伤。在ECU向安全带收紧点火器发出点火指令的同时，还要向气囊点火器发出点火指令，使气囊膨胀吸收碰撞产生的动能，达到保护驾驶员和乘员的目的。因为气囊在发生碰撞40ms后才能完全充气达到最大体积，所以在座椅安全带收紧后，驾驶席气囊和成员席气囊才同时膨开。Home第五章汽车被动安全新技术（2）机械控制模式机械控制模式是由传感器检测到汽车加速度的不正常变化，控制装置激发预拉紧装置工作，这种预紧式安全带可以单独使用。与智能电子控制模式相比，其控制模式简单，主要由机械型座椅安全带收紧传感器的气体发生器完成预紧动作。具体如下：收紧传感器的构造虽因车型的不同而有差异，但其基本构造和工作原理是相同的。其组成元件有：惯性配重、触发轴（或栓杆）、点火销、点火弹簧和偏位弹簧。在正常情况下，点火销被触发轴（或栓杆）扣住，使点火销不能触发出去。此外，任何不必要的惯性移动均被偏位弹簧的弹力抑制，使安全带收紧器不致被误触发。如果车辆发生严重的正面碰撞，瞬间减速，惯性配重克服偏位弹簧力向前移动，从而使触发轴（或栓杆）释放开点火销，点火销被点火弹簧射出，点燃传爆管。火焰瞬时扩散到气体发生剂，从而产生大量气体。所有这一切动作都发生在20ms内。这种拉紧作用通过带扣同时作用于肩带和腰带上，能最大程度地束缚住佩戴者。Home第五章汽车被动安全新技术5.智能预紧式汽车安全带的技术要求智能预紧式汽车安全带是一种十分有效的乘员保护部件。但是它是否达到预期效果，满足设计要求和有关标准要求，尚需对产品进行必要的试验验证，以确保每条安全带在碰撞事故中都起到应有的作用。目前国内安全带产品还存在许多问题和不足：总成强度达不到标准要求；卷收器寿命试验达不到要求；卷收器结构问题等。（1）点爆条件的要求预紧式安全带的关键技术之一是点爆条件。由于汽车碰撞的形式不同，强度不同，准确点爆是基本要求。在汽车过坑、台阶、各种粗糙路面以及减速时，不能点爆。某些种类的预紧器带有机械式的控制器，由机械机构触发；多数预紧器由电子式控制器触发。如果汽车装备了气囊且使用智能控制器，则预紧式安全带的控制一般都由气囊控制器完成。例如由气囊控制器控制两个气囊和两个预紧式安全带，分两级控制；当碰撞强度达到第一级、未达到第二级时，点爆预紧式安全带；达到第二级时，点爆气囊。Home第五章汽车被动安全新技术（2）预紧器的收紧量要求收紧量的多少直接关系到预紧效果。预紧器有效工作时间受爆炸气体压力峰值持续时间的限制，一般都是10ms左右，有限的时间内，收紧量越大，对乘员的约束性能越好。但织带与人体胸部接触，其拉力也就是人体胸部受到的压迫力，过高的压迫力使织带可能会勒进乘员身体，引起骨折或压伤内脏器官，同样会对乘员造成不必要的伤害，这就增加了非碰撞带来的伤害风险。收紧量的大小视安全带佩戴状态的不同，一般为50～100mm。对预紧量的要求（限制）主要体现在对预紧力的限制，它是通过安全带限力器来完成的。安全带限力器由限力板、卷筒和固定轴等构成，具体如图5-3-6所示。当车辆发生严重的正面碰撞时，由于乘员进一步向前移动而使安全带所受的力超过预定值时，限力板开始变形，卷筒立即旋转，使得绕在其上的安全带得以向外拉出。与此同时，限力板继续随卷筒的旋转而绕固定轴变形，成为安全带继续拉出的阻力。当卷筒绕过1.25圈时，随着限力板两端接触，限力板完成绕固定轴的转动，卷筒也不能再进一步转动。结果，限力器完成其工作。Home第五章汽车被动安全新技术（3）预紧器起始工作时间的要求车辆碰撞过程极其短暂，要达到预紧的目的，必须在乘员身体尚未向前移动时，预紧器就起作用，因此预紧器的起始工作时间越早越好。预紧器要实现预紧作用，应在碰撞发生20ms内被触发并完成预紧动作，才能更好地保护乘员。（4）安全带卷收器的技术要求卷收器是安全带中最复杂的部件，种类不