汽车安全气囊分类和功能浅析

汽车安全气囊的分类与功能分析安全气囊气囊做为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。当汽车与障碍物碰撞后，称为一次碰撞，乘员与车内构件发生碰撞，称为二次碰撞，气囊在一次碰撞后、在第二次碰撞之前快速打开充气气垫，使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”从而缓和乘员受到的冲击并吸收碰撞能量，减轻乘员的伤害程度。安全气囊分布在车内前方（正副驾驶位），侧方（车内前排和后排）和车顶三个方向。在装有安全气囊系统的容器外部都印有SupplementalInflatableRestraintSystem，简称SRS)的字样，直译成中文，应为“辅助可充气约束系统”。英文名称中强调了安全气囊是辅助性的设备，应该与安全带配合工作才能起到最佳的保护作用。可惜的是中文名称中忽略了这一点，容易给用户带来误解，以为仅靠安全气囊就能获得良好的保护效果。其实，若不配合安全带使用的话，在某些情况下，安全气囊展开时会对乘员造成不必要的伤害。在正驾驶位的气囊装在方向盘的中间位置，副驾驶位的安全气囊安装在正前方的平台内部，在意外发生的瞬间可以有效的保护驾驶员和副驾驶位乘员的头部和胸部，因为正面发生的猛烈碰撞会导致车辆前方大幅度的变形，而车内乘员会随着这股猛烈的惯性向前俯冲，造成跟车内构件的相互撞击，此外，汽车驾驶位置的安全气囊可以有效防止方向盘在发生碰撞时撞到驾驶员的胸部，避免致命的伤害。侧气囊系统通常安装在车门上，以在发生侧面碰撞和车辆侧翻时保护乘客的安全，在车辆遭到侧面碰撞会导致车门严重变形，以至于无法开启车门，车内乘员被困于车内，侧面安全气囊可以有效的保护车内驾乘人员来自侧面撞击导致的腰部，腹部，胸部外侧，以及胳膊的伤害，保证身体上肢的活动能力和逃生能力。随着整车被动安全重要性的深入人心，在一些高档豪华车中出现了高达30几个气囊从颈部、膝部、甚至是在车顶的两侧会配有两条管状气囊，在发生事故时，它可以有效地释放屋顶顶部的向下压力，配合侧面气帘能够有效的保护乘客的头部和颈部。膝盖部分的气囊位于前排驾驶座椅内，一旦打开能够有效保护后排乘客的腰下肢体部位，从而也能缓解来自正面碰撞的前冲力。外部安全气囊系统也称为保险杠内置安全气囊。当汽车在正面碰撞行人时，气囊迅速向前张开和向两侧举升，托起被撞行人同时防止行人跌向两侧。目前车外气囊系统正处于研制阶段。安全气囊概述安全气囊是汽车被动安全技术含量高的产品。它的保护效果已经被人们普遍认识，有关安全气囊的第一个专利始于1958年。1970年，制造商开始开发能够减少碰撞事故中乘客受伤的安全气囊；20世纪80年代，汽车生产厂家开始逐渐装用安全气囊；进人90年代，安全气囊的装用量急剧上升；而进入新世纪以后，汽车上普遍都装有安全气囊。汽车安全气囊系统（简称SRS）是辅助安全系统，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现。安全带与安全气囊是配套使用，没有安全带，安全气囊的安全效果将要大打折扣。据调查，单独使用安全气囊可使事故死亡率降低18%左右，单独使用安全带可使事故死亡率下降42%左右，当安全气囊与安全带一起使用时，可以降低事故死亡率47%左右。由此可见，只有两者相互配合才能最大可能的降低事故的死亡率，安全气囊系统必然作为安全带的辅助系统出现。当发生碰撞事故时，安全带将乘员“约束”在座椅上，使乘员的身体不至于撞到方向盘、仪表板和风窗玻璃上，避免乘员发生二次碰撞；同时，避免在车辆翻车等危险情况下将乘客从座位上扔下。安全气囊的保护原理是：当汽车遭受一定碰撞力量以后，气囊系统就会引发某种类似小剂量炸药爆炸的化学反应，隐藏在车内的安全气囊就在瞬间充气弹出，在乘员的身体与车内设备碰撞之前起到铺垫作用，减轻身体所受冲击力，从而达到减轻乘员伤害的效果。安全气囊系统称为SRS，相对于安全带，安全气囊只是一个辅助保护设备。安全气囊是用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成，工作时用无害的氦气填充。此系统由一个传感器激活，该传感器用于监视碰撞中汽车速度减小的程度。在碰撞发生的早期，安全气囊开始充气，安全充气大约需要0.03秒。安全气囊可以非常快的速度充气十分重要，这样可以确保当乘客的身体受到安全带约束且头部仍向前移动时，安全气囊能及时到位。在头部碰到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气。气体的排出有一定的速率，确保让人的身体部位缓慢地减速。由于安全气囊弹开充气的速度可高达320公里/小时，碰撞时如果人的乘坐姿势不正确，将给人带来严重的伤害。如果前排装备了安全气囊，不要让6岁或140CM以下的儿童坐在前座，不要将婴儿座椅放在前排乘客座椅上。安全最为重要现场爆破的安全气囊是VOLVOS80的双段式前安全气囊，分为两段激活式，它可以根据冲击强度设置安全气囊的充气压力，更加人性化地保护驾驶者的人身安全。严重碰撞时，气囊迅速充气，压力最大；非严重碰撞时，气囊先充70%的气体，经过0.1秒的间隔后再充30%的气体，从而来减小充气压力，让人的头部与气囊更柔和地接触。VOLVOS80轿车配备有22个安全气囊，有前部先进的双段式安全气囊，安装在前乘客座上的保护乘客胸部的SIPS防侧撞气囊，还有保护侧面乘客头部的IC气帘等。瑞典VOLVO轿车以安全高质闻名于世，1959年VOLVO我们的工程师发明了三点式安全带，至今已拯救了数百万人的生命。在正面撞车时，安全带是最重要的安全设施，但实际上在严重碰撞中它也只能避免头部受重伤。因为尽管有安全带，然而，如果发生严重碰撞，人们的上身仍会因大惯性而向前冲。所以安全带只有与气囊配合起来，才能使乘客在重大事故中得到最好的保护。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。当汽车在高速行驶时被猛烈撞击，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）气体和水蒸气]安全气囊的来源安全带自发明以来一直发挥着非常重要的保护作用，但在强烈的碰撞发生时，前座驾乘者的头部和胸部还是很容易受到伤害，于是安全气囊便诞生了。众所周知，气囊对冲击的缓冲作用是非常有效的，它会充分吸收驾乘者的部分冲力，辅助安全带保护驾乘者。于是更多的气囊出现在了驾乘者的头部和侧面。例如VOLVO公司开发的SIPS（车侧碰撞防护系统）的防侧撞气囊和ICSystem（充气保护屏障系统）的充气帘。这些保护系统为驾驶员和乘客提供全面的安全保护，一旦汽车发生正面碰撞、侧撞或翻滚，安全带加上安全气囊将全力保护驾乘者的安全。安全气囊的结构原理现代安全气囊系统由碰撞传感器组成、缓冲气囊、气体发生器及控制块（电脑）等组成。3.气体发生器。安全气囊系统要求气体发生器能够在较短的时间内（30ms左右）产生大量的气体充满气囊，产生的气体必须对人体无害，且不能温度太高，同时要求气体发生器有很高的可靠性和稳定性。气体发生器主要有：压缩气体式、烟火式和混合式三种型式。混合气体发生器是压缩气体和烟火发生器的组合，也是目前广泛应用一种气体发生器。4.控制装置。一般集成在微计算机中。当汽车发生碰撞事故时，电控装置接收多个传感器传来的车身不同位置的减速信号，经过反复不断的分析、比较、计算，决定是否发出点火信号。控制装置需要在复杂的碰撞情况下做出非常准确的判断，点火时刻也必须精确控制。虽然安全气囊在结构上会有所不同，但其工作原理基本一致。汽车行驶过程中，传感器系统不断向控制装置发送速度变化（或加速度）信息，由控制装置（中央控制器）对这些信息加以分析判断，如果所测的加速度、速度变化量或其它指标超过预定值（即真正发生了碰撞），然后，控制装置向气体发生器发送点火命令，或者传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生N2或将储气罐中压缩氢气释放出来充满碰撞气袋。乘员与气袋接触时，通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量，达到保护乘员的目的。安全气囊根据安装的位置及保护对象不同，主要分为：对驾驶员进行保护的气囊，装在方向盘内，防止驾驶员与转向盘、仪表板及前挡风玻璃发生碰撞；对前排乘员进行保护的气囊，装在仪表板内，防止乘员与仪表板、前挡风玻璃发生碰撞；对后排乘员进行保护的气囊，它通常安装在前排座椅的背面或头枕内部，防止乘员与前排座椅发生碰撞。由于后排乘员受到的伤害程度较轻，后座椅安全气囊一般只在高级轿车上使用。安全气囊的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。当汽车在高速行驶时被猛烈撞击，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）气体和水蒸气]新型安全气囊加入了可分级充气或释放压力的装置，防止头部被突然爆炸产生的巨大压力损坏，特别在乘客未佩戴安全带的时候，可导致生命危险。具体形式有：1.分级点爆装置，即气体发生器分两级点爆，第一级产生约40%的气体容积，远低于最大压力，对人头部移动产生缓冲作用，第二级点爆产生剩余气体，并且达到最大压力。总的来说，两级点爆破的最大压力小于单级点爆破的最大压力。这种形式，压力逐步增加。2.分级释放压力方式，囊袋上开有泄压孔或可调节压力的孔，它可以分为完全由气体压力顶升的方式或由计算机控制的拉环Tether。这种方式，一开始压力达到设定极限，然后瞬时释放压力，以避免过大伤害。安全气囊打开条件为了保证安全气囊在适当的时候打开，汽车制造商规定了安全气囊的点火条件，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。安全气囊打开需要合适的速度和碰撞角度。从理论上讲，只有车辆的正前方左右大约60°之间位置撞击在固定的物体上，速度高于30KM/h，这时安全气囊才可能打开。这里所说的速度不是我们通常意义上所理解的车速，它是车辆在实验室中与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。汽车发生碰撞时的主要受力部位是保险杠和车身纵梁，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，而且车身的刚度公布也是不均匀的。在一些事故中，例如，当汽车与没有后挡板的卡车发生贯穿件追尾碰撞时，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。安全气囊使用缺陷安全气囊作为提高汽车安全性的有效措施之一，越来越受到人们的重视。世界各国都投人大量的人力物力致力予安全气囊的开发，使得安全气囊系统得到大力发展。在一些实际的碰撞事故中证明安全气囊确实具有降低乘员伤亡的功效，但也发现了其存在的一些间题。安全气囊在使用中存在的问题有：1.气囊可能在很低的车速时打开。汽车在很低车速行驶而发生碰撞事故时，乘员和驾驶员系上安全带即可，完全不需要安全气囊展开起保护作用。如果此时安全气囊展开，将造成不必要的浪费，甚至还可能因安全气囊的展开加重碰撞伤害。2.气囊的启动会对乘员造成伤害。安全气囊系统启动时将冲开气囊盖板，并且在瞬间展开充气，很可能对乘员造成冲击；产生的高温气体也会灼伤乘客和司机。3.当乘客偏离座椅或座椅上没有人或儿童时，气囊系统的启动不仅起不到应有的保护作用，还可能会对乘员造成一定的伤害。对现有安全气囊改进的思考从安全气囊在使用过程中存在的缺陷可知，现有安全气囊的基本设计目标是应对严重的交通事故，但在一些不太严重，的事故中，系统反应过度，反而会对驾乘人员施加作用过大，适得其反，造成不必要的伤害。针对实际使用中存在的问题，我们更希望在安全气囊展开之前，安全气囊系统能够精确感应汽车发生的碰撞，并按照程序来判断碰撞事故的严重程度，如果碰撞级别比较低的话，只需将安全带的预紧机构拉紧即可；如果碰撞级别比较高，需要启动安全气囊，则将点燃气囊的指令传递给气囊系统。这要求安全气囊系统能够准确感应碰撞事故；并且能模仿人脑，根据实际的碰撞程度来判别安全气囊是否需要展开，有一定灵活性；并且能够针对不同体形的乘员适当的调整安全气囊。安全气囊的改进和报价1.磁电传感器的应用传感器的触发通常有：开关式，纯机械式，单点电子式，侧撞式，应变式等。目前，世界上没有统一的安全气囊传感器触发方法标准。不仅是因为其种类繁多，而且.是因为装于车身上不同位置的传感器触发方式也不同。为使传感器能够方便地安装在各个需要的感应部位，使其能够正确、适时地感应碰撞，可选用磁电式传感器。磁电式传感器可以安装在车身上的任何位置，只要稍微调整一下某些参数值，使得其能够识别峰值为0588m/s：和时间脉冲为0-20ms的碰撞加速度信号即可。只要峰值碰撞加速度和时间脉冲宽度同时满足条件，就会向气囊发出触发信号，展开气囊，对人体进行保护。传感器结构如图1所示，它由外壳（非磁性材料）、磁性材料、惯性体（非磁性材料）、连接在惯性体上‘的软铁、支持和调节位移幅值的弹簧、它由安装在与壳体相连的凸台上的永磁体和绕在软铁上的线圈和导线组成。当传感器受到碰撞加速度时，惯性体产生反向加速度，导致通过线圈的磁通量发生变化，在线圈引线两端产生钟形脉冲信号，当调整弹簧刚度时，可改变加速度信号的宽度。传感器的信号判别电路由三部分组成：信号幅度判别电路；信号宽度判别电路；有用、无用信号判别电路。通过对碰撞信号进行多方位的判别，可使控制装置获取的碰撞信号更全面，发出的点火控制更准确，以确保安全气囊在必要时展开。如何获得稳定的冲击加速度信号是研究；传感器的关键，也是保证传感器准确获取碰撞信号的关键。磁电加速度传感器采用落锤冲击测试装置来调整和校正其感应灵敏度。释放锤头，与橡胶面碰击时，安装在锤头上面的加速度或磁电式传感器将感受到冲击加速度。不同落高对应不同加速度；调整橡胶厚度，可改变信号宽度；调整落锤高度，可改变信号幅度。磁电式传感器不仅电子判别电路出错率低，感应碰撞信号的可信度高而准确；而且通过标锤落定实验可以调节它的感应范围宽度，满足汽车碰撞产生脉冲的再现，从而还可以安装于车身上任何部位。还有就是它设计简单，价格低廉，它不再是大多数汽车用户的奢侈品。2.采用智能控制系统安全气囊控制系统的要求是准确判断事故的冲击强度，控制气囊的展开与否。针对安全气囊在使用中的缺陷，必须进一步提高控制系统灵活性、准确性，为此我们可以采用智能式控制系统。1.碰撞传感器。安全气囊系统中的重要部件，其功能是检测、判断汽车发生碰撞后的撞击信号，以便决定是否展开缓冲气囊。有三种主要类型的碰撞传感器。机械传感器广泛应用于早期安全气囊中，主要应用惯性原理，利用传感器中元件的惯性力克服弹簧力来触发气体发生器。机械式在加速度较低时保证不启动气囊，可靠性较高；但只能单点传感，对机械部件的品质、精度和耐磨性要求极高。电子传感器是最早的碰撞传感器之一，根据电子原理，利用电信号来反映车身减速度，而后根据电信号来判别是否展开缓冲气囊。机电式传感器采用机电结合的方式，将机械信号转化为电子信号，再利用电子信号点爆安全气囊。即具有机械式的优点，它还可以克服机械传感器本身的缺陷，安装在车身上任何位置，以便得到较好的减速信号，而且能够在同一位置安装多个传感器。2.缓冲气囊。气囊一般由防裂性能好的聚酞胺织物制成，它是一种半硬的泡沫塑料，能承受较大的压力；经过硫化处理，可减少气囊冲气膨胀时的惯性力；为使气体密封，气囊里面涂有涂层材料。气囊的大小、形状、漏气性能是决定安全气囊保护效果的重要因素，必须根据不同汽车的实际情况来确定。目前，安全气囊系统开发人员正在开发基于神经网络原理的智能安全气囊系统。它主要是利用神经末梢（即各种传感器）将各自探索到的周围环境的各种信息传输给中枢神经（即电脑或微机），并能将碰撞事故的碰撞类型，碰撞事故严重程度以及碰撞时的车速等信息一起传递给电脑，由电脑对这些信息进行加工处理分析，做出相应反应，并执行与这些信息相对应的、正确的气囊保护程序，即所谓的智能式控制系统。智能式控制系统一般由两部分组成，软件部分和硬件部分。硬件部分主要由车载部分的电子控制单元组成（包括单片机、传感器、点火电路等）和地面部分（包括串行通讯电路、计算机系统等）；软件部分主要由单、片机部分和微机部分组成。控制系统框图如图2所示。气囊伤人、保护效果不佳或者浪费等状况。3.乘员检测系统的选择针对气囊未能对不同的乘员做出相应的保护，我们可在乘员座位上安装一个乘员探测系统，对车座上是否有人，乘员的体型大小，以及就座时偏离正中情况进行探测。相当于专门安装一个传感器，探测的乘员乘坐信息，并传递给中央电脑控制中心。如果发生碰撞的话，控制中心综合考虑乘客检测系统检测到的乘客乘坐信息，同时判断各种传感器传输的信息。这样的话，安全气囊系统就可以针对驾驶员和乘员的乘坐情况适时适量展开气囊，完全避免理想的安全气囊是可以针对各种不同的特殊情况对汽车的使用者进行保护。安全气囊应收集和使用尽可能多的有关乘客物理位置信息、碰撞类型和碰撞速度的数据，建立数据库，对碰撞中乘员和车的有关信息进行识别判断，调整安全约束系统参数，使人体获得最佳保护。要实现这一理想，以我们目前的研.究来说可能还有很长的一段差距，但我们可以逐步完成。以上的探讨思考也只是向理想迈进的一个步伐而已，相信今后随着科学技术研究的发展，我们的汽车安全措施会更加的完善。4.燃气发生器的多元化发展对于气体发生器，不仅要求其工作可靠，性能稳定，耐久性好，符合环保要求，而且要求尽量减轻其质量和降低成本。尤其针对安全气囊气体伤人的情况，更是要求对气体发生器加以改进。目前，叠氮化物作为气体发生材料的推进剂气体发生器广泛应用于汽车安全气囊系统，其它类型的气体发生器，包括混合气体型气体发生器、液体（液态气）型气体发生器、压缩空气蓄能型气体发生器和硝化纤维型气体发生器等也在积极研制。如摩尔顿公司生产的一种低密度、无毒的气体型气体发生器，与现用的相比具有体积小、质量轻的优点；布雷德公司开发的一种新型无钠叠氮化物气体发生器，耗用量不到钠叠氮化物发气剂的40%，而能产生等量的气体，从而使其体积减小，质量减轻。安全气囊的发展趋势随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高，近年来，安全气囊技术在汽车安全技术中也得到了迅速发展，智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。新的技术可以更好地识别乘客类型，采取不同的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等因素，进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用1级点火还是多级点火、点爆力有多大，并与安全带形成总体控制。通过传感器，安全气囊系统还可以判断车辆当前的碰撞形式，是正面碰撞还是角度碰撞，侧面碰撞还是整车的翻滚运动，以便驱动车身不同位置的气囊，形成对乘客的最佳保护。网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。在汽车网络中，有一种应用面比较窄，但是非常重要的网络即Safe-By-Wire。Safe-By-Wire是专门用于汽车安全气囊系统的总线，Safe-By-Wire该技术旨在通过综合使用多个传感器和控制器来实现对安全气囊系统的精细控制。Safe-By-WirePlus总线标准是由汽车电子供应商和部件供应商如飞利浦、德尔福等公司提出。与整车系统常用的CAN、FlexRay等总线相比，Safe-By-Wire的优势在于它是专门面向安全气囊系统的汽车LAN接口标准。为了保证系统在汽车出事故时也不受破坏，Safe-By-Wire中嵌入有多重保护功能。比如说，即使线路发生短路，安全气囊系统也不会因出错而起动。Safe-By-Wire技术将会在汽车安全气囊系统中获得广泛的应用。A安全气囊历史汽车安全气囊系统，简称SRS，它是一个辅助保护系统。安全气囊最早由瑞典人发明，到20世纪80年代，安全气囊技术基本成熟。1972年，通用汽车公司首次进行了大规模的安全气囊现场测试，并于1974年将安全气囊列为若干型号轿车的选购配置。1996年，通用汽车推出了业界第一款侧面碰撞安全气囊，可减轻气囊膨胀给儿童造成伤害。2002年，通用汽车宣布将在2003车型年的大型卡车和运动休闲车上的前气囊传感器，可根据副驾驶座上乘员的体重自动关闭安全气囊。B安全气囊工作原理当车辆发生碰撞时，安全气囊控树模块快速对信号做出处理，确认发生碰撞的严重程度已超出安全带的保