安全气囊的发展与应用课件

为何要使用安全气囊？ 每年我国都有几十万人因交通事故而受伤或死亡，而许多的乘客 在事故中没有任何安全措施来保障自己的人身安全，为了减少事故 过程中对乘员的伤害，必须设置安全装备，虽然目前有安全带，但 仅使用安全带的情况下，有效保护率为4349，如果把安全带和 安全气囊一起使用其有效保护率高达60 。因此，安全气囊已经成 为保护乘客不可或缺的一种辅助设备，所以，为了乘员的人身安全 ，我国正在大力倡导使用安全气囊，而安全气囊的大面积的使用也 是未来的一种趋势。 1、汽车安全气囊概述 发生交通事故时，汽车不可避免的要发生碰撞。汽车发生碰撞全过程分 为两个阶段：没有人参与的汽车与汽车或汽车与障碍物之间的碰撞作为碰 撞的第一阶段。碰撞第一阶段必然导致汽车产生减速度，车内人员由于惯 性就会以一定的加速度向撞击发生的方向运动，如果这个加速度足够大， 将造成人员与车内构件相碰，把这个碰撞叫碰撞的第二阶段，即伤人阶段 。安全气囊的作用即在碰撞的第一阶段和第二阶段之间，迅速在车内人员 与汽车构件之间产生一个充满气体的气垫，在碰撞过程中通过气囊的阻尼 排气等过程吸收乘员的动能，使碰撞的第二阶段得以减缓，以减轻碰撞对 人员的伤害程度。安全气囊属于汽车乘员“被动安全性保护装置”。其中安全 带在被动保护过程中起主要作用，而安全气囊属于辅助约束系统（ Supplemental Restraint System），即SRS。 1.1汽车安全气囊发展史 1.1.1国外汽车安全气囊的发展 1953年8月，John.W.He.Trick首次提出了“汽车用安全气囊防护装置” ，并获得了题为“汽车缓冲安全装置”的美国专利。 60年代末，美国高速公路行车安全管理局（NHTSA）开始顾虑汽车厂 商发展安全气囊。 70年代，世界各国的综合力量使安全气囊的研究与发展进入了一个 全新的发展阶段。 1984年，NHTSA在著名的“联邦机动车安全标准 ”FMVSS（Federal Motor Vehicle Safety Standard） 208条乘员碰撞保护中增加了安装气囊的要求，这 为安全气囊的发展和使用提供了一个明确的法则及指导 方向。 1993前后，美国政府立法规定从1995年9月1日以后 制造的轿车前排座均应装备安全气囊。另外，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 。 进入90年代以来，安全气囊的安全性已经被人们普遍 接受，并被视为一种现代化和高档次的安全装置。 1.1.2国内汽车安全气囊的发展 我国对汽车安全气囊的研究起步较晚，上个世纪80年代末我国的一些 汽车碰撞安全和军工专家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。随着世 界汽车进军我国，我国的汽车工业迎来了前所未有的发展契机。1992 年， 我过自行研制的 FS-01 安全气囊通过撞车试验。我国的政策法规也对我国 汽车工业的发展提供了良好的发展空间。在我国“九五”规划期间和“十五”规 划中, 国家经贸委和汽车行业将安全气囊列为我国汽车零配件三大重点发展 项目( 电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统) 之一, 尤其是在 1999 年10月28日, 国家机械工业局发布关于正面碰撞乘员保护的设计规 则( CMVDR294) 。2000年以来，我国安全气囊市场需求平均每年都有 超过200%的速度在增长。到2007年，我国80%以上的安全气囊组件将实 现本地化生产。目前，我国安全气囊零部件ECU、气体发生器、气袋、布 料的国内采购率只有5%左右，气囊组件配套还有很大的发展空间。 1.2安全带与安全气囊的比较 汽车被动性安全装置主要有安全带和安全气囊。实验表明安全 带对乘员有良好的约束力，可以防止乘员被惯性力甩离座位，并且 在汽车发生碰撞时能够吸收由惯性力所产生的大部分能量。但在汽 车碰撞实验分析中，发现安全带对乘员，特别对驾驶员的头部、胸 部以及膝部所能提供的保护是很薄弱的。而安全气囊则对驾驶员头 部、胸部以及膝部的保护效果特别明显，大大地减少了乘员的死亡 率和减轻了乘员的损伤程度。 项 目 安全带系统 安全气囊系统 安全保护范围给乘员提供各种碰撞事故和翻 滚事故的全方位的保护 汽车发 生严重的正面碰撞和侧面碰撞 时，对乘员提供头部和胸部有效的保 护 设备 的可靠性设备 的可靠性 可以随时对 系统的零部件故障 进行检查 靠诊断装置进行一般故障检查 ，但无法 进行系统零部件的无损检查 设备 的方便性要佩带和解开安全带，即使采 用自动安全，对乘员的行动有 很大的约束，可以防止乘员从 座位上甩出，乘员的碰撞范围 较小 乘员无任何约束，但在汽车发 生碰撞 时，乘员可能会甩出座椅，在很大的范 围内与车内装备发 生碰撞 使用的普及性 及成本 安装、维修、更换都很方便维修较复杂，若零部件出现大是故障 时，则需要更换全套安全气囊系统 维修的方便性 普及容易，成本低廉，不需要提 高汽车总 价 在普及驾驶员 和前排座安全气囊，并作 为汽车标 准安装，但造价高。其他形式 的安全气囊暂时为选 装件 发展方向 电子控制安全带预 收紧（与安 全气囊电子控制系统统 一控制 ） 全方位、多个气囊的电子控制的安全控 制系统，智能安全控制系统 1.3汽车安全气囊的工作原理及结构 1.3.1汽车安全气囊系统的组成及作用 安全气囊系统主要由传感器、微处理器（ECU）、气体发生器 和气囊等主要部件组成。 1.3.2安全气囊系统的工作原理 1.3.3传感器的工作原理 在安全气囊控制系统中，普遍采用了传感器来感知汽车在发生碰撞 时的信号，检测汽车在发生碰撞时的碰撞强度，一旦碰撞强度达到或 超过设计所允许的强度后，各个传感器立即起作用，同时产生和输出 一系列被碰撞的信号，这些碰撞信号传输给中央电子控制器，由中央 电子控制器中的微处理器来进行处理和判断，决定是否引爆安全气囊 。汽车安全气囊控制系统中所采用的传感器，主要类型为惯性加速度 传感器，正常情况下，依靠弹性元件使传感器保持在断开状态，当汽 车发生碰撞时，惯性元件克服弹性元件的阻力，使传感器立即被接通 并产生碰撞信号。 传感器结构如图1-4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、安装在与外壳连接 的凸柱内的永久磁铁和绕制在软铁上的线 圈及引线组成。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。 1.3.4安全气囊的工作过程 安全气囊的作用过程如下：碰撞碰撞传感器电子控制器（电 脉冲）气体发生器气囊展开乘员保护。汽车发生正面碰撞时驾驶 员的安全气囊展开过程如图所示 a010ms：在汽车特定的敏感部位处，安装碰撞传感器。碰撞传感器受到足够 的碰撞冲量作用时，在10ms的瞬间内，将触发信号输送到中央电子控制器。 b1020ms：在中央电子控制器中，主要有对安全气囊系统进行监测和控制的 微处理器，能够对传感器输入的触发信号立即进行计算、比较和判断。如果碰撞冲 量超过预先的设定值，中央电子控制器立即释放一个电脉冲火花，使气体发生器中 的雷管急速爆炸。 c2060ms：雷管的爆炸击穿气体发生器的燃料盒，将固定燃料点燃并产生高 温、高压气体（氮气），快速地经过滤器过滤冷却后冲入安全气囊。气囊在20 60ms内张开达到最大容积，在乘员与车内装备之间形成一个气垫。在同一瞬间， 乘员因惯性力的作用，可能向前冲出150200mm，头部、脸部和胸部正好与迎面 而来的气囊相接触。但高压气囊膨胀的能量，会把乘员“回弹”到座椅上，使得乘员 身体受到一定损伤。 d60100ms：与此同时，装在气囊后面的排气孔打开，气囊泄气并收缩。由气 体的阻尼作用，吸收了碰撞的能量，缓解了气囊对乘员头部和脸部的压力，使乘员 陷入较柔软的气囊中。由于安全气囊将乘员与车内装备隔开，而使得乘员得到保护 。最后气体全部从排气孔排出，气囊瘪下。 1.3.5控制系统的组成与原理 （1）控制系统的组成 安全气囊的中央电子控制器（Electronic Control Unit）是以微处理 器为核心的控制系统。 安全气囊中央电子控制器一般由微处理器，信号输入输出系统，安 全气囊系统电源，警告和诊断系统，辅 助 组 件 构 成。 传感器 电子控制器气体发生器气囊 控制系统模块 气 囊 组 件 模 块 （2）控制系统的控制原理 其控制原理如下：安全气囊控制系统的动作信号是由碰撞传感器、中 央传感器和安全传感器来产生，然后由中央电子控制器来判断各个传感 器输入的信号。安全气囊的引爆过程是根据运动学的规律，用力学方法 对碰撞加速度强度进行计算，确定碰撞加速度强度的平均值，储存在中 央电子控制器的微处理器中。 中央电子控制器接收到碰撞传感器的信号，并经过与微处理器中储存 的加速度平均值相比较和认定，如果达到或超过储存加速度平均值，中 央电子控制器才能发出电脉冲来引爆安全气囊。避免了由于汽车紧急制 动、通过不平路面以及通过沟堑时产生的强烈振动，发生“误爆”而引起不 良的后果。 1.4.1按引爆方式分类 按引爆方式分类，安全气囊系统可分为机械控制式和电子控制式两类 。 1.4.2按安全气囊数量分类 按安全气囊数量分类可分为单安全系统，双安全气囊系统和多安全气 囊系统。 1.4.3按保护类型分类按保护类型分类 安全气囊系统可分为驾驶员用安全气囊，前排成员安全气囊，防侧撞 安全气囊和后座成员用安全气囊。 1.4安全气囊系统的分类 1.5安全气囊的控制算法 根据目前国内外汽车安全气囊控制的一些主要算法，解释了该算 法中的核心内容和研究特点。在结合传统方法的同时，提出了两种 新的算法数据融合控制算法和模式识别控制方法。汽车安全气 囊的应用拯救了许多乘员的生命。但随着汽车的应用越来越多，气 囊错误弹出的情况也时有发生，这样反而会威胁到乘员的安全，所 以必须提高安全气囊的控制性能。因此，我们也需要进一步研究气 囊控制算法。 1.5.1安全气囊点火控制的几种算法 1)加速度法 该算法是通过测量汽车碰撞时的加速度（减速度），当 加速度超过预先设定的阈值就弹出安全气囊。 2)速度变量法 该算法是通过对汽车加速度进行积分从而得到加速度 变化量，当加速度变化量超过预先设定的阈值时就弹出安全气囊。 3)加速度坡度法 该方法是对加速度进行求导得到加速度的变化量作 为判断是否点火的指标。 4)移动窗积分算法 对加速度曲线在一定时间内进行积分，当积分值 超过预先设置的阈值时，就发出点火信号。 移动窗积分算法 本文主要介绍一下移动窗积分算法 气囊点火的条件指标： 汽车碰撞时的水平方向加速度（或减速度）ax。ax是直接反映碰撞 激烈程度的信号，而且ax在最佳点火时刻的选取中起关键作用。 汽车碰撞时垂直方向的加速度ay，气囊控制系统加入ay对非碰撞信 号能起到很大的抗干扰作用，当汽车发生正向碰撞时，ay与ax有很大的不 一致性；而当汽车受到路面干扰， ay与ax有很大的一致性，可以由此来判 别干扰信号，结合这几个量，得出一个判断气囊点火的最佳指标。 移动窗算法中对ax的处理为（1）式： （1） 移动窗口算法示意图 其中t为当前时刻，w为时间窗宽度（采样时间宽度），对ax(t)进行积分，得 到指标S(t，w)，当S(t，w)超过预先设定值时，则发出点火信号。 写成离散形式，如式(2)： (2) n为当前时间点，k为采样点数，f为采样频率。 加上垂直加速度之后，可以提高对路面干扰的抗干扰能力，形式如式(3)： (3) S(n，k，)为双向合成积分量，n，f，k如上定义；为合成因数，表 征两个方向加速度在合成算法中的权重。 （2）利用数据融合提出的改进算法 由上面的叙述中我们可以知道，移动窗积分算法对于气囊弹出与否进 行判断主要是根据积分量S，现在我们对积分量进行一些改造，可以克服 上述缺点。具体做法如下，加入以下几个观察量： （1）汽车碰撞时的水平方向速度v，v可以反映汽车碰撞时乘客的受伤 害程度。v越大，乘客的动能就越大，碰撞时受到的伤害就越大。v是判 断气囊是否应该打开的最直接的指标。 （2）坐位上是否有乘员的信号。座位上无人时，当发生碰撞则可以不 弹出气囊，这样做可以减少误触发的几率，同时避免对其他乘员的伤害 。引入函数： 这个函数的波形为下图： 当v超过30km/h的时候，y的值就大于1；反之就小于1。现在普遍采用 的标准是，安全带配合使用的气袋引爆车速一般为低于20km/h正面撞击 固定壁时，不应点爆。而在大于35km/h碰撞时，必须点爆。在20km/h和 35km/h之间属于可爆可不爆的范围。所以我们取v030km/h为标准点 ，这样结合上面的移动窗积分算法提出新的S1，则S1为： (4) 这样当vv0时，汽车点火引爆的灵敏度就比原来大了；而vv0时引爆气囊的灵敏度不 需要太大，可以适当调整 的系数为1/，此时y函数图形如 下图 （4）设计判别函数原理 通过对上述数据库的统计，我们可以得到气囊弹出的概率P( w1)，从而 P(w2)=1P(w1)。 要对x进行分类，还需要类条件概率密度。p(x|w1)是气囊弹出状态下观察x的 类条件概率密度；p(x|w2)是气囊不弹出状态下观察x的类条件概率密度。这样 我们可以算出w1和w2的后验概率 （6） 基于最小错误率的贝叶斯决策规则为：如果P(w1|x) P(w2|x)，则把x归类于 弹出状态w1，反之P(w1|x)P(w2|x)，则把x归类于不弹出状态。把它设计成分 类函数的形式，则可以直接利用分类函数进行判别。 （7） x是样本向量，w为权向量，w0是个常数。在实际操作中，可以通过 上述数据库中大量的样本来计算出w和w0。得出g(x)后，则可以对实际中 检测到的一组特征值进行评估，以决定是否引爆气囊。 由上可知，移动窗算法对于低速的 抗干扰方面存在不足；而加入了速度函 数的改进算法，能够适当增加系统在高 速时的灵敏度，又能减少低速时的气囊 误触发几率，符合现代安全气囊的控制 要求；模式识别的控制算法是建立在前 面正确的控制算法的基础上，利用大量 的历史数据得出判别函数，从而直接对 气囊是否弹出进行判断，大大减少计算 量 。 2、安全气囊的应用 安全气囊属于烟火类（PTI）器材，无论是装配、储存、使用以及 运输，都必须按照有关易燃、易爆危险品的“爆破器材法”的规定来处 理。 2.1安全气囊的缺点 1）气囊可能在很低的车速时打开。 2）气囊的启动会对乘员造成伤害。 3）当乘客偏离座位或座位上无人或儿童乘坐时，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。 2.2安全气囊的正确使用 1）安全气囊必须和安全带配合使用。 2）注意日常检查。 3）及时排除安全气囊的故障，否则会产生两种严重后果。 4）避免高温。 5）避免意外磕碰和振动。 6）不要擅自改变安全气囊系统及其周边布置。 7）乘员尽量坐后排。 8）严格按规范保管安全气囊系统元器件。 3、安全气囊的改进和引用 3.1磁电式传感器的采用分析 3.2智能化控制系统的采用 3.3乘员探测系统的选择 3.4气体发生器的多元化发展 3.5可分级充气或释放压力装置的采用 4、汽车安全气囊的发展趋势 当前安全气囊新技术的开发研究可以概括为向着气囊的 智能化、绿色环保化、虚拟技术化等方向发展。 4.1安全气囊的智能化 4.2安全气囊的绿色环保化 4.3安全气囊的虚拟技术化 4.4安全气囊