5.2安全气囊.doc

安全气囊随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，使得事故更为频繁，汽车安全性就变得尤为重要。 安全气囊，也称辅助乘员保护系统。它是一种当汽车遭到碰撞而急剧减速时能很快膨胀的缓冲气囊，可以保护车内乘员不致撞到车厢内部，是一种被动安全装置。 为了减少汽车发生正面碰撞时由于巨大的惯性力所造成的对驾驶员和乘员的伤害，现代汽车在驾驶员方向盘中央普遍装有安全气囊，有些汽车在副驾驶座前的手套箱上端和乘员座位上也装有安全气囊。 当汽车发生正面碰撞事故时，安全气囊控制系统检测到冲击力超过阈值时，安全气囊电子控制装置立即接通充气元件中的传爆管电路，点燃传爆管内的点火介质，火焰引燃点火药粉和气体发生剂，产生大量气体，在0.03s的时间内 即将气囊充气，使气囊急剧膨胀，冲出方向盘盖罩，缓冲对驾驶员和乘员的冲击，随后又将气囊中的气体放出。初中证明，汽车装用安全气囊后，汽车发生正面碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大减小，见图一。 图一气囊工作示意图在乘员使用安全带的情况下，气囊有助于减轻胸、头和面部在碰撞时受伤的严重性。当汽车发生前碰撞时，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。不系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；系安全带的乘员可以随着汽车停止运动而逐渐停止向前运动。如果碰撞剧烈，乘员向前运动更快，即使系了安全带，在完全停止运动前，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，补充安全带提供保护作用。实际事故统计表明，仅有l0左右的事故能使气囊充气，见图二。图二 气囊展开图1 概述 1.1安全气囊的作用 在汽车发生冲撞时，安全气囊系统对保护驾乘人员的安全十分有效。目前安全气囊系统一般为转向盘单气囊系统，或者双气囊系统。安装有双气囊和安全带预紧器系统的车辆在发生冲撞时，不管速度高低，气囊和安全带预紧器同时动作，因此造成低速冲撞时气囊的浪费，使维修费用增加很多。 两次动作的双安全气囊系统，在汽车发生冲撞时，能根据汽车的速度和加速度的大小，自动地选择只使用安全带预紧器动作，还是安全带预紧器和双气囊同时工作。这样，在低速发生冲撞时，系统只使用安全带即能足够保护驾乘人员安全，而不用浪费气囊。如果在速度大于30kmh发生冲撞时，安全带和气囊同时动作，以便保护驾乘人员的安全。 1.2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），见图三。 图三 气囊的种类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。按照保护对象有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与侧面防撞安全气囊几种。 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。美式气囊地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。日本的安全气囊也属于欧式气囊类，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。2 系统主要部件气囊组件执行器机构，系统主要部件，传感器、电子控制器。2.1前方传感器 此传感器安装在保险杠后与挡泥板之间，用来感侧低速冲撞的信号。前方左右2个传感器结构相同，都是偏心锤式机械传感器。传感器装在一个密封的防振保护盒内，见图四。图四 气囊传感器前方传感器的工作原理是：汽车正常行驶时，钮力弹簧将锤、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，使安全带拉紧而达到安全保护作用，见图五。图五 前方传感器前方传感器有4个引脚，其中2个引脚接到电子控制器，另外2个为自诊断引脚。金属电阻的作用是诊断本传感器和中央控制器之间是处于开路状态还是处于正常状态。2.2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，见图六。中央传感器是一个固体半导体压力传感器，它具有稳定性好、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。中央传感器的结构，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，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。图六 中央传感器2.3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。 2.4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，是在一块集成片上把存贮器、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的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起，而构成的计算机片。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)、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。 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，见图七。图七 气囊电雷管2.4.1辅助电源 辅助电源包括一个直流稳压器和一个电容储能器。直流稳压器能保证供给系统电压的恒定性，使系统能正常工作而不发生失效引爆事故。它是一种带比较、放大和调节动能的集成稳压装置。作用：汽车发动机关闭后，电池一般仍然需要为多个系统的运转供电。为了降低这种情况下的功耗，电源管理模块引入了几个省电模式：关断微处理器时钟、通过使能输入关断转换器电路，这是两个最常见的例子。然而，有些器件和功能例如：遥控门禁系统(PKE)和安全系统应当始终保持工作状态，无论电源来自发电机还是电池，图八所示为典型的气囊电源模块。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，避免失效引爆事故。图八 电源模块2.4.2用物理学原理说明气囊的作用使用气囊与不用气囊相比较，为什么前者比较安全？ 若某次事故中汽车原行驶速度是35m/s，乘员冲向气囊后经0.2s停止运动，人体冲向气囊的质量约为52kg，头部和胸部作用在气囊上的面积约为700cm 。估算，人的头部和胸部受到的平均压强为多大？ 安全气囊是现代轿车上引人注目的高技术装置。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，防止驾驶者的头部和胸部撞击到方向盘或仪表板等硬物上。安全气囊面世以来，已经挽救了许多人的性命。研究表明，有气囊装置的轿车发生正面撞车，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%。安全气囊主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀，气囊容量约在(50-90)L。同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤。安全气囊所用的气体多是氮气或一氧化碳。除了驾驶员侧有安全气囊外，有些轿车前排也安装了乘客用的安全气囊(即双安全气囊规格)，乘客用的与驾车者用的相似，只是气囊的体积要大些，所需的气体也多一些而已。另外，有些轿车还在座位侧面靠门一侧安装了侧面安全气囊。随着汽车工业的发展，近些年来安全气囊几乎成了各个汽车厂商轿车的标准配备了，然而对于这个事关生命的小部件，车主们对它的关注似乎少了一些。 2.5气囊组件安全气囊系统的组成安全气囊系统主要包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线路，气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。2.5.1碰撞传感器对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不尽相同，而且碰撞传感器的名称也不统一，例如有些碰撞传感器按照工作原理也称为加速度传感器。1、按照用途的不同，碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞传感器也称为碰撞强度传感器，用于检测碰撞时的减速度或惯性，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号；防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器，它与触发碰撞传感器串联，用于防止气囊误爆。2、按照结构的不同，碰撞传感器分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。防护碰撞传感器一般采用电子式结构，触发碰撞传感器一般采用机电结合式结构或机械式结构。机电结合式碰撞传感器是利用机械的运动（滚动或转动）来控制电气触点动作，再由触点断开和闭合来控制气囊电路的接通和切断，常见的有滚球式和偏心锤式碰撞传感器。电子式碰撞传感器没有电气触点，目前常用的有电阻应变式和压电效应式种。机械式碰撞传感器常见的有水银开关式，它是利用水银导电的特性来控制气囊电路的接通和切断。3、对于早期的汽车，一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部，例如车身两侧的翼子板内侧、前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧等部位。随着碰撞传感器制造技术的发展，有些汽车将触发碰撞传感器安装在气囊电脑内。防护碰撞传感器一般都与气囊电脑组装在一起，多数安装在驾驶舱内中央控制台下面。图1 带有碰撞传感器的气囊电脑。2.5.2气囊电脑 它是气囊系统的核心部件，大多安装在驾驶舱内中央控制台下面。气囊爆炸后，在气囊电脑中会存储碰撞数据和故障码，这些故障码用普通仪器无法清除。为了保证气囊工作的可靠性，很多汽车生产厂家建议气囊电脑一次性使用。但是气囊电脑的价格很高，因此很多具有气囊电脑数据修复功能的仪器被开发出来，通过读取并修复碰撞数据，可以实现气囊电脑的再次使用。需要注意的是，配件市场上存在将修复电脑作为新配件销售的情况，购买配件时应注意。图2 帕萨特B5气囊电脑气囊系统有个电源，即汽车电源（蓄电池和发电机）和备用电源，备用电源电路由电源控制电路和若干电容器组成。当汽车发生碰撞导致蓄电池和发电机与气囊系统断开时，备用电源在一定时间内（一般为6）可以维持气囊系统供电。3系统的工作原理及工作过程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，而不是让他的运动骤然而止，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酸钠（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）气体和水蒸气化学方程式：NaN3 + NH4NO3 -N2 + Na + N2O + H2O(g)3.2.1 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，以缓冲前排乘客所遭受的冲击力度，主要保护其头部不受伤害。当然不必紧张，传感器会自动计算所受到碰撞的强烈程度，不会因驾驶员操作不当、汽车遇到小的障碍或较轻的碰撞而导致气囊错误起爆。根据德国罗伯特博世公司在奥迪轿车上实验研究表明：当汽车以50km/h与前面障碍物相撞时，安全气囊系统的动作时序如下所示：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。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。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。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做依靠背上，汽车前方恢复视野。5）碰撞大约120ms后，碰撞危害解除，车速降低至零。3.2.2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。一般说来，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度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。汽车遭受侧面碰撞超过斜前方 30时汽车遭受横向碰撞时汽车遭受后方碰撞时汽车发生绕纵向轴线侧翻时纵向减速度未达到设定阀值时汽车正常行驶、正常制动或在路面不平的条件下行驶时3.2.3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，而且车身的刚度公布也是不均匀的。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。必须满足以下条件，安全气囊才会引爆：1）车速一般在50公里小时以上，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50公里时速撞向墙壁和撞向沙堆的效果截然不同，因此50公里小时只是相对速度，只有当实际碰撞满足条件时，安全气囊才会自动打开。这里所说的速度不是我们通常意义上所理解的车速，而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阀值时，才能引爆点火剂使充气剂受热分解给侧面SR