安全气囊的触发条件分析.doc

0 目目 录录 摘 要 I 一 概述 1 2 安全气囊的组成及分布 1 1 气囊总成和充气元件 2 传感器 3 电子控制单元 4 气体发生器 三 安全气囊触发 2 1 气囊点爆电流要求 2 假人撞击气囊三轴力曲线 3 冲击头撞击气囊位移曲线 四 安全气囊动作过程 4 五 安全气囊系统的有效范围 八 结论 8 参考文献 8 谢辞 9 1 摘摘 要要 本文主要分析了汽车安全气囊的大致组成和气囊的弹开条件 该分析包括 了气囊的种类 安全气囊的原理及结构 和碰撞传感器的种类 安全气囊现在 所存在的缺陷等 让人们正确的看待气囊所产生的作用 所谓 生命诚可贵 生命只有一次 为了保护我们珍贵的生命 一个有用 的 可靠的安全气囊成了至关重要的保护伞 理论上 只要碰撞等级达到了相 对应的要求 气囊就会弹开 但是在现实中 气囊在很多情况下是不弹开的 就是在很严重的车祸中 气囊也不会弹开 这与安装在汽车上面的传感器 气 囊的分类有很大的关系 相对应的撞击理论上是弹开相对应的保护人的气囊 但是气囊的缺陷有时候却是碰撞等级达到要求 而气囊也不弹开 本文对这样 的问题做了详细的解答 关关 键键 词词 传感器 气囊的种类 气囊 缺陷 2 安全气囊触发条件的分析安全气囊触发条件的分析 一 一 概述概述 汽车安全气囊系统 Supplemental Restraint System SRS 是轿车上的一种辅助 保护系统 与座椅安全带配合使用 可以为乘员提供十分有效的防撞保护 气囊 Air bag 是一种起缓冲作用的装置 SRS Supplemental Restraint System 是 辅助约束系统 的英文缩写 通常称为安全气囊 安全气囊属于被动安全系 统 安全气囊作为现在汽车交通工具的一种主要的安全防护措施 如今基本所有轿车上都 配备的辅助安全 但是人们常以为安全气囊就是只要自己出现事故危险都会弹开 保护自 己的生命安全 这只是在理论的情况下是这样的 但是实际中安全气囊要在特定的碰撞角 度下才可以弹开 保护车主的生命安全 当汽车时速超过 30 km h 发生前碰撞事故时 装在汽车前端的碰撞传感器和装在汽 车中部的安全传感器可检测到车速突然减速 由碰撞传感器将撞击信息传给电子控制单元 电脑 ECU 也称微处理器 CPU 经微处理器判断撞击的严重程度 并在几 ms 内决定是否起 动气囊 若需要则发出点火信号 安全气囊立即接通充气元件中的电雷管引爆火药粉和气 体发生剂 产生大量气体 气囊就会迅速充气膨胀 冲破缓冲垫 装饰板 在 30ms 内迅 速在乘员与车辆之间形成一道柔软的弹性屏障 使乘员免受伤害 当撞击发生后 气囊随 即自动放气 它不会妨碍车内人员出逃 也不影响他们的视线 安全气囊从触发 到充气膨胀 再到驾驶员头部陷入气囊 直至气囊被压扁的全过程 不超过 110ms 由于从传感器接收信号到气囊张开仅需 50 ms 而驾驶员撞向转向盘的时 间约为 60 ms 故在发生碰撞时 能有效地保护驾驶员 避免了驾驶员直接撞转向盘的危 险 二 安全气囊的组成二 安全气囊的组成及分布及分布 安全气囊系统主要由气囊 碰撞传感器 电子控制单元和气体发生器等组成 见图 1 a 和 图 1 b 图 1 a 安全气囊组成及部件位置 3 图 1 b 安全气囊分布 气囊系统连接如图 2 所示 图 2 气囊系统连接图示意 在汽车高速行驶时 驾驶员一不注意就发生了车祸 而在发生车祸碰撞的时候 传感 器接收到了被撞击的信号 然后传感器会把相应的碰撞强度信号传输给汽车里面的处理器 ECU 也就是微处理器 CPU CPU 根据相应的强度信号给出相应的指令 如果就是小碰 没 有达到预先给出的碰撞强度要求 气囊上的发生器不点爆 碰撞结束 如果是大型碰撞 传感器传输给 ECU 的信号达到了预先的要求 ECU 给出点火指令 发生器得到相应的电压 和电流要求 发生器引爆 气囊弹开并迅速的充气 相应的排气孔上的气孔开始放气 达 到保护人的效果 碰撞结束 见图 2 一 气囊总成和充气元件气囊总成和充气元件 气囊组件由气体生成器 点火器 气囊 固定板和盖板等组成 见图 3 a b 4 图 3 a 气囊组件 图 3 b 方向盘内置式安全气囊总成图 注释 1 气囊 2 火药 3 电雷管 4 氮气发生剂 5 方向盘盒 6 过滤器 图 4 气体生成器结构 图 5 点火器分解图 1 气体生成器由上盖 下盖 充气剂 片状叠氮化钠 和金属滤网组成 见图 4 2 点火器安装在气体生成器内部中央位置 点火器包括点火剂 引爆炸药和引药 和 引出导线等 见图 5 3 气囊多采用尼龙布涂氯丁橡胶或有机硅制成 涂层起密封和引燃作用 4 气囊组件通过固定板与车上部件连接 5 盖板上面模制有撕缝 以便气囊充气时能冲破盖板而膨开 二 传感器传感器 安全气囊系统一般装有 2 4 个碰撞传感器 在前左 右挡泥板各装一个 有的在前保 险杠中间装有一个 有的车内还装有一个 碰撞传感器常采用惯性式机械开关结构 碰撞传感器是安全气囊系统中主要的控制信号输入装置 其作用是在汽车发生碰撞时 由碰撞传感器检测汽车碰撞的强度信号 并将信号输入电子控制单元 ECU ECU 根据碰 撞传感器的信号判断是否引爆充气元件给气囊充气 碰撞传感器由壳体 偏心转子 偏心重块 固定触点 旋转触点等部分组成 在传感 器外还固定一电阻 R 其作用是在系统进行自检时 检测 ECU 与碰撞传感器之间的联接是 否正常 碰撞传感器在正常情况下 偏心转子和偏心重块在弹簧张力作用下 顶靠在与外壳固 结的止动块上 活动触点与固定触点不接触 当汽车在传感器控制的方向受到碰撞 且冲 击力超过传感器的设定值时 偏心块在惯性力作用下带动偏心转子克服弹簧张力而转动 使其上的活动触点与固定触点闭合 从而向 ECU 发出信号 以驱动充气元件 气囊的触发通常有通过光栅触发 或者设定额定的距离触发 5 距离触发通常是采用的是首先测量出背板到光栅的距离和样件到背板的距离 这个由 尺子测量所得 背板到光栅的距离一般采用 1 米左右 因为考虑到如果距离太远 冲击轴 的摆动会引响到最后的测试数据 所以一般采用距离较短 但是不引响气囊弹开而扫过光 栅造成误触发而数据不准确的距离 样件到光栅的距离每一个方向盘都是已定的 通常光栅到背板的距离算法 样件到光栅的距离 已定 第一个光栅到第二个光栅的距离 已定 气囊的厚度 背板到光栅的距离 如果背板到光栅的距离小于前面所加的距离 气囊会扫过光栅 造 成误触发 从而试验速度不准确 气囊触发距离公式为 气囊充满时间 速度 m s 气袋厚度 备注 光栅的距离是测试冲击头扫过光栅的速度的测试工具 气囊的厚度是取方向盘 到气囊展开的最大尺寸 碰撞传感器常用的有三轴力传感器 位移传感器 和加速度传感器 在试验中 方向盘头部气囊的测试的传感器主要运用三轴力传感器或者加速度传感器 1 三轴力传感器 为测试头部气囊的受力 分别为 X Y Z 三个方向的力 图 6 三轴力传感器图 它用 120mm 120mm 只有 30 毫米较低的总高度为其紧凑的结构 三轴力传感器 k3d120 适用于三个相互垂直的 axes it 力的测量可以提供 50N 在所有 6 三个轴或 200N 或 1000 N 在所有三个轴 可以制造其他测量范围选择 粉红色 UD 桥输出的红蓝连接电缆 3M 双绞连接电缆与整体屏蔽 6x2x0 25 技术数据 输出信号校准输出 X1 mV V 0 5 校准输出 Y1 MV V 0 5 校准输出 Z1 mV V 0 5 零信号 5 v e tolerable 偏心传力 100mmcrosstalk Z X Y 在 50 1 v e crosstalk 从 X 到 Y 在 50 1 v e crosstalk 从 Y 到 X 50 1 价值工程的串扰的 X Y Z 50 0mm 偏心率 1 价值工程 的串扰的 X Y Z 在 50 与 300 毫米偏心率 1 价值工程的最大力的 X Y Z 300 v e temperature 漂移小于 0 3 度 如图 6 2 位移传感器 图 7 位移传感器 位移传感器又称为线性传感器 是一种属于金属感应的线性 器件 传感器的作用是把 各种被测物理量转换为电量 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量 位移的 测量方式所涉及的范围是相当广泛的 小位移通常用应变式 电感式 差动变压器式 涡 流式 霍尔传感器来检测 大的位移常用感应同步器 光栅 容栅 磁栅等传感技术来测 量 选用的电阻式位移传感器的参数如下所示 耐磨寿命 100X106次 25X106米 最大移动速度 10m s 线性精度误差 0 05 重复性误差 0 005mm 振动系数 IEC 68 2 6 1982 20g 温漂系数 1 5ppm 冲击系数 IEC 68 2 29 1968 50g 全部为抗寒 耐高温抗老化型 60 150 7 最大容许电压 DC60V 5K 20K DC36V 2K 4 K DC24V 1K 如图7 3 加速度传感器 图 8 电容式加速度传感器 电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器 其中一个电极是固 定的 另一变化电极是弹性膜片 弹性膜片在外力 气压 液压等 作用下发生位移 使 电容量发生变化 这种传感器可以测量气流 或液流 的振动速度 或加速度 还可以进 一步测出压力 线加速度传感器的原理是惯性原理 也就是力的平衡 A 加速度 F 惯性力 M 质量 我们只需要测量 F 就可以了 怎么测量 F 用电磁力去平衡这个力就可以了 就可以得到 F 对应于电流的关系 实验室加速度传感器 安装角度可在任意角度 不易老化 ii 灵敏度系数 3 94 4 5 5kHz 3dB 环境温度 55 121 度 C 如图 8 4 4 电子控制单元电子控制单元 图9 电子控制单元分布 8 电子控制装置是 SRS 的控制中心 其功能是接受传感器输入的信号 判断是否启动安 全气囊系统 并且进行故障自诊断 电子控制装置由稳压电路 备用电源电路 系统诊测 电路和驱动电路 触发传感器记忆电路和故障自诊断电路等部分组成 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 要求控制装置能够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 如图 9 5 5 气体发生器气体发生器 图 10 气体发生器结构图 安全气囊系统要求气体发生器能够在较短的时间内 30 ms 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 它与安全气囊组合成一体安装在转向盘支架上 有气体发生剂 火药 雷 管 过滤器和外壳组成 碰撞发生后 雷管引燃火药 产生高温 使气体发生剂迅速生成 大量气体 经过过滤后充入气囊 使气囊瞬间展开 如图 10 三 安全气囊触发三 安全气囊触发 图 11 安全气囊触发过程 如图 13 所示 当车辆发生碰撞时 传感器感知车辆碰撞强度并将其传给 SRS ECU SRS ECU 进行判断 并在适当时机发出点火信号触发气体发生装置 迅速产生大量气 体充入气囊 使气囊展开 见图 11 9 一 气囊点爆电流要求 图 12 点爆气囊脉冲 气囊点爆的电流主要要求为 1 75A 电压为 24V 速度假人冲击一般采用 19 6 或者 24 1 这两个速度采用的计算所得 所求的是发生事故人在驾驶室惯性撞击到方向盘的速 度 点爆气囊的电流如图 12 图 12 所示 点爆电流要求为 1 75A 点爆脉冲为 2ms 如果脉冲距离小于 2ms 气囊 将不会点爆 常用点爆电流为 1 75A 有些特殊的只需要 1 2A 如 VOLVO 点爆电流 1 2A 双级点爆 脉冲间隔 5ms 二 假人撞击气囊三轴力曲线 图 13 点爆气囊三轴力曲线图 如图 13 在高温 85 度高温常爆假人碰撞气囊曲线图 在 0 时刻气囊冲破撕裂线 三 轴力曲线开始抖动 在大概 30ms 左右 气囊冲气饱和 开始泄气 假人碰到气囊 曲线开 10 始上升 到达 67ms 左右的时候 假人完全接触气囊气囊 假人回弹 碰撞结束 图中所示数据 假人碰撞气囊速度为 30 39km 每小时 三轴力传感器器 X Y Z 测得数 值分别为 7462N 548N 3571N 三轴力合力为 7881N 触发距离为 408 4 冲击头撞击气囊位移曲线 图 14 实验室撞击气囊位移曲线图 如图 14 所示 冲击头于 0 时刻撞击到气囊 位移开始记图 位移曲线到达波峰的时候 所示为最大位移 冲击头回弹 碰撞结束 四四 安全气囊动作过程安全气囊动作过程 1 当汽车以车速 50km h 与前面障碍物相撞时 碰撞刚开始 10ms 后 气囊开始充气 驾 驶员尚未动作 2 碰撞 40ms 后 气囊完全充满 人体向前移动 安全带开始预收缩 吸收部分能量 3 碰撞约60ms 驾驶员头部及身体压向气囊 气囊内气体通过节流孔排气 吸收人体与 气囊之间的碰撞能量 4 碰撞约110ms 大部分气囊内气体从节流孔排出 汽车前方视线恢复 注 人的眼皮一眨眼所用时间约为 200ms 因此气囊爆炸这个过程是非常短暂 的 用肉眼根本 无法看清 五五 安全气囊系统的有效范围安全气囊系统的有效范围 安全气囊系统并非在所有碰撞情况下都能起作用 正面防撞安全气囊系统在汽车正前方 或斜前方 30 角范围内发生碰撞 且其纵向减速度达到某一值时 系统才能工作 1 汽车遭受侧面碰撞超过斜前方 30 角时 气囊是在正面碰撞时保护脸部和头部的装置 车辆发生斜向碰撞时身体随着惯性往碰撞 方向移动 所以头部不会与仪表板处碰撞 头部会以仪表板为基准向左右方向移动 所以 11 即使气囊展开也保护不了头部和脸部的碰撞 如果在这种身体倾斜 失去重心的情况下气 囊展开时 反而会带来更大的伤害 气囊是在正面左右各 30 度的范围内发生刚性的高速碰 撞时才能展开 在 30 度以外的角度斜面碰撞时即使气囊展开也起不到保护身体的作用 所 以设计气囊时 30 度以外的角度是不在气囊展开工作范围内的 2 汽车遭受斜向碰撞时 轿车与护栏的碰撞情况很复杂 如果与护栏板接近垂直碰撞 由于护栏板刚度小 很 可能造成轿车跨越出车道 而气囊无法达到点火门槛 车辆脱离车道后的运动会很复杂 在后续的坠落 翻车等过程中可能造成车内乘员伤害 这些伤害不是轿车的安全气囊所能 保护的 3 汽车遭受后方碰撞时 两辆车是在同一个方向行驶时碰撞的 所以后车虽然在以 50Km h 以上的速度行驶 但 是与前车的速度相互抵消且相互吸收冲击力量 实际后车所受的冲击力较小 没有达到气 囊展开的条件范围 例如 前车以 40km h 的速度行驶 后车以 50km h 的速度追尾前车时 实际产生的冲击力是 10km h 的速度产生的冲击力 4 汽车发生绕纵向轴线侧翻时 轿车与护栏在 20 度角以内发生刮碰 则汽车应该在护栏的导向下减速 这种情况下一般气 囊不会点火 汽车把护栏压变形的长度一般能达到十数米 用户会认为如此严重的碰撞 为何气囊不点火 我们用中学物理算一下就知道 100km h 的车速 在 10 米中减速的话平 均减速度仅约 4g 是无法达到气囊点火门槛的 5 纵向减速值未达到设定阙值 轿车与护栏在 20 度角以内发生刮碰 而护栏结构有缺陷 在刮碰过程中护栏板在护栏 桩连接区域脱落 造成轿车与护栏桩碰撞或脱离的护栏板插入轿车造成车内乘员伤害 后 者安全气囊无能为力 但是这种情况的前者则要看气囊系统的设置了 如果气囊系统有前 端碰撞传感器 这种情况下气囊应该能够点火 但是 对于没有前端碰撞传感器的气囊系 统 在这种情况下要气囊点火是有困难的 气囊点火门槛设置过低 能解决这类事故的乘 员保护 但是却会增加误爆的可能性 6 汽车正常行使 正常制动和在路面不平的道路上行使时 车辆在高速行使中通过减速带或小沟时气囊弹出 这种情况尽管没有发生碰撞事故 但是由于碰撞部位位于车辆底部 碰撞传感器感应到的加速度超过临界值时 前气囊弹出 12 八 结论八 结论 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 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 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 如果这时展开气囊反而会造成不 必要的浪费 甚至还可能因安全气囊的展开加重碰撞伤害 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 产生的灼热气体也会灼伤乘员和驾驶员 据计算 若汽车 以 60km 的时速行驶 突然的撞击会令车辆在 0 2 秒之内停下 而气囊则会以大约 300km h 的速度弹出 而由此所产生的撞击力约有 180 公斤 这对于头部 颈部等人体较脆弱的部 位就很难承 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 由于安全气囊系统存在一定危险性 同时需要正确使用才能发挥 SRS 系统的作用 因 此对于配备安全气囊的车辆 在日常使用时 需要注意一些事项 在确保正确驾驶姿态的 情况下 驾驶者应将座位尽量向后移 以便有足够空间使安全气囊在发生意外扩张后充分 发挥其保护作用 同时驾驶者必须要系好安全带 12 岁以下的小孩应坐在汽车的后排 并 扣上安全带 绝对不能把小孩放在前排 气囊起爆时的巨大冲击力对于他们来说甚至可能