钱立春安全气囊的发展与应用

1、汽车安全气囊的发展与应用2010级汽检（4）班 钱立春摘 要：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Supplemental Inflatable Restraint System，简称SRS)的字样，直译成中文，应为“辅助可充气约束系统”。旨在减轻汽车碰撞后，乘员因惯性发生二次碰撞时的伤害程度。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、二次碰撞前迅速打开一个充满气体的气垫，使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”从而缓和乘员受到

2、的冲击并吸收碰撞能量，减轻乘员的伤害程度。关键词：安全气囊；被动安全；伤害程度一、引言（一）汽车安全 当汽车速度在30kmh以上受到正面碰撞(碰撞角度与汽车中轴线成30角度之内)或侧面碰撞时，安装在汽车前部或侧面的碰撞传感器利用碰撞时产生的惯性力，检测到碰撞作用的时间、汽车减速度即碰撞强度。SRSECU将碰撞传感器送来的碰撞信号与ECU内储存的碰撞触发数据进行比较，如果判定碰撞强度达到或超过其规定值，则指令接通安全气囊引爆管的工作电路，引爆管迅速爆炸燃烧，并引燃气体发生器内的气体发生剂。气体发生剂的燃烧十分剧烈，在瞬间产生释放出大量气体，经过滤冷却后充入折叠的安全气囊，使气囊在极短的时间内突破

3、衬垫迅速膨胀展开成扁球状。在驾驶员或乘员头部、胸部或身体因碰撞时的反冲力向前或向侧面冲去时，鼓起的气囊在驾驶员或乘员的前部或侧面车身硬件间成弹性缓冲气垫，利用气体本身的阻尼作用或气囊背面排气孔排气节流的阻尼作用，吸收并分散驾驶员和乘员的冲击能量。气囊鼓起后很快就从气囊背面的小孔排出部分气体而变瘪，柔软的气囊表面就能有效地保护人体头部、胸部和身体其他部分免受冲击伤害或减轻伤害程度。（二）安全气囊的好处安全保护范围对乘员能够提供各种碰撞事故和滚翻事故的全方位保护在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装备的可靠性可以随时对系统的零部件故障进行检查依靠诊断装置进行一般故障

4、检查，但无法进行系统零部件的无损检查装备的方便性需要佩带和解开安全带，即使采用自动安全带，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对乘员无任何约束，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维修的方便性安装、维修、更换都很方便维修较复杂，如零部件出现大的故障，则要更换全套安全气囊系统使用的普及性及成本普及容易，成本低廉，不需要提高汽车总造价正在普及驾驶员和前排座安全气囊，并作为汽车标准装备装车，但造价高。其他形式的安全气囊暂时为选装件（三）安全带与安全气囊关系【1】Jain A K, Duin R, Mao J.Statistical

5、 Pattern Recognition: A Review J. IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000，22( 1): 4-38.1】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）多方位、多个气囊的电子控制的安全气囊系统；智能安全气囊系统实验分析中，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。值得指出的是，安全气囊只是辅助保护系统，需要佩带安全带才能起到预想的保

6、护效果。交通事故统计数据表明，“三点式安全带+安全气囊”的防护效果最好，其有效保护率高达60；仅使用安全带的情况下，有效保护率为4349；而仅使用安全气囊，有效保护率急剧下降到18。引用上述统计数据有助于我们消除两个误区：第一，安全气囊不是万能的；第二，佩带安全带十分重要。现在人们的统一认识是：必须通过强制措施提高安全带的佩带率；在低速碰撞中，安全气囊的展开反而会增加意外伤害的可能性而降低保护效果；在中等或严重程度的碰撞事故中，安全气囊对乘员有明显的保护作用。一般说来，车内乘员如果未系安全带的话，在速度为20km/h左右的固定壁障碰撞中就会受到严重伤害；而系了安全带的乘员，在30km/h的固定

7、壁障碰撞中才会受到严重伤害。气囊内部充填的气体在受到驾驶员或乘员反冲压迫时，能缓冲驾驶员或乘员受到的碰撞冲击力，避免了驾驶员头部和身体与汽车零部件的硬碰撞，从而减少驾驶员或乘员的伤害程度。但如果膨胀后有弹性的安全气囊在受到驾驶员或乘员的反冲压迫时还不放气变瘪，则有可能因驾乘人员的头部埋在气囊中无法呼吸，憋气死亡。或内部有压力气体使有很强弹性的气囊将驾乘人员反弹回去，与汽车上其他零部件产生二次碰撞，造成驾乘人员的二次伤害。二、作用过程a010ms：在汽车特定的敏感部位处，装置碰撞传感器。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

8、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：雷管的爆炸击穿装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2060ms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。d6

9、0100ms：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。整个碰撞安全气囊展开对乘员的安全保护过程，大约60100ms。安全气囊展开进行护的过程，是一种不可逆的过程，在完成上述过程后，必须重新装置雷管、气体发生器和折叠好的气囊等。每个气囊只能使用一次，也就是说气囊只要引爆就不再有下一次保护的能力，也不能塞回去再使用，引爆后须回厂换一个新的气囊。汽车碰撞事故发生时，安全气囊引爆管引爆点燃气体发生器的具体点

10、火时间，是决定SRS系统性能优劣的十分重要的指标。如果碰撞事故发生时，引爆管引爆点火过早，则在乘员的头部和胸部向前冲的同时，气囊也迅速膨胀，则有可能导致乘员头部和胸部受到高速爆出的气囊的冲击，造成乘员伤亡或巨大的伤害。如果引爆管引爆点火过晚，则在乘员头部和胸部已经冲撞到转向盘或汽车其他汽车零部件上时，气囊尚未膨胀而起不到保护作用。引爆管引爆的最佳点火时间是当气囊充满气体膨胀时，乘员头部和胸部正好与膨胀的气袋接触。从引燃气体发生剂安全气囊开始膨胀鼓起，到受到驾驶员或乘员反冲压迫迅速泄气变瘪的时间很短，仅有约0.1s。安全气囊从充满气体膨胀到泄气只有如此短暂的时间，因此必须具备极迅速地完成冲气和放

11、气动作的功能，才能有效保护驾驶员和乘员的安全。三、安全气囊系统的分类【2】 江宗法，等。驾驶员安全气囊的工作原理与维修技术要点。内蒙古公路与运输。（一）按结构形式从结构形式上，安全气囊可分为电子式和机械式两种。无论是电子式还是机械式，工作原理大体相同，所不同的是控制系统的工作方式不一样。1、 电子式安全气囊由电子传感器、中央电子控制器、气体发生器、气囊等组成。传感器接到碰撞信号后，将信号传至中央电子控制器（ECU），信号经过判断、确认，传至气体发生器，气体发生器引发点火、充气，气囊膨胀。电子式安全气囊可以分为很多种情况。2、机械式安全气囊由机械式传感器、气体发生器、气囊组成。气囊装于方向盘衬垫

12、内，气体发生器在气囊之下，传感器在气体发生器的下面。当传感器受到设定（以上）的冲量后，传感器内的球体下移，导致拨杆下移并由转动，支块也随之移动，拨杆的另一端上移，压迫偏压弹簧。此时撞针脱位被弹出撞击气体发生器内的引爆装置。由于气体发生器内装有叠氮化钠或双基燃料或高压气体，爆发后，气体充斥表面涂膜的气囊，使之充气膨胀，形成一个凸状气垫，吸收人体的冲击力，使人体受伤害的程度减轻。此外，按照气体发生器的工作原理，还可分为燃烧式（叠氮化钠等固体燃料爆炸产生大量氮气充斥安全气囊）和储气式（高压瓶阀门打开，放出预先储好的高压氮气或惰性气体混合物）。（二）按保护对象和方位1驾驶员用安全气囊驾驶员用安全气囊，

13、这是汽车上最早采用和采用得最广泛的一种安全气囊，属于汽车在正面碰撞时对驾驶员的防护气囊。驾驶员用安全气囊装置在转向盘的中部，为了减轻在装置安全气囊后转向盘总成的质量，并要求保证转向盘的刚度以减少转向盘的振动，转向盘的转轴采用金属压铸件来制造。驾驶员用安全气囊系统的气囊、雷管、气体发生器等，全部装在转向盘中央的安全气囊盒中，气囊衬垫采用网状尼龙织物制成，当安全气囊膨胀并冲出时，气囊衬垫必须迅速裂开，而且不能对乘员造成伤害。安全气囊按照一定的方式卷折放在气囊盒中，膨胀时沿挡风玻璃方向展开后再迅速胀大。在安全气囊后面的中部装置雷管和气体发生器等，一旦发生碰撞事故时，安全气囊就在驾驶员与转向盘之间形成

14、缓冲气垫。2、防侧撞安全气囊各种碰撞事故统计资料表明，汽车发生的正面碰撞事故约占41，尾追碰撞事故约占12，而各种各样的侧面碰撞事故约占47。但从事故的伤亡比例来看，汽车的侧面碰撞事故的伤亡率，则远远高于汽车正面碰撞和尾追碰撞事故的伤亡率。分析结果说明，汽车的前部为发动机舱，后部为行李舱，在发生正面碰撞或尾追碰撞时，发动机舱或行李舱结构的变形和结构的损坏，能够吸收大量的碰撞能量。并且安全带和安全气囊能够有效地发挥作用，这就使得乘员的伤亡率大大地降低。但是，汽车车身侧面的结构件，无论是在强度或是刚度上，远远比不上汽车车身纵向结构件的强度和刚度。车门的两侧没有足够的空间布置“缓冲”结构件，来吸收碰

15、撞时的能量。安全带对于侧面碰撞的防护能力也低得多。当车门、门柱等受到碰撞时，就有可能对乘员造成直接伤害，使得乘员的伤亡率大大提高。根据使用要求不同，防侧撞安全气囊可以装在车门上横梁中、车门内板中或座椅侧面。车门上横梁中防侧撞安全气囊用来保护乘员的头部。装在车门内板中防侧撞安全气囊和装在座椅侧面防侧撞安全气囊用来保护乘员的胸部、心脏、肺脏等重要器官。3、前排座乘员用安全气囊【3】胡光辉。安全气囊的安全性初探。湖南交通科技。3】前排座是汽车主要的乘员坐席，前排座的乘员可以是身材高大的男人，也可以是婴儿，乘员的乘坐姿势也是各种各样的，并且是否佩带安全带有着重要影响。在发生碰撞事故时，前排座的乘员必然

16、会与仪表板、前风窗玻璃、窗框及门框等发生碰撞，因此，要求前排座乘员用安全气囊能够在较大的范围内，对前排座的乘员提供安全保护。前排座乘员用安全气囊。前排座乘员用安全气囊系统的气囊、雷管、气体发生器等，全部藏在仪表板中的安全气囊盒中，根据汽车仪表板的结构不同，其布置方法也有所不同。气囊衬垫采用嵌入薄铅板聚氨脂塑料制成，当安全气囊膨胀并冲出时，不会对前排座乘员造成伤害。前排座乘员用安全气囊的体积很大，安全气囊要按照一定的方式卷折放在气囊盒中的上支架中。在气囊盒的下支架上装置雷管和气体发生器等，在发生碰撞时，最初气囊盒引导安全气囊沿前风窗玻璃方向向上展开，然后沿安全气囊的折印，有序地迅速向前排座乘员方

17、向扩大，适时地在前排座乘员和仪表板之间形成缓冲气垫。前排座安全气囊的体积可达170L，但从引爆到安全充气仅4080ms的一瞬间，固体燃料燃烧的高温、高压气体迅速充满气囊，在膨胀时有很大的冲击力，有可能对前排座乘员造成伤害。通常在设计计算时，要对燃料燃烧的速度和气囊充气时的压力进行计算，使得在气囊充气的初期，能够控制燃料燃烧的速度，安全气囊膨胀的速度不会过快。当安全气囊开始与乘员接触的瞬间，燃料燃烧能够急速进行，输出大量气体，保证安全气囊有足够的压力，将乘员与仪表板等隔开。另外如何在前排座没有乘员的情况下，汽车发生碰撞时，前排座乘员用安全气囊不会引爆，或者不会发生“误爆”等事故，还需进一步解决和

18、完善。有时在前排座椅上，固定安装儿童专用座椅。当儿童朝前坐时，前排座乘员用安全气囊应当正常引爆，但必须控制其爆炸力，避免伤害儿童。如果儿童朝后坐，则座椅可以给儿童提供可靠的安全保护（达90以上），这是受宇航员反向乘坐座椅时，能够承受巨大惯性力的启发，来开发和设计的儿童座椅。因此，在汽车发生碰撞时，不必引爆前排座乘员用安全气囊，整个操作都是由智能安全气囊系统来控制。展开后的前排座乘员用安全气囊。4、后排座乘员用安全气囊通常后排座不设置安全保护装置，但近年来对后排座乘员的安全防护逐渐受到重视，已较普遍地在后排座上装置了安全带，并开发和装置了后排座乘员用安全气囊（包括后排座乘员用防侧撞安全气囊），一

19、般后排座到前排座之间有较宽敞的空间，乘员有较大的乘坐空间和搁脚的位置，因此，后排座乘员用安全气囊的容积，要比前排座乘员用安全气囊的容积大50以上，一般可达到100L，后排座乘员用安全气囊系统的结构与其它安全气囊系统基本相同，大多数安装在前排座椅靠背中，引爆后在后排座乘员与前排座座椅之间形成防护气垫。后排座安全气囊系统中，需要装置2个碰撞传感器，来探测汽车在发生前、后碰撞时的加速度。经过中央电子控制器计算和判定后，才能引爆后排座的安全气囊。后排座乘员用安全气囊的体积很大，引爆时会引起车内气压急剧的变化，产生强烈的振动和噪声，巨大的噪声使乘员难以忍受，严重的还会损伤乘员的耳膜。要求采取有效措施来防

20、止。通常将车内各个安全气囊的引爆时间错开，避免振动和噪声的叠加。5、下肢用安全气囊发展【4】黄宁军，等。汽车安全带安全气囊的新发展。汽车科技，4】美国莫通国际公司（Moton International）开发了保护驾驶员下肢用安全气囊，它由一个13L的安全气囊气体发生器组成，是一种新开发的安全气囊。在汽车发生碰撞时，能够有效地防止驾驶员的下肢、小腿和膝部与各种踏板、操纵杠杆等发生碰撞，对驾驶员的下肢、小腿和膝部进行保护。当下肢用安全气囊打开时，可以使乘员脚前部向上翘起一定的角度，能够减少脚跟部的损伤。并防止驾驶员的躯体向前冲，使驾驶员身体保持在合适的位置上，同时吸收部分碰撞时的惯性力，使得驾驶

21、员股骨所受的作用力减少近33，约降低到可承受的5kN左右，并且能够减轻驾驶员与驾驶员用安全气囊的冲撞作用力。下肢用安全气囊装置在仪表板下部的前围板上，其结构与其他安全气囊系统的结构基本相似，四、安全气囊的发展及应用现状【5】2001，3Casella G. and Berger R.L., Statistical Inference (M), 第二版，北京：机械工业出版社，5】（一）美欧安全气囊比较 在美国，安全气囊系统要求对未佩带安全带的乘员能提供安全保护。很明显，对于未佩带安全带的乘员来说，即使在轿车较低速时发生碰撞，就有可能对乘员造成伤害。因此，在设定气囊起动车速范围时，汽车对固定物碰撞

22、的车速为1820km/h，安全气囊即能点火起爆。要求车速在1820km/h时，安全气囊能够点火起爆，就要求安全气囊系统中的传感器和中央电子控制器具有对碰撞性质有高度的识别能力和高度的可靠性。在一些汽车上，由于传感器和中央电子控制器对汽车在剧烈紧急制动或在速度为15km/h以下的轻微碰撞，产生“判断失误”，而发生安全气囊“误爆”，使得驾驶员受到突然的惊骇，同时鼓起来的安全气囊还会短时间遮蔽驾驶员的视线，造成由于传感器对碰撞性质识别能力和可靠性的失误而引起的事故。因此，对传感器和中央电子控制器有很高的要求，因为未佩带安全带的乘员在汽车发生碰撞时，乘员没有安全带的约束和减少惯性力的作用，乘员可能被甩

23、出座椅，并在更大的范围与车内的装备发生猛烈的二次碰撞。因此，这种安全气囊系统需要更大的气囊，在更大范围内将乘员与车内的装备隔开。所以，驾驶员用安全气囊的容积达到6080L，前排座乘员用安全气囊的容积达到120160L。在欧洲，按照法规规定，汽车必须装配安全带，并强制所有乘员必须佩带安全带，三点式安全带完全可以在汽车碰撞速度30km/h以下时，为乘员提供良好的束紧和保护。但试验结果表明，在汽车碰撞速度超过30km/h时，安全带不能对驾驶员和乘员的头部、面部提供有效的保护。在正确使用三点式安全带的基础上，开发了安全气囊系统来提高安全防护能力。在汽车发生碰撞事故时，主要由安全带来约束乘员并承受主要的

24、惯性力的作用，安全气囊只是用于保护乘员的头部和面部。安全气囊系统气囊起动车速达到3040km/h，使得安全气囊产生“误爆”的可能性较小，危险性也较小。在这种安全气囊系统中，可采用单点式传感器等装置来控制，因而使得其控制系统也更加简单一些。因此，在欧洲的安全气囊系统中，驾驶员用安全气囊的容积为2030L，前排座乘员用安全气囊的容积为6080L，比美国的安全气囊系统中的气囊容积要小得多，可以实现小型化，更加适合在装有安全带的中、小型汽车上装备的安全气囊。由以上对比可知，美国和欧洲在安全气囊系统的开发上，指导思想是不同的，有着明显的差异。欧洲式安全气囊系统适合装在装有安全带的中小型汽车上，与安全带共

25、同组成汽车的安全保护体系。但在欧洲生产的一些大型豪华汽车上，为了满足出口与市场竞争的要求，在这些汽车上也装备了美国式被动安全气囊系统。美国和欧洲一些国家是最早开发和使用安全气囊的国家和地区。安全带和安全气囊共同构成了汽车辅助保护体系。在安全带和安全气囊开发的发展过程中，围绕对安全带和安全气囊在保护乘员的主、从的作用的关系上，美国和欧洲一些国家之间形成了对开发安全气囊的两种不同的思想，并且形成了两种不同的安全气囊系统美国式安全气囊系统和欧洲式安全气囊系统。这两种不同的安全气囊系统的布置方法、传感器的配置、中央控制器的性能参数、气囊容积和安全气囊启动时的汽车速度等方面，都有较大的差异，如表7所示。

26、但在安全气囊系统的工作原理上还是基本相同的。（二）国内安全气囊的发展 在我国，汽车安全气囊的起步较晚，开始于八十年代末九十年代初。在十多年的研究与发展过程中，国内许多大学与事业公司的研究与产品已初具基础 ,其中部分研究与技术已接近国际水平。未来安全气囊技术的发展趋势，将主要朝着以下几个方向发展：1、智能化随着电子信息技术的飞速发展，形形色色的智能技术在汽车上得到推广应用，智能化安全气囊就是其中之一。它是在普通安全气囊的基础上增设传感器和与之相配套的计算机软件而制成。其重量传感器能根据重量感知乘客是大人还是儿童，其红外线传感器能根据热量探测座椅上是人还是物，其超声波传感器能探明乘员的存在和位置等

27、。计算机软件则能根据乘客的身体、体重、所处位置和是否系安全带以及汽车碰撞速度及撞击程度等，及时调整气囊的膨胀时机、速度和程度，使安全气囊对乘客提供最合理有效的保护。2、绿色环保化目前汽车安全气囊中普遍使用了迭叠化钠。从环保和人体健康角度讲，迭氮化钠是一种有毒物质，其毒性是砷的近30倍。此外，从安全角度讲，迭氮化钠在被激活后释放的气体冲起气囊的同时，还会生成固态的钠，钠的化学性质非常活泼，特别是在与水接触时可以直接燃烧。因而，避免使用有潜在危险和有毒性的含钠物质，采用新型气体发生技术，使之符合环境保护的要求，是汽车安全气囊发展的一个方向。3、虚拟技术化采用计算机模拟的“虚拟技术”方式替代轿车实物碰撞。它由一台超级计算机进行“虚拟试验”，从而一方面减少人力、物力、财力的消耗；另一方面也加快了产品的开发周期。超级计算机位于一间配有精密气候调控系统的机房中，进行模拟碰撞试验时，一方面测算轿车的设计对减少驾驶员和乘客受伤的风险能起多少作用，另一方面研究轿