汽车安全气囊的发展与应用李永涛.docx

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汽车安全气囊的发展与应用李永涛

汽车安全气囊的发展与应用

【摘要】安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。

汽车安全气囊系统的包括传感器总成、充气、折叠气囊、点火器、固态氮、警告灯等。

当汽车受到前方一定角度内的高速碰撞时，装在车前端的碰撞传感器和装在汽车中部的安全传感器，就可以检测到车突然减速，并将这一信号在0.01秒之内速度传递给安全气囊系统的控制电脑。

因此,确保汽车行驶的安全性,解决乘车人员的安全越来越受到人们的重视。

而在汽车上装配安全气囊就是一种有效的解决方法。

本文主要介绍安全气囊的作用、安全气囊的类型、安全气囊的发展、系统主要部件、气囊在车内的应用、气囊系统的工作原理、使用注意参项、安全气囊的维护等。

【关键词】安全气囊；传感器；安全；应用发展

【引言】汽车安全气囊，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规定数值时，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。

初次证明，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。

一、概述

（一）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30km/h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。

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规定数值时，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。

有些汽车不仅装有前端的安全气囊，还装有侧面安全气囊，在汽车发生侧面碰撞时，也能使侧面安全气囊充气，以减小侧向碰撞时的伤害。

据统计，气囊在汽车相撞时，保使头部受伤率减少25%，面部受伤率减少80%左右。

（二）安全气囊的类型

1．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）。

2．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。

3．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。

美式气囊设计是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，因此为保护其碰撞。

二、安全气囊的发展

（一）国外安全气囊的发展

安全气囊的雏形是美国人约翰，赫特里特（Jhon.W.Hetrick）发明的安全气垫。

1952年赫特里特（Hetrick）发明了他自己之称为“汽车安全气垫”的装置，用来减轻急刹车或正面碰撞带来的严重伤害。

这是一种纯机械装置。

用于使气囊膨胀的压缩空气贮存在一个压力容器中，连接着弹簧的质量块用来感应汽车的减速度。

当质量块产生位移时，就可以打开一个阀门使压力空气从压力容器中冲出来，以使气囊膨胀。

气囊可装在方向盘中、手套箱门上、仪表板上部以及前排座椅的靠背。

　　早期的空气囊主要用于与其它安全装置一起防止飞机着陆时与地面的碰撞。

1960年，安全气囊技术开始在原有的基础上研制并转为民用。

　　60年代末,美国高速公路交通安全委员会（NHTSA）开始建议制定一个可选择的安全气囊法则,鼓励汽车厂商去发展安全气囊。

　　70年代,美国通用、福特,德国奔驰，日本丰田等汽车公司以及美国MORTON公司、TRW公司、德国TEMIC公司、ICT研究院、日本DAICEL公司、瑞典AUTOLIV公司等均开始投入大量资金和人力研究与发展安全气囊,其中1971年5月德国的一个研究小组成功地将火箭推进技术应用于汽车安全气囊。

这些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,美国高速公路交通安全委员会（NHTSA）在著名的“联邦汽车安全标准”中的208条款《乘员碰撞保护》（FederalMotorVehiclSafetyStandard208,简称FMVSS208）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。

FMVSS208条款是汽车安全气囊发展史上的一个重要的里程碑。

此后,欧洲也颁布了ECER94法规,紧接着日本丰田、本田,美国福特、克莱斯勒,德国宝马,瑞典富豪等汽车公司纷纷开始销售配有安全气囊的汽车。

　　20世纪90年代后期,美国、欧共体、日本已正式立法在汽车上配置安全气囊,双气囊已成为绝大多数主流轿车的标准件。

（二）国内安全气囊的发展

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。

清华大学的黄世霖等人在汽车碰撞实验研究中,系统地研究了多种国产汽车中安全气囊的匹配技术对汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用等方面作了大量工作,对国内的汽车安全气囊研究具有重要的指导作用。

　　坐落在锦州经济技术开发区的锦恒公司是国内唯一一家具有自主知识产权的汽车安全气囊生产企业，其生产能力和所占市场份额在国内最大。

锦恒公司建有国内一流的研发中心，实验室通过了国家CNAL认证，具有正面碰撞、角度碰撞、柱撞、侧面碰撞等实车碰撞试验能力和台车试验能力。

公司的主要碰撞、检测设备和组装生产线均由国外引进，技术装备水平国内领先。

他们通过引进美国公司的安全气囊生产技术，开发出填补国内空白的机械式安全气囊产品；与一汽汽研所共同承担了国家“九五”汽车电子产品攻关计划，开发出具有独立知识产权的电子式安全气囊产品。

目前，该公司共为国内20多个汽车生产厂家的30多个车型研发、配套安全气囊，已形成单班年产20万套安全气囊总成、120万只气囊、15万只饰盖的生产能力，是国内同行业中首家实现为整车配套的企业。

他们还与国际著名的安全气囊供应商签订加工安全气囊零部件的协议，产品将走向欧洲、北美等国家。

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2004年我国安全气囊市场总配套量接近400万套。

目前，国内生产安全气囊企业有近20家，2004年产量超过200万套，安全气囊的国产化率超过50%。

国内安全企业的生产和配套市场基本上分外资企业和国产企业两大阵营。

外资企业主要以奥托利夫（Autoliv）公司、意大利国际塑料橡胶（Plast）等为代表，国内80%以上的安全气囊由他们生产，外资企业占据着我国安全气囊的中高端配套市场。

国产企业主要是以锦州锦恒、东方久乐、上海比亚迪等为代表，他们国内安全气囊的产量只占15%左右，主要在一些国产化的经济型乘用车有所配套。

我国安全气囊在经历安全气囊的进口高峰后，进口安全气囊的高速增长是势头已经跌落，2005年上半年已经出现进口负增长。

目前，进口安全气囊在国内配套市场所占比重不到一半。

2004年底开始，跨国安全气囊企业相继在中国投资气囊组件的生产，加强了安全气囊上游零部件本地化供应配套的能力。

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。

汽车安全系统是汽车电子领域增长最快的一部分，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、小型化、多样化、无污染的方向发展。

安全气囊的智能化：

传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规乘座位置和气囊的理想点火时刻为原则设计的。

但是在实际的汽车碰撞事故中，影响气囊保护性能的因素很多，例如乘员的身高和体重、乘员相对于方向盘或仪表板的位置、碰撞的剧烈程度等等。

不同的碰撞条件及乘员和乘员的位置的变化会导致乘员不是在最佳时刻与气囊接触，从而降低对乘员的保护效果。

近年来，智能型安全气囊的研究致力于开发一种能够最大限度地保护乘员的安全气囊系统。

这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和乘员状况来调节气囊的工作性能。

智能型气囊的关键技术之一是先进的传感系统和电子运算系统，它们在事故发生的短暂时刻内能够提供可靠的碰撞环境的信息。

智能气囊系统根据原有探测的信息作出判决怎样调节和控制气囊的工作性能，使气囊能充分发挥其保护效果。

安全气囊的小型化：

缩小安全气囊总成的体积是当前发展的趋势之一。

新型发生器工作时，压缩气体从气罐中喷出充满气袋。

这种发生器气体产生率高，因而尺寸小，便于安装布置。

环境保护型安全气囊：

采用压缩气体的气体发生器对人体无毒害，且易于回收处理，没有环境污染的问题。

安全气囊的多样化：

驾驶员和前座乘员安全气囊已成为轿车生产中的标准设备，作为正碰撞事故中的安全措施。

侧面碰撞气囊正在迅速发展。

不同设计形式的侧碰撞气囊可分别安装在坐椅靠背外侧、车门中部、车身中立柱、车身顶部与车门交界部位。

这些安装在不同部位的侧碰撞气囊可分别起到保护乘员头部、胸部和臀部的作用。

正在研制的新型保护气囊还有以下5种：

1.安装在转向盘下方膝垫部位的安全气囊可保护下脚正碰撞中免受伤害。

2.安装在制动踏板下的安全气囊以保护脚和踝关节在正碰撞中免受伤害。

3.安装在前座椅靠背上的安全气囊以保护后座乘员。

4.安装在汽车发动机罩下的安全气囊，保护行人。

5.安装在前挡风玻璃边框的安全气囊以减少行人在汽车碰撞事故中头部的损伤。

三、安全气囊系统主要部件

图3.1安全气囊系统组成

（一）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1个密封的防振保护盒内。

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。

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。

（二）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。

中央传感器是1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。

（三）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1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。

（四）电子控制器

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1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。

储存电路和诊断电路是合在一起的，诊断电路不断地分析和诊断气囊系统的各种故障，将这些故障编码储入储存电路，以备将来检修时用。

与此同时，驱动电路使仪表盘上的SRS警告灯开始闪烁。

四、气囊在车内的应用

（一）气囊在车内的标识

驾驶员气囊放在转向盘毂内，有一个完整光洁的装饰外罩；乘客气囊则藏在仪表板内，以发生前碰撞或近似前碰撞事故时，固装在组件内的气囊以规定方式冲破外罩充气膨胀。

在转向盘外壳和仪表板上刻有"AirBag"或缩写"SRS"（辅助乘员保护系统）或"SIR"（辅助充气保护系统），表明该车装有气囊。

装有驾驶员用气囊的轿车仪表板上有一个指示灯，向驾驶员表明气囊系统状态，汽车用户手册上说明了该指示灯的功能。

尽管汽车厂规定了维护或检查要求，但大多数气囊系统不需要常规维护就能经常处于可使用状态。

（二）气囊系统的工作原理

当汽车发生碰撞时，安全气囊控制板块快速对信号作出处理，确认发生碰撞的严重程度已超出安全带的保护能力，便迅速释放气囊，使乘员的头、胸部直接与较为柔软有弹性的气囊接触，从而通过气囊的缓冲作用减轻对乘员的伤害。

现在国内外气囊厂家主要采用的是电子式安全气囊系统，基本型安全气囊系统包含了驾驶员、乘员正面保护安全气囊及安全带预紧装置。

现在国内外电子式安全气囊系统特点是由传感器感知车辆运动情况，由MCU监控并作出判断，判断当前的事件是否是严重碰撞事件，如果是严重碰撞事件则驱动气囊展开，保护驾乘人员的安全。

安全气囊作用过程为：

碰撞发生后0～20ms内传感器将信号输送到中央电子控制器（ECU），ECU判断后确认是严重碰撞则引发气体发生器，在20～60ms内高温、高压气体（氮气）经过滤冷却进入气袋，气袋张开形成气垫，将乘员与车内装备隔开，60～100ms后气袋排气孔打开，气囊泄气并收缩。

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，乘员陷入较柔软的气囊中，使得乘员得到保护。

最后气体全部从排气孔排出，气囊瘪下。

（三）安全气囊的应用

1.安全气囊打开所学的条件

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，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。

下图是正确引爆安全气囊的有效范围图：

2、安全气囊的安全性

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。

安全气囊对于在遭受正面撞击时，的确能有效保护乘客，即使未系上安全带，防撞安全气囊仍足以有效减低伤害。

据统计，配备安全气囊的车发生正面碰撞时，可降低乘客受伤的程度高达64％，甚至在其中有80％的乘客未系上安全带！

至于来自侧方及后座的碰撞，则仍有赖于安全带的功能。

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。

3、安全气囊的使用和缺点

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）和车外三个方向。

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，另外车内正驾驶位置的安全气囊可以有效的防止在发生碰撞时方向盘顶到驾驶者的胸部，避免致命的伤害。

侧面气囊系统是保护汽车遭侧面碰撞以及车辆翻滚时乘员的安全一般安装于车门上，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。

安全气囊的缺点：

（1）是在低速碰撞不致命情况下,由于气囊起爆使一些近视眼带眼镜的人眼睛受到伤害甚至失明.

（2）由于气囊是按大人身高匹配,而对于孩子来说是致命的,曾经发生过多起气囊在碰撞起爆后将孩子颈椎折断致死案例,为此国外已立法禁止前排乘座幼童.

（3）气囊必须配合安全带使用,否则在气囊作用下人有被甩到车外可能.

4、对现有安全气囊的改进

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用来对付严重交通事故的，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。

这也就是要求安全气囊系统能够准确地感应所发生的碰撞事故；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。

【结论】随着中国经济的发展，汽车工业的迅速崛起，人民生活水平的不断提高，中国已成为全世界最大的汽车消费市场之一,汽车已经成为人们出行不可替代的工具，然而就在这时候人们就会考虑到出行的安全，安全气囊就为人们的出行提供了安全保障。

安全气囊在近几年得到了飞速的发展，价格大幅度下降，装备了安全气囊的轿车也从过去的中高级轿车向中低级轿车发展。

进入90年代以来，安全气囊的安全性能已被人们普遍接受，并被视为一种现代化和高档次的安全装置。

了解安全气囊的工作原理及注意事宜对我们更好的保护自己有很重要的作用，但对于驾驶员来说，安全驾驶才是第一位的，这是任何先进的安全装置都无法替代的。

【参考文献】

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