1、第二十一章 安全氣囊與安全帶,碰撞試驗,第一節(jié) 安全氣囊,汽車發(fā)生碰撞事故時，在慣性的作用下，司機(jī)和乘客會高速撞向方向盤 等車內(nèi)部件，受到傷害。在汽車上安裝安全帶和安全氣囊等保護(hù)系統(tǒng)，可以在撞車時把乘客約束在座椅上，限制乘客頭部、胸部的移動距離，避免與車內(nèi)部件發(fā)生劇烈碰撞，從而起到保護(hù)作用。所以也把這種保護(hù)系統(tǒng)叫做乘員約束系統(tǒng)（SRS）。,一、氣囊的保護(hù)思想,氣囊的基本保護(hù)思想是：在發(fā)生碰撞后迅速在乘員和車內(nèi)部件之間打開一個充滿氣體的袋子，讓乘員撲在氣袋上。通過氣囊的排氣節(jié)流阻尼吸收乘員的動能，使猛烈的車內(nèi)碰撞得以緩沖，以達(dá)到保護(hù)乘員的目的。,一、氣囊的保護(hù)思想,二、氣囊的組成與工作原理,安全

2、氣囊系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、氣體發(fā)生器和氣囊等組成,二、氣囊的組成與工作原理,其工作原理為：傳感器感受汽車碰撞強(qiáng)度并將其傳給控制器，控制器進(jìn)行判斷并在適當(dāng)時機(jī)發(fā)出點火信號觸發(fā)氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生器點火后迅速產(chǎn)生大量氣體展開氣袋。從而達(dá)到保護(hù)乘員生命安全的目的。,1.傳感器 目前主要有機(jī)械式、機(jī)電式、電子式等幾種。其中電子集成式集成度高，其內(nèi)部集成有加速度傳感，低通濾波器，溫度補(bǔ)償?shù)饶K；接口簡單，可靠性高；具有自測試功能，可及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。是目前廣泛應(yīng)用的一種。,2.傳感方式 傳感方式有多點式和單點式。目前正在使用的多點傳感式安全氣囊系統(tǒng)的典型配置，共有三個傳感器：一個機(jī)電式左檔板傳感器，

3、一個機(jī)電式右檔板傳感器和診斷模塊中的一個電子傳感器。司機(jī)側(cè)和乘客側(cè)各有一個氣囊。兩個檔板傳感器中只要有一個閉合，診斷模塊就對電子傳感器送來的信號進(jìn)行處理和判斷，當(dāng)認(rèn)為有必要點火時，就發(fā)出點火信號使氣囊充氣。單點傳感式安全氣囊系統(tǒng)采用單個電子式傳感器，并且傳感器和點火控制模塊以及診斷模塊都集成在一起。目前，由于點爆控制算法越來越完善，單點傳感式氣囊系統(tǒng)正在逐步取代多點傳感式氣囊系統(tǒng)。,3.安全傳感器 安全傳感器是一機(jī)電式傳感器，它在不低于3g的加速度時閉合，它串聯(lián)在氣囊點火電路中，主要是為了提高系統(tǒng)的抗干擾性。,三、控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)是氣囊系統(tǒng)的核心部件，其控制機(jī)理是各生產(chǎn)廠家嚴(yán)格保密的核心技術(shù)

4、。氣囊控制系統(tǒng)要能準(zhǔn)確判斷出正撞、偏撞、斜撞、撞樹等各種復(fù)雜情況的碰撞強(qiáng)度，并準(zhǔn)時點爆氣袋。 控制系統(tǒng)主要有機(jī)械式、模擬電子式、智能式幾種。機(jī)械式控制系統(tǒng)主要用于低成本的氣囊系統(tǒng)，應(yīng)用正在減少。 現(xiàn)在大部分都采用帶微處理器的智能控制系統(tǒng)，對電子式傳感器測量得到的信號進(jìn)行處理，輸出點爆信號。其原理框圖如圖所示。,氣囊控制器一般具備如下特性： 在不影響系統(tǒng)可靠性的前提下，盡量采用集成元件，元器件的個數(shù)應(yīng)盡量少。 元件及電路應(yīng)為可在線測試的。 減少耗電，使系統(tǒng)在主電源掉電情況下可繼續(xù)工作。 儲存故障代號，以備事后診斷。,四、氣囊,氣囊的形式有兩種 一種體積比較大，即使乘客不系安全帶也能起到良好的保護(hù)

5、作用，主要在美國市場，因為美國法規(guī)對安全帶的佩戴沒有強(qiáng)制性； 一種體積較小，與安全帶配合使用，是將安全氣囊與三點式安全帶共同組成一個乘員保護(hù)系統(tǒng)使之達(dá)到最佳的乘員保護(hù)效果。這種氣囊主要在歐洲市場應(yīng)用，因為歐洲對安全帶的佩戴有強(qiáng)制性要求。,五、氣體發(fā)生器,氣體發(fā)生器有壓縮氣體式(冷式)、燃燒式(熱式)、混合式三種。 壓縮氣體式主要與機(jī)械式傳感器及控制器連用。由于其產(chǎn)氣量少、充氣速度慢等缺點，應(yīng)用較少。 燃燒式通過燃燒劑燃燒產(chǎn)生大量氣體，產(chǎn)氣量大，容易控制，應(yīng)用較多。燃燒劑有疊氮化鈉等種類。疊氮化鈉燃燒產(chǎn)生無害的氮氣，但產(chǎn)生大量的熱量和固體顆粒，所以要采取降溫、過濾等相應(yīng)措施。為防止火藥產(chǎn)生的熱量

6、對乘員造成傷害，有些氣囊內(nèi)部涂有隔熱涂層。疊氮化鈉融于水后有毒，對環(huán)保不利。各氣囊生產(chǎn)廠家都在發(fā)展新型的燃燒劑?？扇?xì)怏w式是其中的一種，它將氫氣和氧氣按一定比例混合加壓儲存在儲氣瓶中。它燃燒后產(chǎn)生水，沒有固體顆粒，燃燒前也沒有害，是一種理想燃燒劑。,混合式是用少量的燃燒物質(zhì)產(chǎn)生足夠的熱量，使得壓縮氣體迅速膨脹而充滿氣囊。其產(chǎn)氣量大，而產(chǎn)生的熱量少，是今后的發(fā)展方向。,六、氣囊發(fā)展現(xiàn)狀,安全氣囊于1958年發(fā)明并申請了專利。它作為汽車被動安全性研究的成果，是隨著汽車被動安全性研究的深入而發(fā)展的。美國通用汽車公司在1974-1976年間安裝了大約一萬套氣囊系統(tǒng)，但是，由于技術(shù)上的原因又停止了生產(chǎn)。

7、直到90年代后，由于以下原因才得到推廣和普及： 1.碰撞試驗技術(shù)的進(jìn)步； 2.公眾對于安全要求的提高； 3.安全氣囊系統(tǒng)所需電子技術(shù)的提高； 4.安全氣囊對于人體的保護(hù)效果顯著。,從1970年到1990年的20年間，歐美關(guān)于安全氣囊方面的專利只有106項，而從1990年到1994年4月，有專利464項。在美國，到1995年，前排乘員的氣囊安裝率已超過60。法規(guī)規(guī)定在1997年9月1 日后出廠的轎車中100安裝司機(jī)側(cè)和前排乘員側(cè)氣囊。在歐洲則是標(biāo)準(zhǔn)裝備和選件并存，現(xiàn)在新車型基本都安裝有安全氣囊。 安全氣囊的保護(hù)作用是十分顯著的。據(jù)美國官方公布的數(shù)字，1986年至1997年2月15日，安全氣囊共挽

8、救了1828人的生命(1639名司機(jī)，189名乘員)。安全氣囊同時也有副作用。在上述時間段內(nèi)，氣囊造成38名兒童、21名司機(jī)、2個乘員死亡。這些主要發(fā)生在低速碰撞的情況。造成死亡的原因有如下幾種：兒童及兒童座椅靠近氣囊；碰撞前的制動使得兒童更加靠近氣囊。氣囊主要造成頭和頸部傷害。另外矮個子司機(jī)受到的傷害也是類似原因。,目前歐美等發(fā)達(dá)國家對乘員保護(hù)系統(tǒng)的研究主要有下述幾個方面： 發(fā)展低能量氣囊，減少氣袋對離位乘員、兒童乘員的傷害。 研究側(cè)撞氣囊、翻滾氣囊等保護(hù)裝置。 研究智能保護(hù)系統(tǒng)。 研究膝部、小腿、踝部的保護(hù)裝置。,七、氣囊的關(guān)鍵技術(shù),1.碰撞判斷準(zhǔn)確 汽車的碰撞形式是各式各樣的，其碰撞強(qiáng)度

9、、減速度波形、車體變形等都是不一樣的，但都要求氣囊系統(tǒng)能準(zhǔn)確地判斷出強(qiáng)度如何，并能準(zhǔn)確控制氣囊點爆。目前氣囊系統(tǒng)有兩種形式，一種是與安全帶配合使用，當(dāng)?shù)退倥鲎矔r，主要是安全帶對乘員起保護(hù)作用，當(dāng)發(fā)生高速碰撞時，才啟動氣囊對人進(jìn)行保護(hù)，此時氣囊主要保護(hù)人的面部，又稱之為“面袋”。第二種是單獨起保護(hù)作用，發(fā)生碰撞時，氣囊要保護(hù)人的頭部和胸部。 第二種氣囊的體積較大(對司機(jī)側(cè)氣囊為60升以上)，充氣時間長，充氣量大，啟動氣袋的碰撞車速較低，造價高。第一種氣囊的體積較小，(對司機(jī)側(cè)氣囊為40升左右)，充氣量小，充氣時間短，啟動氣囊的碰撞車速高，造價低。就我國情況看，第一種氣囊更適合我國國情。,七、氣囊

10、的關(guān)鍵技術(shù),氣囊的點爆車速與各個國家的事故形式有關(guān)。通常是根據(jù)大量的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，總結(jié)出在不同車速的碰撞事故對乘員造成的傷害程度，據(jù)此確定何種車速需啟動氣囊對乘員進(jìn)行保護(hù)。目前國外的資料中可以得知，對使用安全帶的“面袋”來說，一般規(guī)定：20km/h以下正面撞墻時，氣囊不點爆；30km/h以上正面撞墻時，氣囊一定點爆；2030km/h之間為點火的模糊區(qū)，氣囊可點爆也可不點爆。對不使用安全帶的氣囊，一般是12.8km/h(8mph)正面撞墻時氣囊不爆，20.9km/h(13mph)正面撞墻時氣囊要點爆。如果高速碰撞時氣囊沒有點爆(漏點火)，會造成乘員的嚴(yán)重傷害，是絕對不允許的。,七、氣囊的關(guān)鍵技術(shù)

11、,2.點火時刻準(zhǔn)確 以司機(jī)側(cè)氣囊為例。氣囊點爆后，氣體發(fā)生器的充氣時間約是30毫秒。對處于正常位置的50百分位假人，最佳情況下是發(fā)生碰撞時，氣囊剛剛充滿氣體后，人的頭部即與氣囊接觸，這樣保護(hù)作用最好。如果人頭部接觸到氣囊時，氣囊尚未充氣完畢(遲點火)，則氣囊不僅不能起到緩沖吸能作用，巨大的爆炸力反而會將人打傷。如果氣囊充氣完畢后很長時間人的頭部才與氣囊接觸(早點火)，由于氣囊節(jié)流小孔的排氣作用，氣囊中沒有足夠的氣體壓力，同樣會影響對人的保護(hù)作用。,七、氣囊的關(guān)鍵技術(shù),如果乘員乘坐位置偏離了正常位置，如司機(jī)離方向盤過近或過遠(yuǎn)，稱為離位乘員。氣囊對離位乘員具有較強(qiáng)的傷害作用。以司機(jī)側(cè)氣囊為例，根據(jù)

12、美國有關(guān)機(jī)構(gòu)的尸體試驗結(jié)果，如果氣囊點爆時尸體胸部靠在方向盤上，氣囊會將其肋骨打斷；如果胳膊靠在方向盤上，氣囊會使得胳膊骨折。氣囊對離位兒童乘員的傷害尤為嚴(yán)重。因此美國在推行低能量氣囊，即延長氣囊的充氣時間，減少氣囊爆出時的侵略性。此時氣囊的充氣時間大于30ms，氣囊的點爆時間要提前。,七、氣囊的關(guān)鍵技術(shù),3.抗粗糙路面干擾能力強(qiáng) 氣囊系統(tǒng)是一次性使用的安全防護(hù)系統(tǒng)，若意外點爆，除了會造成經(jīng)濟(jì)損失，由于氣囊點爆時的巨大聲響和體積，會對乘員造成驚嚇，可能會引發(fā)不必要的事故。因此必須具有高的抗粗糙路面干擾能力。根據(jù)清華大學(xué)的總結(jié)，當(dāng)汽車以2060km/h的速度通過下述路面時，氣囊不應(yīng)點爆：上下11

13、0毫米高的臺階、鐵路鐵軌、270毫米深的坑及國標(biāo)路面，計有扭曲路面、坑洼路面、石塊路面、搓板路面、卵石路面等。這些情況都會產(chǎn)生較大的汽車減速度，氣囊系統(tǒng)必須能識別出此種狀況，氣囊不能點爆。,七、氣囊的關(guān)鍵技術(shù),4.高可靠性與工作穩(wěn)定性 由于汽車的工作環(huán)境比較復(fù)雜，氣囊必須有較高的工作可靠性和穩(wěn)定性。 如汽車在雨中工作；汽車在高溫氣候中行駛；汽車在寒冷的地區(qū)使用；汽車在高海拔的地區(qū)使用；汽車在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中等。 這些環(huán)境都不能引起氣囊系統(tǒng)的失效。另外，某些時候汽車上的電瓶電壓可能偏低；在發(fā)生碰撞時，可能在碰撞的最初時刻即將電瓶破壞，使氣囊系統(tǒng)失去電源。因此氣囊系統(tǒng)要有很寬的工作電源范圍，并且當(dāng)電源失掉后，應(yīng)能有數(shù)百毫秒的持續(xù)工作能力。,第二節(jié) 預(yù)緊式安全帶,預(yù)緊式安全帶是近年來發(fā)展的一種安全帶。一般，為了乘員的舒適，安全帶的預(yù)緊力不能太大，安全帶與人體之間總有一定的間隙，當(dāng)乘員衣服較厚時，此間隙會較大。在碰撞時，這個間隙將減小安全帶的有效作用范圍，降低安全帶的效能。安全帶使用預(yù)緊器后，可在碰撞達(dá)到一定強(qiáng)度時，啟動預(yù)緊器，帶動鎖扣回縮或卷收器回轉(zhuǎn)，使得安全帶縮短一定距離，有效消除間隙，可以提高安全帶的作用。預(yù)緊式安全帶是在普通安全帶上增加預(yù)緊器構(gòu)成的。預(yù)緊器可以與鎖扣結(jié)合在一起(鎖扣預(yù)緊器)，也可以與卷收器結(jié)合在一起(卷收器預(yù)緊器)。,一、鎖扣預(yù)緊