浅析汽车安全气囊论文

九江学院

浅析汽车安全气囊

系别：机械与材料工程学院专业：汽车制造与装配技术班级： B1041

姓名：尹志强

学号：21013110126

浅析汽车安全气囊

摘要：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，所以汽车的安全性就变得尤为重要。以此汽车的安全也就随之产生，随后很快的出现了一系列的汽车安全系统。汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种，主动安全是指汽车防止发生事故的能力，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力。当汽车发生事故时，对乘员的伤害是在瞬间发生的。例如，以车速 50 公里/时进行正面撞车时，其发生时间只有十分之一秒左右。为了在这样短暂的时间中防止对乘员的伤害，必须设置安全装备，目前主要有安全带、防撞式车身和安全气囊防护系统 SupplementalInflatableRestraintSystem，简称 SRS等。由于很多事故是难以避免的，因此被动安全性也非常重要，安全气囊作为被动安全性的研究成果，由于使用方便，效果显著，造价不高，得到了迅速的发展和普及。现在，世界上许多汽车制造厂及专业生产厂都在设计和生产安全气囊。今天的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中（包括侧向碰撞）起保护乘员头部、躯干和膝部的作用。此外还会向智能化、小型化、多样化、无污染的方向发展的趋势。

关键词：安全气囊，技术，应用，发展

引言：车辆是现代道路交通的主要运行工具，是道路交通系统的重要组成元素，也是人们生命安全的重要把保证要素。随着经济技术的发展和人民生活水平的提高，城市化的发展和科学技术水平在交通运输领域中的应用，汽车已在全球范围内迅速普及，并成为人类社会经济生活不可缺少的工具，交通的进步与发展给人类带来了数不尽的生活便利、经济效益和社会繁荣，但也给道路带来很大的压力和问题，交通工具的使用导致交通事故的频繁发生也给人类带来灾难，使人类蒙受了难以计数的损失，交通事故已成为当今社会的一大公害。在许多国家，由交通事故引起的人员伤亡数比火灾、水灾和意外爆炸等事故造成的伤亡总数和还要大得多。从经济损失方面看也是如此，中国的火灾经济损失比交通事故经济损失少很多。因此，为了更大限度地减少经济损失、人员伤亡、事故次数等，人们通常会对汽车的车身结构、安全带、制动性、转向性等方面进行考虑、改进和设计，以减轻乘员伤害的各个部件着手，已得到最佳的乘员保护效果。本文正是以此为出发点来谈谈安全气囊对对车上乘员的保护及其发展与应用的。

1.汽车安全气囊概述

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 InflatableRestraint 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。英文名称中强调了安全气囊是辅助性的设备，应该与安全带配合工作才能起到最佳的保护作用。可惜的是中文名称中忽略了这一点，容易给用户带来误解，以为仅靠安全气囊就能获得良好的保护效果。其实，若不配合安全带使用的话，在某些情况下，安全气囊展开时会对乘员造成不必要的伤害。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。随着整车被动安全重要性的深入人心，

在一些高档豪华车中车现了高达 30几个气囊从颈部、膝部、甚至是在车顶的两侧会配有两条管状气囊，在意外情况发生时能够有效的缓解来自车顶上方的下压力，配合侧面气帘能够有效的保护乘客的头部和颈部。膝盖部分的气囊位于前排驾驶座椅内，一旦打开能够有效保护后排乘客的腰下肢体部位，从而也能缓解来自正面碰撞的前冲力。车外气囊系统又叫保险杠内藏式气囊。当汽车在正面碰撞行人时，气囊迅速向前张开和向两侧举升，托起被撞行人同时防止行人跌向两侧。目前车外气囊系统正处于研制阶段。

车辆的被动安全性是指车辆在发生事故的过程和之后，如何保证乘员不受伤害或最大限度减少伤害程度的能力。被动安全性包括车辆的耐撞性能、抗翻滚性能，乘员的约束系统、系能结构，不同车辆碰撞相容性问题和碰撞后的紧急撤离等。车辆主动安全性的提高，有助于减少事故的发生，但无法避免。当事故发生时，如何最大限度地降低事故带来的损失，减少乘员损伤，往往更加重要。因此，人们常考虑从汽车的被动安全部件，如车身结构、安全带、安全气囊、吸能式转向柱、座椅、头枕及内饰件等方面考虑，来减轻对乘员伤害的程度。安全气囊的设计思想在汽车发生碰撞后，乘员与车内构件碰撞前，迅速在二者之间打开一个充满气体的气垫，使乘员扑到气垫上，达到减轻乘员伤害程度的目的。

2.汽车安全气囊发展概述

(1) 国外汽车安全气囊的发展

安全气囊的使用已有近 30 年的历史，它对减少撞车伤亡有不可替代的作用。美国“高速公路安全保险机构”的报告指出，装有安全气囊的汽车在撞车时，死亡人数减少了 23％。新泽西某一医院整形外科在 4 年时间里对 2300 起事故作了研究后认为，配有安全带和安全气囊的驾驶员在车祸中面部受伤减少了 75％，而这主要是安全气囊的功劳。可见，安全气囊能够在交通事故中起到很大的保护作用。使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。1952 年美国汽车生产者联合会在理论上阐述了这样一种汽车安全系统的必要性。几乎同时，这种系统的原理图也绘制了出来。1953 年，第一个气囊的专利就诞生了。但是，由于当时技术水平的限制，还不能把这种想法或专利付诸实现。到了1980 年，德国默谢台斯公司开始实现这种设想，它在自己生产的部分汽车上安装了安全气囊。而从 1985 年起，在全部供应美国市场的汽车上都有安装了这种安全系统。随后，又出现了第一个保护驾驶员旁前排座乘员头部的气囊。现在，世界上许多汽车制造厂及专业生产厂都在设计和生产安全气囊，其中最大的是德国的波许公司。今天的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中（包括侧向碰撞）起保护乘员头部、躯干和膝部的作用。目前，世界上很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。例如在美国，相应的法规已从 1989 年起实施该法规要求一定要安装大尺寸的气囊。而欧洲的专家们则认为最好的方案应该是：安全带和小尺寸气囊的配合使使用。所以，欧洲的公司只生产小尺寸气囊。现在，在汽车上，一个气囊安装在驾驶盘上，一个安装在驾驶员旁前排乘员的前面。侧面气囊或者装在车门上，或者装在座椅靠背上，气囊用尼龙制成，材料厚度为 0.45mm。为了保证气囊的气密性，在其内表面涂敷薄薄一层合成橡胶或硅橡胶。在气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体。这点十分重要的，否则，人就会被气囊推向后面或被一个气囊或几个气囊挤住而受伤。为避免气囊因长期叠置而成硬块，在气囊内部覆盖一层特殊的材料，它可使气囊的有效使用期达到 15 年。 1993 前后，美国政府立法规定从 1995 年 9 月 1 日以后制造的轿车前排座均应装备安全气囊。另外，还要求，1998 年以后的新轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊。安全气囊在近几年得到飞速发展，价格大幅下降，装备安全气囊的轿车从过去的中高级轿车向中低级轿车发展。同时有些轿车前排安装了乘客用安全气囊，乘客用安全气囊与驾驶员用安全气囊相似。只是气囊的体积（即双气囊规格）要大一些，所需的气体也多一些而已。进入 90 年代以来，安全气囊的安全性已经被人们普遍接受，并被视为一种现代化和高档次的安全装置。但是，对于驾驶

员和乘员来说，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。

(2) 国内汽车安全气囊的发展

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。在我国“九五”规划期间和“十五”规划中国家经贸委和汽车行业将安全气囊列为我国汽车零配件三大重点发展项目电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统之一尤其是在 1999 年 1 0 月 28 日国家机械工业局发布《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》 CMVDR294 。这个设计规则明确提出对汽车乘员在发生汽车碰撞时的安全标准。所述的安全要求。CMVDR294 的发布间接地对汽车配置安全气囊提出了新的要求这无疑是中国安全气囊发展史上的一个进步同时也对安全气囊的研究与发展指明了正确的方向和注入了新的活力。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。 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 Autoliv 、Plast、T akawa、Mobis 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。

（3）安全气囊的发展趋势

当前安全气囊出现了两种发展趋势。美国和日本的汽车公司正在努力增大气囊尺寸来保护乘员。而欧洲一些汽车制造公司如“默谢台斯奔驰”、“宝马”和“沃尔沃”等则认为安全气囊本身决不是保障乘员的灵丹妙药它必须在一个统一的汽车被动安全系统中才能有效地发挥作用在这个系统中一定要具备紧缩式安全带、结构可靠的座椅、儿童专用座椅和一系列其它部件。而且最好在车身结构设计开始时就考虑到这个安全系统所有必须的组成部件的安装。随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高汽车安全技术中的安全气囊技术近年来也发展得很快智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。新的技术可以更好地识别乘客类型采取不同的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等因素进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用1级点火还是多级点火、点爆力有多大并与安全带形成总体控制。通过传感器气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式是正面碰撞还是角度碰撞侧面碰撞还是整车的翻滚运动以便驱动车身不同位置的气囊形成对乘客的最佳保护。网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。在汽车网络中有一种应用面比较窄但是非常重要的网络即Safe-By-Wire。Safe-By-Wire是专门用于汽车安全气囊系统的总线Safe-By-Wire技术旨在通过综合运用多

个传感器和控制器来实现安全气囊系统的细微控制。Safe-By-Wire Plus总线标准是由汽车电子供应商和部件供应商如飞利浦、德尔福等公司提出。与整车系统常用的CAN、FlexRay 等总线相比Safe-By-Wire的优势在于它是专门面向安全气囊系统的汽车LAN接口标准。为了保证系统在汽车出事故时也不受破坏Safe-By-Wire中嵌入有多重保护功能。比如说即使线路发生短路安全气囊系统也不会因出错而起动。Safe-By-Wire技术将会在汽车安全气囊系统中获得广泛的应用。

3.汽车安全气囊的工作原理及结构

驾驶员处的安全气囊是存放在方向盘衬垫内，因此，当您看见方向盘上标有quotSRSquot 或quotAirbagquot字样，就可知此车装有安全气囊。

(1) 汽车安全气囊的组成

安全气囊系统主要由传感器、微处理器（ECU）、气体发生器和气囊等主要部件组成。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。气囊装在方向盘毂内紧靠缓冲垫处，其容量约 50 至 90 升不等，做气囊的布料具有很高的抗拉强度，多以尼龙材质制成，折叠起来的表面附有干粉，以防安全气囊粘着在一起在爆发时被冲破；为了防止气体泄漏，气囊内层涂有密封橡胶；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；气囊中所用的气体多是氮气。 SRS 中电控系统中的传感器，按其功能可分为碰撞强度传感器和防护碰撞传感器；而碰撞强度传感器按其安置位置又可分为包括左前碰撞传感器，右前碰撞传感器和中央碰撞传感器的前碰撞传感器和中心碰撞传感器两种。碰撞传感器和防护碰撞传感器串连在一起，其功能都是检测车辆发生碰撞时的惯性力或减速度值，并把信号传输给SRS的ECU。所不同的是，碰撞强度传感器是用来检测车辆发生碰撞时所受碰撞的激烈程度，其信号是供系统的控制单元判断是否引爆点火剂而使气体发生剂给气囊充气；而防护碰撞传感器则是防治碰撞强度传感器短路而导致安全气囊误膨开，其信号是供控制单元判断是否发生碰撞。 ECU 为一独立安装的控制系统，它不与其他系统的控制单元合用，其功能是接受个传感器发来的信号并判断是否引爆使气囊膨开。

传感器在安全气囊控制系统中，普遍采用了传感器来感知汽车在发生碰撞时的信号，检测汽车在发生碰撞时的碰撞强度，一旦碰撞强度达到或超过设计所允许的强度后，各个传感器立即起作用，同时产生和输出一系列被碰撞的信号，这些碰撞信号传输给中央电子控制器，由中央电子控制器中的微处理器来进行处理和判断，决定是否引爆安全气囊。汽车安全气囊控制系统中所采用的传感器，主要类型为惯性加速度传感器，正常情况下，依靠弹性元件使传感器保持在断开状态，当汽车发生碰撞时，惯性元件克服弹性元件的阻力，使传感器立即被接通并产生碰撞信号。按照碰撞传感器的功能和使用情况不同，传感器可分为碰撞传感器、中央传感器和安全传感器等。碰撞传感器可以装在汽车的前部和侧面，通过直接感知碰撞作用力或从车身结构件的变形，来检测汽车在发生碰撞时的碰撞强度。中央传感器是用来检验和判断由传感器输入的碰撞信号。安全传感器则起着保险作用，可以防止在汽车紧急制动、跨越凹坑或低于规定强度等条件时，因产生强烈振动而引起的“误判”。几乎所有的传感器对温度都非常敏感，必须保证传感器能够在相当大的温差范围内都能够正常稳定地工作，保证其可靠性。另外传感器应尽量地布置在温度变化较小的部位，或采取一定的隔热措施。电子控制器安全气囊的中央电子控制器（Electronic Control Unit）是以微处理器为核心的控制系统，主要组成部分见图 1。不同的国家、不同的汽车生产厂家以及研究部门，在不同时期、不同的车型上，开发和设计了多种多样的中央电子控制器，随着技术的不断进步，中央电子控制器也不断地改进和完善。安全气囊中央电子控制器一般由微处理器，信号输入输出系统，安全气囊系统电源，警告和诊断系统，辅助组件构成。下面介绍各组成

部分的主要功能。

微处理器微处理器是中央电子控制器的核心，担负安全气囊的系统控制、信号处理和判断、发生引爆电脉冲等重要控制工作。在微处理器中有安全气囊的控制软件，还包括 A/D 转换器、串行接口、定时器、信息储存器、RAM、ROM、EEPROM等，它具有以下主要功能：（1）控制碰撞传感器、中央传感器和安全传感器输入的电信号，对减速信号进行处理、筛选和判定，防止因紧急制动、通过沟堑或低速碰撞等引起安全气囊的误爆。（2）将碰撞传感器、中央传感器和安全传感器输入的电信号与微处理器控制软件中已储存的计算程序和数据进行对比和评估，判断是否需要引爆安全气囊，并确定引爆的时间。如果判断与确定无误，则适时地发出安全气囊引爆的电脉冲，同时起动安全带卷收器锁紧安全带，对乘员产生约束力。自动控制安全气囊引爆的限值，对没有佩带安全带的乘员，提供最佳保护。（3）在安全气囊点火引爆电路接通后，立即将有关安全气囊的工作全过程、故障方式和故障持续时间的信息，储存到储存器中，记录当前的故障代码。（4）通过信号系统和诊断器，对整个安全气囊控制系统内部和外部的功能进行检测和监控，并对安全气囊系统零部件进行诊断。

气囊组件它主要有气体发生器气囊饰盖和底板组成。气体发生器又称充气器用于在点火器引爆点火剂它是产生气体向气囊充气使气囊膨胀开来。目前大多数气体发生器都是利用热效应产生氮气而充入气囊的。点火器外包铝箔安装在气体发生器内部中央位置它包括引爆炸药和引药引出导线与气囊插接器插头链接。气囊采用尼龙制成内层涂有聚氯丁二烯用以密封气体。气囊静止时被折叠成包安放在气体发生器上部和气囊饰盖之间气囊饰盖表面模压有浅印以便气囊充气爆开时撕裂饰盖并减小冲出饰盖的阻力。气囊背面或顶部设置有排气孔当驾驶员压在气囊上时气囊受压后便从排气孔排气。

SRS警报灯它位于仪表板上起自诊断作用。它用于指示气囊系统功能是否处于正常状态。正常情况下打开点火开关后气囊指示灯应点亮几秒钟后熄灭。如果气囊指示灯不亮、一直亮或在行驶途中突然点亮表示气囊系统有故障应及时检修。

安全气囊保险机构和线束气囊系统线束连接器及保险机构为了便于将气囊系统线束与其他电气系统线束区别开目前大多数汽车的气囊系统线束采用黄色连接器图也有采用深蓝色或橘红色连接器。连接器采用了导电性能和耐久性能良好的镀金端子并设计有防止气囊误爆机构以保证气囊系统可靠工作。①从气囊电脑到点火器之间的连接器采用了防止气囊误

爆的短路片机构铜质弹簧片又称为短路弹簧片 。当连接器拔开时插头拔下或插头与插座未完全结合 短路片自动将靠近气囊点火器一侧插头或插座的 个引线端子短接防止静电或

误通电造成气囊误爆。②为了保证转向盘具有足够的转动角度而又不致于损伤气囊组件的连接线束在转向盘和转向柱之间采用了螺旋线束即将线束安装在螺旋形弹簧内。在不同汽车制造厂提供的维修手册中螺旋线束的名称各有不同例如也称为螺旋弹簧、游丝或游丝弹簧。螺旋弹簧在转向盘和转向柱之间安装时需要注意安装位置和方向当拆卸和安装转向盘时应将转向柱固定在“直向前”的位置以免损坏螺旋线束。

(2) 汽车安全气囊的工作原理

安全气囊系统典型的气囊系统包括二个组成部分：探测碰撞点火装置或称传感器，气体发生器的气囊或称气袋。当传感器开关启动后，控制线路即开始处于工作状态，并借着侦测回路来判断是否真有碰撞发生。如果讯号是同时来自两个传感器的话才会使安全气囊开始作用。由于汽车的发电机及蓄电池通常都处于车头易受损的部位，因此，安全气囊的控制系统皆具有自备的电源以确保作用的发挥。在判定施放安全气囊的条件正确之后，控制回路便会将电流送至点火器，借着瞬时快速加热，将内含的氮化钠推进剂点燃。在近乎爆炸的化学反应快速发生的同时，会产生大量无害的以氮气为主的气体，将气囊充气至饱满的状态，并

借着强大的冲击力，气囊能够冲开方向盘上的盖而完全展开，以保护驾驶者头部不受伤害。同时在推进剂点燃的过程之中，点火器总成中的金属网罩可冷却快速膨胀的气体，随即气囊可由设计好的小排气口排气，以发挥逐渐缓冲功能，并避免在车身仍继续移动时阻碍碰撞后的视线。需要特别说明的是，传感器只有在满足了一定的条件下才会工作。安全气囊的传感器的设计有很多种，有一部分是采用摆锤或杠杆式开关，还有的是弹簧负载的转轮式，此外还有用水银开关的产品。但不论感测器开关型式如何，都必须有足够的撞击力才能使得开关启动，同时这个撞击力必须来自正的方向才行。通常这个撞击力约等于以时速２５公里至５０公里左右碰撞固定物所产生的结果。当汽车受到这种高速碰撞时，装在车前端的碰撞传感器和装在汽车中部的安全传感器，就可检测到车速突然减速，并将这一信号迅速传递给安全气囊系统的控制电脑，电脑在经过分析确认之后，才会引爆安全气囊包内的电热点火器，使气囊发生迅速膨胀。据计算，正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的 0.01 秒内微处理器开始工作，0.03 秒内点火装置启动，0.05秒内高压气体进入气囊，0.08 秒内气囊向外膨胀，0.11 秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。可见，气囊的打开与否与撞击角度和撞击速度都有关，一般来说在汽车翻转、轻微碰撞、侧面碰撞或后面碰撞时，气囊均不会打开，比如桑塔纳 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。再有一点，对于撞击速度而言，安全气囊系统测定的是撞击后车辆的减速度，因此，在做安全碰撞实验时，一般都是让车笔直地撞在不能移动且不能变形的墙上。