汽车安全气囊技术及其发展趋势分析

汽车安全气囊技术及其发展趋势

【摘要】本文简述了汽车安全气囊的发展过程，在探讨安全气囊基本原理、种类和国外应用现状的基础上，对国内安全气囊应用现状和发展特征进行分析，并提出了现有的问题和解决方法，最后介绍了汽车安全气囊的近年的技术进步和发展前景。

【关键词】安全气囊；发展；技术进步；汽车

1 汽车安全气囊的发展概况

1．1国外安全气囊的发展概况

1953年8月18日, 美国人约翰赫特里特获得了“汽车缓冲安全装置”的美国专利。他在1952年的一次事故后, 萌发了设计撞车安全装置的想法。在一次事故中,他为躲避一个障碍物而猛打方向盘,并进行制动,他和妻子都用手臂本能地保护坐在前座中间位置上的女儿。这次事故后他意识到必须有一个更好的装置来保护乘员,两周之后他绘好了设计图纸交给了代理人,这份图纸确定了今天安全气囊的雏型。但是,由于当时技术水平的限制,还不能完全把这种想法或专利付诸实施。后来,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。而美国通用汽车公司首先采用现代气囊系统。从1985 年起,在全部供应美国市场的汽车上都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[2]。

最初出现的安全气囊，在今天看来是过于简单:正面装有传感器，只有正驾驶位享有安全气囊，而副驾驶位对于来自侧面的碰撞，则束手无策。当美国参议院通过公路死伤减少条例，确认了安全气囊的作用后，美国政府规定从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。

近十年来，双气囊已取代了单气囊，而且最新一代的智能安全气囊采用双级控制，即:如果碰撞强度低，则气囊只充气到总量的百分之七十，若碰撞的强度高，安全气囊则完全膨胀。当前世界上开发、生产汽车安全气囊较为成熟的国家有美国、德国、日本。目前国外生产的中高级轿车，大多数有安全气囊，有些轿车已将安全气囊列入必装件。在许多豪华汽车配置中，安全气囊技术被大量采用，有正面，有侧面，数量也由最初的一、二个，增加到八个甚至十个[3]。

1.2 国外安全气囊市场现状

全球各地区的气囊市场发展情况、发展程度不同。例如，北美、西欧、日本气囊市场已比较成熟，而巴西气囊的装配率还不到1/3。另外，正面碰撞气囊基本普及，而其在侧撞、滚翻、行人保护和儿童乘员保护方面的应用则是新的研究方向［12－16］[4]。在欧

洲，奥托立夫公司是主要的安全气囊供应商。在前驾驶员座、前乘客座、侧面和侧面帘状安全气囊市场占有率达40％～55％,其最大的客户是福特汽车集团，其次为雷诺、日产和其他的日本汽车制造商。除欧洲外，日本安全气囊龙头为高田公司（包括在德国的高田公司）和丰田的成员组织Toyoda Gosei。德国高田公司的主要客户有通用汽车、宝马、本田和戴姆勒·克莱斯勒。在美国，安全气囊领域的主要供应商为天合和德尔福，天合的客户为丰田、大众、戴·克、福特和通用等。天合在北美的市场份额为25％左右，德尔福在北美的市场份额为20％左右。

2.1 国内安全气囊应用现状

2.1.1 国内安全气囊的发展概况

在我国, 汽车安全气囊的起步较晚, 开始于九十年代。主要生产厂家: 石家庄久乐汽车安全设备公司、锦州锦恒汽车安全系统股份有限公司、锦州和昌汽车安全气囊有限公司、广东省珠海市生生赫达有限公司与西安庆华电器制造厂等等[5]。

我国最早研究开发汽车安全气囊企业之一:家庄久乐汽车安全设备有限公司,现已形成年产A型（驾驶位)、B 型（副驾驶位)安全气囊10万套的生产能力。石家庄久乐汽车安全设备有限公司开发、生产的久乐安全气囊, 采用了复式点火装置的智能电子式+机械式,更加提高了安全气囊的可靠性。久乐气囊独具黑匣子记忆功能,即可对撞车事故记录分析,并具有自检即安全气囊性能检查、计算机通讯等功能。其各项性能指标已基本达到国际先进水平。1996年底组建的锦恒汽车安全系统股份有限公司,近三年来先后与同行业领先的美国BREED公司、德国西门子约束系统公司和一汽集团长春汽车研究所等进行合作,并投资2500 万元人民币引进了美国BREED公司两条模块生产线,建成了具有世界先进水平的产品研发中心。目前，这家公司已开发了与富康系列轿车相匹配的单侧式安全气囊、与红旗系列轿车相匹配的双侧安全气囊等产品。投资1.5亿元人民币的二期技术改造工程已于2000 年9 月份开始。目前已达到单班年产三十万套安全气囊的生产规模, 是中国规模最大的汽车安全气囊生产基地。

锦州和昌汽车安全气囊有限公司是辽宁和昌汽车安全气囊集团的核心企业,是目前国内集汽车安全气囊科研、设计、生产、经营为一体的高新技术企业。和昌公司拥有过亿元总资产、8项安全气囊方面的专利技术和一批国家级专家。近期由该公司和清华大学联合开发的HCQ- 2型数字化汽车安全气囊智能控制器,通过了国家机械局的鉴定,被称为是涉及到实车碰撞理论、神经元、模糊数学以及实用数学等学科知识的、具有国际先进水平的产品。该公司还相继用桑塔纳、夏利、广东宏远大吉普车、山东荣城大吉普车、北京中华子弹头、富康、奥迪、红旗、北京吉普车等20几种车型与和昌气囊进行匹配,完成了实车、台车碰撞试验,试验规范和试验结果均符合美国FMVSS208和欧洲EEC和ECE标准[6]。

2.1.2 国内安全气囊市场现状

我国安全气囊市场连年增长，但增长速度趋缓。据汽车工业年鉴相关资料数据，2007年中国汽车销售879.5万辆，2008年汽车产销量突破900万，2009年突破1000万辆，2010 年汽车销售规模将达到1263万辆。与此相对应，2005年，我国安全气囊市场需求量为440万套，2006年汽车安全气囊气市场需求量为528万套，2007年汽车安全气囊气市场需求量为968 万套,到2010年我国安全气囊总需求量将达到2060万套。分析认为，我国安全气囊市场增长趋缓的原因主要有两个:一是我国汽车总量增长减缓的影响；二是我国安全气囊的普及率提高很快，普及增长的市场效果在迅速减退。2000年，我国平均每辆轿车安全气囊只有0.07个，2001年0.40个，2002年1.20个，2004年1.69个。目前，我国在中高档轿车上基本普及了安全气囊。今后我国安装气囊市场需求的增长，一靠汽车产量增长拉动，二靠单辆轿车安全气囊应用数量的增长。因此，我国安全气囊增速放缓是必然趋势[7]。

我国安全气囊国产化稳步提高。我国汽车安全气囊产业发展的一个可喜变化就是国产化率的不断提高。2001年我国安全气囊的国产化率只有8.8％，到2005年我国安全气囊的国产化率已达到58．0％,4年间增长了5.6倍。

虽然近年我国汽车安全气囊的国产化程度在进一步提高，但在安全气囊核心技术方面主要还是靠引进国外技术，包括少数在安全气囊业务上做得比较成功的汽车电子公司也是如此。进口持续减少，出口形势喜人。安全气囊进出口市场高速增长，截止2007年12月末，累计进口数量为1432万套，进口金额为33452万美元；安全气囊出口1419万套，出口金额为19226万美元。2000年我国安全气囊装置进口3.1万套，2004年我国安全气囊装置进口达到最高峰，当年进口178万套，用汇1.57亿美元。此后，安全气囊装置的进口开始减少，2006 年进口151万套，用汇1.25亿美元。从增长速度来看，在经历2001年的800％的增长高峰后，就开始迅速下降，到2004 年增长速度只有12.8％。2005 年，我国安全气囊装置进口形势又出现了新变化:进口数量和金额出现同比负增长。2005年，我国安全气囊装置进口数量、金额分别为167.8万套、1.41亿美元，同比增长分别为－5.74％、－10.3％。在进口数量不断减少的同时，安全气囊进口的平均单价也在逐年下滑。2000年，我国平均每套安全气囊装置的进口价格为123 美元，到2009 年时价格已经下虽然我国安全气囊出口逐年增大，但产品大多为国外关键部件组装产品。在金融危机下外资企业看好中国市场潜力，更加大了市场开发力度。因此，提高国内企业的生产能力与研发水平刻不容缓。

平均安装个数下降，市场潜力巨大。我国汽车安全气囊的市场需求容量近年来在高位增长，但平均每辆车应用安全气囊的数量却有所减少。2004年奥尔威咨询统计了234．8万辆乘用车，应用安全气囊的数量是391万个，平均每辆车应用1.67个；2006年奥尔威咨询统计了556 万辆乘用车，应用安全气囊的数量是777万个，平均每辆车应用1.39个。2006 年与2004 年相比，平均安全气囊的应用数量反而减少了16.8％。奥尔威咨询分析认为，我国汽车安全气囊市场之所以出现“总量上升、个量下降”的现象，是与我国经济型轿车产量在近年的比重上升有关。奥尔威咨询粗略统计了我国生产经济型轿车的主要企业——天津一汽夏利、奇瑞汽车、浙江吉利、重庆长安铃木、哈飞汽车、昌河汽车、通用五菱、比亚迪汽车8家企业2004年和2006年产量，统计结果显示:2004年上述8家企业汽车产量合计为49.2万辆，占基本型乘用车总量的22.1％；2006年，这8家企业的产量合计为103.3万辆，占基本型乘用车总量的26.7％，比重增加了4.6个百分点。总体看来，我国“排量≤1.6 L 基本型乘用车”产量占全国基本型乘用车产量的比重，2004年为52.9％，2006年为

62.7％，2年间增10个百分点。由于我国经济型轿车市场价格竞争激烈，厂家对标配安全气囊这种成本比重高的零部件态度谨慎，一些价格非常低的车型多数不装安全气囊或者选装安全气囊，即使是标配的也以标配1个安全气囊的车型占大多数。由此可见，2004 年后，由于我国不带安全气囊或者安装气囊数量不多的经济型轿车比重的增加，导致了我国平均每辆车应用安全气囊数量的减少[8][9]。

2 安全气囊的存在的问题和解决的方法

2.4 外置安全气囊的发展

在发动机罩和挡风玻璃之间的接合部位,富康(Volvo)还安装了一只外置式安全气囊, 用于防止受害人的头部撞到了挡风玻璃和前支柱上。此安全气囊是由一个安装在发动机罩前部的传感器激活的。当它被激活后,它的膨胀状态能够持续数秒之久,以便增强防护功效。膨胀的安全气囊只能遮盖挡风玻璃的下部,而且不会对驾驶员的视野有碍[15]。

3 汽车安全气囊的发展的趋势

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:

3.1 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[16]。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。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。它解决了安全气囊膨胀过快而对乘客造成的挤压伤害问题。杰戈娃汽车公司生产的轿车座椅上还装有一种德尔福传感器公司开发的乘客体重传感器和一个皮带扣夹张紧传感器, 可以指示乘客的体重和身材。这种传感器还可以指示出乘客是否使用了安全带。整个传感器系统将由神经网络控制。为保证精确地确定乘客的位置,采用了4个超声波传感器: 来自这些传感器的信息输送给神经网络, 然后计算出乘客的体重和位置、衣服穿戴的类型等。还能确定他们的精确位置, 身体向后仰还是向前倾。控制系统和传统的进行数字信号处理的微处理器结合使用。该系统提供两种膨胀的速度, 采用了TRW 公司开发的2 级安全气囊充气装置，由控制系统决定是否起动安全气囊。例如, 如果乘客的身驱支靠着仪表板，则不启动安全气囊[17][18]。如果需要展开安全气囊，一级和二级充气装置都将启动。这种新安全气囊的其中一个优点, 是比普通气囊展开的次数少。

3.2 绿色环保化

目前汽车安全气囊中普遍使用了迭氮化钠(NaN3)。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[19]。

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。如TRW公司采用非叠氮化合物的推进剂作动力, 替代了原来安全气囊所用的固体氮化合物；有采用空气和氢的混合物的安全气囊,氢燃烧后产生的热气体,能以很快的速度充满安全气囊；也有其他采用氦气其膨胀的新型安全气囊系统。另外,最近法国地区发展规划和环境部建议，抓紧对汽车安全气囊进行技术改造, 今后,车辆安全气囊中的迭氮化钠将由推进剂代替,避免使用存在潜在危险和有毒性的含钠物质。而推进剂是火箭所使用的燃料,在特定条件下,它可以释放出强大的能量[20]。

3.3 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[21]。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,另一方面研究轿车受撞变形的方式,以及安全带和安全气囊之类防护系统应如何设计,才能达到最佳的防护效果。而各种运算都是以现实交通中发生的同类事故为依据进行的[22]。

3.4 小型、轻型化

安全气囊总成将采用体积小的新型气体发生器,它采用压缩气体的混合式气体发生器及采用有机气体的纯气体式气体发生器。另外,安全气囊作为一个高度集成化的系统和模块, 德尔福传感器公司将推出了世界上最小的安全气囊模块,使方向盘既美观简洁,又有足够的空间来集成更多的控制系统。德尔福的技术可以提供高度紧凑型的乘员正面保护安全气囊, 而且气囊系统的盖板与方向盘的接缝非常细小,几乎看不出来；安装的位置也比较独特,且方向盘看上去更漂亮[23]。

3.5 保护全方位化

安全气囊不再仅局限于保护驾驶员与前座乘员。现代汽车还将采用了窗帘一般的侧气囊, 这样即使是侧面被撞,车内乘员的安全也能得到充分的保证。如:侧翼气囊,它是置于车门两侧及车顶的气囊装置。来自侧翼撞击的力量必须足够大时才能触发气囊充气,仅是踢踹或撞击产生的能量还不足以造成气囊装置的触发。当侧面撞击发生时,撞击力虽被分散,但还有一部分由车门传至装有传感器的座椅上,就在门与传感器接触的刹那,火焰推动两个气体发生器,以高达每秒2000 米的速度,差不多是七倍的音速为气囊充满氮气。它还可以在撞击发生的关键瞬间,自始至终地保护着人体的上身[24][25]。

4 结束语

综上所述，现代汽车安全气囊产品的发展，应该符合新时代科技发展的要求, 应该最大限度的满足人们对它的要求, 从而充分体现出汽车的安全、舒适、方便、快捷等优越性能，向着全方位保护、智能化、绿色环保等方面发展。

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