汽車安全氣囊系統(tǒng)講義

1、 課程講義汽車安全氣囊系統(tǒng)第一節(jié) 概述一、前言汽車發(fā)生碰撞事故時，在慣性的作用下，司機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袋等保護系統(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，從而起到保護作用。所以也把這種保護系統(tǒng)叫做乘員防護系統(tǒng)。二、氣囊的發(fā)展情況安全氣袋于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袋系統(tǒng)，但是，由于技術上的原因又停止了生產(chǎn)。直到90年代后，由于以下原因才得到推廣和普及：碰撞試驗

2、技術的進步；公眾對于安全要求的提高；安全氣袋系統(tǒng)所需電子技術的提高；安全氣袋對于人體的保護效果顯著。從1970年到1990年的20年間，歐美關于安全氣袋方面的專利只有106項，而從1990年到1994年4月，有專利464項。在美國，到1995年，前排乘員的氣袋安裝率已超過60。法規(guī)規(guī)定在1997年9月1 日后出廠的轎車中100安裝司機側和前排乘員側氣袋。在歐洲則是標準裝備和選件并存，現(xiàn)在新車型基本都安裝有安全氣袋。安全氣袋的保護作用是十分顯著的。據(jù)美國官方公布的數(shù)字，1986年至1997年2月15日，安全氣袋共挽救了1828人的生命(1639名司機，189名乘員)。安全氣袋同時也有副作用。在上

3、述時間段內(nèi)，氣袋造成38名兒童、21名司機、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袋；碰撞前的制動使得兒童更加靠近氣袋。氣袋主要造成頭和頸部傷害。另外矮個子司機受到的傷害也是類似原因。目前歐美等發(fā)達國家對乘員保護系統(tǒng)的研究主要有下述幾個方面：發(fā)展低能量氣袋，減少氣袋對離位乘員、兒童乘員的傷害。研究側撞氣袋、翻滾氣袋等保護裝置。研究智能保護系統(tǒng)。研究膝部、小腿、踝部的保護裝置三、氣囊的種類1、乘員防護系統(tǒng)的分類 （1）主動安全裝置( ABS EBD VSC 自動避讓系統(tǒng))自動避讓系統(tǒng)通過雷達等探測裝置隨時監(jiān)測路面狀況。在汽車運行中探測汽車運動方向

4、上的障礙物?？梢愿鶕?jù)距離周圍車輛的遠近而自行調(diào)整車速，使車輛間保持一個安全的距離，減小發(fā)生碰撞的可能。一旦發(fā)生緊急情況，碰撞事故在所難免，它可以發(fā)出警報并自行采取剎車等措施，而無需駕駛員的操作。從而大大減輕碰撞的程度甚至完全避免事故，為乘客提供了更有效的保護。(2)被動安全裝置（安全氣囊、安全帶、三節(jié)轉向柱等）四、氣囊對人體的保護原理氣囊的基本保護思想是：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。通過氣袋的排氣節(jié)流阻尼吸收乘員的動能，使猛烈的車內(nèi)碰撞得以緩沖，以達到保護乘員的目的。其工作原理為：傳感器感受汽車碰撞強度并將其傳給控制器，控制器進行判斷并在適當時

5、機發(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。從而達到保護乘員生命安全的目的3.、SRS的類型（1）根據(jù)保護對象分車外氣囊車內(nèi)氣囊： 、正面氣囊：主駕駛氣囊，副駕駛氣囊，后排乘員氣囊，、側面氣囊：單個氣囊氣簾以奔馳汽車的車窗氣囊為例，系與裝在車門內(nèi)的側氣囊連動，撞擊時爆開，保持充氣5秒鐘以上，可同時保護前座及后座乘客之頭部與胸部安全；且氣簾為多氣室設計，即使有一、二個氣室被尖銳物刺穿，也不致因氣體排泄，而影響氣簾的正常防護功能。、膝部防護氣囊。、兩段式兩段式引爆的智慧型前座氣囊，以奔馳汽車為例，撞擊速度介于20-35km/h之間時，只會引爆氣囊內(nèi)的第一個氣室；當撞擊速

6、度更大時，第二個氣室才會爆開，如何可避免在小撞擊時，因氣囊爆開力過大而傷人。另外為使整個系統(tǒng)更聰明，在前座內(nèi)設置感應裝置，無人乘坐時不會引爆氣囊，兒童坐在上面時則自動調(diào)整引爆力。（2）按氣囊數(shù)量分氣囊系統(tǒng)氣囊系統(tǒng)（3）根據(jù)觸發(fā)裝置電子式：只用一個減速儀電氣-機械式：要求前方有多個傳感器機械式五、對安全氣囊系統(tǒng)的要求1、點火時刻準確以司機側氣袋為例。氣袋點爆后，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，氣袋剛剛充滿氣體后，人的頭部即與氣袋接觸，這樣保護作用最好。如果人頭部接觸到氣袋時，氣袋尚未充氣完畢(遲點火)，則氣袋不僅不能起到緩沖吸能作用，巨大

7、的爆炸力反而會將人打傷。如果氣袋充氣完畢后很長時間人的頭部才與氣袋接觸(早點火)，由于氣袋節(jié)流小孔的排氣作用，氣袋中沒有足夠的氣體壓力，同樣會影響對人的保護作用。如果乘員乘坐位置偏離了正常位置，如司機離方向盤過近或過遠，稱為離位乘員。氣袋對離位乘員具有較強的傷害作用。以司機側氣袋為例，根據(jù)美國有關機構的尸體試驗結果，如果氣袋點爆時尸體胸部靠在方向盤上，氣袋會將其肋骨打斷；如果胳膊靠在方向盤上，氣袋會使得胳膊骨折。氣袋對離位兒童乘員的傷害尤為嚴重。因此美國在推行低能量氣袋，即延長氣袋的充氣時間，減少氣袋爆出時的侵略性。此時氣袋的充氣時間大于30ms，氣袋的點爆時間要提前。 2、 抗粗糙路面干擾能

8、力強氣袋系統(tǒng)是一次性使用的安全防護系統(tǒng)，若意外點爆，除了會造成經(jīng)濟損失，由于氣袋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。當汽車以2060km/h的速度通過下述路面時，氣袋不應點爆：上下110毫米高的臺階、鐵路鐵軌、270毫米深的坑及國標路面，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，氣袋系統(tǒng)必須能識別出此種狀況，氣袋不能點爆。3、高可靠性與工作穩(wěn)定性由于汽車的工作環(huán)境比較復雜，氣袋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

9、在高海拔的地區(qū)使用； 汽車在強電磁干擾環(huán)境中等。這些環(huán)境都不能引起氣袋系統(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，使氣袋系統(tǒng)失去電源。因此氣袋系統(tǒng)要有很寬的工作電源范圍，并且當電源失掉后，應能有數(shù)百毫秒的持續(xù)工作能力。 第二節(jié) 傳感器一、功用：檢測判斷汽車撞擊后的撞擊信號，以便及時啟動安全氣囊，并提供足夠的電觸或機械能點燃啟發(fā)器。二、對傳感器的要求（1）在人只受輕微損傷時對氣囊判斷是否定的（2）在人體受到嚴重損傷必須使用時，必須啟動氣囊（3）必須在最大允許時間之前啟動氣囊。（4）必須保證相當大溫差范圍內(nèi)傳感器都能正常穩(wěn)定工作。三、傳感方式

10、1、多點式目前正在使用的多點傳感式安全氣袋系統(tǒng)的典型配置，共有三個傳感器：一個機電式傳感器，一個機電式右傳感器和診斷模塊中的一個電子傳感器。司機側和乘客側各有一個氣袋。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行處理和判斷，當認為有必要點火時，就發(fā)出點火信號使氣袋充氣。2、單點式電子式：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，單點傳感式氣袋系統(tǒng)正在逐步取代多點傳感式氣袋系統(tǒng)。 機械式：四、傳感器的結構原理1、機械式2、機電式（1）滾筒式 （2）滾球式（3）偏心轉子式這種傳感器一般安裝在保險杠與擋泥板之間，

11、用來感知低速碰撞的信號。傳感器安裝在一個密封的防振保護盒內(nèi)（4）水銀式安全傳感器是一個水銀常開開關。安全傳感器用來防止系統(tǒng)在非碰撞狀況引起氣囊的誤動作，一般裝在中央控制器內(nèi)。當發(fā)生碰撞時，足夠大的減速度力將水銀拋上，接通傳爆管電路。 3、電子式其中電子式集成度高，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)異常現(xiàn)象。 第三節(jié) 氣囊組件由氣體發(fā)生器、點火器、氣囊、飾蓋和底板等組成。駕駛員側氣囊組件位于方向盤中心處，乘客側氣囊組件位于儀表板右側雜貨箱上方。 一、氣體發(fā)生器1、作用：在有效的時間內(nèi)產(chǎn)生氣體，使氣囊張開。2、燃燒式 （1）可燃固體式

12、結構氣體發(fā)生器由上蓋、下蓋、充氣劑（疊氮化鈉固體藥片）和金屬濾網(wǎng)組成。金屬濾網(wǎng)安裝在氣體發(fā)生器的內(nèi)表面，用以過濾充氣劑和點火劑燃燒產(chǎn)生的渣粒。（2）工作原理：氣體發(fā)生器是利用熱效反應產(chǎn)生氮氣而充入氣囊。在點火器引爆點火劑瞬間，點火劑會產(chǎn)生大量熱量，疊氮化鈉藥片受熱立即分解，產(chǎn)生氮氣并從充氣孔充入氣囊。雖然氮氣是無毒氣體，但是疊化氮鈉的副產(chǎn)品有少量的氫氧化鈉和碳酸氫鈉（白色粉末）。這些物質(zhì)是有害的，疊氮化鈉融于水后有毒，對環(huán)保不利，因此在清潔膨脹后的氣囊時，應保持良好的通風并采取防護措施。各氣袋生產(chǎn)廠家都在發(fā)展新型的燃燒劑。可燃氣體式是其中的一種，他將氫氣和氧氣按一定比例混合加壓儲存在儲氣瓶中。

13、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。3、壓縮氣體式主要與機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，應用較少。4、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袋。其產(chǎn)氣量大，而產(chǎn)生的熱量少，是今后的發(fā)展方向。 對溫度的敏感性較低，低溫條件下性能變化不大； 通過調(diào)整，容易控制峰值壓力、壓力上升曲線、溢出氣體的速度等； 對環(huán)境有利。無毒性材料；優(yōu)異的抗老化性能； 氣體發(fā)生器表面溫度低。在氣體發(fā)生器作用后，其表面溫度至多上升75度，塑料件可與氣體發(fā)生器接觸； 溢出的氣體無害。產(chǎn)生的少量非毒性顆粒，產(chǎn)出的顆粒濃度比采用疊氮化鈉等燃燒劑

14、的熱式氣體發(fā)生器低； 優(yōu)異的燃燒劑抗老化性能。在車體中15年無變化，推進劑不會吸濕。 氣體發(fā)生器有單級和兩級氣體發(fā)生器。單級氣體發(fā)生器有一個產(chǎn)氣部件，兩級氣體發(fā)生器有兩個相互獨立的產(chǎn)氣部件，適當組合兩個部件的工作時間，即可獲得不同的充氣特性。適用與智能乘員保護系統(tǒng)。二點火器三、氣囊氣囊多采用尼龍布涂氯丁橡膠或有機硅制成。橡膠涂層起密封和保護作用，氣囊背面有2個泄氣孔。乘客側氣囊沒有涂層，靠尼龍布本身的孔隙泄氣。氣袋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制性； 一種體積較小，與安全帶配合使用，是將安全氣袋與三點式安全

15、帶共同組成一個乘員保護系統(tǒng)使之達到最佳的乘員保護效果。這種氣袋主要在歐洲市場應用，因為歐洲對安全帶的佩戴有強制性要求。目前氣袋系統(tǒng)有兩種形式，一種是與安全帶配合使用，當?shù)退倥鲎矔r，主要是安全帶對乘員起保護作用，當發(fā)生高速碰撞時，才啟動氣袋對人進行保護，此時氣袋主要保護人的面部，又稱之為“面袋”第二種是單獨起保護作用，發(fā)生碰撞時，氣袋要保護人的頭部和胸部。第二種氣袋的體積較大(對司機側氣袋為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。第一種氣袋的體積較小，(對司機側氣袋為40升左右)，充氣量小，充氣時間短，啟動氣袋的碰撞車速高，造價低。就我國情況看，第一種氣袋更適合我國國

16、情。四、時鐘彈簧由于司機側氣囊是裝在方向盤上的，而方向盤要能轉動，為了實現(xiàn)這種靜止端與活動端的電氣連接，采用了時鐘彈簧。時鐘彈簧裝在彈簧盤里，彈簧盤用螺栓固定在轉向柱頂部。時鐘彈簧以正、反兩個方向的盤繞實現(xiàn)了作旋轉運動的一端與固定端的電氣連接。彈簧內(nèi)側是固定端，把塞鍵與轉向柱連在一起。時鐘彈簧的使用壽命要求不低于10萬循環(huán)。五、安全氣囊警示燈安全氣囊警示燈裝在儀表板上，有的用圖形顯示，有的用字母顯示。安全氣囊警示燈可反映安全氣囊系統(tǒng)的工作情況。一般把點火開關置于“ON”擋后警示燈先閃亮（或不間斷亮）68s后熄滅，說明安全氣囊系統(tǒng)正常，如果安全氣囊警示燈不亮，或不停地閃耀或常亮則說明安全氣囊系統(tǒng)

17、有故障。六、安全氣囊電源能給氣囊引爆器提供電源的渠道有兩種系統(tǒng)中的電容器蓄電池蓄電池是一種備用設備，也是一種為引爆點火器提供電源的裝置。它是通過電源輸出導線把電送給安全氣囊電腦的。七、連接器1、防止安全氣囊誤引爆機構 在這種連接器中有一個短路片。當連接器插頭與插座接在一起時，插頭的絕緣體將短路片頂起，短路片與點火器的兩個端子分開，點火器中電熱絲電路處于正常連接狀態(tài)；當連接器撥下時，短路片就自動將點火器的兩個引線端子短接，使點火器的電熱絲與短路片構成回路，此時即使誤將電源加到點火器上，點火器也不會引爆，從而防止安全氣囊誤引爆。2、電路連接診斷機構 電路連接診斷機構是用來監(jiān)測連接器是否連接可靠，常

18、用于前碰撞傳感器。在這種連接器中，有一個診斷銷，和兩個診斷端子，連接器正常連接時，診斷銷與前碰撞傳感器中的常開觸點并聯(lián)。3、連接器雙重鎖定機構 安全氣囊系統(tǒng)在線束的重要連接部位，其連接器都采用了雙重鎖定機構，用于鎖定連接器的插頭與插座，防止連接器脫開。當主鎖未鎖定時，插頭上的兩個凸臺阻止副鎖鎖定；當主鎖完全鎖定時，副鎖鎖柄方能轉動并鎖定；當主鎖與副鎖雙重鎖定時，防止連接器插頭與插座分開。4、端子雙重鎖定機構安全氣囊系統(tǒng)的每一個連接器都設有端子雙重鎖定機構，用于阻止引線端子滑出。連接器的插頭與插座都是由鎖柄和分隔片兩部分組成，鎖柄為一次鎖定機構，可防止端子沿引線軸向方向滑動；分隔片為二次鎖定機構

19、，可防止端子沿引線徑向移動。八、線束安全氣囊系統(tǒng)的線束采用了特殊的包裝和色標，這一方面是為了便于檢查，一方面是為了保證在碰撞中能保持線路的連接。 第四節(jié) 安全氣囊的工作一、工作原理當汽車車速低于30km/h發(fā)生碰撞時，碰撞產(chǎn)生的減速度和慣性力較小，安全傳感器和中央傳感器將此信號送到安全氣囊ECU，安全氣囊ECU判斷結果為不引爆安全氣囊，只引爆安全帶收緊器的點火器。與此同時，向左、右安全帶點火器發(fā)出點火指令使安全帶收緊，防止駕駛員和乘客受傷。當汽車車速高于30km/h發(fā)生碰撞時，碰撞產(chǎn)生的減速度和慣性力較大，安全傳感器和中央傳感器將此信號送到安全氣囊ECU，安全氣囊ECU判斷結果為需要引爆安全氣

20、囊和安全帶收緊器共同保護駕駛員和乘客。與此同時，向左、右安全帶點火器和安全氣囊點火器發(fā)出點火指令，在安全帶收緊的同時，駕駛員側氣囊和乘客側氣囊同時打開，達到保護駕駛員和乘客目的。二、安全氣囊的動作過程根據(jù)德國博世（BOSCH）公司在奧迪（Audi）轎車上試驗研究表明：當汽車以車速50km/h與前面障礙物碰撞時，安全氣囊系統(tǒng)SRS的動作時序如下（1）碰撞約10ms后，SRS達到引爆極限，點火器引爆點火劑并產(chǎn)生大量熱量，使充氣劑（疊氮化鈉藥片）受熱分解，駕駛員尚未動作，如圖所示。（2）碰撞約40ms后，氣囊完全充滿，體積最大，駕駛員向前移動，安全帶斜系在駕駛員身上并拉緊，部分沖擊能量已被吸收，如圖

21、。（3）碰撞約60ms后，駕駛員頭部及身體上部壓向氣囊，氣囊的排氣孔在氣體和人體壓力作用下排氣節(jié)流吸收人體與氣囊之間彈性碰撞產(chǎn)生的動能，如圖（4）碰撞約110ms后，大部分氣體已從氣囊逸出，駕駛員身體上部回到座椅靠背上，汽車前方恢復視野，如圖（5）碰撞約120ms后，碰撞危害解除，車速降低直至為零。由此可見，氣囊在碰撞過程中動作時間極短。從開始充氣到完全充滿約為30ms；從汽車遭受碰撞開始到氣囊收縮為止，所用時間僅為120ms左右，而人的眼皮眨一下所用時間約為200ms左右。因此，氣囊動作狀態(tài)和經(jīng)歷時間無法用肉眼確認。目前世界各國廣泛采用模擬人體進行碰撞試驗。SRS動作過程與經(jīng)歷時間之間的關系

22、如下表第五節(jié) 乘員存在探測系統(tǒng)(OSS)包括乘員存在探測和乘員位置傳感兩個方面。一、存在探測系統(tǒng)(OSS)的作用是： 1、反向兒童座椅時，氣袋不點爆；2、客座無人乘坐時，氣袋不點爆。 3、客座氣囊關閉時，氣袋不點爆二、位置傳感系統(tǒng)功能1、員離方向盤太近時，屏蔽氣袋并發(fā)出報警；2、員離方向盤較近，但仍在氣袋膨脹區(qū)以外，提前觸發(fā)氣袋3、離方向盤較遠，應延緩觸發(fā)； 4、使用多級觸發(fā)氣袋，選擇氣袋的點火級數(shù)；5、乘員信號與碰撞強度信號綜合構成智能安全約束系統(tǒng)(ISRS)，使安全帶、正面氣袋、側面氣袋等其余被動安全設施協(xié)調(diào)作用，達到最佳保護效果； 6、乘員的信號也可用于調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度、音響等，提高乘員的舒

23、適性。三、構乘員位置感應系統(tǒng)有如下幾種技術方案： 1、激光式：用激光束照射到待測物體上，再利用測光儀器（例如CCD和掃描系統(tǒng))來確定乘員的位置。其缺點是成本太高。隨著激光技術的發(fā)展，其前景不錯。需注意的是防止激光射入乘員眼中造成傷害。2、雷達式：這個系統(tǒng)與激光式有類似的特性，需注意的是它對于乘員尤其是兒童的健康是否有危害。 3、超聲波式：由于聲波的傳播速度局限，超聲波的響應時間在4ms左右，它給出的信息量不如雷達和激光。但它的價格便宜且魯棒性較強。 碰撞預測系統(tǒng)是未來汽車的理想裝備。它采用雷達、紅外線、可見光等多種傳感器。 第六節(jié) 預緊式安全帶一、基本原理預緊式安全帶是近年來發(fā)展的一種安全帶。

24、一般，為了乘員的舒適，安全帶的預緊力不能太大，安全帶與人體之間總有一定的間隙，當乘員衣服較厚時，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。安全帶使用預緊器后，可在碰撞達到一定強度時，啟動預緊器，帶動鎖扣回縮或卷收器回轉，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。預緊式安全帶是在普通安全帶上增加預緊器構成的。預緊器可以與鎖扣結合在一起(鎖扣預緊器)，也可以與卷收器結合在一起(卷收器預緊器)。二、種類1、鎖扣預緊式使用火藥作為動力。鎖扣上面與織帶相連，下面由鋼絲繩與預緊器內(nèi)的活塞相連。發(fā)生碰撞時，通過點火設備點爆安裝在預緊器上的火藥，火藥燃燒產(chǎn)生氣體充入氣室內(nèi)?；钊跉怏w的壓力下向右移動，通過鋼絲繩將鎖扣向下拉回約80mm，消除安全帶與乘員間的間隙。在活塞中安裝有鋼球，使得活塞只能向右移動，防止在安全帶的拉力下活塞向左移動。 2、卷收器預緊式安裝