汽車新技術 第五章

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第三節(jié)安全帶新技術Home一、車身新材料二、車身新結構三、接縫接合新技術第五章汽車被動安全新技術第一節(jié)車身新技術Home一、車身新材料

第五章汽車被動安全新技術1.車身新材料的種類（1）高強度鋼板從前的高強度鋼板，拉延強度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50%，故只適用于形狀簡單、延伸度不大的零件?，F(xiàn)在的高強度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強度高達420N/mm2，是普通低碳鋼板的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量占車身鋼板用量。已上升到50%左右。中國奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對減重和改進車身性能起到了良好的作用。Home第五章汽車被動安全新技術Home第五章汽車被動安全新技術車身設計師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復雜程度來選擇鋼板品種。含磷高強度冷軋鋼板：含磷高強度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點為：具有較高強度，比普通冷軋鋼板高15%～25%；良好的強度和塑性平衡，即隨著強度的增加，伸長率和應變硬化指數(shù)下降甚微；具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20%；具有良好的點焊性能。烘烤硬化冷軋鋼板：經(jīng)過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時效處理，屈服強度得以提高。這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強度，是車身外板輕量化設計首選材料之一。冷軋雙向鋼板：具有連續(xù)屈服、屈強比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚姸燃案咚苄缘奶攸c，經(jīng)烤漆后強度可進一步提高。適用于形狀復雜且強度要求高的車身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強板、保險杠等。超低碳高強度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤0.005%）中加入適量鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強度。實現(xiàn)了深沖性與高強度的結合，特別適用于一些形狀復雜而強度要求高的沖壓零件。輕量化迭層鋼板：迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復合材料，表層鋼板厚度為0.2～0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25%～65%。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質量只有其57%。隔熱防振性能良好，主要用于發(fā)動機罩、行李箱蓋、車身底板等部件。Home第五章汽車被動安全新技術（2）鋁合金與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點，技術成熟。德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結構，使其總質量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43%，使平均油耗降至每百公里3L的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結構不僅使車身的扭轉剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再利用，深受環(huán)保人士的歡迎。根據(jù)車身結構設計的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結構輕量化且具有良好的耐腐蝕性。鋁合金已成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料，能夠為汽車提供各種鋁合金鑄件、沖壓結構件和拉制的鋁型材。鋁合金主要用于制造發(fā)動機缸體、活塞、進氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、轎車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件。Home第五章汽車被動安全新技術（3）鎂合金和鈦合金鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35%，鋁材密度的66%。此外，它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應用。鎂的儲藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含3.7%的鎂。近年來鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長率高達20%。鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強筋構成，每扇門的凈質量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術的進步，已可以制造出形狀復雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板，儀表盤，方向盤等。鈦的比重為4.6g/cm3，僅是鐵的1/2，但強度和硬度超過了鋼，且不易生銹。用鈦合金鑄造的汽車發(fā)動機部件更輕、更堅固和更耐腐蝕，鈦合金車身可以承受更大的作用力。Home第五章汽車被動安全新技術（4）泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特點是密度小，僅為0.4～0.7g/cm3，彈性好，當受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動機罩、行李箱蓋等。（5）蜂窩夾芯復合板蜂窩夾芯復合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據(jù)夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強樹脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板可以采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由于蜂窩夾芯復合板具有輕質、比強度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點，故在汽車車身上獲得較多應用，如車身外板、車門、車架、保險杠、座椅框架等。英國發(fā)明了一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼制車身外板，使零件質量減輕了50%～60%，且易于沖壓成型。Home第五章汽車被動安全新技術（6）工程塑料與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點，且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。20世紀70年代起，以軟質聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。福特公司開發(fā)的LTD試驗車，塑料化后的車身取得了輕量化方面的顯著成果（表5-1-2）。中國工程塑料工業(yè)普遍存在工藝落后、設備陳舊、規(guī)模小、品種少、質量不穩(wěn)定的狀況，而且價格高，缺乏市場競爭力。工程塑料在汽車上的應用僅相當于國外20世紀80年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量僅為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種局面將很快被打破，由上海普利特復合材料有限公司投資新建、國內(nèi)最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產(chǎn)基地日前在上海建成投產(chǎn)。此項目引進了世界先進的工程塑料生成線和試驗檢測儀器等設備，形成了年產(chǎn)15,000噸高性能ABS工程塑料的能力。工程塑料用于汽車可實現(xiàn)輕量化和節(jié)能，且可回收和循環(huán)利用。目前六大類的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽車上得到廣泛的應用，通常用于制造車身覆蓋件、車門門檻、車身內(nèi)外裝飾件、水箱面罩、保險杠和車輪護罩等。Home第五章汽車被動安全新技術Home第五章汽車被動安全新技術（7）高強度纖維復合材料復合材料是一種多相材料，是由有機高分子、無機非金屬和金屬等原材料復合而成。目前玻璃纖維增強樹脂復合材料和碳纖維增強樹脂復合材料在汽車上已經(jīng)獲得成功的應用。玻璃纖維增強樹脂復合材料耐腐蝕、絕緣性好，特別是有良好的可塑性，對模具要求較低，對制造車身大型覆蓋件的模具加工工藝較簡易，生產(chǎn)周期短，成本較低。在轎車和客車上，采用玻璃纖維增強樹脂復合材料制造的轎車車身覆蓋件、客車前后圍覆蓋件和貨車駕駛室等零部件。高強度纖維復合材料，特別是碳纖維復合材料（CFRP），因其質量小，而且具有高強度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維復合材料在汽車上的應用，美國開展的最好。20世紀80年代后期，復合材料車身外覆件得到大量的應用和推廣，如發(fā)動機罩、翼子板、車門、車頂板、導流罩、車廂后擋板等，甚至出現(xiàn)了全復合材料的卡車駕駛室和轎車車身。據(jù)統(tǒng)計，在歐美等國汽車復合材料的用量約占本國復合材料總產(chǎn)量的33%左右，并繼續(xù)呈增長態(tài)勢，復合材料作為汽車車身的外覆件來說，無論從設計還是生產(chǎn)制造、應用都已成熟，并已從車身外覆件的使用向汽車的內(nèi)飾件和結構件方向發(fā)展。Home第五章汽車被動安全新技術（8）陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力學性能以及對熱、電、光等的物理性能，陶瓷材料特別是特種陶瓷在汽車上的應用日益受到人們的重視。我國已成功研制鈦酸鋁陶瓷-鋁合金復合排氣管、氮化硅陶瓷柴油機渦輪增壓轉子和球軸承等汽車部件。汽車的構造材料可反映人類應用材料的技術水平。目前，六類主要材料如鋼﹑鐵﹑塑料﹑鋁﹑橡膠﹑玻璃共占轎車質量的90%，其余10%為其他多種材料，包括有色金屬（銅、鉛、鋅、錫等），車中裝備的液體（燃油、潤滑劑、其他油品和水基液等），油漆、纖維制品。如富康轎車用料為鋼55%，鑄鐵12%，塑料12%，鋁6%，橡膠3%。常見汽車材料的構成如圖5-1-1所示。Home第五章汽車被動安全新技術Home第五章汽車被動安全新技術2.車身新材料應用的現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外車身輕量化的研究方向是開發(fā)具有較高強度的輕質高性能新材料及設計新的輕量化結構。通過多年的探索，已取得了新的進展。德國大眾九十年代末開發(fā)的路波TDI車型就是采用新設計、新材料、新工藝的綜合成果。TDI所有車身部件都是由輕質金屬制成，包括前擋泥板、車門、發(fā)動機罩和尾門，其中尾門的金屬外層是鋁質，內(nèi)板是鎂制成的。汽車的內(nèi)部設備很多也是由輕質金屬制成的，如座椅的框架由鋁制成，方向盤的內(nèi)骨架由鎂制成，乘客艙和發(fā)動機室之間組合隔板是鋁質的。支撐結構通常也是由高強度的薄板金屬制成的。為解決新材料的防腐蝕保護和連接，大眾采用創(chuàng)新的沖孔鉚接法、迭邊壓接、激光釬焊等技術。Home第五章汽車被動安全新技術寶馬在E60車身結構設計上，又還出了新的一步。E60車身的每個部件都按照各自不同的要求使用最合適的材料。如圖5-1-2所示。白車身由以下幾部分組成：車身前部寶馬E60，車身側面框架和頂棚，側面板前部，車身底部，車身后部。二、車身新結構Home第五章汽車被動安全新技術1.車身前部車身前部由于要減少重量會使用鋁合金，所以又為“減重型鋁質前車”，德文的縮寫為GRAV，車身前部如圖5-1-3所示。GRAV的主要優(yōu)點是前部車身的重量減輕；車橋的負荷分批和車的行駛特性進一步優(yōu)化；由于重量減少，整個行駛舒適性提高。Home第五章汽車被動安全新技術2.車身側面框架和頂棚A柱加固板如圖5-1-4所示，在A柱內(nèi)，上面和下面有兩塊水平加固板，提高了車在碰撞時的強度。Home第五章汽車被動安全新技術車架空心腔內(nèi)加固板如圖5-1-5、圖5-1-6所示。在側面骨架空腔內(nèi)和以前一樣安放漲壓空腔加固板（成形件）。在E60車內(nèi)有22塊這樣的板塊，它降低了車的內(nèi)部噪聲。這些空腔和鼓的道理是一樣的，空腔的空間越小，它從內(nèi)部發(fā)射出的的噪聲就越小。Home第五章汽車被動安全新技術3.底板結構底板結構必須使用高強度的鋼。底板的結構分成三節(jié)，和行李廂之間沒有隔板。隔板和后排座在一起。側面框架外部加高件是在側面固定到縱向橫梁上，這就使得在側面碰撞和正面碰撞時明顯提高了在門檻區(qū)間的強度。前部的底板分成三件，如圖5-1-7所示。這種結構的新特點在于下面各個構件和底板的固定是采用了特種方式鉚接的螺母，如發(fā)動機撐架后部加長段（圖5-1-8）。Home第五章汽車被動安全新技術4.車后部結構輪罩分成四件，如圖5-1-9所示。懸架彈簧減振桿的支座的強度提高，厚度增加為2.5mm。這樣也就無須其他的加固方法。防撞板如圖5-1-10所示。這個構件是三位一體的，上面安裝保險杠的可變形件，這里指的不是保險杠的桿件，而是采用激光拼焊的沖壓成型件。這塊板上的四個孔用來固定保險杠的可變形構件。Home第五章汽車被動安全新技術1.鋼件接合技術（1）點焊粘貼接合點焊粘貼接合有三個明顯優(yōu)點：①由于接合方式是面接觸，受力狀況改善，使車身的剛度提高；②車身剛度的提高也達到了降低噪聲的效果；③整個表面的粘合和密封效果的改善，提高了防腐能力。使用的粘合材料是1K環(huán)氧化物粘合劑，這種粘合劑的優(yōu)點在于有很高的機械強度，而且可以實施自動化的工藝操作。（2）MIG釬焊MIG釬焊，即惰性氣體保護焊，和一般焊接的區(qū)別在于，它使用的材料是青銅焊絲，它和要粘焊的基底材料不互熔，但卻有非常高的粘合強度，有時甚至能夠高于基底材料的強度。由于使用的溫度較低，對鋅覆蓋層的影響小一些。由于釬焊料和基底材料之間的不同的電化學電位，在粘焊的部位內(nèi)有良好的防腐蝕能力。三、接縫接合新技術Home第五章汽車被動安全新技術2.鋁件接合技術沖鉚拼合技術是純正的機械加工方法，在過程中沒有加熱。要拼合的構件采用沖鉚接合。這種方法不需要預先鉆孔。在沖鉚過程中沖鉚的兩個平面都要露出來以便加工。在E60車身上面采用半孔鉚接。把沖鉚件放入沖壓工裝內(nèi)，把鉚釘沖進上面板件內(nèi)，把下面件的鉚釘頭鉚死。為了防腐蝕，鉚釘表面也要有專門的覆蓋護層。如圖5-1-11所示。在有交變和振動負載時，鉚釘?shù)氖芰^大，可以在受力較高的部位加一道點焊的工藝過程。Home第五章汽車被動安全新技術3.鋼件和鋁件的接合技術鋼和鋁之間會形成電解，使鋁件損傷。所以在鋼件和鋁件接合的時候一定要注意縫隙內(nèi)有沒有電解質。在E60車身鋼件和鋁件的連接處采用拼貼和沖鉚相接合方法。這時粘合劑不但起著密封的作用，也起著對接合方位增強強度的作用。使用的粘合劑是1K環(huán)氧基的粘合材料。這種粘合劑的優(yōu)點是高強度，可以方便使用自動化的工藝過程。Home第五章汽車被動安全新技術第二節(jié)安全氣囊系統(tǒng)SRS

一、安全氣囊的類型二、安全氣囊系統(tǒng)主要部件三、安全氣囊系統(tǒng)的工作原理及工作過程Home第五章汽車被動安全新技術一、安全氣囊的類型按照氣囊的數(shù)量可分為單氣囊系統(tǒng)（只裝在駕駛員側）、雙氣囊系統(tǒng)（正、副駕駛員側各有一個安全氣囊）和多氣囊系統(tǒng)（前排安全氣囊、后排安全氣囊、側面安全氣囊），如圖5-2-3所示。按大小可分為保護全身的安全氣囊、保護整個上身的大型氣囊和主要保護面部的小型護面氣囊。按照保護對象不同可分為駕駛員防撞安全氣囊、前排乘員防撞安全氣囊、后排乘員防撞安全氣囊和側面防撞安全氣囊。Home第五章汽車被動安全新技術（1）駕駛員防撞安全氣囊駕駛員防撞安全氣囊裝在方向盤上，分美式和歐式兩種。美式氣囊考慮到駕駛員沒有佩戴座椅安全帶而汽車相撞時起保護作用，其容積較大，為60L。歐式氣囊是假定駕駛員佩戴座椅安全帶而設計的，其容積較小，約40L。日本的安全氣囊屬于歐式氣囊。近年來，由于安全氣囊的生產(chǎn)成本下降，日本安全氣囊規(guī)格有所增加，如本田轎車的駕駛員防撞安全氣囊容積為60L。（2）前排乘員防撞安全氣囊由于副駕駛位置乘員在車內(nèi)位置不固定且前方空間較大，因此為保護其撞車時免受傷害，設計的防撞安全氣囊也較大。美式的約160L左右，歐式的約75L左右（后者考慮了乘員受座椅安全帶的約束）。（3）后排乘員防撞安全氣囊裝在前排座椅上，防止后排乘員在撞車時受到傷害。（4）側面防撞安全氣囊裝在車門上，防止駕駛員及乘員受側面撞擊。Home第五章汽車被動安全新技術傳感器（1）前方傳感器此傳感器安裝在保險杠后與擋泥板之間，用來感測低速沖撞的信號。傳感器裝在一個密封的防振保護盒內(nèi)，如圖5-2-4所示。前方傳感器大部分使用的是偏心錘式，其工作原理是：汽車正常行駛時，扭力彈簧將動、靜觸頭定在止點位置，傳感器沒有觸發(fā)信號給中央控制器。當汽車沖撞時，慣性力克服彈簧的扭力而使其產(chǎn)生運動，帶動觸頭轉動，使動、靜觸頭接合。此時，傳感器向中央控制器發(fā)生“接通”信號，同時安全傳感器也接通，于是電子控制器發(fā)出引爆安全帶預緊器電雷管的指令，使安全帶拉緊而達到安全保護作用。前方傳感器有四個引腳，其中兩個引腳接到電子控制器，另外兩個為自診斷引腳。金屬電阻的作用是診斷該傳感器和中央控制器之間是處于開路狀態(tài)還是正常狀態(tài)。二、安全氣囊系統(tǒng)主要部件Home第五章汽車被動安全新技術Home第五章汽車被動安全新技術（2）中央傳感器中央傳感器裝在中央控制器內(nèi)，用來感測汽車發(fā)生高速沖撞的信息，并將其輸送到電子控制器，用來引爆氣囊電雷管，使氣囊張開。同時前方傳感器也引爆了預緊器的電雷管，即安全帶預緊和氣囊張開同時起作用。如圖5-2-5所示。中央傳感器是一個固體半導體壓力傳感器，具有穩(wěn)定性好、應變靈敏系數(shù)K值大（約100～150）及壓敏電阻效應線性好等特點。中央傳感器的懸臂架壓在半導體應變片的兩端，當汽車發(fā)生沖撞時，半導體應變片在懸臂減速度力作用下發(fā)生彎曲變形，受壓后的電阻發(fā)生變化，電阻的變化引起動態(tài)應變儀輸出電壓發(fā)生變化。汽車的速度越大，沖撞后產(chǎn)生的減速度力越大，則輸出的電壓也越大。由于半導體應變傳感器輸出特性受溫度影響較大，故應用晶體管的基極發(fā)射極間電壓Vbe的溫度變化來消除傳感器輸出特性的變化，所以半導體傳感器要求有穩(wěn)定電源。（3）安全傳感器安全氣囊系統(tǒng)設立了兩個安全傳感器，用來防止系統(tǒng)在非沖撞時引起氣囊的誤動作。它們裝在中央控制器內(nèi)，是一個水銀常開開關。當發(fā)生沖撞時，足夠大的減速度力將水銀拋上，接通電雷管電路。Home第五章汽車被動安全新技術2.電子控制器控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關電路，以及輔助單片機或專用集成電路完成控制過程的器件；單片機也稱微控制器，是把存儲器、有變換信號語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關電路功率管導通或截止、通過方波控制功率管的導通時間以控制電動機轉速的驅動電路、輸入輸出端口等集成于一體而構成的計算機芯片。控制器的設計品質、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關器件電路及周邊器件布局等，直接關系到氣囊的性能和運行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。大部分ECU的電路結構大同小異，控制功能的變化則依賴于軟件及輸入、輸出模塊的變化，隨控制系統(tǒng)所完成任務的不同而不同。ECU的輸入信號主要有三種形式，模擬信號、數(shù)字信號（包括開關信號）和脈沖信號。模擬信號通過A/D轉換為數(shù)字信號提供給微處理器?？刂葡到y(tǒng)要求模數(shù)信號轉換具有較高的分辨率和精度（>10位）。為了保證測控系統(tǒng)的實時性，采樣間隔一般要求小于4ms。Home第五章汽車被動安全新技術數(shù)字信號需要通過電平轉換，得到計算機接受的信號。對超過電源電壓、電壓在正負之間變化、帶有較高的振蕩或噪聲、帶有波動電壓等的輸入信號，輸入電路也對其進行轉換處理。電子控制器包括引爆控制電路、驅動電路、儲存電路和診斷電路等。它們都集中裝在中央控制器上。實際上，引爆控制電路是一個晶體管開關電路。當傳感器傳來的信號電壓足夠大時，晶體管的發(fā)射極和集電極就導通，將傳來的信號與已經(jīng)儲存的信號（電阻、電壓）相比較，確認是沖撞信號后則接通繼電器，由驅動電路接通電源與電雷管的總開關電路，引爆氣囊和安全帶電雷管，如圖5-2-6所示。3.氣囊組件氣囊組件主要包括氣囊、氣體發(fā)生器以及點火器等。Home第五章汽車被動安全新技術安全氣囊所要做的就是將乘客的速度降為零，同時確保乘客受到較少的損傷，甚至毫發(fā)無損。安全氣囊的使用非常嚴格。安全氣囊只能在乘客和方向盤或儀表板之間的有限空間內(nèi)發(fā)揮作用，并且必須在幾分之一秒的時間內(nèi)完成使命。不過，如果安全氣囊系統(tǒng)能夠勻速降低乘客的速度，而不是讓其運動驟然而止，那么即便是如此有限的距離和時間也是很有價值的。這里首先介紹安全氣囊的基本化學原理：汽車的安全氣囊內(nèi)有疊氮化鈉（NaN3）或硝酸銨（NH4NO3）等物質。當汽車在高速行駛中受到猛烈撞擊時，這些物質會迅速發(fā)生分解反應，產(chǎn)生大量氣體，充滿氣囊。疊氮化鈉分解產(chǎn)生氮氣和固態(tài)鈉；硝酸銨分解產(chǎn)生大量的一氧化二氮（N2O）氣體和水蒸汽。三、安全氣囊系統(tǒng)的工作原理及工作過程Home第五章汽車被動安全新技術1.安全氣囊系統(tǒng)的工作過程當碰撞發(fā)生時，控制器根據(jù)傳感器發(fā)出的加速度信號，識別和判斷碰撞的強度，當碰撞強度達到設計條件時，引爆氣囊的傳感器迅速觸動點火器引爆氮氣固態(tài)粒子，形成迅速膨脹的氣袋，以緩沖前排乘客所受的沖擊力度，主要保護其頭部不受傷害。根據(jù)德國羅伯特博世公司在奧迪轎車上的實驗研究表明：當汽車以50km/h的速度與前面障礙物相撞時，安全氣囊系統(tǒng)的動作時序如下所示：Home第五章汽車被動安全新技術碰撞10ms后，安全氣囊系統(tǒng)達到引爆極限，氣囊組件中的電雷管引爆點火劑并且產(chǎn)生大量熱量，使充氣劑受熱分解。如圖5-2-7（a）所示。碰撞大約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收緊，部分沖擊能量已被吸收。如圖5-2-7（b）所示。碰撞大約60ms后，駕駛員頭部及身體上部壓向氣囊，氣囊背面的排氣孔在氣體和人體壓力作用下排氣，利用排氣節(jié)流作用吸收人體與氣囊之間彈性碰撞產(chǎn)生的動能。如圖5-2-7（c）所示。碰撞大約110ms后，大部分氣體已從氣囊逸出，駕駛員身體上部回到座椅依靠背上，汽車前方恢復視野。如圖5-2-7（d）所示。碰撞大約120ms后，碰撞危害解除，車速降低至零。Home第五章汽車被動安全新技術2.安全氣囊系統(tǒng)的有效范圍汽車安全氣囊系統(tǒng)并非在所有碰撞情況下都能起到作用。一般來說，只有在車輛正面一定角度范圍內(nèi)才是打開安全氣囊的有效碰撞范圍，后碰、側碰、翻轉都不會引發(fā)安全氣囊打開。如桑塔納2000升級版在車身正面左右各30以內(nèi)受到重創(chuàng)時才會打開安全氣囊。在下列條件之一的情況下，安全氣囊系統(tǒng)不會引爆點火劑，也不會給安全氣囊充氣，如圖5-2-8所示。（1）汽車遭受側面碰撞超過斜前方±30時。（2）汽遭受橫向碰撞時。（3）汽車遭受后方碰撞時。（4）汽車發(fā)生繞縱向軸線側翻時。（5）縱向減速度未達到設定閾值時。（6）汽車正常行駛、正常制動或在路面不平的條件下行駛時。Home第五章汽車被動安全新技術3.安全氣囊的引爆條件為了保證安全氣囊在適當?shù)臅r候打開，汽車生產(chǎn)廠家都規(guī)定了氣囊的起爆條件，只有滿足了這些條件，氣囊才會爆炸。雖然在一些交通事故中，車內(nèi)乘員碰得頭破血流，甚至出現(xiàn)生命危險，車輛接近報廢，但是如果達不到安全氣囊爆炸的條件，氣囊還是不會打開。安全氣囊展開進行保護的過程，是一種不可逆的過程，在完成保護過程后，必須重新安裝安全氣囊控制器和安全氣囊總成。一般來說，車輛的輕微碰撞不會使氣囊打開。只有在車輛正面一定角度范圍內(nèi)碰撞才能使氣囊打開。汽車發(fā)生碰撞時的主要受力部位是乘員艙骨架和車身縱梁。為了緩沖碰撞時的沖擊力，車身前部大都設計有碰撞緩沖區(qū)，而且車身的剛度分布也是不均勻的。在一些事故中，例如當轎車與沒有后部防護裝置的卡車發(fā)生鉆入性追尾事故，或轎車碰撞護欄后發(fā)生翻車事故，或發(fā)生車身側面碰撞等，這樣的事故往往沒有車身前部的直接撞擊，主要是車身上部和側面發(fā)生碰撞，碰撞車身部位的剛度很小，雖然車艙發(fā)生了很大的變形，造成了車內(nèi)乘員受傷或死亡，但是由于碰撞部位不對，有時候氣囊并不能打開。Home第五章汽車被動安全新技術必須滿足以下條件，安全氣囊才會引爆：（1）車速一般在50km/h以上，但關鍵因素是碰撞發(fā)生時的加速度（在國家鑒定試驗中，碰撞瞬時的加速度約為-40g）；（2）正面行駛；（3）碰撞物體：剛性墻壁或障礙物；（4）打開時間：在碰撞發(fā)生后的幾十毫秒內(nèi)；（5）碰撞物體的剛性：車輛以50km/h速度撞向墻壁和撞向沙堆的效果截然不同，因此50km/h只是相對速度，只有當實際碰撞滿足條件時，安全氣囊才會自動打開。這里所說的速度是在試驗室中車輛相對剛性固定障礙物碰撞的速度，實際碰撞中汽車的速度高于試驗速度，氣囊才能打開。后碰、側碰、翻轉都不會引發(fā)氣囊打開。安全氣囊可將撞擊力均勻地分布在頭部和胸部，防止脆弱的乘客肉體與車身產(chǎn)生直接碰撞，大大減少受傷的可能性。此外，氣囊爆發(fā)時的音量大約只有130分貝，在人體可忍受的范圍；氣囊中78%的氣體是氮氣，十分安定且不含毒性，對人體無害；爆出時帶出的粉末是維持氣囊在折疊狀態(tài)下不粘在一起的潤滑粉末，對人體亦無害。但是需要強調(diào)的是，系好安全帶是安全氣囊發(fā)揮保護作用的一個重要條件。側面SRS氣囊系統(tǒng)只有在汽車遭受側面碰撞并且其橫向加速達到設定閾值時，才能引爆點火劑使充氣劑受熱分解給側面SRS氣囊充氣，而不會給正面SRS氣囊充氣。Home第五章汽車被動安全新技術第三節(jié)安全帶新技術一、智能預緊式汽車安全帶的工作原理二、氣囊式安全帶Home第五章汽車被動安全新技術一、智能預緊式汽車安全帶的工作原理智能預緊式汽車安全帶（PretensionerSeatBelt）也稱預縮式安全帶。這種安全帶的特點是當汽車發(fā)生碰撞事故的一瞬間，乘員尚未向前移動時它會首先拉緊織帶，立即將乘員緊緊地綁在座椅上，然后鎖止織帶防止乘員身體前傾，有效保護乘員的安全。預緊式安全帶中起主要作用的卷收器與普通安全帶不同，除了普通卷收器的收放織帶功能外，還具有當車速發(fā)生急劇變化時，能夠在0.1s左右加強對乘員的約束力，因此它還有控制裝置和預拉緊裝置。理想的安全帶作用過程是：首先，及時收緊，在事故發(fā)生的第一時刻毫不猶豫地把人“按”在座椅上。然后，適度放松，待沖擊力峰值過去，或人已能受到氣囊的保護時，即適當放松安全帶。避免因拉力過大而使人肋骨受傷。最先進的安全帶都帶有預收緊裝置和拉力限制器。目前，己研制出安全帶上裝有安全氣襄，被稱為背帶式安全氣襄。Home第五章汽車被動安全新技術1.預收緊裝置當今的多數(shù)設計采用點火方式來拉入安全帶。當燃氣點燃時，壓力會推動活塞上行，從而旋轉卷收器。這種預緊器中的核心元件是一個燃氣室。在燃氣室內(nèi)，還有一個包含易爆點火材料的小燃燒室。這個小燃燒室?guī)в袃蓚€電極，并連接至中央處理器。當處理器探測到撞擊時，它會立即在電極上施加一個電流。電極產(chǎn)生的火花將點燃點火材料，從而將燃氣室中的燃氣點燃。當事故發(fā)生時，人向前，座椅往后，此時如果安全帶過松，則后果很可能是：乘員從安全帶下面滑出去（即所謂“下滑”現(xiàn)象）；或者，人已碰到了氣囊，而此時安全帶由于張緊余量過大而未能及時繃緊，將全部負擔都交給了氣囊。這兩種情況都有可能導致乘員嚴重受傷。正確安裝的安全帶，其松動余地一是由于乘員的衣服本身有一定的厚度，另外在安全帶裝置中也多少隱藏了部分松動余地，這種余地無法消除，但真遇到事故時，還應該盡量消除。安全帶預收緊裝置負責提供瞬間繃緊的安全帶，如圖5-3-1所示。其作用過程是：首先由一個探頭負責收集撞車信息，然后釋放出電脈沖，該脈沖傳遞到氣體發(fā)生器上，引爆氣體。爆炸產(chǎn)生的氣體在管道內(nèi)迅速膨脹，壓向所謂的球鏈，使球在管內(nèi)往前竄，帶動棘輪轉。棘輪跟軸連為一體，安全帶就繞在軸上。簡單地講，就是氣體壓力使球移動，球帶動棘輪轉，棘輪帶動軸轉——瞬間實現(xiàn)了安全帶的預收緊功能。從感知事故到完成安全帶預收緊的全過程僅持續(xù)千分之幾秒。管道末端是一截空腔，用于容留滾過來的球。圖5-3-2所示為齒條式預收緊裝置示意圖。Home第五章汽車被動安全新技術Home第五章汽車被動安全新技術2.安全帶拉力限制器事故發(fā)生后，安全帶在預收緊裝置的作用下，已經(jīng)繃緊了。但當受力峰值過去后，安全帶的張緊力度馬上降低，以減小乘員受力，這份特殊任務由安全帶拉力限制器來完成。在安全帶裝置上，有一個如前所述的預收緊裝置，底下卷繞著安全帶。軸芯里邊是一根鋼質扭轉棒。當負荷達到預定情況時，扭轉棒即開始扭曲，這樣就在一定程度上放松了安全帶，實現(xiàn)了安全帶的拉力限制功能，如圖5-3-3所示。在安全帶預收緊裝置和安全帶拉力限制器的共同作用下，安全帶的保護能力幾乎達到了理想狀態(tài)。Home第五章汽車被動安全新技術3.智能預緊式汽車安全帶控制過程該系統(tǒng)包括一個由電動機驅動的回卷器和模塊化的電動機控制器。在汽車的前向雷達或其他探測系統(tǒng)提供預警信號的情況下，自動預緊式安全帶回卷器，不僅能夠降低由于汽車安全氣囊爆發(fā)所導致的負面?zhèn)Τ潭?，而且可以提高安全帶使用的舒適度。智能型汽車安全帶系統(tǒng)工作過程如圖5-3-4所示。Home第五章汽車被動安全新技術其控制模塊原理如圖5-3-5所示。碰撞傳感器（Collisionsensor），通過ADx、ADy、ADz與電控單元（ECU）相連，提供碰撞信息，為ECU提供預緊式安全的控制提供依據(jù)。電控單元（ECU）根據(jù)獲得的碰撞信息，對應控制預緊式安全帶電動機的操作，來收緊或放松安全帶，實現(xiàn)舒適度和安全性的良好結合。同時，電控單元通過CAN總線與車身控制系統(tǒng)相連，可從CAN總線獲得相關的傳感器信息及控制指令，同時將自身的工作狀態(tài)信息傳送到其他控制單元。電控單元通過DR1和DR2來實現(xiàn)對預緊式安全帶電動機的控制，實現(xiàn)電動機正轉、反轉、轉速改變等操作。Home第五章汽車被動安全新技術Home第五章汽車被動安全新技術4.智能預緊式汽車安全帶的兩種控制模式智能預緊式汽車安全帶的控制模式主要有兩種：一種是電子控制模式（即E型），由電子控制單元（ECU）檢測到汽車加速度的不正常變化，經(jīng)過電腦處理將信號發(fā)至卷收器的控制裝置，激發(fā)預拉緊裝置工作，這種預緊式安全帶通常與輔助安全氣囊組合使用；另一種是機械控制模式（即M型），由傳感器檢測到汽車加速度的不正常變化，控制裝置激發(fā)預拉緊裝置工作，這種預緊式安全帶可以單獨使用。（1）電子控制模式電子控制模式由電控單元ECU、距離警示系統(tǒng)、車道偏離警示系統(tǒng)以及各種傳感器組成。電控單元ECU，其安裝位置因車型而異。當前碰撞傳感器和防護傳感器與ECU組裝在一起時，ECU必須安裝在汽車縱向軸線上。不同車型ECU的結構各有不同，但大同小異。電子控制單元（ECU）均主要由專用中央處理單元CPU、備用電源電路、穩(wěn)壓電路、信號處理電路、保護電路、點火電路和監(jiān)測電路組成。距離警示系統(tǒng)：這是最新安全技術的核心部分，它的主要特點是可以幫助駕駛員知道與前車的安全距離。當距離警示系統(tǒng)被激活后，駕駛員可以預先設定自己與前車的時間間隔（共有五種選擇）。汽車行駛時，系統(tǒng)探測到本車與前面的汽車時間間隔低于本車的設定閾值時，會使卷收器處于預工作狀態(tài)，同時會根據(jù)其他信號（加速度信號）的變化適時迅速地啟動安全帶預緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)和前向雷達配合使用。Home第五章汽車被動安全新技術車道偏離警示系統(tǒng)：車道偏離警示使用攝像頭監(jiān)測汽車在車道標線之間的位置，如果未使用變道信號而越過車道標線且轉向盤轉角在短時間內(nèi)發(fā)生大幅度急劇變化，系統(tǒng)則認為駕駛員正在規(guī)避前方車輛，車輛處于危險狀態(tài)，從而向卷收器發(fā)出卷收指令。該系統(tǒng)和方向盤轉角傳感器配合使用。汽車在行駛過程中，各種傳感器隨時監(jiān)測汽車的實時信號，并將這些信號傳送至電子控制單元（ECU）。電子控制單元（ECU）根據(jù)這些信號判斷汽車此時的行駛狀態(tài)。在汽車行駛中，前向雷達通過發(fā)射和接受超聲波判斷汽車與前車或前方障礙物的實時距離，并將信號傳送至電子控制單元（ECU），通過電子控制單元（ECU）與汽車出廠時生產(chǎn)廠商設定的閾值進行對比，判斷汽車是否處于危險狀態(tài)，進而判斷是否需要向安全帶卷收器發(fā)出預緊指令。在汽車行駛中，車速傳感器不僅探測、感知汽車的實時車速，更監(jiān)控汽車的瞬時加速度，或準確地說是瞬時減速度。當車速傳感器檢測到汽車的瞬時減速度超過某一閾值時，則認為汽車可能處于急剎車狀態(tài)，于是向安全帶卷收器發(fā)出指令，使安全帶預緊。當汽車瞬時減速度恢復到正常范圍時，將這一情況反饋到安全帶卷收器，卷收器放松。Home第五章汽車被動安全新技術在汽車行駛中，不僅車速傳感器工作，前碰撞傳感器同時也處于工作狀態(tài)。前碰撞傳感器用于感知汽車遭受碰撞瞬間的受力大小并將此信號傳送至ECU，進而判斷出汽車遭受碰撞的劇烈程度，從而使得原來松跨在乘員身上的安全帶瞬時拉緊，以減少沖擊力。當汽車遭受碰撞、與前車距離小于最小安全距離或減速度達到前碰撞傳感器和防護傳感器設定閾值時，ECU判斷汽車遭受碰撞或為躲避危險而處于緊急制動狀態(tài)。此時，為防止駕駛員和前排乘客在巨大的慣性力作用下與方向盤或儀表臺發(fā)生碰撞而受傷，必須使安全帶預緊卷收。于是ECU立即通過前碰撞傳感器和防護傳感器將安全帶卷收器的點火電路接通，向安全帶收緊點火器發(fā)出點火指令，使收緊點火器電路接通，氣體發(fā)生器就會產(chǎn)生氮氣使收緊器工作，在碰撞8ms內(nèi)將安全帶收緊15～20cm，最終縮短駕駛員和前排乘員身體向前移動的距離，防止面部、胸部與轉向盤、擋風玻璃或儀表臺發(fā)生碰撞而受傷。在ECU向安全帶收緊點火器發(fā)出點火指令的同時，還要向氣囊點火器發(fā)出點火指令，使氣囊膨脹吸收碰撞產(chǎn)生的動能，達到保護駕駛員和乘員的目的。因為氣囊在發(fā)生碰撞40ms后才能完全充氣達到最大體積，所以在座椅安全帶收緊后，駕駛席氣囊和成員席氣囊才同時膨開。Home第五章汽車被動安全新技術（2）機械控制模式機械控制模式是由傳感器檢測到汽車加速度的不正常變化，控制裝置激發(fā)預拉緊裝置工作，這種預緊式安全帶可以單獨使用。與智能電子控制模式相比，其控制模式簡單，主要由機械型座椅安全帶收緊傳感器的氣體發(fā)生器完成預緊動作。具體如下：收緊傳感器的構造雖因車型的不同而有差異，但其基本構造和工作原理是相同的。其組成元件有：慣性配重、觸發(fā)軸（或栓桿）、點火銷、點火彈簧和偏位彈簧。在正常情況下，點火銷被觸發(fā)軸（或栓桿）扣住，使點火銷不能觸發(fā)出去。此外，任何不必要的慣性移動均被偏位彈簧的彈力抑制，使安全帶收緊器不致被誤觸發(fā)。如果車輛發(fā)生嚴重的正面碰撞，瞬間減速，慣性配重克服偏位彈簧力向前移動，從而使觸發(fā)軸（或栓桿）釋放開點火銷，點火銷被點火彈簧射出，點燃傳爆管?；鹧嫠矔r擴散到氣體發(fā)生劑，從而產(chǎn)生大量氣體。所有這一切動作都發(fā)生在20ms內(nèi)。這種拉緊作用通過帶扣同時作用于肩帶和腰帶上，能最大程度地束縛住佩戴者。Home第五章汽車被動安全新技術5.智能預緊式汽車安全帶的技術要求智能預緊式汽車安全帶是一種十分有效的乘員保護部件。但是它是否達到預期效果，滿足設計要求和有關標準要求，尚需對產(chǎn)品進行必要的試驗驗證，以確保每條安全帶在碰撞事故中都起到應有的作用。目前國內(nèi)安全帶產(chǎn)品還存在許多問題和不足：總成強度達不到標準要求；卷收器壽命試驗達不到要求；卷收器結構問題等。（1）點爆條件的要求預緊式安全帶的關鍵技術之一是點爆條件。由于汽車碰撞的形式不同，強度不同，準確點爆是基本要求。在汽車過坑、臺階、各種粗糙路面以及減速時，不能點爆。某些種類的預緊器帶有機械式的控制器，由機械機構觸發(fā)；多數(shù)預緊器由電子式控制器觸發(fā)。如果汽車裝備了氣囊且使用智能控制器，則預緊式安全帶的控制一般都由氣囊控制器完成。例如由氣囊控制器控制兩個氣囊和兩個預緊式安全帶，分兩級控制；當碰撞強度達到第一級、未達到第二級時，點爆預緊式安全帶；達到第二級時，點爆氣囊。Home第五章汽車被動安全新技術（2）預緊器的收緊量要求收緊量的多少直接關系到預緊效果。預緊器有效工作時間受爆炸氣體壓力峰值持續(xù)時間的限制，一般都是10ms左右，有限的時間內(nèi)，收緊量越大，對乘員的約束性能越好。但織帶與人體胸部接觸，其拉力也就是人體胸部受到的壓迫力，過高的壓迫力使織帶可能會勒進乘員身體，引起骨折或壓傷內(nèi)臟器官，同樣會對乘員造成不必要的傷害，這就增加了非碰撞帶來的傷害風險。收緊量的大小視安全帶佩戴狀態(tài)的不同，一般為50～100mm。對預緊量的要求（限制）主要體現(xiàn)在對預緊力的限制，它是通過安全帶限力器來完成的。安全帶限力器由限力板、卷筒和固定軸等構成，具體如圖5-3-6所示。當車輛發(fā)生嚴重的正面碰撞時，由于乘員進一步向前移動而使安全帶所受的力超過預定值時，限力板開始變形，卷筒立即旋轉，使得繞在其上的安全帶得以向外拉出。與此同時，限力板繼續(xù)隨卷筒的旋轉而繞固定軸變形，成為安全帶繼續(xù)拉出的阻力。當卷筒繞過1.25圈時，隨著限力板兩端接觸，限力板完成繞固定軸的轉動，卷筒也不能再進一步轉動。結果，限力器完成其工作。Home第五章汽車被動安全新技術（3）預緊器起始工作時間的要求車輛碰撞過程極其短暫，要達到預緊的目的，必須在乘員身體尚未向前移動時，預緊器就起作用，因此預緊器的起始工作時間越早越好。預緊器要實現(xiàn)預緊作用，應在碰撞發(fā)生20ms內(nèi)被觸發(fā)并完成預緊動作，才能更好地保護乘員。（4）安全帶卷收器的技術要求卷收器是安全帶中最復雜的部件，種類不