汽车被动安全系统之一：安全气囊使用性能与检测

2023-10-11 理论教育版权反馈

【摘要】：安全气囊属于汽车乘员“被动安全性保护装置”。气囊作为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。安全气囊按照控制类型主要分为机械式和电子式安全气囊。现今人们对汽车安全性的追求不断提升，有的汽车上安装有三十多个气囊。膝盖气囊安装在车内前排座椅处，汽车碰撞时气囊迅速打开，避免后面乘员腿部受到伤害。安全气囊按照气体发生器数量还可分为一级和二级两种类型气囊。

【知识引导】

知识点一　安全气囊简介

发生交通事故时，汽车不可避免地会发生碰撞。汽车发生碰撞分为两个阶段：没有人参与的汽车与汽车或汽车与障碍物之间的碰撞作为碰撞的第一阶段。碰撞第一阶段必然导致汽车产生减速度，车内人员由于惯性就会以一定的加速度向撞击发生的方向运动，如果这个加速度足够大，将造成人员与车内构件相碰，将这个碰撞称为碰撞的第二阶段，即伤人阶段。安全气囊的作用即在碰撞的第一阶段和第二阶段之间，迅速在车内人员与汽车构件之间产生一个充满气体的气垫，在碰撞过程中通过气囊的阻尼排气等过程吸收乘员的动能，使碰撞的第二阶段得以减缓，以减轻碰撞对人员的伤害程度。安全气囊属于汽车乘员“被动安全性保护装置”。其中，安全带在被动保护过程中起主要作用，而安全气囊属于辅助约束系统（Supplemental Restraint System，SRS）。

气囊作为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。当汽车碰撞后，乘员与车内结构未发生第二次碰撞前迅速在两者之间打开一个充满气体的气垫使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”，从而缓和乘员受到的冲击，并吸收碰撞能量，减轻乘员的伤害程度。

历经数十年不断改进，汽车安全气囊的类型越来越多，除了常见的驾驶员侧和副驾驶侧安全气囊，现在还出现了帘式气囊、顶部气囊、护膝气囊、行人气囊等。安全气囊按照控制类型主要分为机械式和电子式安全气囊。机械式安全气囊完全依靠机械装置来实现气囊的展开，没有电子线路；电子式安全气囊在机械式气囊的基础上融入了电器件，展开更及时迅速，现代车上安装的几乎都属于这类气囊。安全气囊按主要的放置位置还可分为正面气囊、侧面气囊及车外气囊等。

正面气囊主要是安在驾驶员侧方向盘内或副驾驶前的仪表板内，出现交通事故汽车碰撞时，能够很好地保护驾驶员和乘员，防止人体与其他零部件发生二次碰撞而使头胸部受伤。

侧面安全气囊主要位于车门处，主要用于在发生侧碰或者翻滚时对乘员的保护。汽车发生侧碰时，车门极度变形不能打开，造成乘车人员困在里面，此时侧面安全气囊能够有效地避免车内乘员由于碰撞受到头胸腹或者胳膊的伤害。现今人们对汽车安全性的追求不断提升，有的汽车上安装有三十多个气囊。膝盖气囊安装在车内前排座椅处，汽车碰撞时气囊迅速打开，避免后面乘员腿部受到伤害。

安全气囊按照气体发生器数量还可分为一级和二级两种类型气囊。一级气囊只有一个气体发生器，只要汽车发生碰撞，气囊就会完全展开，展开时的爆发力很大，很可能会对乘员特别是儿童造成严重伤害。二级气囊是指有两个气体发生器，并且能够在不同时间分别开启对气囊进行充气。二级气囊的优点是可以根据汽车车速、碰撞强度和碰撞方向控制气囊的展开。例如当车辆碰撞不剧烈，车速不高时，只需开启第一级气体发生器对安全气囊充气，第二级不需开启，这时气囊充气展开程度为70%，如果两级气体发生器都开启的话，气囊展开爆发力过大，会对车内人员特别是儿童造成伤害。如果汽车碰撞比较强烈，这就需要两个气体发生器都开启。此类气囊由于开启可选的特点，比普通的气囊更能很好地保护乘客，尤其是对个矮的乘客和儿童具有更佳的保护效果。

安全气囊的工作原理主要是，车辆正常行驶中，传感器持续地将车辆速度或者加速度等持续变动的信号传输给控制器，控制器接收传来的信息后立即对其进行分析处理，一旦判断出所测的速度和加速度的变化量或者其他指标超过了预定值，就表示汽车已经发生了碰撞，这时控制器立刻向气体发生器发送信号，气体发生器接收到信号立即进行点火，经过爆炸式的快速化学反应后，产生足够多的气体给气囊袋充气，气囊借助冲力，冲开气囊上面的饰盖，最后气囊完全展开，从而避免了人体由于直接碰到方向盘或前方零部件所造成的伤害。同时，气体发生器中的金属罩可以冷却快速膨胀的高温气体，避免驾驶员头部受气体高温灼伤。气囊袋上设计好的排气孔用于排气，以缓冲碰撞的能量。

由大量实验数据统计得，通常安全气囊要求控制器在车辆发生碰撞后10 s 内启动工作，30 ms 内气体发生器产生气体，50 ms 内向气囊袋充入大量的气体，80 ms 内气囊袋充气展开，110 ms 内气囊袋完全展开，然后车内乘员与松软的气囊接触，其工作原理示意图如图4-16 所示。汽车安全气囊并不是任何碰撞下都能打开的，气囊打开需要满足一定的要求，就是一定要具有强大的碰撞力，而且碰撞力位于汽车前方位，气囊才能打开。当车速为25～50 km/h 发生碰撞事故时，安在车上的传感器就能够捕捉到车辆突然减速的信息，然后立刻把这些信息输送到控制器，控制器接收车速变化的信息立即处理，当判断出需要展开气囊时，就立刻发出点火命令，气体发生器接收到命令，快速产生足够的气体向气囊袋充气。

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图4-16　安全气囊工作原理

知识点二　安全气囊的组成

安全气囊系统主要由碰撞传感器、电子控制单元、警告灯、气体发生器和气囊等组成。图4-17 为雷克萨斯LS400 轿车安全气囊系统组件位置图。

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图4-17　雷克萨斯LS400 轿车安全气囊系统组件位置图

1.碰撞传感器

碰撞传感器是安全气囊系统中主要的控制信号输入装置，其作用是在汽车发生碰撞时，由碰撞传感器检测汽车碰撞的强度信号，并将信号输入电子控制单元（ECU），ECU根据碰撞传感器的信号判断是否引爆充气元件给气囊充气。

安全气囊系统一般装有2～4 个碰撞传感器，在前左、右挡泥板处各装一个，有的在前保险杠中间装有一个，有的车内还装有一个。碰撞传感器常采用惯性式机械开关结构。(www.chuimin.cn)

碰撞传感器由壳体、偏心转子、偏心重块、固定触点、旋转触点等部分组成。在传感器外还固定一电阻R，其作用是在系统进行自检时，检测ECU 与碰撞传感器之间的连接是否正常。

碰撞传感器在正常情况下，偏心转子和偏心重块在弹簧张力作用下，顶靠在与外壳固结的止动块上，活动触点与固定触点不接触；当汽车在传感器控制的方向受到碰撞，且冲击力超过传感器的设定值时，偏心块在惯性力作用下带动偏心转子克服弹簧张力而转动，使其上的活动触点与固定触点闭合，从而向ECU 发出信号，以驱动充气元件。

碰撞传感器的种类很多，有独立式碰撞传感器、黏性阻尼式碰撞传感器、阻尼式弹簧传感器等。

2.电子控制单元（ECU）

ECU 是安全气囊的控制中心。它由稳压电路、中央气囊传感器、记忆电路、诊断电路、安全传感器、点火控制引爆电路、备用电源等部分组成。

安全传感器是一个以水银为导体的开关。当减速度超过预定值时，在惯性作用下，水银接通触点，安全传感器闭合。

中央气囊传感器采用压电式加速度传感器，用于检测车辆减速度，当车辆碰撞时，传感器悬臂受惯性作用产生弯矩，并转变为电信号。当信号值超过设定值时，则接通气体发生器引爆电路。

诊断电路是不断对可能造成无法引爆或意外引爆气囊的故障进行检查，发现故障，则将故障内容按代码存储于记忆电路，供维修时读取，同时接通安全气囊系统警告灯，以通知驾驶员注意。

备用电源由电容器和直流转换器组成。当车辆因碰撞造成汽车电源损坏时，将由电容器继续供电。

为了保证安全气囊系统工作可靠，防止误引爆，系统随时要检测碰撞传感器、中央气囊传感器和安全传感器。三者之中，安全传感器闭合所设置的减速度值最小。安全气囊的触发条件是：当车辆发生正面碰撞时，若某个安全传感器和某个碰撞传感器同时闭合，或某个安全传感器和中央气囊传感器同时闭合，或三种传感器同时闭合，则安全气囊引爆。

3.充气元件和气囊

作为气囊总成，充气元件和气囊是不能分解的。单气囊安全气囊系统，气囊总成安装在驾驶员前端的方向盘内；而双气囊安全气囊系统，除在驾驶员前端的方向盘内安装有气囊总成和在副驾驶前方的工具箱上端配备有气囊总成外，雷克萨斯LS400 轿车前排乘员安全带还带有电子预紧装置。

气囊由防裂性能好的聚酰胺织物制成，里层涂有聚氯丁二烯。为使气囊柔软，起到更好的缓冲作用，其上有些小排气孔，以便使气囊在充气后即开始排气，及时离开，既保护乘员又不致妨碍视线。

4.螺旋连接器

充气元件与气囊安装在方向盘上，随时与方向盘一起转动，螺旋连接器用于将随方向盘转动的电雷管引线与固定的ECU 导线连接起来。螺旋连接器由转子、壳体、导线和解除凸轮组成。转子与解除凸轮之间有连接凸缘与凹槽，转动方向盘时，两者相互接触，形成整体旋转。约5 m 长的螺旋导线装在螺旋连接器内，可随方向盘任意方向旋转2.5圈而不拖动异物。此外，在螺旋连接器上还接有喇叭开关触点；在装备巡航控制系统的车上，螺旋连接器还连接有CCS（Custom Control Sensors）主开关。

5.安全气囊警告灯

安全气囊警告灯位于组合仪表上。当中央安全气囊传感器总成自诊断机构检测出某一故障时，警告灯就会向驾驶员发出故障警告。在正常情况下，当点火开关转到ACC或ON 位置时，警告灯会亮大约6 s，然后熄灭。

汽车被动安全系统之一：安全气囊使用性能与检测

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