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1、第二十一章安全气囊与安全带 碰撞试验 第一节安全气囊 汽车发生碰撞事故时 在惯性的作用下 司机和乘客会高速撞向方向盘等车内部件 受到伤害 在汽车上安装安全带和安全气囊等保护系统 可以在撞车时把乘客约束在座椅上 限制乘客头部 胸部的移动距离 避免与车内部件发生剧烈碰撞 从而起到保护作用 所以也把这种保护系统叫做乘员约束系统 SRS 一 气囊的保护思想 气囊的基本保护思想是 在发生碰撞后迅速在乘员和车内部件之间打开一个充满气体的袋子 让乘员扑在气袋上 通过气囊的排气节流阻尼吸收乘员的动能 使猛烈的车内碰撞得以缓冲 以达到保护乘员的目的 一 气囊的保护思想 二 气囊的组成与工作原理 安全气囊系统主要
2、由传感器 控制器 气体发生器和气囊等组成 二 气囊的组成与工作原理 其工作原理为 传感器感受汽车碰撞强度并将其传给控制器 控制器进行判断并在适当时机发出点火信号触发气体发生器 气体发生器点火后迅速产生大量气体展开气袋 从而达到保护乘员生命安全的目的 1 传感器目前主要有机械式 机电式 电子式等几种 其中电子集成式集成度高 其内部集成有加速度传感 低通滤波器 温度补偿等模块 接口简单 可靠性高 具有自测试功能 可及时发现异常现象 是目前广泛应用的一种 2 传感方式传感方式有多点式和单点式 目前正在使用的多点传感式安全气囊系统的典型配置 共有三个传感器 一个机电式左档板传感器 一个机电式右档板传感
3、器和诊断模块中的一个电子传感器 司机侧和乘客侧各有一个气囊 两个档板传感器中只要有一个闭合 诊断模块就对电子传感器送来的信号进行处理和判断 当认为有必要点火时 就发出点火信号使气囊充气 单点传感式安全气囊系统采用单个电子式传感器 并且传感器和点火控制模块以及诊断模块都集成在一起 目前 由于点爆控制算法越来越完善 单点传感式气囊系统正在逐步取代多点传感式气囊系统 3 安全传感器安全传感器是一机电式传感器 它在不低于3g的加速度时闭合 它串联在气囊点火电路中 主要是为了提高系统的抗干扰性 三 控制系统 控制系统是气囊系统的核心部件 其控制机理是各生产厂家严格保密的核心技术 气囊控制系统要能准确判断
4、出正撞 偏撞 斜撞 撞树等各种复杂情况的碰撞强度 并准时点爆气袋 控制系统主要有机械式 模拟电子式 智能式几种 机械式控制系统主要用于低成本的气囊系统 应用正在减少 现在大部分都采用带微处理器的智能控制系统 对电子式传感器测量得到的信号进行处理 输出点爆信号 其原理框图如图所示 气囊控制器一般具备如下特性 在不影响系统可靠性的前提下 尽量采用集成元件 元器件的个数应尽量少 元件及电路应为可在线测试的 减少耗电 使系统在主电源掉电情况下可继续工作 储存故障代号 以备事后诊断 四 气囊 气囊的形式有两种一种体积比较大 即使乘客不系安全带也能起到良好的保护作用 主要在美国市场 因为美国法规对安全带的
5、佩戴没有强制性 一种体积较小 与安全带配合使用 是将安全气囊与三点式安全带共同组成一个乘员保护系统使之达到最佳的乘员保护效果 这种气囊主要在欧洲市场应用 因为欧洲对安全带的佩戴有强制性要求 五 气体发生器 气体发生器有压缩气体式 冷式 燃烧式 热式 混合式三种 压缩气体式主要与机械式传感器及控制器连用 由于其产气量少 充气速度慢等缺点 应用较少 燃烧式通过燃烧剂燃烧产生大量气体 产气量大 容易控制 应用较多 燃烧剂有叠氮化钠等种类 叠氮化钠燃烧产生无害的氮气 但产生大量的热量和固体颗粒 所以要采取降温 过滤等相应措施 为防止火药产生的热量对乘员造成伤害 有些气囊内部涂有隔热涂层 叠氮化钠融于水
6、后有毒 对环保不利 各气囊生产厂家都在发展新型的燃烧剂 可燃气体式是其中的一种 它将氢气和氧气按一定比例混合加压储存在储气瓶中 它燃烧后产生水 没有固体颗粒 燃烧前也没有害 是一种理想燃烧剂 混合式是用少量的燃烧物质产生足够的热量 使得压缩气体迅速膨胀而充满气囊 其产气量大 而产生的热量少 是今后的发展方向 六 气囊发展现状 安全气囊于1958年发明并申请了专利 它作为汽车被动安全性研究的成果 是随着汽车被动安全性研究的深入而发展的 美国通用汽车公司在1974 1976年间安装了大约一万套气囊系统 但是 由于技术上的原因又停止了生产 直到90年代后 由于以下原因才得到推广和普及 1 碰撞试验技
7、术的进步 2 公众对于安全要求的提高 3 安全气囊系统所需电子技术的提高 4 安全气囊对于人体的保护效果显著 从1970年到1990年的20年间 欧美关于安全气囊方面的专利只有106项 而从1990年到1994年4月 有专利464项 在美国 到1995年 前排乘员的气囊安装率已超过60 法规规定在1997年9月1日后出厂的轿车中100 安装司机侧和前排乘员侧气囊 在欧洲则是标准装备和选件并存 现在新车型基本都安装有安全气囊 安全气囊的保护作用是十分显著的 据美国官方公布的数字 1986年至1997年2月15日 安全气囊共挽救了1828人的生命 1639名司机 189名乘员 安全气囊同时也有副作
8、用 在上述时间段内 气囊造成38名儿童 21名司机 2个乘员死亡 这些主要发生在低速碰撞的情况 造成死亡的原因有如下几种 儿童及儿童座椅靠近气囊 碰撞前的制动使得儿童更加靠近气囊 气囊主要造成头和颈部伤害 另外矮个子司机受到的伤害也是类似原因 目前欧美等发达国家对乘员保护系统的研究主要有下述几个方面 发展低能量气囊 减少气袋对离位乘员 儿童乘员的伤害 研究侧撞气囊 翻滚气囊等保护装置 研究智能保护系统 研究膝部 小腿 踝部的保护装置 七 气囊的关键技术 1 碰撞判断准确汽车的碰撞形式是各式各样的 其碰撞强度 减速度波形 车体变形等都是不一样的 但都要求气囊系统能准确地判断出强度如何 并能准确控
9、制气囊点爆 目前气囊系统有两种形式 一种是与安全带配合使用 当低速碰撞时 主要是安全带对乘员起保护作用 当发生高速碰撞时 才启动气囊对人进行保护 此时气囊主要保护人的面部 又称之为 面袋 第二种是单独起保护作用 发生碰撞时 气囊要保护人的头部和胸部 第二种气囊的体积较大 对司机侧气囊为60升以上 充气时间长 充气量大 启动气袋的碰撞车速较低 造价高 第一种气囊的体积较小 对司机侧气囊为40升左右 充气量小 充气时间短 启动气囊的碰撞车速高 造价低 就我国情况看 第一种气囊更适合我国国情 七 气囊的关键技术 气囊的点爆车速与各个国家的事故形式有关 通常是根据大量的事故统计数据 总结出在不同车速的
10、碰撞事故对乘员造成的伤害程度 据此确定何种车速需启动气囊对乘员进行保护 目前国外的资料中可以得知 对使用安全带的 面袋 来说 一般规定 20km h以下正面撞墙时 气囊不点爆 30km h以上正面撞墙时 气囊一定点爆 20 30km h之间为点火的模糊区 气囊可点爆也可不点爆 对不使用安全带的气囊 一般是12 8km h 8mph 正面撞墙时气囊不爆 20 9km h 13mph 正面撞墙时气囊要点爆 如果高速碰撞时气囊没有点爆 漏点火 会造成乘员的严重伤害 是绝对不允许的 七 气囊的关键技术 2 点火时刻准确以司机侧气囊为例 气囊点爆后 气体发生器的充气时间约是30毫秒 对处于正常位置的50
11、百分位假人 最佳情况下是发生碰撞时 气囊刚刚充满气体后 人的头部即与气囊接触 这样保护作用最好 如果人头部接触到气囊时 气囊尚未充气完毕 迟点火 则气囊不仅不能起到缓冲吸能作用 巨大的爆炸力反而会将人打伤 如果气囊充气完毕后很长时间人的头部才与气囊接触 早点火 由于气囊节流小孔的排气作用 气囊中没有足够的气体压力 同样会影响对人的保护作用 七 气囊的关键技术 如果乘员乘坐位置偏离了正常位置 如司机离方向盘过近或过远 称为离位乘员 气囊对离位乘员具有较强的伤害作用 以司机侧气囊为例 根据美国有关机构的尸体试验结果 如果气囊点爆时尸体胸部靠在方向盘上 气囊会将其肋骨打断 如果胳膊靠在方向盘上 气囊
12、会使得胳膊骨折 气囊对离位儿童乘员的伤害尤为严重 因此美国在推行低能量气囊 即延长气囊的充气时间 减少气囊爆出时的侵略性 此时气囊的充气时间大于30ms 气囊的点爆时间要提前 七 气囊的关键技术 3 抗粗糙路面干扰能力强气囊系统是一次性使用的安全防护系统 若意外点爆 除了会造成经济损失 由于气囊点爆时的巨大声响和体积 会对乘员造成惊吓 可能会引发不必要的事故 因此必须具有高的抗粗糙路面干扰能力 根据清华大学的总结 当汽车以20 60km h的速度通过下述路面时 气囊不应点爆 上下110毫米高的台阶 铁路铁轨 270毫米深的坑及国标路面 计有扭曲路面 坑洼路面 石块路面 搓板路面 卵石路面等 这
13、些情况都会产生较大的汽车减速度 气囊系统必须能识别出此种状况 气囊不能点爆 七 气囊的关键技术 4 高可靠性与工作稳定性由于汽车的工作环境比较复杂 气囊必须有较高的工作可靠性和稳定性 如汽车在雨中工作 汽车在高温气候中行驶 汽车在寒冷的地区使用 汽车在高海拔的地区使用 汽车在强电磁干扰环境中等 这些环境都不能引起气囊系统的失效 另外 某些时候汽车上的电瓶电压可能偏低 在发生碰撞时 可能在碰撞的最初时刻即将电瓶破坏 使气囊系统失去电源 因此气囊系统要有很宽的工作电源范围 并且当电源失掉后 应能有数百毫秒的持续工作能力 第二节预紧式安全带 预紧式安全带是近年来发展的一种安全带 一般 为了乘员的舒适
14、 安全带的预紧力不能太大 安全带与人体之间总有一定的间隙 当乘员衣服较厚时 此间隙会较大 在碰撞时 这个间隙将减小安全带的有效作用范围 降低安全带的效能 安全带使用预紧器后 可在碰撞达到一定强度时 启动预紧器 带动锁扣回缩或卷收器回转 使得安全带缩短一定距离 有效消除间隙 可以提高安全带的作用 预紧式安全带是在普通安全带上增加预紧器构成的 预紧器可以与锁扣结合在一起 锁扣预紧器 也可以与卷收器结合在一起 卷收器预紧器 一 锁扣预紧器 使用火药作为动力 锁扣上面与织带相连 下面由钢丝绳与预紧器内的活塞相连 发生碰撞时 通过点火设备点爆安装在预紧器上的火药 火药燃烧产生气体充入气室内 活塞在气体的压力下向右移动 通过钢丝绳将锁扣向下拉回约80mm 消除安全带与乘员间的间隙 在活塞中安装有钢球 使得活塞只能向右移动 防止在安全带的拉力下活塞向左移动 二 卷收器预紧器 安装在卷收器的侧面 使用火药作为动力 发生事故时 点燃火药 推动齿条移动 从而带动卷收器回卷
