1、Trick首次提出了“汽车用安全气囊防护装置”，并获得了题为“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。但由于当时技术水平及人们观念的限制，未被广泛接受或认可，当时的美国人更倾向于安装安全带。而当意识到只有不到15的汽车驾驶员和乘员使用安全带时，60年代末，美国高速公路行车安全管理局开始考虑汽车厂商发展安全气囊。70年代
2、，美国通用、福特，德国奔驰、日本丰田等汽车公司以及美国MONTON公司、TRW公司、德国TEMIC公司、ICT研究院、日本DAICEL公司、瑞典AUTOLIV公司等均开始投入大量资金和人力研究与发展安全气囊，其中1971年5月德国的一个研究小组成功地将火箭推进技术应用于汽车安全气囊。这些综合力量使安全气囊的研究与发展进入了一个全新的发展阶段。1973年美国通用汽车公司开始出售可供顾客选配的汽车气囊系统。1984年，安全管理局在著名的“联邦机动车安全标准”208条乘员碰撞保护中增加了安装气囊的要求，这为安全气囊的发展和使用提供了一个明确的法则及指导方向。1993前后，美国政府立法规定从1995年
3、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。安全气囊在近几年得到飞速发展，价格大幅下降，装备安全气囊的轿车从过去的中高级轿车向中低级轿车发展。同时有些轿车前排安装了乘客用安全气囊（即双气囊规格），乘客用安全气囊与驾驶员用安全气囊相似。只是气囊的体积要大一些，所需的气体也多一些而已。进入90年代以来，安全气囊的安全性已经被人们普遍接受，并被视为一种现代化和高档次的安全装置。但是，对于驾驶员和乘员来说，安全驾驶才是第一位的，这是任何先进的安全装置都无法替代的。1.2 国内汽车安全气囊的发展我国对汽车安全气囊的研究起步较晚。上个世
4、纪80年代末我国的一些汽车碰撞安全和军工专家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。随着世界汽车进军我国，我国的汽车工业迎来了前所未有的发展契机。1992年，我国自行研制的FS-01安全气囊通过撞车试验。我国的政策法规也对我国汽车工业的发展提供了良好的发展空间。在我国“九五”规划期间和“十五”规划中,国家经贸委和汽车行业将安全气囊列为我国汽车零配件三大重点发展项目（电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统）之一,尤其是在1999年10月18日,国家机械工业局发布关于正面碰撞乘员保护的设计规则（CMVDR294）。这个设计规则明确提出对汽车乘员在发生汽车碰撞时的安全标准。CMVDR294的发布间接
5、地对汽车配置安全气囊提出了新的要求,这无疑是中国安全气囊发展史上的一个进步,同时也对安全气囊的研究与发展指明了正确的方向和注入了新的活力。在十多年的研究与发展过程中,国内许多大学与事业公司的研究与产品已初具基础,其中部分技术已接近国际水平。清华大学的黄世霖等人在汽车碰撞实验研究中,系统地研究了多种国产汽车中安全气囊的匹配技术对汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用等方面作了大量工作,对国内的汽车安全气囊研究具有重要的指导作用。2000年以来，我国安全气囊市场需求平均每年都有超过200%的速度在增长，到2004年我国安全气囊市场总配套量
6、接近400万套。目前，国内生产安全气囊企业有近20家，2004年产量超过200万套，安全气囊的国产化率超过50%。国内安全企业的生产和配套市场基本上分外资企业和国产企业两大阵营。外资企业主要Autoliv、Plast、Takawa、Mobis等为代表，国内80%以上的安全气囊由他们生产，外资企业占据着我国安全气囊的中高端配套市场。国产企业主要是以锦州锦恒、东方久乐、上海比亚迪等为代表，他们国内安全气囊的产量只占15%左右，主要在一些国产化的经济型乘用车有所配套。我国安全气囊在经历安全气囊的进口高峰后，进口安全气囊的高速增长是势头已经跌落，2005年上半年已经出现进口负增长。目前，进口安全气囊在
7、国内配套市场所占比重不到一半。2004年底开始，跨国安全气囊企业相继在中国投资气囊组件的生产，加强了安全气囊上游零部件本地化供应配套的能力。到2007年，我国80%以上的安全气囊组件将实现本地化生产。目前，我国安全气囊零部件ECU、气体发生器、气袋、布料的国内采购率只有5%左右，气囊组件配套还有很大的发展空间。第二章 安全气囊系统的分类2.1 按结构形式从结构形式上，安全气囊可分为电子式和机械式两种。无论是电子式还是机械式，工作原理大体相同，所不同的是控制系统的工作方式不一样。2.1.1 电子式安全气囊由电子传感器、中央电子控制器、气体发生器、气囊等组成。传感器接到碰撞信号后，将信号传至中央电
8、子控制器（ECU），信号经过判断、确认，传至气体发生器，气体发生器引发点火、充气，气囊膨胀。电子式安全气囊可以分为很多种情况。2.1.2 机械式安全气囊由机械式传感器、气体发生器、气囊组成。气囊装于方向盘衬垫内，气体发生器在气囊之下，传感器在气体发生器的下面。当传感器受到设定（以上）的冲量后，传感器内的球体下移，导致拨杆下移并由转动，支块也随之移动，拨杆的另一端上移，压迫偏压弹簧。此时撞针脱位被弹出撞击气体发生器内的引爆装置。由于气体发生器内装有叠氮化钠或双基燃料或高压气体，爆发后，气体充斥表面涂膜的气囊，使之充气膨胀，形成一个凸状气垫，吸收人体的冲击力，使人体受伤害的程度减轻。此外，按照气体
9、发生器的工作原理，还可分为燃烧式（叠氮化钠等固体燃料爆炸产生大量氮气充斥安全气囊）和储气式（高压瓶阀门打开，放出预先储好的高压氮气或惰性气体混合物）。2.2 按保护对象和方位2.2.1 驾驶员用安全气囊驾驶员用安全气囊，这是汽车上最早采用和采用得最广泛的一种安全气囊，属于汽车在正面碰撞时对驾驶员的防护气囊。驾驶员用安全气囊装置在转向盘的中部，为了减轻在装置安全气囊后转向盘总成的质量，并要求保证转向盘的刚度以减少转向盘的振动，转向盘的转轴采用金属压铸件来制造。驾驶员用安全气囊系统的气囊、雷管、气体发生器等，全部装在转向盘中央的安全气囊盒中，气囊衬垫采用网状尼龙织物制成，当安全气囊膨胀并冲出时，气
10、囊衬垫必须迅速裂开，而且不能对乘员造成伤害。安全气囊按照一定的方式卷折放在气囊盒中，膨胀时沿挡风玻璃方向展开后再迅速胀大。在安全气囊后面的中部装置雷管和气体发生器等，一旦发生碰撞事故时，安全气囊就在驾驶员与转向盘之间形成缓冲气垫。2.2.2 防侧撞安全气囊各种碰撞事故统计资料表明，汽车发生的正面碰撞事故大约占41，尾追碰撞事故约占12，而各种各样的侧面碰撞事故大约占47。但从事故的伤亡比例来看，汽车的侧面碰撞事故的伤亡率，则远远高于汽车正面碰撞和尾追碰撞事故的伤亡率。分析结果说明，汽车的前部为发动机舱，后部为行李舱，在发生正面碰撞或尾追碰撞时，发动机舱或行李舱结构的变形和结构的损坏，能够吸收大
11、量的碰撞能量。并且安全带和安全气囊能够有效地发挥作用，这就使得乘员的伤亡率大大地降低。但是，汽车车身侧面的结构件，无论是在强度或是刚度上，远远比不上汽车车身纵向结构件的强度和刚度。车门的两侧没有足够的空间布置“缓冲”结构件，来吸收碰撞时的能量。安全带对于侧面碰撞的防护能力也低得多。当车门、门柱等受到碰撞时，就有可能对乘员造成直接伤害，使得乘员的伤亡率大大提高。根据使用要求不同，防侧撞安全气囊可以装在车门上横梁中、车门内板中或座椅侧面。车门上横梁中防侧撞安全气囊用来保护乘员的头部。装在车门内板中防侧撞安全气囊和装在座椅侧面防侧撞安全气囊用来保护乘员的胸部、心脏、肺脏等重要器官。2.2.3 前排座
12、乘员用安全气囊前排座是汽车主要的乘员坐席，前排座的乘员可以是身材高大的男人，也可以是婴儿，乘员的乘坐姿势也是各种各样的，并且是否佩带安全带有着重要影响。在发生碰撞事故时，前排座的乘员必然会与仪表板、前风窗玻璃、窗框及门框等发生碰撞，因此，要求前排座乘员用安全气囊能够在较大的范围内，对前排座的乘员提供安全保护。前排座乘员用安全气囊系统的气囊、雷管、气体发生器等，全部藏在仪表板中的安全气囊盒中，根据汽车仪表板的结构不同，其布置方法也有所不同。气囊衬垫采用嵌入薄铅板聚氨脂塑料制成，当安全气囊膨胀并冲出时，不会对前排座乘员造成伤害。前排座乘员用安全气囊的体积很大，安全气囊要按照一定的方式卷折放在气囊盒
13、中的上支架中。在气囊盒的下支架上装置雷管和气体发生器等，在发生碰撞时，最初气囊盒引导安全气囊沿前风窗玻璃方向向上展开，然后沿安全气囊的折印，有序地迅速向前排座乘员方向扩大，适时地在前排座乘员和仪表板之间形成缓冲气垫。前排座安全气囊的体积可达170L，但从引爆到安全充气仅40-80ms的一瞬间，固体燃料燃烧的高温、高压气体迅速充满气囊，在膨胀时有很大的冲击力，有可能对前排座乘员造成伤害。通常在设计计算时，要对燃料燃烧的速度和气囊充气时的压力进行计算，使得在气囊充气的初期，能够控制燃料燃烧的速度，安全气囊膨胀的速度不会过快。当安全气囊开始与乘员接触的瞬间，燃料燃烧能够急速进行，输出大量气体，保证安
14、全气囊有足够的压力，将乘员与仪表板等隔开。另外如何在前排座没有乘员的情况下，汽车发生碰撞时，前排座乘员用安全气囊不会引爆，或者不会发生“误爆”等事故，还需进一步解决和完善。有时在前排座椅上，固定安装儿童专用座椅。当儿童朝前坐时，前排座乘员用安全气囊应当正常引爆，但必须控制其爆炸力，避免伤害儿童。如果儿童朝后坐，则座椅可以给儿童提供可靠的安全保护（达90以上），这是受宇航员反向乘坐座椅时，能够承受巨大惯性力的启发，来开发和设计的儿童座椅。因此，在汽车发生碰撞时，不必引爆前排座乘员用安全气囊，整个操作都是由智能安全气囊系统来控制。展开后的前排座乘员用安全气囊。2.2.4 后排座乘员用安全气囊通常后
15、排座不设置安全保护装置，但近年来对后排座乘员的安全防护逐渐受到重视，已较普遍地在后排座上装置了安全带，并开发和装置了后排座乘员用安全气囊（包括后排座乘员用防侧撞安全气囊），一般后排座到前排座之间有较宽敞的空间，乘员有较大的乘坐空间和搁脚的位置，因此，后排座乘员用安全气囊的容积，要比前排座乘员用安全气囊的容积大50以上，一般可达到100L，后排座乘员用安全气囊系统的结构与其它安全气囊系统基本相同，大多数安装在前排座椅靠背中，引爆后在后排座乘员与前排座座椅之间形成防护气垫。后排座安全气囊系统中，需要装置2个碰撞传感器，来探测汽车在发生前、后碰撞时的加速度。经过中央电子控制器计算和判定后，才能引爆后
16、排座的安全气囊。后排座乘员用安全气囊的体积很大，引爆时会引起车内气压急剧的变化，产生强烈的振动和噪声，巨大的噪声使乘员难以忍受，严重的还会损伤乘员的耳膜。要求采取有效措施来防止。通常将车内各个安全气囊的引爆时间错开，避免振动和噪声的叠加。2.2.5 下肢用安全气囊发展美国莫通国际公司（Moton International）开发了保护驾驶员下肢用安全气囊，它由一个13L的安全气囊气体发生器组成，是一种新开发的安全气囊。在汽车发生碰撞时，能够有效地防止驾驶员的下肢、小腿和膝部与各种踏板、操纵杠杆等发生碰撞，对驾驶员的下肢、小腿和膝部进行保护。当下肢用安全气囊打开时，可以使乘员脚前部向上翘起一定的
17、角度，能够减少脚跟部的损伤。并防止驾驶员的躯体向前冲，使驾驶员身体保持在合适的位置上，同时吸收部分碰撞时的惯性力，使得驾驶员股骨所受的作用力减少近33，约降低到可承受的5kN左右，并且能够减轻驾驶员与驾驶员用安全气囊的冲撞作用力。下肢用安全气囊装置在仪表板下部的前围板上，其结构与其他安全气囊系统的结构基本相似。第三章 汽车安全气囊的工作原理及结构3.1 汽车安全气囊的组成及作用安全气囊系统主要由传感器、微处理器（ECU）、气体发生器和气囊等主要部件组成。如图3-1所示，安全气囊系统包含控制系统模块和气囊组件两个大部。图3-1安全气囊的组成传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发
18、生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀。气囊装在方向盘毂内紧靠缓冲垫处，其容量约50至90升不等，做气囊的布料具有很高的抗拉强度，多以尼龙材质制成，折叠起来的表面附有干粉，以防安全气囊粘着在一起在爆发时被冲破；为了防止气体泄漏，气囊内层涂有密封橡胶；同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤；气囊中所用的气体多是氮气。SRS中电控系统中的传感器，按其功能可分为碰撞强度传感器和防护碰撞传感器；而碰撞强度传感器按其安置位置又可分为包括左前碰撞传感器，右前碰撞传感器和中央碰撞传感器的前碰撞传感器和中心碰撞传感器两
19、种。碰撞传感器和防护碰撞传感器串连在一起，其功能都是检测车辆发生碰撞时的惯性力或减速度值，并把信号传输给SRS的ECU。所不同的是，碰撞强度传感器是用来检测车辆发生碰撞时所受碰撞的激烈程度，其信号是供系统的控制单元判断是否引爆点火剂 而使气体发生剂给气囊充气；而防护碰撞传感器则是防治碰撞强度传感器短路而导致安全气囊误膨开，其信号是供控制单元判断是否发生碰撞。ECU为一独立安装的控制系统，它不与其他系统的控制单元合用，其功能是接受个传感器发来的信号并判断是否引爆使气囊膨开。3.1.1传感器在安全气囊控制系统中，普遍采用了传感器来感知汽车在发生碰撞时的信号，检测汽车在发生碰撞时的碰撞强度，一旦碰撞
20、强度达到或超过设计所允许的强度后，各个传感器立即起作用，同时产生和输出一系列被碰撞的信号，这些碰撞信号传输给中央电子控制器，由中央电子控制器中的微处理器来进行处理和判断，决定是否引爆安全气囊。汽车安全气囊控制系统中所采用的传感器，主要类型为惯性加速度传感器，正常情况下，依靠弹性元件使传感器保持在断开状态，当汽车发生碰撞时，惯性元件克服弹性元件的阻力，使传感器立即被接通并产生碰撞信号。按照碰撞传感器的功能和使用情况不同，传感器可分为碰撞传感器、中央传感器和安全传感器等。碰撞传感器可以装在汽车的前部和侧面，通过直接感知碰撞作用力或从车身结构件的变形，来检测汽车在发生碰撞时的碰撞强度。中央传感器是用
21、来检验和判断由传感器输入的碰撞信号。安全传感器则起着保险作用，可以防止在汽车紧急制动、跨越凹坑或低于规定强度等条件时，因产生强烈振动而引起的“误判”。几乎所有的传感器对温度都非常敏感，必须保证传感器能够在相当大的温差范围内都能够正常稳定地工作，保证其可靠性。传感器应尽量地布置在温度变化较小的部位，或采取一定的隔热措施。3.1.2微处理器（ECU）安全气囊的中央电子控制器（Electronic Control Unit）是以微处理器为核心的控制系统，主要组成部分如图3-2所示。随着技术的不断进步，中央电子控制器也不断地改进和完善。安全气囊中央电子控制器一般由微处理器，信号输入输出系统，安全气囊系
22、统电源，警告和诊断系统，辅助组件构成。下面介绍各组成部分的主要功能。图3-2 ECU的结构框图（1）微处理器微处理器是中央电子控制器的核心，担负安全气囊的系统控制、信号处理和判断、发生引爆电脉冲等重要控制工作。在微处理器中有安全气囊的控制软件，还包括A/D转换器、串行接口、定时器、信息储存器、RAM、ROM、EEPROM等，它具有以下主要功能：a、控制碰撞传感器、中央传感器和安全传感器输入的电信号，对减速信号进行处理、筛选和判定，防止因紧急制动、通过沟堑或低速碰撞等引起安全气囊的误爆。b、将碰撞传感器、中央传感器和安全传感器输入的电信号与微处理器控制软件中已储存的计算程序和数据进行对比和评估，
23、判断是否需要引爆安全气囊，并确定引爆的时间。如果判断与确定无误，则适时地发出安全气囊引爆的电脉冲，同时起动安全带卷收器锁紧安全带，对乘员产生约束力。自动控制安全气囊引爆的限值，对没有佩带安全带的乘员，提供最佳保护。C、在安全气囊点火引爆电路接通后，立即将有关安全气囊的工作全过程、故障方式和故障持续时间的信息，储存到储存器中，记录当前的故障代码。d、通过信号系统和诊断器，对整个安全气囊控制系统内部和外部的功能进行检测和监控，并对安全气囊系统零部件进行诊断。（2）信号输入输出系统信号系统负责输入传感器的信号、输出安全带锁紧信号、安全气囊引爆信号、灯光报警信号和音响报警信号等。信号系统分布在汽车的各
24、个部位上，依靠导线和各种插接器来连接。a、输入信号装置有：碰撞传感器、中央传感器和安全传感器。按照碰撞传感器、中央传感器和安全传感器的逻辑控制原理，在汽车受到碰撞时产生碰撞信号，并立即输入到中央电子控制器中。b、输出信号装置有：驾驶员用安全气囊引爆电路、前排座乘员用安全气囊引爆电路以及其他安全气囊的引爆电路等。它们按照中央电子控制器的指令引爆安全气囊，倘若只装备驾驶员用安全气囊，则只需要一套安全气囊引爆电路。如果装备有多个安全气囊系统，则需要多个安全气囊引爆电路。在中央电子控制器的控制下，每条引爆电路都可以单独激发，也可以在中央电子控制器的控制下，按一定顺序进行激发，并在各个安全气囊引爆激发之
25、间，设置预定的延迟响应时间。另外，还对安全带卷收器发出锁紧信号。（3）安全气囊系统电源 蓄电池是安全气囊系统的主要电源，只要汽车在碰撞时不损坏蓄电池，仍然由蓄电池供应所需电流。另外，在安全气囊系统中还必须设置辅助电源（应急电源），保证在汽车发生碰撞、蓄电池被损坏时，安全气囊系统仍然正常工作。辅助电源包括一个直流稳压器和一个电容储能器。直流稳压器是起稳压和过压保护作用的集成稳压装置，它具有比较、放大和调节的功能。通常产生一个低压（5V）线性电源作为安全气囊系统的工作电源，当加在中央电子控制器上的电压过高时，稳压器便自行调节，保证提供系统稳定的电压，使系统能够正常工作，不会因电压过高而引起“误爆”
26、。电容储能器是利用电容来储能，一般在安全气囊系统接通电源后10ms时间内，电容器即充电。在轿车发生碰撞时，蓄电池被破坏失去主电源后，电容储能器还能保证在100ms的时间内为安全气囊系统提供电能。在安全气囊引爆后，电容储能器仅仅能够再提供10ms左右时间的电能。因此，必须是在蓄电池保持完好的条件下，中央电子控制器才能将有关安全气囊工作的全过程进行监控，并将安全气囊有关信息储存到储存器中，同时记录当前的故障代码。（4）警告和诊断系统安全气囊系统的监控系统一般有警告灯和诊断器。警告灯:警告灯位于仪表板内，符号为“Air Bag”，其功用一是故障提示，二是显示故障代码。当点火开关置于ACC或ON位置时
27、，警告灯闪亮6s，这段时间内，ECU中对系统进行自检，即向中央气囊传感器、微处理器以及点火电路输出模拟信号，以检查信号响应是否正确。若响应正确，则说明系统工作正常，警告灯闪亮6s后熄灭。若出现异常响应，则警告灯在6s过后仍然闪亮，提示人们应进行修理。诊断器（TDCL）:TDCL是Total Diagnostic Communication Link的缩写，它与ECU各引脚相连，ECU有几个引脚，TDCL也相应有几个插口，另外还增加A、B两个插口用于诊断置零（即清除故障代码）。TDCL的作用是激活诊断系统，对安全气囊系统进行自检，如图3-3所示。图3-3诊断器插口1AB插口 2Tc插口 3E1插
28、口 4Tc与E1端子跨接导线（5）辅助组成除了以上主要的组成部件外，还有一些辅助单元或模块分别如下：a、比较器定时电路。负责监测微处理器，当微处理器失效，它会使警告灯以3Hz频率闪亮，提出警告。b、串行通讯接口。供与外界装置双向通讯用。c、点火电压生成电路和点火储能电路。为气体发生器的激发提供电流。供气体发生器激发的点火电源有两个：一个是直接取自车上的蓄电池，另一个是由点火储能电路提供。若碰撞中未及点火之时，ECU至蓄电池的连接被切断，则只能靠点火储能电路供电。d、气囊点火电路。负责向引发器发出引发电流。气囊点火电路都有自己的储能单元，ECU点火输入端接通最低工作电压之后10s，点火电路便可完
29、成储能。e、测试电路。负责检测气囊点火电路和气体发生器有关电路的故障状态。f、低压开关状态监测电路。应用于混合式气体发生器。3.1.3气囊组件气囊组件主要由气体发生器、点火器、气囊、内饰和底板组成。驾驶员侧气囊组件位于转向盘中心处，乘客侧气囊组件位于仪表板右侧手套盒的上方。（1）气体发生器。气体发生器又称充气器，用于在点火器引爆点火剂时，产生气体向气囊充气，使气囊膨胀。气体发生器用专用螺母固定在气囊支架上，只能用专用工具进行装配。气体发生器由上盖、下盖、充气剂（片状叠氮化钠）和金属网组成。上盖上有若干个充气孔，充气孔有长方形和圆形两种。下盖上有安装孔，以便将气体发生器安装到气囊支架上。上盖和下
30、盖用冷压工艺压装成一体。壳体内装充气剂、滤网和点火器。金属滤网安放在气体发生器的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧后的渣粒。（2）点火器。点火器外包铝箔，安装在气体发生器内部中央位置。点火器包括引爆炸药和引药，引出导线与气囊插接器插头连接，插接器中设有短路片（铜质弹簧片）。当插接器插头拔下或插接器为完全结合时，短路片将两根引线短路，防止静电或误导电将电热丝电路接通而造成气囊误膨胀开。（3）气囊。气囊有用来保护上身的大型气囊，也有用来主要保护面部的小型气囊。驾驶员气囊多采用尼龙布涂氯丁橡胶或有机硅制造。橡胶涂层起密封和阻燃作用，气囊背面有两个泄气孔。乘员气囊没有涂层，靠尼龙布本身的间隙泄气。（4）衬垫。衬垫是气囊组件中的一个重要组成部件，由聚氨酯制成。在制造过程中使用了很薄的水基发泡剂，所以质量特别轻。平时它作为转向盘上的表面，把气囊与外界隔
