1、汽车安全气囊技术的新发展汽车安全气囊技术的新发展汽车学院 载运研072 王延芸 S0704112摘要:讨论了汽车安全气囊系统的构成与工作原理,以及安全气囊设计中应考虑的主要问题,着重探讨了安全气囊技术的新发展,并在此基础上对安全气囊今后的发展趋势进行了预测。关键词：汽车安全 安全气囊 技术水平 发展1 引言近年来,随着道路条件的改善和汽车技术的进步,汽车行驶的速度越来越快,车流密度越来越大,交通安全问题日益迫切。汽车安全技术是汽车高新技术的重要内涵之一,对汽车性能、价格以及汽车产品在消费者中的竞争力有着重要影响。汽车安全气囊是技术含量很高的一种安全装置,它通过汽车碰撞后对特定形状和大小的气囊快
2、速充气,在乘员和汽车内部构件中形成一道缓与冲吸能屏障,减少乘员所承受的减速冲击和二次碰撞力,从而达到保护乘员的目的。安全气囊技术仍处于较快的发展和提高之中,它已经达到了可以大量减少伤亡的水平。因此,发达国家的新一代汽车产品一般都配备了安全气囊。汽车安全气囊工作时所发挥的作用的大小不仅与安全气囊本身的状况有关,还取决于其他一些相关因素,如汽车整车的碰撞特性以及是否与安全带配套使用等。正因为如此,汽车安全气囊的设计必须考虑与其他的安全措施配套,以获得最佳保护效果。对装备有安全气囊而发生了交通事故的汽车进行统计分析的结果表明,单独使用气囊可减少18%的死亡事故,气囊加上安全带可减少47%的死亡事故。
3、尽管汽车安全气囊还没有像汽车安全带那样成为全球范围内的一种强制性安全标准,但它在发达国家已是一种事实上的必备安全措施。汽车安全气囊技术的研究和应用在国内还处于起步阶段,但中国加入世贸组织后,激烈的国际竞争不可避免地要把中国的科技界、工程界和企业界推向技术研究与应用的前沿。2 安全气囊的组成与原理安全气囊系统(SRS)主要由碰撞传感器、安全气囊的电脑(ECU)和充气元件、气囊组成。2.1 碰撞传感器主要由壳体、偏心转子、偏心重块、固定触点、旋转触点等组成,碰撞传感器是(SRS)系统中主要的控制信号输入装置。作用是在汽车发生碰撞时,由碰撞传感器检测车辆的碰撞强度信号,并将该信号输入ECU。电脑EC
4、U可根据碰撞传感器的信号,判断是否引爆充气元件,使气囊充气参与工作。碰撞传感器多数采用惯性或机械开关结构,譬如日本丰田车系所采用的则为上述结构的传感器。在工作正常情况下,偏心转子和偏心重块在螺旋弹簧弹力的作用下,顶靠在与外壳相连的止动块上,此时旋转触点与固定触点不接触开关(0FF)。当汽车发生碰撞时,偏心重块由于惯性力带动偏心转子克服弹簧弹力偏转。当碰撞强度达到设定值时,偏心转子偏转角度将旋转触点与固定触点接触而闭合,碰撞传感器向ECU输入一个“ON”信号,此时的电脑(ECU)只有收到碰撞传感器输入的“ON”信号时才会引爆充气元件。2.2 电脑ECU组成及作用安全气囊ECU是安全气囊系统的控制
5、中心,其功用是接收碰撞传感器及其他各传感器输入的信号,判断是否点火引爆气囊充气,并对系统故障进行自诊断。为了确保(SRS)系统工作的可靠性,防止误爆,气囊引爆必须满足一个条件(SRS),即侦测电路的触发传感器和碰撞传感器同时接通时,气囊才能被引爆充气。2.3 充气元件与气囊的组成、作用、原理充气元件与气囊均安装在方向盘内和副座前上方,一次性不可分解,当车辆在维修中必要时可拆开通往各碰撞传感器的接线处,以防误爆。充气元件主要由电爆管、点火药粉,气体发生剂、充气元件。充气元件是给气囊充气,气囊由尼龙布制成,表面敷有树脂。当车辆发生碰撞时,碰撞的冲击力促使碰撞传感器和触发传感器接通,(ECU)接通引
6、爆电路,电流流过电爆管,使其发热将电爆管内的点火介质引燃,火焰随即扩散到点火药粉和气体发生剂,产生大量气体,气体经滤网冷却后进入气囊内,气囊急剧膨胀,冲破方向盘等缓解了对驾驶员和乘员的冲击。3 汽车安全气囊设计中应考虑的主要问题(1)使用该安全气囊的汽车整车碰撞性能。即在给定碰撞条件下,汽车内部给定位置的加速度特性曲线。这个特性曲线不仅是气囊控制系统判别是否要启动安全气囊的主要依据,它还为安全气囊系统的具体设计提供了参考依据,如这个特性是决定安全气囊必须达到的反应速度的重要依据。如果汽车整车碰撞的特性不够好,那么安全气囊系统再先进也可能达不到安全标准的要求。(2)安全气囊到底应该做多大。也就是
7、要决定气囊缓冲层的厚度和宽度,这一方面与汽车内部结构有关,另一方面与赋予安全气囊的使命有关。在其他条件不变的情况下,正常状态下的乘员离可能发生二次碰撞的内部结构越远,安全气囊的体积就应越大,反之亦然。安全气囊的使命问题主要指安全气囊是否配合安全带使用,是为驾驶员配备,还是为乘员配备,是否为防侧撞而设等。在欧洲安全带是一项强制性安全措施,人们普遍使用安全带,安全气囊可以小一些,而在美国使用安全带的较少,气囊必须在无安全带的情况起到同样的保护作用,因此,要求安全气囊体积要大一些。为驾驶员配备的防正撞安全气囊通常装在方向盘上,比为乘员配备的防正撞安全气囊要小一些,防侧撞的安全气囊又通常比防正撞安全气
8、囊要小。(3)气体发生器的特性。即单位时间内产生的气体量及其温度与压力,这个特性必须与气囊的大小配套,同时也要与气囊的设计压力变化历程相协调。(4)电控系统的特性。其中包括反应时间和长时间内(通常为10年以上)的可靠性。理论上讲,反应时间越短越好,但实际中,由于技术和价格的限制,电控系统的反应速度总有一定的限制。如果其他条件不能改变,那么反应速度必须足够高,才能保证气囊及时打开。(5)气囊的选材。气囊材料不仅应有足够的强度,还要有足够的化学稳定性。目前常用的材料为各种不同型号的尼龙纺织品。(6)气囊的内部结构与折叠方式。这将直接影响气囊的展开过程以及对人体的冲击程度。(7)气囊的安装及外保护装
9、置。安全气囊装在汽车上,绝大部分不会有用武之地。对个别真有用武之地的气囊来说,也不知道什么时候才会遇到碰撞发生。因此一般要求一个安全气囊的可使用寿命大于汽车的寿命,这就要求对安全气囊有足够好的保护措施,以防气囊受到机械损伤和高温伤害等。同时安全气囊的安装要考虑到气囊展开后有一个合适的受力支撑,以防止气囊经受人员的碰撞后发生自由移动。4 安全气囊技术发展的现状4.1 安全气囊的新充气剂俄罗斯最近研究出将硝酸铅与甲酸铅一起制成一种共结晶。这种共结晶迅速燃烧并充气的属性比硝酸铵还好,能够在很短的时间内燃烧并使安全气囊迅速充气,其充气速度比目前的汽车安全气囊充气速度高几倍。在研究过程中,他们首先利用电
10、脑程序将碳、氢、氮和氧原子组成各种结构并分析其属性,结果发现硝酸铵具有很好的自燃属性并且不产生烟雾。但是由于这种物质容易吸收水汽而发生板结,因而俄研究人员将其与甲酸铵一起制成一种共结晶,使其容易保存。研究发现,这种共结晶迅速燃烧并充气的属性比硝酸铵还好,按照俄研究人员研究出的方法将其填充在汽车安全气囊里后,能够在很短的时间内燃烧并使安全气囊迅速充气,其充气速度比目前的汽车安全气囊充气速度高几倍。俄研究人员认为,这种共结晶燃烧不产生有毒气体,不会对人的健康造成损害,而且适用于零下50到零上80摄氏度的温度环境,将来有望在汽车安全气囊方面得到广泛应用。4.2 可膨胀涂料最新技术道康宁公司在2007
11、年3月16日举行汽车安全委员会工作会议期间,进行了名为“可膨胀有机硅涂料的研究进展”的技术研讨会,这种有机硅涂料由道康宁汽车气囊市场业务推出。研讨会主要议题是,道康宁有机硅产品在气囊领域的最新研发进展情况和产品介绍,并重点阐述目前道康宁公司目标为提高效率减少成本的产品工艺改进情况。研讨会的主讲人Blackwood先生说:“目前全球可膨胀涂料市场发展的驱动力就是提高产品工艺缩减加工成本,我们研讨会将重点介绍道康宁最新研发成果,这种技术在减少涂层厚度的同时却比传统产品有更好的性能。另外在今后我们还会着力研发相关工艺,以实现减少汽车内部易碎等危险材料的使用情况。”据悉,可膨胀涂料是最近十年中汽车安全
12、气囊市场竞争的核心产品,因为人们不断赋予汽车安全新的要求,所以安全气囊需要不断改进完善以满足要求,这就需要其核心可膨胀涂料能够及时的跟上要求并且保证成本降低。4.3 安全气囊盒技术德尔福公司是全球最大的汽车零部件供应商。德尔福提供能安装在仪表板中的乘员安全气囊盒,以便与车辆内饰造型风格相适应,同时,它也是安全气囊模块和气囊的重要接口。作为唯一一家主要设计和制造提供安全气囊、仪表板(IP)、驾驶座内饰的设计和制造的供应商,德尔福的特别之处在于强调造型设计的灵活性以及该造型和整体内饰的和谐统一。安装在安全气囊盒中的安全气囊模块的特点和优点如:采用自动调正安全气囊盒、单点注射成型工艺、TPO/乙烯基
13、树脂外壳和泡沫塑料,具有轻量化、低成本、低脱开力等特点。其中因仪表板采用成型和装配,安装在仪表板内的气囊盖可对表面粗糙度和表面光泽进行控制、接口材料与仪表板相同、可与仪表板色彩协调统一;另采用整体式隐性接口气囊盒,具有相当大的造型灵活性,在色彩、表面粗糙度和表面光泽上协调统一。4.4 星型乘员安全气囊星型安全气囊是一个坐姿自适应乘员保护系统。在特定碰撞条件下,当安全气囊膨胀出来保护乘客安全时,该系统能控制安全气囊展开的尺寸。安全气囊膨胀的速度和膨胀的程度取决于:乘员的体重、大小和就座位置、乘客是否佩戴安全带、碰撞的激烈程度、碰撞的方向。星型安全气囊让乘客可以自由选择气囊的膨胀程度(高充气或低充
14、气)、控制气囊展开的大小和容量,以及气囊的充气程度。和传统的安全气囊一样,星型安全气囊也能安装在仪表板里,不会影响对汽车的结构或外形设计,也不会带来额外的支出费用。该系统的特点如:创新的电子功能和其他特性的有效集成带来高附加值;不会影响整车结构或外形设计;无论是轻微的碰撞还是剧烈的碰撞、乘客的重量和大小、在座位上的就座位置以及是否佩戴安全带,它都能加强对乘客的安全保护。4.5 汽车智能安全气囊汽车智能安全气囊是在普通安全气囊的基础上增设传感器和与之相匹配的计算机软件而成。质量传感器能根据质量感知是大人还是小孩,其红外线传感器能根据热量探测座椅上是人还是物体,其超声波传感器能探明乘员的存在和位置
15、等。计算机的软件则能根据乘客的身体状况、所处位置、是否系安全带以及汽车的碰撞速度和碰撞程度,及时调整安全气囊的膨胀时机、膨胀速度、膨胀程度,使安全气囊对乘客提供最理想、最有效的保护。正在研制的新型保护气囊还有以下5种:安装在转向盘下方膝垫部位的安全气囊可保护下脚在正碰撞中免受伤害。安装在制动踏板下的安全气囊以保护脚和踝关节在正碰撞中免受伤害。安装在前座椅靠背上的安全气囊以保护后座乘员。安装在汽车发动机罩下的安全气囊,保护行人。安装在前挡风玻璃边框的安全气囊以减少行人在汽车碰撞事故中头部的损伤。5 汽车安全气囊技术的未来发展趋势汽车安全气囊作为一种设想提出来后到今天成为必需的安全装备在汽车上广泛
16、应用已经过了整整半个世纪的历程。安全气囊有效地减小了在汽车碰撞事故中乘员的伤亡,它的保护效果在汽车安全研究领域得到广泛的认识和高度重视。随着汽车安全气囊的普遍推广应用,安全气囊系统的各关键技术环节均成为汽车安全研究领域的重点。当前安全气囊新技术的开发研究可以概括为向着气囊的智能化、小型化、多样化、无污染的方向发展。(1)安全气囊的智能化。传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规乘座位置和气囊的理想点火时刻为原则设计的。但是在实际的汽车碰撞事故中,影响气囊保护性能的因素很多,例如乘员的身高和体重、乘员相对于方向盘或仪表板的位置、碰撞的剧烈程度等等。不同的碰撞条件及乘员和乘员的位置的变化会导
17、致乘员不是在最佳时刻与气囊接触,从而降低对乘员的保护效果。为了充分发挥安全气囊的保护效果,自适应式或称为智能型安全气囊的概念也就应运而生。近年来,智能型安全气囊的研究致力于开发一种能够最大限度地保护乘员的安全气囊系统。这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和乘员状况来调节气囊的工作性能。智能型气囊的关键技术之一是先进的传感系统和电子运算系统,它们在事故发生的短暂时刻内能够提供可靠的碰撞环境的信息。这些信息包括汽车碰撞的剧烈程度,碰撞的方位,乘员的身材、体重、位置,乘员是否系有安全带。智能气囊系统根据原有探测的信息作出判决怎样调节和控制气囊的工作性能,使气囊能充分发挥其保护效果。(2)安
18、全气囊的小型化。缩小安全气囊总成的体积是当前发展的趋势之一。新型发生器工作时,压缩气体从气罐中喷出充满气袋。这种发生器气体产生率高,因而尺寸小,便于安装布置。(3)环境保护型安全气囊。采用压缩气体的气体发生器对人体无毒害,且易于回收处理,没有环境污染的问题。(4)安全气囊的多样化。驾驶员和前座乘员安全气囊已成为轿车生产中的标准设备,作为正碰撞事故中的安全措施。侧面碰撞气囊正在迅速发展。不同设计形式的侧碰撞气囊可分别安装在坐椅靠背外侧、车门中部、车身中立柱、车身顶部与车门交界部位。这些安装在不同部位的侧碰撞气囊可分别起到保护乘员头部、胸部和臀部的作用。6 结语安全气囊是一种集机械、电子、化学、纺
19、织等多学科于一体的高新技术产品。新型安全气囊的开发研究对新技术提出了更高的要求。特别是对其可靠性的要求可与航空、航天产品的可靠性相比。国外先进的安全气囊系统的失效率均控制在百万分之一以下。随着科学技术水平的发展,各种新型气囊将会逐步装备到汽车上, 使得汽车的安全性得到进一步的完善。尽管安全气囊是保护汽车乘员免受伤害的重要措施之一,但是还必须牢牢记住乘员的安全是由汽车的整体安全性能决定的,也是由乘员的安全意识来决定的。因此汽车乘员即使在装有安全气囊的汽车上也要应用其他的安全措施,以使乘员得到最佳的保护效果。参考文献重庆维普信息数据库：1 岑天喜.浅谈汽车安全气囊系统的作用及重要性J.内蒙古科技与
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