汽车安全气囊系统结构分析：具体特征及案例

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：随着世界汽车市场的激烈竞争，安全气囊系统将成为一项衡量汽车性能优劣的标准之一。正面碰撞安全气囊系统是目前使用最广泛的一种，而侧面碰撞安全气囊和顶部碰撞安全气囊现已逐渐普及。在汽车安全气囊系统中，传感器可分为两种：碰撞传感器和安全传感器。

安全气囊（Supplemental Restraint System）是一种辅助安全系统，与座椅安全带配合使用，简称SRS。安全气囊属于被动安全保护装置，当汽车正面碰撞或侧前方碰撞时，其保护作用十分明显，特别是对驾驶人的头部和颈部的保护。根据安全统计结果表明，对于发生正面碰撞的车辆，由于巨大的惯性力对驾驶人所造成的伤害中，胸部以上受伤的概率达75%以上。所以，安全气囊在设计时，主要是针对驾驶人或前侧乘客的头部和颈部而设计的。近几年来，随着汽车技术的发展与升华，人们对汽车安全性能要求越来越高，现代汽车大部分都安装有安全气囊系统。而且在一些国家中已经在交通法规中明确规定轿车必须配置安全气囊装置。随着世界汽车市场的激烈竞争，安全气囊系统将成为一项衡量汽车性能优劣的标准之一。

1.安全气囊的分类

（1）按照碰撞类型分类安全气囊根据碰撞类型的不同可分为：正面防护安全气囊、侧面防护安全气囊和顶部碰撞防护安全气囊三种。正面碰撞安全气囊系统是目前使用最广泛的一种，而侧面碰撞安全气囊和顶部碰撞安全气囊现已逐渐普及。

（2）按照安全气囊数目分类安全气囊按照安装的数目可分为：单气囊系统（只安装在驾驶侧）和双气囊系统（驾驶侧和副驾驶侧各有一个安全气囊）两种。

（3）按照安全气囊控制类型分类安全气囊按照控制类型可分为：机械式和电子控制式两种安全气囊，目前汽车大部分采用了电子控制式安全气囊。

2.汽车对安全气囊的要求

安全气囊是在汽车发生碰撞时才进行工作的装置，所以它的可靠性表现尤为重要。也就是说，车辆在发生碰撞时，根据不同的车速，要确定安全气囊能可靠地进行工作。但是，当车辆在紧急制动或高低不平的路面上行驶时，车辆也会产生较大的减速度和激烈的振动，这时却要保证安全气囊不进行工作。此外，由于汽车安装的安全气囊大多是电子控制式的，这样要求安全气囊系统在车辆发生碰撞、电源出现故障的短时间（20s）内，应能够正常工作，因此，在安全气囊系统中装有双电源，若在主电源断电的情况下，安全气囊控制系统电路中的备用电源可引爆安全气囊。在技术上，对安全气囊的要求主要有以下几个方面：

（1）可靠性高在车辆未发生碰撞事故的情况下，安全气囊都有自己的使用寿命（一般为7～15年）。若在碰撞事故中，安全气囊开启后，安全气囊系统要全套更换。

（2）安全稳定安全气囊系统要能正确区分出制动减速度和碰撞减速度。

（3）灵敏度高当车辆发生碰撞时，安全气囊系统要在二次碰撞（指驾驶人或乘客与转向盘、仪表板或风窗玻璃碰撞）前能正确快速的打开气囊，起到缓冲的作用。

（4）有防误引爆功能安全气囊系统一般采用二级门限控制，减速度的控制门限要合理，避免误引爆。误引爆主要包括两种情况：一种是轻微碰撞引爆安全气囊；另一种是当车辆发生碰撞时，安全气囊打不开，或者打开过晚。

（5）有自诊断功能安全气囊系统能及时发现故障，并以警告灯的形式提示驾驶人。

3.安全气囊的基本结构

安全气囊系统主要由传感器、气囊组件及安全气囊ECU等组成。图7-34所示为各组件的基本位置。当车辆发生碰撞时，传感器将电信号传送给安全气囊ECU，安全气囊ECU对信号进行运算，当确定需要打开安全气囊时，安全气囊ECU立即发出打开信号，气体发生器在30ms内将大量气体充满气囊，从而实现对驾驶人和乘客的安全保护。

在汽车安全气囊系统中，传感器可分为两种：碰撞传感器和安全传感器。碰撞传感器是安全气囊系统中信号输入装置，其作用是在汽车发生碰撞时，检测汽车碰撞强度的信号，并将信号输入给安全气囊ECU，安全气囊ECU根据碰撞传感器传送的信号进行运算判断是否引爆气体发生器使气囊充气。碰撞传感器的安装位置通常有两种：安装于汽车前部（前保险杠后及前叶子板下）的碰撞传感器叫前碰撞传感器；安装在安全气囊ECU内部的碰撞传感器叫中央传感器。对于前碰撞传感器的安装位置也有不同的，如奥迪A6车型的碰撞传感器安装在正副驾驶座椅下面。

图7-34 安全气囊各组件的位置情况

1—熔断器盒 2—警告灯 3—驾驶侧安全气囊 4—螺旋电缆 5—安全气囊 6—右前安全气囊传感器 7—安全传感器、中央传感器和ECU 8—安全气囊主电缆 9—左前安全气囊传感器

安全传感器的作用是用来防止安全气囊系统在非碰撞的情况下发生误引爆。安全传感器安装在安全气囊ECU内部，一般有两个安全传感器。

（1）碰撞传感器碰撞传感器相当于控制开关，其工作状态取决于车辆碰撞时减速度的大小。碰撞传感器按结构可分为机械式和电子式两种，目前汽车普遍采用电子式。位于安全气囊ECU内的中央传感器为电子式传感器，中央传感器的结构原理如图7-35所示。中央传感器是一个半导体压力传感器，半导体应变片两端被悬臂架压住，当车辆发生碰撞时，半导体应变片在悬臂架惯性力作用下发生弯曲变形，受压后的半导体应变片的电阻阻值发生变化，电阻的变化引起动态应变仪输出电压U_S发生变化。若车辆的速度越大，碰撞后产生的减速度就越大，传感器输出的电压也就越大。由于半导体压力传感器输出受温度影响，因此常采用晶体管的基极与发射极间的电压变化来对温度进行修正。

电子式传感器对汽车正向加速度进行连续测量，并将测量结果输送给安全气囊ECU，安全气囊ECU根据碰撞信号的分析处理，若需要引爆安全气囊，安全气囊ECU便会接通点火电路，如此时前方碰撞传感器的触点同时也闭合，则气体发生器的电路接通，安全气囊引爆。

图7-35 中央传感器的结构及工作原理图

1—传感器架 2—动态应变仪 3—半导体应变片 4—悬臂架

图7-36 安全传感器的结构

1—水银（正常位置） 2—水银（碰撞位置）3—触点 4—外壳 5—接电源 6—接点火器

（2）安全传感器在安全气囊系统中，除了装有碰撞传感器之外，还安装了两个安全传感器，用来防止车辆在非碰撞的情况下安全气囊被误引爆等误动作的发生。安全传感器同样装于安全气囊ECU内，是一个水银常开开关，如图7-36所示。当车辆发生碰撞时，产生的减速度惯性力使水银抛起，接通了点火控制器的电路。设计时根据低速和高速碰撞的临界速度计算两种减速度，然后再计算出两个安全传感器的安装角a（水银运动方向与水平线夹角），即：

式中 a———为碰撞减速度。

g———为重力加速度。

气囊组件主要由气体发生器、点火器、气囊、饰盖和底板等组成。驾驶侧气囊组件位于转向盘中心处，副驾驶侧气囊组件位于仪表板右侧杂物箱上方。

（3）气体发生器气体发生器又称充气泵或充气器，其作用是在有效的时间内产生气体，使气囊张开。气体发生器由上盖、下盖、充气剂（叠氮化钠固体药片）和金属滤网组成。

气体发生器壳体由上盖和下盖两部分组成。上盖上制有若干个长方形或圆形充气孔。下盖上制有安装孔，以便用专用螺栓和专用螺母固定在气囊支架上，装配时只能用专用工具进行装配。上盖与下盖压成一体，壳体内装有充气剂、滤网和点火器。金属滤网安装在气体发生器的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧产生的渣粒。

气体发生器是利用热效反应产生氮气而充入气囊。在点火器引爆点火剂瞬间，点火剂会产生大量热量，叠氮化钠药片受热立即分解，产生氮气并从充气孔充入气囊。虽然氮气是无毒气体，但是叠化氮钠的副产品有少量的氢氧化钠和碳酸氢钠（白色粉末），这些物质是有害的。因此，在清洁膨胀后的气囊时，应保持良好的通风并采取防护措施。

汽车安全气囊系统结构分析：具体特征及案例

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