1、汽車安全氣囊的發展與應用2010級汽檢（4）班 錢立春摘 要：安全氣囊分布在車內前方（正副駕駛位），側方（車內前排和后排）和車頂三個方向。在裝有安全氣囊系統的容器外部都印有Supplemental Inflatable Restraint System，簡稱SRS)的字樣，直譯成中文，應為“輔助可充氣約束系統”。旨在減輕汽車碰撞后，乘員因慣性發生二次碰撞時的傷害程度。做為車身被動安全性的輔助配置，日漸受到人們的重視。當汽車與障礙物碰撞后，稱為一次碰撞，乘員與車內構件發生碰撞，稱為二次碰撞，氣囊在一次碰撞后、二次碰撞前迅速打開一個充滿氣體的氣墊，使乘員因慣性而移動時“撲在氣墊上”從而緩和乘員受到

2、的沖擊并吸收碰撞能量，減輕乘員的傷害程度。關鍵詞：安全氣囊；被動安全；傷害程度一、引言（一）汽車安全 當汽車速度在30kmh以上受到正面碰撞(碰撞角度與汽車中軸線成30°角度之內)或側面碰撞時，安裝在汽車前部或側面的碰撞傳感器利用碰撞時產生的慣性力，檢測到碰撞作用的時間、汽車減速度即碰撞強度。SRSECU將碰撞傳感器送來的碰撞信號與ECU內儲存的碰撞觸發數據進行比較，如果判定碰撞強度達到或超過其規定值，則指令接通安全氣囊引爆管的工作電路，引爆管迅速爆炸燃燒，并引燃氣體發生器內的氣體發生劑。氣體發生劑的燃燒十分劇烈，在瞬間產生釋放出大量氣體，經過濾冷卻后充入折疊的安全氣囊，使氣囊在極短

3、的時間內突破襯墊迅速膨脹展開成扁球狀。在駕駛員或乘員頭部、胸部或身體因碰撞時的反沖力向前或向側面沖去時，鼓起的氣囊在駕駛員或乘員的前部或側面車身硬件間成彈性緩沖氣墊，利用氣體本身的阻尼作用或氣囊背面排氣孔排氣節流的阻尼作用，吸收并分散駕駛員和乘員的沖擊能量。氣囊鼓起后很快就從氣囊背面的小孔排出部分氣體而變癟，柔軟的氣囊表面就能有效地保護人體頭部、胸部和身體其他部分免受沖擊傷害或減輕傷害程度。（二）安全氣囊的好處安全保護范圍對乘員能夠提供各種碰撞事故和滾翻事故的全方位保護在汽車發生嚴重的正面碰撞和側面碰撞時，對乘員提供頭部和胸部有效的保護裝備的可靠性可以隨時對系統的零部件故障進行檢查依靠診斷裝置

4、進行一般故障檢查，但無法進行系統零部件的無損檢查裝備的方便性需要佩帶和解開安全帶，即使采用自動安全帶，對乘員的行動有很大的約束，可以防止乘員從座位上甩出，乘員的碰撞范圍較小對乘員無任何約束，但在汽車發生碰撞時，乘員可能會甩出座椅，在很大的范圍內與車內裝備發生碰撞維修的方便性安裝、維修、更換都很方便維修較復雜，如零部件出現大的故障，則要更換全套安全氣囊系統使用的普及性及成本普及容易，成本低廉，不需要提高汽車總造價正在普及駕駛員和前排座安全氣囊，并作為汽車標準裝備裝車，但造價高。其他形式的安全氣囊暫時為選裝件（三）安全帶與安全氣囊關系【1】Jain A K, Duin R, Mao J.Stati

5、stical Pattern Recognition: A Review J. IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000，22( 1): 4-38.1】電子控制安全帶預收緊（與安全氣囊電子控制系統統一控制）多方位、多個氣囊的電子控制的安全氣囊系統；智能安全氣囊系統實驗分析中，發現安全帶對乘員，特別對駕駛員的頭部、胸部以及膝部所能提供的保護是很薄弱的。而安全氣囊則對駕駛員頭部、胸部以及膝部的保護效果特別明顯，大大地減少了乘員的死亡率和減輕了乘員的損傷程度。值得指出的是，安全氣囊只是輔助保護系統，需要佩帶安全帶才能

6、起到預想的保護效果。交通事故統計數據表明，“三點式安全帶+安全氣囊”的防護效果最好，其有效保護率高達60；僅使用安全帶的情況下，有效保護率為4349；而僅使用安全氣囊，有效保護率急劇下降到18。引用上述統計數據有助于我們消除兩個誤區：第一，安全氣囊不是萬能的；第二，佩帶安全帶十分重要。現在人們的統一認識是：必須通過強制措施提高安全帶的佩帶率；在低速碰撞中，安全氣囊的展開反而會增加意外傷害的可能性而降低保護效果；在中等或嚴重程度的碰撞事故中，安全氣囊對乘員有明顯的保護作用。一般說來，車內乘員如果未系安全帶的話，在速度為20km/h左右的固定壁障碰撞中就會受到嚴重傷害；而系了安全帶的乘員，在30k

7、m/h的固定壁障碰撞中才會受到嚴重傷害。氣囊內部充填的氣體在受到駕駛員或乘員反沖壓迫時，能緩沖駕駛員或乘員受到的碰撞沖擊力，避免了駕駛員頭部和身體與汽車零部件的硬碰撞，從而減少駕駛員或乘員的傷害程度。但如果膨脹后有彈性的安全氣囊在受到駕駛員或乘員的反沖壓迫時還不放氣變癟，則有可能因駕乘人員的頭部埋在氣囊中無法呼吸，憋氣死亡。或內部有壓力氣體使有很強彈性的氣囊將駕乘人員反彈回去，與汽車上其他零部件產生二次碰撞，造成駕乘人員的二次傷害。二、作用過程a010ms：在汽車特定的敏感部位處，裝置碰撞傳感器。碰撞傳感器受到足夠的碰撞沖量作用時，在10ms的瞬間內，將觸發信號輸送到中央電子控制器。b1020

8、ms：在中央電子控制器中，主要有對安全氣囊系統進行監測和控制的微處理器，能夠對傳感器輸入的觸發信號立即進行計算、比較和判斷。如果碰撞沖量超過預先的設定值，中央電子控制器立即釋放一個電脈沖火花，使氣體發生器中的雷管急速爆炸。c2060ms：雷管的爆炸擊穿裝氣體發生器的燃料盒，將固定燃料點燃并產生高溫、高壓氣體（氮氣），快速地經過濾器過濾冷卻后沖入安全氣囊。氣囊在2060ms內張開達到最大容積，在乘員與車內裝備之間形成一個氣墊。在同一瞬間，乘員因慣性力的作用，可能向前沖出150200mm，頭部、臉部和胸部正好與迎面而來的氣囊相接觸。但高壓氣囊膨脹的能量，會把乘員“回彈”到座椅上，使得乘員身體受到一

9、定損傷。d60100ms：與此同時，裝在氣囊后面的排氣孔打開，氣囊泄氣并收縮。由氣體的阻尼作用，吸收了碰撞的能量，緩解了氣囊對乘員頭部和臉部的壓力，使乘員陷入較柔軟的氣囊中。由于安全氣囊將乘員與車內裝備隔開，而使得乘員得到保護。最后氣體全部從排氣孔排出，氣囊癟下。整個碰撞安全氣囊展開對乘員的安全保護過程，大約60100ms。安全氣囊展開進行護的過程，是一種不可逆的過程，在完成上述過程后，必須重新裝置雷管、氣體發生器和折疊好的氣囊等。每個氣囊只能使用一次，也就是說氣囊只要引爆就不再有下一次保護的能力，也不能塞回去再使用，引爆后須回廠換一個新的氣囊。汽車碰撞事故發生時，安全氣囊引爆管引爆點燃氣體發

10、生器的具體點火時間，是決定SRS系統性能優劣的十分重要的指標。如果碰撞事故發生時，引爆管引爆點火過早，則在乘員的頭部和胸部向前沖的同時，氣囊也迅速膨脹，則有可能導致乘員頭部和胸部受到高速爆出的氣囊的沖擊，造成乘員傷亡或巨大的傷害。如果引爆管引爆點火過晚，則在乘員頭部和胸部已經沖撞到轉向盤或汽車其他汽車零部件上時，氣囊尚未膨脹而起不到保護作用。引爆管引爆的最佳點火時間是當氣囊充滿氣體膨脹時，乘員頭部和胸部正好與膨脹的氣袋接觸。從引燃氣體發生劑安全氣囊開始膨脹鼓起，到受到駕駛員或乘員反沖壓迫迅速泄氣變癟的時間很短，僅有約0.1s。安全氣囊從充滿氣體膨脹到泄氣只有如此短暫的時間，因此必須具備極迅速地

11、完成沖氣和放氣動作的功能，才能有效保護駕駛員和乘員的安全。三、安全氣囊系統的分類【2】 江宗法，等。駕駛員安全氣囊的工作原理與維修技術要點。內蒙古公路與運輸。（一）按結構形式從結構形式上，安全氣囊可分為電子式和機械式兩種。無論是電子式還是機械式，工作原理大體相同，所不同的是控制系統的工作方式不一樣。1、 電子式安全氣囊由電子傳感器、中央電子控制器、氣體發生器、氣囊等組成。傳感器接到碰撞信號后，將信號傳至中央電子控制器（ECU），信號經過判斷、確認，傳至氣體發生器，氣體發生器引發點火、充氣，氣囊膨脹。電子式安全氣囊可以分為很多種情況。2、機械式安全氣囊由機械式傳感器、氣體發生器、氣囊組成。氣囊裝

12、于方向盤襯墊內，氣體發生器在氣囊之下，傳感器在氣體發生器的下面。當傳感器受到設定（以上）的沖量后，傳感器內的球體下移，導致撥桿下移并由轉動，支塊也隨之移動，撥桿的另一端上移，壓迫偏壓彈簧。此時撞針脫位被彈出撞擊氣體發生器內的引爆裝置。由于氣體發生器內裝有疊氮化鈉或雙基燃料或高壓氣體，爆發后，氣體充斥表面涂膜的氣囊，使之充氣膨脹，形成一個凸狀氣墊，吸收人體的沖擊力，使人體受傷害的程度減輕。此外，按照氣體發生器的工作原理，還可分為燃燒式（疊氮化鈉等固體燃料爆炸產生大量氮氣充斥安全氣囊）和儲氣式（高壓瓶閥門打開，放出預先儲好的高壓氮氣或惰性氣體混合物）。（二）按保護對象和方位1駕駛員用安全氣囊駕駛員

13、用安全氣囊，這是汽車上最早采用和采用得最廣泛的一種安全氣囊，屬于汽車在正面碰撞時對駕駛員的防護氣囊。駕駛員用安全氣囊裝置在轉向盤的中部，為了減輕在裝置安全氣囊后轉向盤總成的質量，并要求保證轉向盤的剛度以減少轉向盤的振動，轉向盤的轉軸采用金屬壓鑄件來制造。駕駛員用安全氣囊系統的氣囊、雷管、氣體發生器等，全部裝在轉向盤中央的安全氣囊盒中，氣囊襯墊采用網狀尼龍織物制成，當安全氣囊膨脹并沖出時，氣囊襯墊必須迅速裂開，而且不能對乘員造成傷害。安全氣囊按照一定的方式卷折放在氣囊盒中，膨脹時沿擋風玻璃方向展開后再迅速脹大。在安全氣囊后面的中部裝置雷管和氣體發生器等，一旦發生碰撞事故時，安全氣囊就在駕駛員與轉

14、向盤之間形成緩沖氣墊。2、防側撞安全氣囊各種碰撞事故統計資料表明，汽車發生的正面碰撞事故約占41，尾追碰撞事故約占12，而各種各樣的側面碰撞事故約占47。但從事故的傷亡比例來看，汽車的側面碰撞事故的傷亡率，則遠遠高于汽車正面碰撞和尾追碰撞事故的傷亡率。分析結果說明，汽車的前部為發動機艙，后部為行李艙，在發生正面碰撞或尾追碰撞時，發動機艙或行李艙結構的變形和結構的損壞，能夠吸收大量的碰撞能量。并且安全帶和安全氣囊能夠有效地發揮作用，這就使得乘員的傷亡率大大地降低。但是，汽車車身側面的結構件，無論是在強度或是剛度上，遠遠比不上汽車車身縱向結構件的強度和剛度。車門的兩側沒有足夠的空間布置“緩沖”結構

15、件，來吸收碰撞時的能量。安全帶對于側面碰撞的防護能力也低得多。當車門、門柱等受到碰撞時，就有可能對乘員造成直接傷害，使得乘員的傷亡率大大提高。根據使用要求不同，防側撞安全氣囊可以裝在車門上橫梁中、車門內板中或座椅側面。車門上橫梁中防側撞安全氣囊用來保護乘員的頭部。裝在車門內板中防側撞安全氣囊和裝在座椅側面防側撞安全氣囊用來保護乘員的胸部、心臟、肺臟等重要器官。3、前排座乘員用安全氣囊【3】胡光輝。安全氣囊的安全性初探。湖南交通科技。3】前排座是汽車主要的乘員坐席，前排座的乘員可以是身材高大的男人，也可以是嬰兒，乘員的乘坐姿勢也是各種各樣的，并且是否佩帶安全帶有著重要影響。在發生碰撞事故時，前排

16、座的乘員必然會與儀表板、前風窗玻璃、窗框及門框等發生碰撞，因此，要求前排座乘員用安全氣囊能夠在較大的范圍內，對前排座的乘員提供安全保護。前排座乘員用安全氣囊。前排座乘員用安全氣囊系統的氣囊、雷管、氣體發生器等，全部藏在儀表板中的安全氣囊盒中，根據汽車儀表板的結構不同，其布置方法也有所不同。氣囊襯墊采用嵌入薄鉛板聚氨脂塑料制成，當安全氣囊膨脹并沖出時，不會對前排座乘員造成傷害。前排座乘員用安全氣囊的體積很大，安全氣囊要按照一定的方式卷折放在氣囊盒中的上支架中。在氣囊盒的下支架上裝置雷管和氣體發生器等，在發生碰撞時，最初氣囊盒引導安全氣囊沿前風窗玻璃方向向上展開，然后沿安全氣囊的折印，有序地迅速向

17、前排座乘員方向擴大，適時地在前排座乘員和儀表板之間形成緩沖氣墊。前排座安全氣囊的體積可達170L，但從引爆到安全充氣僅4080ms的一瞬間，固體燃料燃燒的高溫、高壓氣體迅速充滿氣囊，在膨脹時有很大的沖擊力，有可能對前排座乘員造成傷害。通常在設計計算時，要對燃料燃燒的速度和氣囊充氣時的壓力進行計算，使得在氣囊充氣的初期，能夠控制燃料燃燒的速度，安全氣囊膨脹的速度不會過快。當安全氣囊開始與乘員接觸的瞬間，燃料燃燒能夠急速進行，輸出大量氣體，保證安全氣囊有足夠的壓力，將乘員與儀表板等隔開。另外如何在前排座沒有乘員的情況下，汽車發生碰撞時，前排座乘員用安全氣囊不會引爆，或者不會發生“誤爆”等事故，還需

18、進一步解決和完善。有時在前排座椅上，固定安裝兒童專用座椅。當兒童朝前坐時，前排座乘員用安全氣囊應當正常引爆，但必須控制其爆炸力，避免傷害兒童。如果兒童朝后坐，則座椅可以給兒童提供可靠的安全保護（達90以上），這是受宇航員反向乘坐座椅時，能夠承受巨大慣性力的啟發，來開發和設計的兒童座椅。因此，在汽車發生碰撞時，不必引爆前排座乘員用安全氣囊，整個操作都是由智能安全氣囊系統來控制。展開后的前排座乘員用安全氣囊。4、后排座乘員用安全氣囊通常后排座不設置安全保護裝置，但近年來對后排座乘員的安全防護逐漸受到重視，已較普遍地在后排座上裝置了安全帶，并開發和裝置了后排座乘員用安全氣囊（包括后排座乘員用防側撞安

19、全氣囊），一般后排座到前排座之間有較寬敞的空間，乘員有較大的乘坐空間和擱腳的位置，因此，后排座乘員用安全氣囊的容積，要比前排座乘員用安全氣囊的容積大50以上，一般可達到100L，后排座乘員用安全氣囊系統的結構與其它安全氣囊系統基本相同，大多數安裝在前排座椅靠背中，引爆后在后排座乘員與前排座座椅之間形成防護氣墊。后排座安全氣囊系統中，需要裝置2個碰撞傳感器，來探測汽車在發生前、后碰撞時的加速度。經過中央電子控制器計算和判定后，才能引爆后排座的安全氣囊。后排座乘員用安全氣囊的體積很大，引爆時會引起車內氣壓急劇的變化，產生強烈的振動和噪聲，巨大的噪聲使乘員難以忍受，嚴重的還會損傷乘員的耳膜。要求采取

20、有效措施來防止。通常將車內各個安全氣囊的引爆時間錯開，避免振動和噪聲的疊加。5、下肢用安全氣囊發展【4】黃寧軍，等。汽車安全帶安全氣囊的新發展。汽車科技，4】美國莫通國際公司（Moton International）開發了保護駕駛員下肢用安全氣囊，它由一個13L的安全氣囊氣體發生器組成，是一種新開發的安全氣囊。在汽車發生碰撞時，能夠有效地防止駕駛員的下肢、小腿和膝部與各種踏板、操縱杠桿等發生碰撞，對駕駛員的下肢、小腿和膝部進行保護。當下肢用安全氣囊打開時，可以使乘員腳前部向上翹起一定的角度，能夠減少腳跟部的損傷。并防止駕駛員的軀體向前沖，使駕駛員身體保持在合適的位置上，同時吸收部分碰撞時的慣性

21、力，使得駕駛員股骨所受的作用力減少近33，約降低到可承受的5kN左右，并且能夠減輕駕駛員與駕駛員用安全氣囊的沖撞作用力。下肢用安全氣囊裝置在儀表板下部的前圍板上，其結構與其他安全氣囊系統的結構基本相似，四、安全氣囊的發展及應用現狀【5】2001，3Casella G. and Berger R.L., Statistical Inference (M), 第二版，北京：機械工業出版社，5】（一）美歐安全氣囊比較 在美國，安全氣囊系統要求對未佩帶安全帶的乘員能提供安全保護。很明顯，對于未佩帶安全帶的乘員來說，即使在轎車較低速時發生碰撞，就有可能對乘員造成傷害。因此，在設定氣囊起動車速范圍時，汽車

22、對固定物碰撞的車速為1820km/h，安全氣囊即能點火起爆。要求車速在1820km/h時，安全氣囊能夠點火起爆，就要求安全氣囊系統中的傳感器和中央電子控制器具有對碰撞性質有高度的識別能力和高度的可靠性。在一些汽車上，由于傳感器和中央電子控制器對汽車在劇烈緊急制動或在速度為15km/h以下的輕微碰撞，產生“判斷失誤”，而發生安全氣囊“誤爆”，使得駕駛員受到突然的驚駭，同時鼓起來的安全氣囊還會短時間遮蔽駕駛員的視線，造成由于傳感器對碰撞性質識別能力和可靠性的失誤而引起的事故。因此，對傳感器和中央電子控制器有很高的要求，因為未佩帶安全帶的乘員在汽車發生碰撞時，乘員沒有安全帶的約束和減少慣性力的作用，

23、乘員可能被甩出座椅，并在更大的范圍與車內的裝備發生猛烈的二次碰撞。因此，這種安全氣囊系統需要更大的氣囊，在更大范圍內將乘員與車內的裝備隔開。所以，駕駛員用安全氣囊的容積達到6080L，前排座乘員用安全氣囊的容積達到120160L。在歐洲，按照法規規定，汽車必須裝配安全帶，并強制所有乘員必須佩帶安全帶，三點式安全帶完全可以在汽車碰撞速度30km/h以下時，為乘員提供良好的束緊和保護。但試驗結果表明，在汽車碰撞速度超過30km/h時，安全帶不能對駕駛員和乘員的頭部、面部提供有效的保護。在正確使用三點式安全帶的基礎上，開發了安全氣囊系統來提高安全防護能力。在汽車發生碰撞事故時，主要由安全帶來約束乘員

24、并承受主要的慣性力的作用，安全氣囊只是用于保護乘員的頭部和面部。安全氣囊系統氣囊起動車速達到3040km/h，使得安全氣囊產生“誤爆”的可能性較小，危險性也較小。在這種安全氣囊系統中，可采用單點式傳感器等裝置來控制，因而使得其控制系統也更加簡單一些。因此，在歐洲的安全氣囊系統中，駕駛員用安全氣囊的容積為2030L，前排座乘員用安全氣囊的容積為6080L，比美國的安全氣囊系統中的氣囊容積要小得多，可以實現小型化，更加適合在裝有安全帶的中、小型汽車上裝備的安全氣囊。由以上對比可知，美國和歐洲在安全氣囊系統的開發上，指導思想是不同的，有著明顯的差異。歐洲式安全氣囊系統適合裝在裝有安全帶的中小型汽車上

25、，與安全帶共同組成汽車的安全保護體系。但在歐洲生產的一些大型豪華汽車上，為了滿足出口與市場競爭的要求，在這些汽車上也裝備了美國式被動安全氣囊系統。美國和歐洲一些國家是最早開發和使用安全氣囊的國家和地區。安全帶和安全氣囊共同構成了汽車輔助保護體系。在安全帶和安全氣囊開發的發展過程中，圍繞對安全帶和安全氣囊在保護乘員的主、從的作用的關系上，美國和歐洲一些國家之間形成了對開發安全氣囊的兩種不同的思想，并且形成了兩種不同的安全氣囊系統美國式安全氣囊系統和歐洲式安全氣囊系統。這兩種不同的安全氣囊系統的布置方法、傳感器的配置、中央控制器的性能參數、氣囊容積和安全氣囊啟動時的汽車速度等方面，都有較大的差異，

26、如表7所示。但在安全氣囊系統的工作原理上還是基本相同的。（二）國內安全氣囊的發展 在我國，汽車安全氣囊的起步較晚，開始于八十年代末九十年代初。在十多年的研究與發展過程中，國內許多大學與事業公司的研究與產品已初具基礎 ,其中部分研究與技術已接近國際水平。未來安全氣囊技術的發展趨勢，將主要朝著以下幾個方向發展：1、智能化隨著電子信息技術的飛速發展，形形色色的智能技術在汽車上得到推廣應用，智能化安全氣囊就是其中之一。它是在普通安全氣囊的基礎上增設傳感器和與之相配套的計算機軟件而制成。其重量傳感器能根據重量感知乘客是大人還是兒童，其紅外線傳感器能根據熱量探測座椅上是人還是物，其超聲波傳感器能探明乘員的

27、存在和位置等。計算機軟件則能根據乘客的身體、體重、所處位置和是否系安全帶以及汽車碰撞速度及撞擊程度等，及時調整氣囊的膨脹時機、速度和程度，使安全氣囊對乘客提供最合理有效的保護。2、綠色環保化目前汽車安全氣囊中普遍使用了迭疊化鈉。從環保和人體健康角度講，迭氮化鈉是一種有毒物質，其毒性是砷的近30倍。此外，從安全角度講，迭氮化鈉在被激活后釋放的氣體沖起氣囊的同時，還會生成固態的鈉，鈉的化學性質非常活潑，特別是在與水接觸時可以直接燃燒。因而，避免使用有潛在危險和有毒性的含鈉物質，采用新型氣體發生技術，使之符合環境保護的要求，是汽車安全氣囊發展的一個方向。3、虛擬技術化采用計算機模擬的“虛擬技術”方式替代轎車實物碰撞。它由一臺超級計算機進行“虛擬試驗”，從而一方面減少人力、物力、財力的消耗；另一方面也加快了產品的開發周期。超級計算機位于一間配有精密氣候調控系統的機房中，進行模擬碰撞試驗時，一方面測算轎車的設計對減少駕駛員和乘客受傷的風險能起多少作用，另一方面研究轎