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安全气囊
扬州职业大学
汽车安全气囊系统
汽车安全气囊系统
第一章概述汽车安全气囊系统
汽车安全气囊系统(SupplementalRestraintSystem——SRS)是轿车上的一种辅助保护系统,与座椅安全带配合使用,可以为乘员提供十份有效的防撞保护。
汽车安全气囊的诞生可以追溯到1952年,美国人约翰?
赫特里克发明了被其称为“汽车安全气垫”的纯机械装置,用以减轻急刹车或正面碰撞对驾驶员带来的严重伤害,并在美国获得“汽车缓冲安全装置”专利。
此装置可以说初具安全气囊雏形。
上世纪七八十年代,欧美等国出台了一系列关于安全气囊的标准和法规,促进了该技术的快速发展,很多零部件企业开始致力于这一领域的研究,随即汽车厂商争相推出装配有安全气囊的汽车。
随着侧气囊、安全气帘等装置的出现,安全气囊的种类越来越丰富。
1.1安全气囊的功用
在汽车发生冲撞时,安全气囊系统对保护驾乘人员的安全十分有效。
目前安全气囊系统一般为转向盘单气囊系统,或者双气囊系统。
安装有双气囊和安全带预紧器系统的车辆在发生冲撞时,不管速度高低,气囊和安全带预紧器同时动作,因此造成低速冲撞时气囊的浪费,使维修费用增加很多。
两次动作的双安全气囊系统,在汽车发生冲撞时,能根据汽车的速度和加速度的大小,自动地选择只使用安全带预紧器动作,还是安全带预紧器和双气囊同时工作。
这样,在低速发生冲撞时,系统只使用安全带即能足够保护驾乘人员安全,而不用浪费气囊。
如果在速度大于30km/h发生冲撞时,安全带和气囊同时动作,以便保护驾乘人员的安全。
1.2安全气囊的分类
目前,在各种车型上采用的安全气囊系统不尽相同。
根据不同的分类原则,可对其进行如下分类。
1.2.1按控制系统分类
按照控制系统的不同可将安全气囊系统分为机械控制式和电子控制式。
(1)机械控制式安全气囊系统
机械控制式安全气囊系统由机械装置控制充气元件的点火。
图1-1所示为
丰田90款卡罗娜(CORONA)轿车用机械控制式安全气囊系统。
图1-1丰田90款卡罗娜轿车用机械控制式安全气囊系统
该系统的碰撞传感器和充气元件、气囊安装在一起。
充气元件中的点火剂是由装在机械碰撞传感器中的撞针点燃的。
点火剂被点燃后再引燃充气元件中的气体发生剂,气体发生剂产生气体向气囊充气,图1-2所示。
机械控制式安全气囊系统不存在电路连接问题。
图1-2机械控制式安全气囊系统的工作程序
(2)电子控制式安全气囊系统
电子控制式安全气囊系统是由电子装置控制充气元件点火的。
图1-3所示为丰田轿车电子控制式安全气囊系统。
该系统充气元件中的点火剂是由装在点火剂中部的引爆管引燃的。
引爆管由通过其上的电路控制。
当安全气囊微电脑(SRS微电脑)控制电流流过引爆管时,安全气囊动作
电子控制式安全气囊系统存在电路连接问题,该系统有多个碰撞传感器,它们分别位于车身前部以及安全气囊系统微电脑上。
碰撞传感器、安全气囊系统微电脑以及充气元件之间依靠电路连接在一起。
由于方向盘及其上的充气元件是经常转动的,而碰撞传感器、安全气囊系统微电脑是固定不动的,因此在转动的元件和静止的元件之间设置了特殊的电路连接装置——螺旋电缆。
利用该装置可将静止元件和转动元件之间的电路可靠地连接在一起。
图1-3丰田轿车电子控制式安全气囊系统
1.2.2按照碰撞传感器的安装位置分类
按照碰撞传感器的安装位置可将安全气囊分为外部传感器式安全气囊系统和内部传感器式安全气囊系统两类。
(1)外部传感器式安全气囊系统
外部传感器式安全气囊系统是指碰撞传感器安装在气囊外部的安全气囊系统。
这种安全气囊系统一般有几个碰撞传感器,分别安装在车身前部的左、右两侧及安全气囊系统微电脑上,如图1-4所示。
(2)内部传感器式安全气囊系统
内部传感器式安全气囊系统是指碰撞传感器安装在气囊内部的安全气囊系统,如图1-5所示。
由于碰撞传感器、气囊及充气元件形成一个整体,因此又把这种安全气囊系统称为整体式安全气囊系统。
图1-1所示的丰田90款卡罗娜轿车安全气囊系统就属于整体式安全气囊系统。
图1-4丰田凌志、佳美轿车外部传感器式安全气囊系统
图1-5整体式安全气囊系统结构
1.2.3按照充气元件的点火方式分类
按照充气元件的点火方式可将安全气囊系统分为机械点火式安全气囊系统和电点火式安全气囊系统两类。
(1)机械点火式安全气囊系统
机械点火式安全气囊系统是指依靠机械装置点火的安全气囊系统。
机械点火就是指由点火销(相当于常规武器中的撞针)高速撞击充气元件的引燃器(相当于常规武器中的雷管),引燃器燃烧后引燃燃料并释放出大量气体向气囊充气。
图1-3所示安全气囊系统就采用机械点火方式。
(2)电点火式安全气囊系统
电点火式安全气囊系统是指由电信号引爆引爆管,从而引燃气体发生剂的点火方式。
外部传感器式安全气囊系统都采用电点火方式。
1.3汽车安全气囊系统的发展方向
做为车身被动安全性的辅助配置,日渐受到人们的重视。
当汽车与障碍物碰撞后,称为一次碰撞,乘员与车内构件发生碰撞,称为二次碰撞,气囊在一次碰撞后、二次碰撞前迅速打开一个充满气体的气垫,使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”从而缓和乘员受到的冲击并吸收碰撞能量,减轻乘员的伤害程度。
安全气囊在近几年得到了飞速的发展,价格大幅度下降,装备了安全气囊的轿车也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的安全气囊(即双安全气囊规格),乘客用的安全气囊与驾车者用的安全气囊相似,只是气囊的体积要大些,所需的气体也多一些而已。
进入90年代以来,安全气囊的安全性能已被人们普遍接受,并被视为一种现代化和高档次的安全装置。
了解安全气囊的工作原理及注意事宜对我们更好的保护自己有很重要的作用,但对于驾驶员来说,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!
第二章安全气囊系统的组成与工作原理
2.1安全气囊系统的组成
安全气囊系统主要包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线路,气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。
2.1.1碰撞传感器
碰撞传感器一般也称安全气囊传感器。
按照用途的不同,碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。
触发碰撞传感器也称为碰撞强度传感器,用于检测碰撞时的加速度变化,并将碰撞信号传给气囊电脑,作为气囊电脑的触发信号;防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器,它与触发碰撞传感器串联,用于防止气囊误爆。
按照结构的不同,碰撞传感器还可分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。
防护碰撞传感器一般采用电子式结构,触发碰撞传感器一般采用机电结合式结构或机械式结构。
机电结合式碰撞传感器是利用机械的运动来控制电气触点动作,再由触点断开和闭合来控制气囊电路的接通和切断,常见的有滚球式和偏心锤式碰撞传感器。
电子式碰撞传感器没有电气触点,目前常用的有电阻应变式和压电效应式两种。
机械式碰撞传感器常见的有水银开关式,它是利用水银导电的特性来控制气囊电路的接通和切断。
2.1.2气囊组件
安全气囊组件包括充气元件和气囊两部分,两者不可分解。
驾驶员侧安全气囊组件安装在方向盘内,因此又称为方向盘垫块。
当安全气囊组件中的任一元件损坏时,应更换安全气囊组件。
1.充气元件
气体发生器又称充气泵,是安全气囊系统中非常重要而又复杂的一个部件,要求它在引爆管对其点燃后,在0.03~0.05s的极短的时间内产生大量压缩气体,充填到SRS气囊中使其鼓起。
气体发生器工作性能的好坏对安全气囊系统的安全保护功能起着至关重要的作用,其气体最高膨胀压力一般为160kPa以上。
汽车安全气囊系统的气体发生器有机械式气体发生器和电子式气体发生器两种。
图2-1为机械式气体发器。
图2-2为电子式气体发生器。
图2-1
图2-2
2.安全气囊
气囊又叫气袋,其作用是充气膨胀后缓冲乘员的冲击以保护乘员。
安全气囊常用聚酰胺织物(如尼龙等)来制造,在气囊袋的内表面涂上聚氯丁二烯来形成密封层。
安全气囊气袋与气体发生器外壳边缘紧密压粘,再折叠成包放在气体发生器与缓冲装饰垫面之间。
安全气囊的放气开口一侧固定在安装支架上。
缓冲装饰垫面表面有模压出的撕痕,类似于邮票上的齿孔,以便于安全气囊引爆膨胀时立即撕裂装饰垫,减少安全气囊膨胀时的阻力。
平时气囊是折叠在一起的,图2-3所示为副驾驶员侧安全气囊。
图2-3副驾驶员侧安全气囊
3.点火器
气囊点火器外包铝箔,安装在气体发生器内部中央位置,结构如图2-4所示,主要由引爆炸药1、药筒2、引药3、电热丝4、电极10和引出导线7等组成。
点火器所有部件均装在药筒内。
点火剂包括引爆炸药和引药。
引出导线与气囊连接器插头连接,连接器(一般都为黄色)中设有短路片(铜质弹簧片)。
当连接器插头拔下或插头与插座未完全结合时,短路片将两根引线短接,防止静电或误通电将电热丝电路接通使点火剂引爆而造成气囊误膨开。
图2-4
2.2工作原理
典型的气囊系统包括二个组成部分:
探测碰撞点火装置(或称传感器),气体发生器的气囊(或称气袋)。
当传感器开关启动后,控制线路即开始处于工作状态,并借着侦测回路来判断是否真有碰撞发生。
如果讯号是同时来自两个传感器的话才会使安全气囊开始作用。
由于汽车的发电机及蓄电池通常都处于车头易受损的部位,因此,安全气囊的控制系统皆具有自备的电源以确保作用的发挥。
在判定施放安全气囊的条件正确之后,控制回路便会将电流送至点火器,借着瞬时快速加热,将内含的氮化钠推进剂点燃。
在近乎爆炸的化学反应快速发生的同时,会产生大量无害的以氮气为主的气体,将气囊充气至饱满的状态,并借着强大的冲击力,气囊能够冲开方向盘上的盖而完全展开,以保护驾驶者头部不受伤害。
同时在推进剂点燃的过程之中,点火器总成中的金属网罩可冷却快速膨胀的气体,随即气囊可由设计好的小排气口排气,以发挥逐渐缓冲功能,并避免在车身仍继续移动时阻碍碰撞后的视线。
2.3工作过程
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。
当汽车发生正面碰撞事故时,安全气囊控制系统检测到冲击力(减速度)超过设定值时,安全气囊电脑立即接通充气元件中的电爆管电路,点燃电爆管内的点火介质,火焰引燃点火药粉和气体发生剂,产生大量气体,在0.03秒钟的时间内即将气囊充气,使气囊急剧膨胀,冲破方向盘上装饰盖板鼓向驾驶员和乘员,使驾驶员和乘员的头部和胸部压在充满气体的气囊上,缓冲对驾驶员和乘员的冲击,随后又将气囊中的气体放出。
安全气囊可将撞击力均匀地分布在头部和胸部,防止脆弱的乘客肉体与车身产生直接碰撞,大大减少受伤的可能性。
安全气囊对于在遭受正面撞击时,的确能有效保护乘客,即使未系上安全带,防撞安全气囊仍足以有效减低伤害。
据统计,配备安全气囊的车发生正面碰撞时,可降低乘客受伤的程度高达64%,甚至在其中有80%的乘客未系上安全带!
至于来自侧方及后座的碰撞,则仍有赖于安全带的功能。
此外,气囊爆发时的音量大约只有130分贝,在人体可忍受的范围;气囊中78%的气体是氮气,十分安定且不含毒性,对人体无害;爆出时带出的粉末是维持气囊在折叠状态下不粘在一起的润滑粉末,对人体亦无害。
万事都是一把双刃剑,安全气囊同样也有它不安全的一面。
据计算,若汽车以60km的时速行驶,突然的撞击会令车辆在0.2秒之内停下,而气囊则会以大约300km/h的速度弹出,而由此所产生的撞击力约有180公斤,这对于头部、颈部等人体较脆弱的部位就很难承。
因此,如果安全气囊弹出的角度、力度稍有差错,就有可能酿出一场“悲剧”。
在汽车行驶中,3个传感器不断将车速变化的信息输入到电子控制器,经电子控制器不断地计算、分析、比较和判断,并随时准备发出指令。
当车速小于30km/h冲撞时,前方传感器和其串联的安全传感器同时向电子控制器输入撞车信号,并发出引爆安全带预紧器电雷管的指令,而中央传感器发出的信号不能使电子控制器发出引爆气囊电雷管的指令。
所以,在低速(减速度较小)冲撞时,只要预紧器向后拉紧安全带,就足以保护驾乘人员不撞向前方。
在高速(减速度较大)冲撞时,前方传感器和中央传感器同时向电子控制器输入冲撞信号,电子控制器在迅速判断后发出指令,同时引爆左右预紧器和双气囊的电雷管。
安全带向后拉紧的同时,2个气囊同时张开,吸收驾乘人员因减速度大而产生的冲撞能量,有效地保护他们的安全。
当汽车和前面的固定物冲撞时,汽车行驶的速度越快,减速度就越大,传感器接受到的力就越大。
若将前方传感器和中央传感器预设定的力分为上、下限,即前方传感器的预定冲撞速度在小于30km/h的下限值,并且相应的安全传感器预设值也是下限值,则汽车发生低速冲撞时,电子控制器只使安全带预紧器引爆。
中央传感器预设值为上限,则汽车高速冲撞时,前方传感器,中央传感器和安全传感器同时向电子控制器输出冲撞信号,电子控制器使所有的电雷管引爆,则安全带拉紧,气囊张开。
从发生冲撞、传感器发出信号到控制器判断引爆电雷管,大约需要10ms时间。
引爆后,气体发生器产生大量氮气,迅速吹胀气囊。
从发生冲撞到气囊形成,进而到安全带拉紧,全过程所需时间为30-35ms,所以气囊系统的保护效果是非常好的。
当气囊引爆后,由于产生的气体大量涌进气囊,使气囊的压力增高,不利吸收冲撞能量,所以,在气囊的后面有2个排泄压力的气体排放孔,有利于保护驾乘人员的安全。
第三章总结
随着汽车的诞生,汽车的安全就随之产生。
之后很快就出现了一系列的汽车安全系统。
自1953年第一个安全气囊的专利诞生后,汽车安全气囊系统就在曲折中不断的前进和发展。
人民生活水平的提高,使人们越来越重视汽车的安全性。
汽车安全性的地位越来越高,因此,推动汽车安全气囊不断的更新换代,技术逐渐趋近于完善。
今天的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中保护乘员头部、躯干和膝部的作用。
在本文中,主要介绍了汽车安全气囊系统的作用、分类、组成及工作原理等,由于篇幅原因,本文只选取了其中一部分作重点介绍。
在其后,我们还可以围绕汽车安全气囊系统的新技术、汽车安全气囊系统的检测及维修、汽车安全气囊系统电控技术等进行进一步的阐述。
此外,汽车安全气囊系统在将来还会向智能化、小型化、多样化、无污染的方向发展,我们期待汽车安全气囊系统的进一步发展,让其更好的保护我们的行车安全。
参考文献
[1]王忠良.汽车微电脑控制系统与故障检测.北京:
人民邮电出版社,2004.
[2]舒华.汽车电控系统结构与维修.北京:
北京理工大学出版社,2009.
[3]宋年秀.汽车维修专项技能培训教材.北京:
人民交通出版社,2004.
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