安全气囊系统及工作原理

汽车安全性讨论

学院名称：烟台职业学院汽车工程系 专业：08级汽车电子应用技术

指导教师：孙春燕 姓名：穆冠昇 学号2008014011

汽车安全性能讨论

在趋于现代化的生活当中，代步的汽车已是我们普通家庭普遍选择。我们在购买汽车时，首先想到是肯定是汽车的安全性如何。汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种，主动安全是指汽车防止发生事故的能力，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力。当汽车发生事故时，对乘员的伤害是在瞬间发生的，其发生时间只有十分之一秒左右。为了在这样短暂的时间中防止对乘员的伤害，必须设置安全装备，目前主要有安全带、防撞式车身和安全气囊防护系统(Supplemental Inflatable Restraint System，简称SRS)等。

由于很多事故是难以避免的，因此被动安全性也非常重要，安全气囊作为被动安全性的研究成果，由于使用方便，效果显著，造价不高，得到了迅速的发展和普及。现在我们就来讨论一下为汽车提供安全性的部件：安全气囊。

一、安全气囊发展史

安全气囊从1952年就取得了专利，但在应用推广中经历了几上几下的波折，足足走过了30多年的漫长路途。直至1984年，汽车碰

撞安全标准(FMVSS208)在美国经多次被废除后又重新被认可并开始实施，其中规定从1995年9月1日以后制造的轿车前排座前均应装备安全气囊，同时还要求1998年以后的新轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊，自此才确认了安全气囊的作用。如今，这个在当年颇具创意性的发明已转为千百万个产品，种类也发展为正面气囊、侧面气囊、安全气帘等等。各国生产的中高级轿车，大多数都装有安全气囊，有些轿车已将安全气囊列入必装件。在国内，随着CMVDR294碰撞安全法规的开始实施，国内消费者对汽车被动安全性能的要求也越来越高，但目前除了极少数高级车装备侧面气囊之外，大部分车型还只是安装了正面气囊。

二、安全气囊系统组成

驾驶员处的安全气囊是存放在方向盘衬垫内，因此，当您看见方向盘上标有\"SRS\"或\"Airbag\"字样，就可知此车装有安全气囊。安全气囊系统主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等主要部件组成。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。

三、安全气囊的工作原理

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。

需要特别说明的是，传感器只有在满足了一定的条件下才会工作。安全气囊的传感器的设计有很多种，有一部分是采用摆锤或杠杆式开关，还有的是弹簧负载的转轮式，此外还有用水银开关的产品。但不论感测器开关型式如何，都必须有足够的撞击力才能使得开关启动，同时这个撞击力必须来自正的方向才行。通常这个撞击力约等于以时速25公里至50公里左右碰撞固定物所产生的结果。当汽车受到这种高速碰撞时，装在车前端的碰撞传感器和装在汽车中部的安全传感器，就可检测到车速突然减速，并将这一信号迅速传递给安全气囊系统的控制电脑，电脑在经过分析确认之后，才会引爆安全气囊包内的电热点火器，使气囊发生迅速膨胀。

据计算，正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的0.01秒内微处理器开始工作，0.03秒内点火装置启动，0.05秒内高压气体进入气囊，0.08秒内气囊向外膨胀，0.11秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。可见，气囊的打开与否与撞击角度和撞击速度都有关，一般来说在汽车翻转、轻微碰撞、侧面碰撞或后面碰撞时，气囊均不会打开，比如桑塔纳2000升级版在车身正面左右各30度以内受到重创时才会打开安全气囊。再有一点，对于撞击速度而言，安全气囊系统测定的是撞击后车辆的减速度，因此，在做安全碰撞实验时，一般都是让车笔直地撞在不能移动且不能变形的墙上。

四、安全气囊的安全性

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\"。

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！

五、安全气囊是怎样发明的？

安全气囊由美国人约翰·赫特里特（John·Hotrich）发明。他是一位自学成才的宾夕法尼亚州工程师。1952年，在遭遇一次事故后，他萌发了设计撞车安全装置的想法。在这次事故中，约翰为躲避一个障碍物而猛打方向盘进行制动，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要有一个良好的方法来保护乘员，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。1953年8月18日，他获得了\"汽车缓冲安全装置\"的美国专利。

安全气囊为一次性产品，每个气囊只能使用一次，也就是说气囊只要引爆就不再有下一次保护的能力，也不能塞回去再使用，引爆后须回厂换一个新的气囊。在美国，重新装置一套新气囊和感应系统及整组电脑控制器，一般需要3000美元左右，虽说比较贵，但为了生命安全，这俩钱还是不能省的！

六、安全气囊需与安全带配合使用

由于气囊是通过爆发起作用，而设计者往往是从大多数、正常的碰撞模拟试验中寻找最佳方案，但生活中，每一位乘驾者都有自己乘驾习惯，这就造成了人与气囊会有不同的位置关系，也就决定了气囊工作的不稳定性。因此，要保证安全气囊真正起到安全的作用，驾乘人员一定要养成良好的驾乘习惯，保证胸部与方向盘保持一定距离。而最有效的措施就是系好安全带，安全气囊只是辅助安全系统，需与安全带配合使用才能发挥最大的安全保护效果。不要在气囊的前方、上方或近处放置物品。注意不要在气囊的前方、上方或近处放置物品，因为在紧急时刻这些物品有可能防碍气囊充气或被抛射出去，造成更大的危险。在车室内安装收音机、CD机等附件时，要遵照汽车厂的规定，不要随意修改属于安全气囊系统的零件及线路，否则会影响气囊工作。

七、何时应考虑关闭气囊

在乘坐者之中若有儿童应格外受到关注。由于气囊充气可能对前排儿童产生意外危险，所以最好把儿童安排在后中间位置，并固定好。在副驾驶位无人或必须坐儿童的情况下，应考虑关闭气囊开关。 何时需要修理气囊？要注意观察位于仪表盘上的安全气囊警告灯。在正常情况下，点火开关转到\"ACC\"或\"ON\"位置时，警告灯会亮大约6秒钟，进行自检，然后熄灭，若警告灯一直亮，则表明安全气囊系统有故障，应立即进行修理。否则，有可能出现气囊不起作用或误弹出的情况。关键数字 Key figures 0.01秒正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的0.01秒内微处理器开始工作，0.03秒内点火装置启动，0.05秒内高压气体进入气囊，0.08秒内气囊向外膨胀，0.11秒内气囊完全胀大

八、现在的安全气囊发展（我国气囊的发展）

以前，安全气囊只是高档轿车的标志。而现在，越来越多的中档轿车甚至经济型轿车都把安全气囊当作卖点 ，大加宣传。通过配置安全气囊，不仅提高了整车的安全性，又能吸引更多的消费者，当然是件一举两得的好事。但与安全气囊有关的纠纷也日益增多，且常常是消费者和厂家各执一词、互不相让。厂家的解释得不到消费者的认

可，消费者又没有能力证明自己的怀疑，为此在气囊增加记录功能更为重要。

安全气囊原理：在汽车检测到加速度到了要求时，系统点燃一种类似火箭固体燃料发动机的气体发生器，在这种气体发生器中，燃料燃烧产生的气体使气囊充气。气囊系统中的传感器通常有三种类型：机械式、机电一体式及电子式。大多数气囊采用多个电子传感器分布在车身不同位置以便准确感知碰撞信号，并将信号传递到车上的控制系统中。控制系统也查以控制气囊系统的点火。

工作原理：系统时时刻刻在检测加速度，并且定时把不同时间的加速读记录在EEPROM 中，当系统检测到负加速度大于安全范畴时，系统点燃固体燃料，使之发生爆炸，气囊迅速充气。并把最后的加速度数值存储到EEPROM 中。由于加速度的检测是毫秒级的，而EEPROM 的写需要10MS 的等待，所以系统不能实时把数据存储器到EEPROM，因此，只能定时存储或在汽车停下来后在存储数据，因此不能解决当汽车发生碰撞，把电池碰飞时，数据不能存储到存储器中，因此在监测的可靠性和完整性存在一定的隐患。使用FRAM 可以消除该种隐患.采用FM31XX 的优势：用FM31256 的一棵取代三棵.MAX813 的价格在1usd 左右,DS1302 的价格在Iusd,AT24C256 的价格在1.5usd 左右,所以整个系统就需要3.5usd，而Ramtron 的FM31256的价格几乎在3Usd 左右,所以FM31XX 的产品在价格上极其具备竞争优势.由于

FRAM 的存储器原理和方式与其他存储器完全不同,FM31XX 存储器的读写无限次,而且没有象EEPROM 和FLASH 存在写延时.DS1302 芯片,在OSC 脚需要接一个起振电容,主要的功能:1)是起起振作用,2)调节晶振的误差.其实外部增加2 个电容,系统不会增加很多成本,因为现在的电容很便宜,但问题是,要把RTC 调准很麻烦,电容大了,时间慢了,电容小了,时间快了.M31256 无需外加起振电容,系统已经把电容集成,晶振误差是通过软件来校正,系统提供+138PPM 的软件校正(详情参考FM31XX RTC 设计指南),由于少了起振电容,所以时间的精度得以保证.在电池供电脚,系统可以根据需要设置对电池冲电或者不冲电,如果系统使用的是冲电电池,只要把冲电设置位设为冲电状态,在系统有电时,就可以对电池冲电,无须增加冲电电路.从而简化了系统的电路.FM31256 产品的系统复位电压是由寄存可以设定,这样使得FM31256 可以适合在2.7V的低电压系统,可以用在3V 的低电压系统,也可以用在4V 的中电压系统,更可以用在4.5V 的高电压系统,FM3116 把分压电阻已经集成到系统内部, 不但省掉了外部的分压电阻,更可以保证复位的精度.FM31XX 提供8 个字节的可锁定内容的存储,在通常情况下,这8 个字节的存储器和普通存储器一样,读写无限次和没有写等待.但是该8 个字节受S/N 位控制,一旦S/N 位被软件设置为1,该8 个存储器的内容只能读,不能修改,该功能对企业产品管理很有帮助奥托立夫(Autoliv)公司 1990 年在中国建立了第1 家安全带生产企业，1994 年又在长春建立了第2 家安全带生产企业。2000 年引进了预紧器生产线，使国内的安全带生产水平能与国

际同步。1999 年奥托立夫在上海成立了生产安全气囊的公司，并计划在条件成熟之际在中国成立研究开发中心。

百利得(Breed)公司 产品主要集中在安全气囊和气体发生器、安全带、方向盘及电子电器等方面。中国市场以机械式安全气囊为主，已完成给红旗轿车、北京切诺基吉普及神龙富康ZX 轿车的气囊开发标定工作，其中红旗轿车进入供货状态。TRW 公司 在国内与上海离合器总厂合资成立上海天合汽车安全系统有限公司， 目前主要生产安全带。由于TRW 公司是世界上最大的安全气囊生产供应商，下一步将要和上海汽车工业总公司筹组安全气囊生产的合资企业。国内安全气囊研究、生产较晚，目前涉足此领域已有4-5 家企业，产品以自主设计为主，并积极寻求国际合作。较有代表性的企业有：河北石家庄久乐汽车安全设备有限公司 独立研制的久乐安全气囊已经国家权威机构认证，对桑塔纳、捷达、富康、北京吉普、双环越野车进行了装车碰撞试验。项目总投资1.52 亿元，计划两年内达到年产8 万套的生产能力，目前已和国内6 家汽车生产厂签定了上万套的安全气囊配套协议。泰州市爱具卡有限公司 集科研、开发、生产于一体，专业生产再装式汽车安全气囊，拥有先进的模拟撞击试验设备。产品广泛应用于已出厂的中、高档在用轿车。具备年生产20 万套的生产能力。上海航天公司、西安庆华厂 国家唯一批准的安全气囊项目，计划投资8 亿元人民币，并计划与国外大公司签约合作生产。锦州锦恒汽车安全气袋有限公司 注册资本 3000 万元人民币，99 年销售

额3300 万元人民币，是红旗系列轿车的供货商，并计划向富康ZX 系列轿车供货； 目前还与哈飞、安驰、天津夏利等企业合作，准备为它们供货。目前正在引进气体发生器生产线、织袋裁剪和缝纫、叠袋和生产检测等设备；计划2001 年6 月投产，形成10 万套年生产能力。其研发中心2001 年3 月投入使用，主要设备包括实车碰撞试验室，滑车 (SLED)试验台，5320m2的颠簸路面试车场和一系列用于部件试验的性能及环境检测设备。

汽车安全气囊系统（简称SRS）是辅助安全系统，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现。安全带与安全气囊是配套使用，没有安全带，安全气囊的安全效果将要大打折扣。据调查，单独使用安全气囊可使事故死亡率降低18%左右，单独使用安全带可使事故死亡率下降42%左右，而当安全气囊与安全带配合使用时可使事故死亡率降低47%左右。由此可见，只有两者相互配合才能最大可能的降低事故的死亡率，安全气囊系统必然作为安全带的辅助系统出现。

当发生碰撞事故时，安全带将乘员“约束”在座椅上，使乘员的身体不至于撞到方向盘、仪表板和风窗玻璃上，避免乘员发生二次碰撞；同时避免乘员在车辆发生翻滚等危险情况下被抛离座位。安全气囊的保护原理是：当汽车遭受一定碰撞力量以后，气囊系统就会引发某种类似小剂量炸药爆炸的化学反应，隐藏在车内的安全气囊就在瞬

间充气弹出，在乘员的身体与车内设备碰撞之前起到铺垫作用，减轻身体所受冲击力，从而达到减轻乘员伤害的效果。

安全气囊系统称为SRS，相对于安全带，安全气囊只是一个辅助保护设备。安全气囊是用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成，工作时用无害的氦气填充。此系统由一个传感器激活，该传感器用于监视碰撞中汽车速度减小的程度。在碰撞发生的早期，安全气囊可以非常快的速度充气十分重要，这能确保当乘客的身体被安全带束缚不动而头部仍然向前行进时，安全气囊能及时到位。在头部碰到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气。气体的排出有一定的速率，确保让人的身体部位缓慢地减速。由于安全气囊弹开充气的速度可高达320公里/小时，碰撞时如果人的乘坐姿势不正确，将给人带来严重的伤害。

无论我们的汽车安全性能再怎么进步，最能掌握汽车安全的还是开车的人，是我们自己。仔细认真遵守交通规则，这样才是最安全的。

此致

敬礼

穆冠昇