汽车安全气囊的发展与应用 论文

周口职业技术学院

毕业论文

2008级机电工程系

汽车检测与维修技术（2）班

论文题目：汽车安全气囊的发展与应用

姓名：苏亚凯学号：08040095 指导教师：严胜利职称：副教授

2011年 4 月 15 日

汽车安全气囊的发展与应用

摘要

安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。汽车安全气囊系统的包括传感器总成、充气、折叠气囊、点火器、固态氮、警告灯等。当汽车受到前方一定角度内的高速碰撞时，装在车前端的碰撞传感器和装在汽车中部的安全传感器，就可以检测到车突然减速，并将这一信号在0.01秒之内速度传递给安全气囊系统的控制电脑。因此,确保汽车行驶的安全性,解决乘车人员的安全越来越受到人们的重视。而在汽车上装配安全气囊就是一种有效的解决方法。本文主要介绍安全气囊的作用、安全气囊的类型、安全气囊的发展、系统主要部件、气囊在车内的应用、气囊系统的工作原理、使用注意参项、安全气囊的维护等。

关键词安全气囊传感器安全

目录

一、概述 (1)

1.1前言 (1)

1.2安全气囊的作用 (1)

1.3安全气囊的类型 (1)

二、安全气囊的发展 (2)

2.1 国外安全气囊的发展 (2)

2.2 国内安全气囊的发展 (3)

三、系统主要部件 (3)

3.1前方传感器 (3)

3.2中央传感器 (4)

3.3安全传感器 (4)

3.4电子控制器 (4)

四、安全气囊在车内的应用 (5)

4.1 安全气囊在车内的标识 (5)

4.2安全气囊系统的工作原理 (5)

4.3使用注意参项 (6)

4.4安全气囊的维护 (7)

五、安全气囊的发展趋势 (7)

参考文献 (8)

致谢语 (8)

一、概述

1．1前言

安全气囊，也称辅助乘员保护系统。它是一种当汽车遭到碰撞而急剧减速时能很快膨胀的缓冲气囊，可以保护车内乘员不致撞到车厢内部，是一种被动安全装置。为了减少汽车发生正面碰撞时由于巨大的惯性力所造成的对驾驶员和乘员的伤害，现代汽车在驾驶员方向盘中央普遍装有安全气囊，有些汽车在副驾驶座前的手套箱上端和乘员座位上也装有安全气囊。

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超过庙宇值时，安全气囊电子控制装置立即接通充气元件中的传爆管电路，点燃传爆管内的点火介质，火焰引燃点火药粉和气体发生剂，产生大量气体，在0.03s的时间内将气囊充气，使气囊急剧膨胀，冲出方向盘盖罩，缓冲对驾驶员和乘员的冲击，随后又将气囊中的气体放出。初中证明，汽车装用安全气囊后，汽车发生正面碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大减小。

1.2安全气囊的作用

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。

为了减少汽车发生正面碰撞时由于巨大的惯性力所造成的对驾驶员和乘员的伤害，现代汽车在驾驶员方向盘中央普遍装有安全气囊，有些汽车在副驾驶座前的手套箱上端和乘员座位上也装有安全气囊。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超过庙宇值时，安全气囊电子控制装置立即接通充气元件中的传爆管电路，点燃传爆管内的点火介质，火焰引燃点火药粉和气体发生剂，产生大量气体，在0.03s的时间内即将气囊充气，使气囊急剧膨胀，冲出方向盘盖罩，缓冲对驾驶员和乘员的冲击，随后又将气囊中的气体放出。初中证明，汽车装用安全气囊后，汽车发生正面碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大减小。有些汽车不仅装有前端的安全气囊，还装有侧面安全气囊，在汽车发生侧面碰撞时，也能使侧面安全气囊充气，以减小侧向碰撞时的伤害。据统计，气囊在汽车相撞时，保使头部受伤率减少25%，面部受伤率减少80%左右。

1.3安全气囊的类型

1.3.1 按照气囊的数量保分为单气囊系统（只装在驾驶员侧）、双气囊系统（正、副驾驶员侧各有一个安全气囊）和多气囊系统（前排安全气囊、后排安全气囊、侧面安全气囊）。

1.3.2按大小可分为保护全身的安全气囊、保护整个上身的大型气囊和主要保护面部的小型护面气囊。

1.3.3按照保护对象有不同可分为驾驶员防撞安全气囊、前排乘员防撞安全气囊、后排乘员防撞安全气囊与侧面防撞安全气囊几种。

a--驾驶员防撞安全气囊

驾驶员防撞安全气囊装在方向盘上，分美式和欧式两种。美式气囊地考虑到驾驶员没有佩戴座椅安全带而汽车相撞时起保护作用，其容积较大。为60L。欧式气囊是假定驾驶员佩戴座椅安全带而设计的，其容积较小，约40L。日本的安全气囊也属于欧式气囊类，近年来，由于安全气囊的生产成本下降，日本安全气囊规格有所增加，如本田轿车的驾驶员防撞安全气囊容积为60L。

b--前排乘员防撞安全气囊

由于副驾驶位置乘员在车内位置不固定且前方空间较大，因此为保护其撞。

二、安全气囊的发展

2.1国外安全气囊的发展

安全气囊的雏形是美国人Jhon.W.Hetrick发明的安全气垫。1952年Hetrick发明了他自己之称为“汽车安全气垫”的装置，用来减轻急刹车或正面碰撞带来的严重伤害。这是一种纯机械装置。用于使气囊膨胀的压缩空气贮存在一个压力容器中，连接着弹簧的质量块用来感应汽车的减速度。当质量块产生位移时，能打开一个阀使压力空气从压力容器中冲出来，以使气囊膨胀。气囊可装在方向盘中、手套箱门上、仪表板上部以及前排座椅的靠背。

早期的空气囊主要用于与其它安全装置一起防止飞机着陆时与地面的碰撞。1960年，安全气囊技术开始在原有的基础上研制并转为民用。

60年代末,美国高速公路交通安全委员会（NHTSA）开始建议制定一个可选择的安全气囊法则,鼓励汽车厂商去发展安全气囊。

70年代,美国通用、福特,德国奔驰，日本丰田等汽车公司以及美国MORTON 公司、TRW公司、德国TEMIC公司、ICT研究院、日本DAICEL公司、瑞典AUTOLIV 公司等均开始投入大量资金和人力研究与发展安全气囊,其中1971年5月德国的一个研究小组成功地将火箭推进技术应用于汽车安全气囊。这些综合力量使安全气囊的研究与发展进入了一个全新的发展阶段。

1984年,美国高速公路交通安全委员会（NHTSA）在著名的“联邦汽车安全

（Federal MotorVehicl Safety Standard208,标准”中的208条款《乘员碰撞保护》

简称FMVSS208）中增加了安装气囊的要求,这为安全气囊的发展和使用提供了一个明确的法则及指导方向。FMVSS208条款是汽车安全气囊发展史上的一个重要的里程碑。此后,欧洲也颁布了ECER94法规,紧接着日本丰田、本田,美国福特、克莱斯勒,德国宝马,瑞典富豪等汽车公司纷纷开始销售配有安全气囊的汽车。

20世纪90年代后期,美国、欧共体、日本已正式立法在汽车上配置安全气囊,双气囊已成为绝大多数主流轿车的标准件。

2.2国内安全气囊的发展

我国对汽车安全气囊的研究起步较晚。上个世纪80年代末我国的一些汽车碰撞安全和军工专家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。

随着世界汽车进军我国，我国的汽车工业迎来了前所未有的发展契机。1992年，我过自行研制的FS-01安全气囊通过撞车试验。我国的政策法规也对我国汽车工业的发展提供了良好的发展空间。

在十多年的研究与发展过程中,国内许多大学与事业公司的研究与产品已初具基础,其中部分研究与技术已接近国际水平。清华大学的黄世霖等人在汽车碰

撞实验研究中,系统地研究了多种国产汽车中安全气囊的匹配技术对汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用等方面作了大量工作,对国内的汽车安全气囊研究具有重要的指导作用。

坐落在锦州经济技术开发区的锦恒公司是国内唯一一家具有自主知识产权的汽车安全气囊生产企业，其生产能力和所占市场份额在国内最大。锦恒公司建有国内一流的研发中心，实验室通过了国家CNAL认证，具有正面碰撞、角度碰撞、柱撞、侧面撞等实车碰撞试验能力和台车试验能力。公司的主要碰撞、检测设备和组装生产线均由国外引进，技术装备水平国内领先。他们通过引进美国公司的安全气囊生产技术，开发出填补国内空白的机械式安全气囊产品；与一汽汽研所共同承担了国家“九五”汽车电子产品攻关计划，开发出具有独立知识产权的电子式安全气囊产品。目前，该公司共为国内20多个汽车生产厂家的30多个车型研发、配套安全气囊，已形成单班年产20万套安全气囊总成、120万只气囊、15万只饰盖的生产能力，是国内同行业中首家实现为整车配套的企业。今年，他们还与国际著名的安全气囊供应商签订加工安全气囊零部件的协议，产品将走向欧洲、北美等国家。

2000年以来，我国安全气囊市场需求平均每年都有超过200%的速度在增长，到2004年我国安全气囊市场总配套量接近400万套。目前，国内生产安全气囊企业有近20家，2004年产量超过200万套，安全气囊的国产化率超过50%。国内安全企业的生产和配套市场基本上分外资企业和国产企业两大阵营。外资企业主要以Autoliv、Plast、Takawa、Mobis等为代表，国内80%以上的安全气囊由他们生产，外资企业占据着我国安全气囊的中高端配套市场。国产企业主要是以锦州锦恒、东方久乐、上海比亚迪等为代表，他们国内安全气囊的产量只占15%左右，主要在一些国产化的经济型乘用车有所配套。我国安全气囊在经历安全气囊的进口高峰后，进口安全气囊的高速增长是势头已经跌落，2005年上半年已经出现进口负增长。目前，进口安全气囊在国内配套市场所占比重不到一半。2004年底开始，跨国安全气囊企业相继在中国投资气囊组件的生产，加强了安全气囊上游零部件本地化供应配套的能力。到2007年，我国80%以上的安全气囊组件将实现本地化生产。目前，我国安全气囊零部件ECU、气体发生器、气袋、布料的国内采购率只有5%左右，气囊组件配套还有很大的发展空间。

三、系统主要部件

图3.1 安全气囊系统组成

3.1前方传感器

此传感器安装在保险杠后与挡泥板之间，用来感侧低速冲撞的信号。前方左右2个传感器结构相同，都是偏心锤式机械传感器。传感器装在1个密封的防振保护盒内。

前方传感器的工作原理是：汽车正常行驶时，钮力弹簧将锤、动触头定在止点位置，传感器没有触发信号给中央控制器。当汽车冲撞时，惯性力克服弹簧的扭力而使其产生运动，带动触头转动，使动、静触头接合。此时，传感器向中央控制器发生"接通"信号，同时安全传感器也接通，于是电子控制器发出引爆安全带预紧器电雷管的指令，使安全带拉紧而达到安全保护作用。

前方传感器有4个引脚，其中2个引脚接到电子控制器，另外2个为自诊断引脚。金属电阻的作用是诊断本传感器和中央控制器之间是处于开路状态还是处于正常状态。

3.2中央传感器

中央传感器装在中央控制器内，用来感测汽车发生高速冲撞的信息，并将其输送到电子控制器，用来引爆气囊电雷管，使气囊张开。同时前方传感器也引爆了预紧器的电雷管，即安全带预紧和气囊张开同时起作用。中央传感器是1个固体半导体压力传感器，它具有稳定性好、应变灵敏系数K值大(约100-150)及压敏电阻效应线性好等特点。中央传感器的结构，其悬臂架压在半导体应变片的两端，当汽车发生冲撞时，半导体应变片在悬臂减速度力作用下发生弯曲变形，受压后的电阻发生变化，电阻的变化引起动态应变仪输出电压发生变化。汽车的速度越大，冲撞后产生的减速度力越大，则输出的电压也越大。由于半导体应变传感器输出特性受温度影响较大，故应用晶体管的基极发射极间电压Vbe的温度变化来消除传感器输出特性的变化，所以半导体传感器要求有稳定电源。

3.3安全传感器

本系统设立了2个安全传感器，用来防止系统在非冲撞时引起气囊的误动作。它们装在中央控制器内，是1个水银常开开关。当发生冲撞时，足够大的减速度力将水银抛上，接通电雷管电路。

3.4电子控制器

电子控制器包括引爆控制电路、驱动电路、储存电路和诊断电路等。它们都集中装在中央控制器上。实际上，引爆控制电路是1个晶体管开关电路。当传感器传来的信号电压足够大时，晶体管的发射极和集电极就导通，将传来的信号与已经储存的信号(电阻、电压)相比较，确认是冲撞信号后则接通继电器，由驱动电路接通电源与电雷管的总开关电路，引爆气囊和安全带电雷管。储存电路和诊断电路是合在一起的。诊断电路不断地分析和诊断气囊系统的各种故障，将这些故障编码储入储存电路，以备将来检修时用。与此同时、驱动电路使仪表盘上的SRS警告灯开始闪烁。

诊断储存电路监控如下故障：

①气囊误引爆和不引爆。

②传感器的失灵。

③系统各接头和线路的短路或开路。

3.4.1辅助电源

辅助电源包括1个直流稳压器和1个电容储能器。直流稳压器能保证供给系统电压的恒定性，使系统能正常工作而不发生失效引爆事故。它是一种带比较、放大和调节动能的集成稳压装置。电容储能器是利用电容储存电能，在冲撞中发生电源中断时，担负起气囊系统的电源作用，避免失效引爆事故。

3.4.2物理学原理

随着汽车工业的发展，近些年来安全气囊几乎成了各个汽车厂商轿车的标准配备了，然而对于这个事关生命的小部件，车主们对它的关注似乎少了一些。安

全气囊顾名思义，就是在危险发生时可以保护驾驶员生命安全的气囊袋，一般是由一个折叠好的气囊袋、充气器、点火器以及氮气固态粒子组成，通过安装在车头的几组传感器感应车辆与外物的撞击度，以确定是否需要引爆气囊。当车辆遭受正面强烈的撞击时，它会在瞬间充气膨胀以保护前座乘员的安全。据有关机构统计，在所有可能致命的车祸中，如果使用安全带，可挽救约45%的生命；如果同时使用安全气囊，这一比例将上升到60%。对于这样一个关键的部件我们该如何维护它呢？

图3.4 安全气囊装车形式

一般来说安全气囊都可保持8-10年的有效期，在日常驾驶时只要仪表盘上的Airbag(安全气囊)指示灯或故障灯未亮，就证明气囊处于正常的工作状态。但并不代表这就可以了，在使用过程中我们还应注意以下几点：

首先，无论何时我们都不应去敲打或撞击安全气囊所在的部位。更不应该用水去直接冲洗气囊位置，因为受潮的安全气囊在关键时刻无法保护你的生命。

然后是坐姿。一般来说司机在驾车时不宜前倾，坐姿要紧贴座位，背椅应调到能够舒适地控制汽车为好，这样会有足够的空间在发生意外后气囊充分地发挥其保护作用。

对于副驾驶位置也有安全气囊的车辆，绝不能让儿童坐在前排或在此位置安置儿童座椅，除非可以手动关闭此位置的安全气囊，否则气囊引爆时会给儿童造成巨大的伤害。

四、气囊在车内的应用

4.1气囊在车内的标识

驾驶员气囊放在转向盘毂内，有一个完整光洁的装饰外罩；乘客气囊则藏在仪表板内，以发生前碰撞或近似前碰撞事故时，固装在组件内的气囊以规定方式冲破外罩充气膨胀。

在转向盘外壳和仪表板上刻有"Air Bag"或缩写"SRS"(辅助乘员保护系统)或"SIR"(辅助充气保护系统)，表明该车装有气囊。

装有驾驶员用气囊的轿车仪表板上有一个指示灯，向驾驶员表明气囊系统状态，汽车用户手册上说明了该指示灯的功能。尽管汽车厂规定了维护或检查要求，但大多数气囊系统不需要常规维护就能经常处于可使用状态。

4.2气囊系统的工作原理

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)。在发生足够严重的前碰撞或近似前碰撞事故时(相当于以>l6km／h的速度与一刚性壁正面碰撞)，车上的探测碰撞点火装置主动将突然减速信号，传递给气体发生器的引爆装置，使相关物质(生成氮气，在乘员前方气囊充气，充满气囊所用时间不到0.05秒。气囊充气前折叠在转向盘毂内和仪表板内，充气时先将保护外罩自动充开。气囊的侧面有排气孔，当乘员碰压膨胀的气囊时，气囊内氮气排出，原来较热的气体在排出后快速冷却，吸收乘员向前运动的能量。

4.3使用注意事项

4.3.1 烟和粉末

气囊充气时不会燃烧或破裂，只是由于化学反应而产生烟和粉末状残渣，其成分大部分是演粉或滑石粉与钠的化合物，皮肤或眼睛如与沉淀物接触，可能有短时间刺激感，但不会对健康产生危害。

4.3.2 意外充气放出

触发气囊充气的传感器仅能被严重的前碰撞或近似前碰撞所激发。即使猛烈关门、坐在转向盘毂上、用手摇动保险杠或在高低不平路面上行驶，气囊都决不可能意外充气，传感器能准确鉴别汽车紧急制动与严重前碰撞或近似前碰撞的差别。

4.3.3 气囊充气后驾驶汽车

气囊充气后，人体碰压使其很快泄气，只要汽车仍然能行驶，驾驶员就能继续操纵带有瘪气囊的转向盘。不过这时很危险，只能应急，应尽快把车送到修理厂去。

4.3.4气囊充气对眼镜的损坏

由于乘员与充气气囊相碰，可能使眼镜架折弯、损坏甚至断开，造成面部轻伤，但眼镜片不会破碎或伤及眼睛。

4.3.5 气囊充气的声音

气囊充气时的声音很响，但持续时间极短，以致大多数乘员都没注意到，同时实际碰撞的声音几乎完全淹没了气囊充气的噪音。

4.3.6 在装有气囊的车室内放置物品

在气囊的前方、上方或近处放置的任何物品都有可能妨碍气囊充气或被抛射出去，在车室内安装收音机、CD机等附件时，要遵照汽车厂的规定，否则会影响气囊工作。

4.3.7碰撞损坏汽车上的气囊

如果在由于碰撞而严重损坏的汽车上有未引爆充气的气囊，那么可能该气囊的电路系统出现故障，以致没有电信号传给气体发生器，此时应首先断开电源线。考虑到气囊系统有能量延迟特点，在发生碰撞事故后不久，不要靠近或放置物品在未充气气囊旁边。当装有气囊的汽车着火时，气囊组件往往在温度达到l50℃左右时会自行充气。已充过气的气囊组件没有任何危险性，拆除后可按一般废物处理。

4.3.8气囊系统的更换

在碰撞后可修复的汽车上，必须更换己充过气的气囊系统。任何气囊系统都是与某一特定车型的碰撞特性及乘员舱尺寸相匹配的，因此，只能更换专门为该车型设计的气囊系统。

4.3.9气囊与儿童约束

坐车的儿童应使用合适的儿童保护装置，在装有气囊的汽车上尤应如此。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座椅上。

4.4安全气囊的维护

4.4.1不要在气囊袋盖上或周围放置物体，或者企图将它打开。

4.4.2不要修改属于安全气囊系统的零件及线路，或者自行更改前保险杠及车辆前部车身结构。

五、安全气囊的发展趋势

汽车安全系统是汽车电子领域增长最快的一部分，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。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。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。

正在研制的新型保护气囊还有以下 5 种：

①安装在转向盘下方膝垫部位的安全气囊可保护下脚正碰撞中免受伤害。

②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。

③安装在前座椅靠背上的安全气囊以保护后座乘员。

④安装在汽车发动机罩下的安全气囊，保护行人。

⑤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。

参考文献

[1] 范迪彬，《汽车构造》.安徽: 科学技术出版社

[2] 代汝泉,《汽车运行性能》.北京: 国防工业出版社 2003.1

[3] 邓楚南,《轿车构造下册》.北京: 人民交通出版社 2000.6

[4]高延龄,《汽车运用工程》.北京: 人民交通出版社 1999.10

[5] 李炳泉,《桑塔纳2000型轿车构造》.北京: 机械工业出版社 2000.7

致谢语

三年的学习生涯马上就要画上句号了，毕业前所有努力与付出都凝聚在这篇论文里面。相信它虽然算不上上乘之作，但却是我用心血浇灌的答卷。而且更有论文指导老师您的耐心点拨和诚恳建议。

感谢您以及各位任课老师，他们丰厚的知识积累和敬业精神，给予了我很多的教益。同时也感谢我的同学们，正是和他们三年的朝夕相处，一起上课一起讨论问题，让我逐渐有了对问题的思考意识，从而更好地规划自己的学业。三年的求学时光给我留下了美好的回忆，它将成为我今后人生旅途中新的起点。