气囊

汽车安全气囊
汽车安全气囊
  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。

简介

  安全气囊分布在车内前方(正副驾驶位),侧方(车内前排和后排)和车顶三个方向。在装有安全气囊系统的容器外部都印有 Supplemental Inflatable Restraint System,简称SRS)的字样,直译成中文,应为“辅助可充气约束系统”。英文名称中强调了安全气囊是辅助性的设备,应该与安全带配合工作才能起到最佳的保护作用。可惜的是中文名称中忽略了这一点,容易给用户带来误解,以为仅靠安全气囊就能获得良好的保护效果。其实,若不配合安全带使用的话,在某些情况下,安全气囊展开时会对乘员造成不必要的伤害。在正驾驶位的气囊装在方向盘的中间位置,副驾驶位的安全气囊安装在正前方的平台内部,在意外发生的瞬间可以有效的保护驾驶员和副驾驶位乘员的头部和胸部,因为正面发生的猛烈碰撞会导致车辆前方大幅度的变形,而车内乘员会随着这股猛烈的惯性向前俯冲,造成跟车内构件的相互撞击,另外车内正驾驶位置的安全气囊可以有效的防止在发生碰撞时方向盘顶到驾驶者的胸部,避免致命的伤害。  侧面气囊系统是保护汽车遭侧面碰撞以及车辆翻滚时乘员的安全一般安装于车门上,在车辆遭到侧面碰撞会导致车门严重变形,以至于无法开启车门,车内乘员被困于车内,侧面安全气囊可以有效的保护车内驾乘人员来自侧面撞击导致的腰部,腹部,胸部外侧,以及胳膊的伤害,保证身体上肢的活动能力和逃生能力。  随着整车被动安全重要性的深入人心,在一些高档豪华车中出现了高达30几个气囊从颈部、膝部、甚至是在车顶的两侧会配有两条管状气囊,在意外情况发生时能够有效的缓解来自车顶上方的下压力,配合侧面气帘能够有效的保护乘客的头部和颈部。膝盖部分的气囊位于前排驾驶座椅内,一旦打开能够有效保护后排乘客的腰下肢体部位,从而也能缓解来自正面碰撞的前冲力。
气囊
气囊
  车外气囊系统又叫保险杠内藏式气囊。当汽车在正面碰撞行人时,气囊迅速向前张开和向两侧举升,托起被撞行人同时防止行人跌向两侧。目前车外气囊系统正处于研制阶段。  安全气囊是汽车被动安全中一项技术含量很高的产品。它的保护效果已经被人们普遍认识,有关安全气囊的第一个专利始于1958年。1970年就有厂家开始研制可以减轻碰撞事故中乘员伤害程度的安全气囊;20世纪80年代,汽车生产厂家开始逐渐装用安全气囊;进人90年代,安全气囊的装用量急剧上升;而进入新世纪以后,汽车上普遍都装有安全气囊。  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,安全气囊开始充气,安全充气大约需要0.03秒。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。

发展历史

  使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。1952年,美国汽车生产者联合会在理论上阐述了这样 一种汽车安全系统的必要性,几乎同时,这种系统的原理图也绘制了出来。1953年8月,赫特里克首次提出了“汽车用安全气囊防护装置”,并在美国获得了 “汽车缓冲安全装置”专利。但是,由于当时技术水平的限制,还不能把这种想法或专利付诸实现。1966年,梅塞德斯-奔驰公司开始研发安全气囊装置,梅塞 德斯的工程师们首先发明了碰撞传感器以及气体发生装置,让安全气囊能够在30毫秒内膨胀展开,他们还研制出了抗撕裂的气囊织物材料,改善了气囊的膨胀特 性,最终,把整个装置设计安装在汽车的方向盘中。 在大约250次真车撞击试验,2 500次的台架试验,以及超过700万km的车辆路试之后,在1980年12月,同预张紧安全带一起,安全气囊被安装在了当时最新的奔驰S级轿车上。而从 1985年起,奔驰在全部供应美国市场的汽车上都有安装了这种安全系统。到了1991年,差不多有28%的奔驰轿车都装备了驾驶员安全气囊,从最早装备安 全气囊的奔驰S级轿车驶下生产线至今已经25年了。据美国国家公路安全管理部门(NHTSA)的统计,迄今为止,在美国的交通事故当中,安全气囊已保护了 约14 200人的生命,而在德国,自1990年以来,安全气囊阻止了2 500例发生重大伤害的交通事故。据统计,安全气囊在严重的碰撞事故当中能够保护约三分之一的人员生还,另外,六分之一的驾驶员或前排乘客能够在碰撞中得到安全气囊的保护而被拯救。安全气囊的使用明显提高了汽车的被动安全性。  目前,世界上很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。例如在美国,相应的法规已从1989年起实施。该法规不仅要求所有的新车必须安装安全气囊,甚至对气囊的尺寸也有规定。美国人认为气囊越大越好,而欧洲的专家们则认为最好的方案应该是安全带和小 尺寸气囊的配合使用。所以,欧洲的公司只生产小尺寸气囊。现在,在汽车上普遍的布置是一个气囊安装在驾驶盘上,另一个安装在驾驶员旁前排乘员的前面。现代 气囊使用尼龙制 成,内表面涂复了一层合成橡胶或硅橡胶来保证其气密性。气囊的内表面固定有专门的带子,这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔,这些孔用来快速从气囊中排出气体以利于撞击的缓冲。为避免气囊因长期叠置而成硬块,在气囊内部覆盖一层特殊的材料,它可使气囊的有效使用期达到15年。  奔驰公司作为最早安装安全气囊的厂家,至今为止已经在其制造的12 00万辆车上都装备了安全气囊。1992年,安全气囊就已经作为奔驰轿车一项标准配置。近年来,梅塞德斯的工程师们仍致力于研究改进安全气囊的技术,包括 侧面安全气囊系统以及在事故中能够更好地做出响应的气囊控制系统。  安全气囊的使用明显提高了汽车的被动安全性。据资料统计,由于安全气囊在北美的广泛使用,使事 故死亡率减少了12%,而且在安全气囊保护下人体的受伤程度也有所减轻。然而,汽车安全气囊系统也具有惊人的伤害无辜的负面效应,其中最主要的原因有两个 方面。一方面,传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规乘坐位置和姿态以及气囊的理想点火时刻为准则设计的,而实际汽车碰撞事故中,影响安全气囊 的保护效果的因素很多,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,不同的碰撞条件以及乘员位置的变化将会导致乘员不是在 最佳时刻与气囊接触。从而降低对乘员的保护效果,有时还会伤及乘员的生命。  另一方面,虽然由尼龙或聚脂纤维布料等制成的气囊质量不大,但瞬间展开的速度却高达 200km/h以上,这一冲击速度对人体而言并非一个小数目,根据美国国家公路安全管理部门的统计数据,安全气囊在碰撞交通事故中每挽救100名乘员生命 的同时,也因气囊的不适当展开及乘员的不正确乘坐位置和坐姿,不幸导致57名乘员失去了生命。  在未来的几年当中,安全气囊仍然会在汽车安全设备中扮演重要的角色。工程师们在寻找的能够对可 能发生的事故和汽车驾驶者进行自动调整的主动安全系统的可能性,新型智能化安全气囊的开发对新技术提出了更高的要求。安全气囊由于其工作采用的方式,其爆 破力造成的冲击对人体也有一定的伤害。当驾驶员相对方向盘气囊衬盖的距离小于10cm时,在20~30毫秒内爆炸展开的气囊将会给驾驶员致命的冲击伤害。 而副驾驶座上的成员如果没有保持合适的坐姿,在碰撞中导致受伤的可能性也会大大增加。  当前,安全气囊出现了两种发展趋势,美国和日本的汽车公司正在努力增大气囊尺寸来保护乘员。而欧洲一些汽车制造公司,如奔驰宝马沃尔沃等则认为,安全气囊本身决不是保障乘员的灵丹妙药,它必须在一个统一的汽车被动安全系统中才能有效地发挥作 用,在这个系统中,一定要具备紧缩式安全带、结构可靠的座椅、儿童专用座椅和一系列其它部件。而且,最好在车身结构设计开始时就考虑到这个安全系统所有必 须的组成部件的安装。
气囊
气囊
  现在,在奔驰的PRE-SAFE预警式安全系统当中,安全气囊作为其主要的部分,由一个预警传 感器控制,气囊可以在碰撞开始之前提前展开,在碰撞过程中以更好地缓冲碰撞能量。PRE-SAFE预警式安全系统进一步提高了安全带和安全气囊的保护效 果,预警装置可以对即将发生的事故进行判断,在有可能发生碰撞的时候通过对座椅的调整和安全带的预张紧,让车内乘客在碰撞的时候得到最佳的保护,甚至会在 碰撞瞬间提前引爆气囊,使碰撞时候的缓冲能力达到最佳。  未来安全气囊的智能化发展,还包括集成了先进的传感器技术和信息处理系统,它们在事故发生的短 暂时间内能够提供可靠的碰撞环境方面的信息。这些信息包括汽车碰撞的剧烈程度、碰撞的形式(正碰撞或侧碰撞等)、乘员的身材、体重、乘坐位置和乘坐姿态, 以及乘员是否系有安全带等等。智能安全气囊系统根据探测到的信息,通过其电子控制系统的计算分析,决定安全气囊何时及以何种程度展开,从而对乘员提供最优 化的保护。  德国西门子公司和英国的Jaguar公司和均研制出了能够根据碰撞环境信息而控制气囊引爆的管 理系统。西门子公司采用三维摄像机和座椅中的重量传感器识别坐在车内各座椅上的乘员的位置和坐姿,而Jaguar公司在其xK系列各车型上采用了自适应约 束技术系统(ARTS)。这套系统利用超声波感测技术监测前排乘员的位置,同时还采用一系列其他传感器探测乘员的重量、司机相对方向盘的位置、安全带是否 系好以及发生碰撞时碰撞的强度等。掌握了这些探测到的信息,ARTS就可以根据每个前排乘员的具体需要,利用本身固有的灵活性,确定安全气囊的触发时刻及 展开强度,实现最佳的乘员保护效果,大大减少与气囊相关的伤害。

工作原理

  在具体探讨安全气囊这个话题之前,我们先回顾一下有关运动定律的知识。首先,我们知道运动的物体具有动量(物体的质量与速度的乘积)。除非有外力作用,否则物体将继续按照当前的速度和方向运动。汽车由若干物体组成,包括汽车本身、汽车内堆放的物品,当然还包括乘客。如果这些物体不受到限制,那么即使汽车由于撞击而停止运动,它们也将按照汽车的行驶速度继续运动。  要阻止物体的运动惯性,就需要在一定时间内对物体施加作用力。汽车相撞时,汽车的动量在瞬间急剧改变,而乘客的动量却保持不变(因为乘客没有足够的时间来应对这种变化),因此需要很大的作用力才能阻止乘客的运动。任何辅助保护系统的设计宗旨都是让乘客停止运动,同时尽量减少对他/她造成的伤害。  安全气囊所要做的就是将乘客的速度降为零,同时确保乘客受到较少的损伤,甚至毫发无损。安全气囊的使用非常严格。安全气囊只能在乘客和方向盘或仪表板之间的有限空间内发挥作用,并且必须在几分之一秒的时间内完成使命。不过,如果安全气囊系统能够匀速降低乘客的速度,而不是让他的运动骤然而止,那么即便是如此有限的距离和时间也是很有价值的。
气囊工作原理
气囊工作原理
  安全气囊有三个部件可以助其完成这项本领:  * 气囊自身由纤细的尼龙纤维制成,折叠后装入方向盘或仪表盘。近来还出现了装入座椅或车门的气囊。  * 传感器是通知气囊充气的设备。当撞击力相当于以16-24公里/小时的速度撞击砖墙时,气囊便会开始充气。当质量位移使电接触断开时,某个机械开关将会被触动,告知传感器已发生撞击。传感器从内置于微芯片中的加速计接收信号。  * 安全气囊充气系统中的叠氮化钠(NaN3)和硝酸钾(KNO3)发生反应,生成氮气。氮气形成的热流会让气囊迅速膨胀。  气囊充气系统与固体火箭助推器的原理相同(有关详细信息,请参见火箭发动机工作原理)。安全气囊系统点燃的是 “固体推进剂”,后者的燃烧极为迅速,可产生大量气体为气囊充气。随后,气囊爆炸般地冲出原始安装位置,时速高达322公里,比眨一下眼睛还要快!1秒之后,气体通过气囊上的小孔迅速消散,气囊收缩,因此乘客又可以自由移动。  尽管整个过程只经历短短的1/25秒,但多出的这点时间已足以防止人员遭受重创。顺便介绍一下,气囊中释放出的粉状物质是普通的玉米淀粉或滑石粉,安全气囊制造商用它们来确保气囊在贮存时保持柔韧和润滑。

气囊分类

  对驾驶员进行保护的气囊  装在方向盘内,防止驾驶员与转向盘、仪表板及前挡风玻璃发生碰撞;对前排乘员进行保护的气囊,装在仪表板内,防止乘员与仪表板、前挡风玻璃发生碰撞;  对后排乘员进行保护的气囊  一般安装在前排座椅的靠背上后部或头枕内部,防止乘员与前排座椅发生碰撞。由于后排乘员受到的伤害程度较轻,后座椅安全气囊一般只在高级轿车上使用。

未来发展趋势

  随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高,汽车安全技术中的安全气囊技术近年来也发展得很快,智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。  新的技术可以更好地识别乘客类型,采取不同的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等因素,进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用1级点火还是多级点火、点爆力有多大,并与安全带形成总体控制。通过传感器,气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式,是正面碰撞还是角度碰撞,侧面碰撞还是整车的翻滚运动,以便驱动车身不同位置的气囊,形成对乘客的最佳保护。  网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。在汽车网络中,有一种应用面比较窄,但是非常重要的网络即Safe-By-Wire。 Safe-By-Wire是专门用于汽车安全气囊系统的总线,Safe-By-Wire技术旨在通过综合运用多个传感器和控制器来实现安全气囊系统的细微控制。Safe-By-Wire Plus总线标准是由汽车电子供应商和部件供应商如飞利浦、德尔福等公司提出。与整车系统常用的CAN、FlexRay等总线相比,Safe-By-Wire的优势在于它是专门面向安全气囊系统的汽车LAN接口标准。为了保证系统在汽车出事故时也不受破坏,Safe-By-Wire中嵌入有多重保护功能。比如说,即使线路发生短路,安全气囊系统也不会因出错而起动。 Safe-By-Wire技术将会在汽车安全气囊系统中获得广泛的应用。

安全气囊的使用

  驾驶者应将座位尽量向后移,以便有足够空间使安全气囊在发生意外扩张后充分发挥其保护作用。驾驶者不宜倾前控车,坐姿要正确及紧贴座位背椅,且扣上安全带。12岁以下的小孩应坐在汽车的后排,并扣上安全带。体重不超过18公斤的幼孩应放在配有幼孩座椅装置的后排座位,并扣上安全带。