安全气囊的触发条件分析要点.pdf

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1、1 目录 摘要 I 一、概述 1 二、安全气囊的组成及分布 1 （一）气囊总成和充气元件 （二）传感器 （三）电子控制单元 （四）气体发生器 . 三、安全气囊触 发.2 （一）气囊点爆电流要求 （二）假人撞击气囊三轴力曲线 （三）冲击头撞击气囊位移曲线 四、安全气囊动作过程 . .4 五、安全气囊系统的有效范围 八. 结论8 参考文献 8 谢辞 9 2 摘要 本文主要分析了汽车安全气囊的大致组成和气囊的弹开条件，该分析包括了 气囊的种类， 安全气囊的原理及结构， 和碰撞传感器的种类， 安全气囊现在所存 在的缺陷等。让人们正确的看待气囊所产生的作用。 所谓“生命诚可贵”，生命只有一次，为了保护我

2、们珍贵的生命，一个有用 的，可靠的安全气囊成了至关重要的保护伞。理论上，只要碰撞等级达到了相对 应的要求，气囊就会弹开，但是在现实中，气囊在很多情况下是不弹开的，就是 在很严重的车祸中， 气囊也不会弹开， 这与安装在汽车上面的传感器，气囊的分 类有很大的关系， 相对应的撞击理论上是弹开相对应的保护人的气囊，但是气囊 的缺陷有时候却是碰撞等级达到要求，而气囊也不弹开。 本文对这样的问题做了 详细的解答。 关 键 词：传感器 气囊的种类气囊 缺陷 3 安全气囊触发条件的分析 一 概述 汽车安全气囊系统（Supplemental Restraint System SRS ）是轿车上的一种辅助 保护系

3、统，与座椅安全带配合使用，可以为乘员提供十分有效的防撞保护。 气囊（ Air bag）是一种起缓冲作用的装置。SRS （Supplemental Restraint System） 是“辅助约束系统”的英文缩写，通常称为安全气囊。安全气囊属于被动安全系统。 安全气囊作为现在汽车交通工具的一种主要的安全防护措施，如今基本所有轿车上都 配备的辅助安全， 但是人们常以为安全气囊就是只要自己出现事故危险都会弹开，保护自己 的生命安全， 这只是在理论的情况下是这样的，但是实际中安全气囊要在特定的碰撞角度下 才可以弹开，保护车主的生命安全。 当汽车时速超过 30 km h 发生前碰撞事故时，装在汽车前端的

4、碰撞传感器和装在汽 车中部的安全传感器可检测到车速突然减速，由碰撞传感器将撞击信息传给电子控制单元电 脑 ECU ，也称微处理器CPU ，经微处理器判断撞击的严重程度，并在几 ms内决定是否起动气 囊。若需要则发出点火信号，安全气囊立即接通充气元件中的电雷管引爆火药粉和气体发 生剂，产生大量气体，气囊就会迅速充气膨胀，冲破缓冲垫（装饰板），在 30ms 内迅速在 乘员与车辆之间形成一道柔软的弹性屏障，使乘员免受伤害。当撞击发生后， 气囊随即自动 放气，它不会妨碍车内人员出逃，也不影响他们的视线。 安全气囊从触发，到充气膨胀，再到驾驶员头部陷入气囊，直至气囊被压扁的全过程， 不超过 110ms。

5、由于从传感器接收信号到气囊张开仅需50 ms，而驾驶员撞向转向盘的时间 约为 60 ms ，故在发生碰撞时，能有效地保护驾驶员，避免了驾驶员直接撞转向盘的危险。 二安全气囊的组成及分布 安全气囊系统主要由气囊、碰撞传感器、电子控制单元和气体发生器等组成。见图1 （a) 和 图 1（b). 图 1（a）安全气囊组成及部件位置 4 图 1（b) 安全气囊分布 气囊系统连接如图2 所示。 图 2 气囊系统连接图示意 在汽车高速行驶时，驾驶员一不注意就发生了车祸，而在发生车祸碰撞的时候，传感器 接收到了被撞击的信号，然后传感器会把相应的碰撞强度信号传输给汽车里面的处理器 ECU ，也就是微处理器CPU

6、 ，CPU根据相应的强度信号给出相应的指令，如果就是小碰，没有 达到预先给出的碰撞强度要求，气囊上的发生器不点爆，碰撞结束，如果是大型碰撞，传感 器传输给ECU的信号达到了预先的要求，ECU给出点火指令，发生器得到相应的电压和电流 要求， 发生器引爆， 气囊弹开并迅速的充气，相应的排气孔上的气孔开始放气，达到保护人 的效果，碰撞结束。见图2 （一） . 气囊总成和充气元件 气囊组件由气体生成器、点火器、气囊、固定板和盖板等组成。见图 3(a)(b) 5 图 3（a）气囊组件图 3（b） 方向盘内置式安全气囊总成图 注释： 1- 气囊 2- 火药 3- 电雷管 4- 氮气发生剂 5- 方向盘盒

7、6- 过滤器 图 4 气体生成器结构图 5 点火器分解图 （ 1）气体生成器由上盖、下盖、充气剂（片状叠氮化钠）和金属滤网组成。见图4 （ 2）点火器安装在气体生成器内部中央位置。点火器包括点火剂（引爆炸药和引药）和 引出导线等。见图5 （ 3 ） 气 囊 多 采 用 尼 龙 布 涂 氯 丁 橡 胶 或 有 机 硅 制 成 ， 涂 层 起 密 封 和 引 燃 作 用 （ 4）气囊组件通过固定板与车上部件连接。 （ 5）盖板上面模制有撕缝，以便气囊充气时能冲破盖板而膨开。 （二） . 传感器 安全气囊系统一般装有24 个碰撞传感器，在前左、右挡泥板各装一个，有的在前保 险杠中间装有一个，有的车内

8、还装有一个。碰撞传感器常采用惯性式机械开关结构。 碰撞传感器是安全气囊系统中主要的控制信号输入装置，其作用是在汽车发生碰撞时， 由碰撞传感器检测汽车碰撞的强度信号，并将信号输入电子控制单元（ECU ） ，ECU根据碰撞 传感器的信号判断是否引爆充气元件给气囊充气。 碰撞传感器由壳体、偏心转子、偏心重块、固定触点、旋转触点等部分组成。在传感器 外还固定一电阻R，其作用是在系统进行自检时，检测ECU与碰撞传感器之间的联接是否正 常。 碰撞传感器在正常情况下，偏心转子和偏心重块在弹簧张力作用下，顶靠在与外壳固结 的止动块上， 活动触点与固定触点不接触；当汽车在传感器控制的方向受到碰撞，且冲击力 超过

9、传感器的设定值时，偏心块在惯性力作用下带动偏心转子克服弹簧张力而转动，使其上 的活动触点与固定触点闭合，从而向ECU发出信号，以驱动充气元件。 气囊的触发通常有通过光栅触发，或者设定额定的距离触发。 6 距离触发通常是采用的是首先测量出背板到光栅的距离和样件到背板的距离，（这个由 尺子测量所得） 。背板到光栅的距离一般采用1 米左右， 因为考虑到如果距离太远，冲击轴 的摆动会引响到最后的测试数据，所以一般采用距离较短，但是不引响气囊弹开而扫过光栅 造成误触发而数据不准确的距离，样件到光栅的距离每一个方向盘都是已定的。 通常光栅到背板的距离算法： 样件到光栅的距离（已定）+第一个光栅到第二个光栅

10、的距离（已定）+气囊的厚度背 板到光栅的距离 （如果背板到光栅的距离小于前面所加的距离，气囊会扫过光栅，造成误触 发，从而试验速度不准确） 气囊触发距离公式为：气囊充满时间* 速度（ m/s)+ 气袋厚度 备注：光栅的距离是测试冲击头扫过光栅的速度的测试工具，气囊的厚度是取方向盘到 气囊展开的最大尺寸。 碰撞传感器常用的有三轴力传感器，位移传感器，和加速度传感器 在试验中，方向盘头部气囊的测试的传感器主要运用三轴力传感器或者加速度传感器， 1. 三轴力传感器：为测试头部气囊的受力，分别为X,Y,Z 三个方向的力。 图 6 三轴力传感器图 它用 120mm 120mm ，只有 30 毫米较低的总

11、高度为其紧凑的结构 三轴力传感器k3d120 适用于三个相互垂直的axes.it力的测量可以提供50N在所有 三个轴或 200N 或 1000 N 在所有三个轴，可以制造其他测量范围选择。 7 粉红色 UD桥输出的红蓝连接电缆3M双绞连接电缆与整体屏蔽，6x2x0.25 ； 技术数据：输出信号校准输出X1 mV/V0.5% 校准输出 Y1 MV / V 0.5% 校准输出 Z1 mV/V 0.5% 零信号 5% v.e.tolerable 偏心传力 100mmcrosstalk Z X / Y在 50% 1% v.e.crosstalk从 X 到 Y 在 50% 1% v.e.crosstal

12、k从 Y到 X 50%1% 价值工程的串扰的X / Y Z 50% 0mm偏心率 1% 价值工程 的串扰的X / Y Z在 50% 与 300 毫米偏心率1% 价值工程的最大力的X / Y / Z300% v.e.temperature漂移小于0.3%度。如图6 2.位移传感器 图 7 位移传感器 位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把 各种被测物理量转换为电量。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测 量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、 差动变压器式、 涡流式、 霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、

13、磁栅等传感技术来测量。 选用的电阻式位移传感器的参数如下所示： 耐磨寿命 100X106次25X106米 最大移动速度: 10m/s 线性精度误差: 0.05% 重复性误差 : 0.005mm 振动系数 IEC 68-2-6:1982 20g 温漂系数 1.5ppm/ 冲击系数 : IEC 68-2-29:1968 50g 全部为抗寒、耐高温抗老化型: -60 +150 最大容许电压DC60V/5K20K DC36V/2K 4 K DC24V/1K 如图 7 （3）加速度传感器 8 图 8 电容式加速度传感器 电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定 的，另

14、一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容 量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步 测出压力 线加速度传感器的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度） =F （惯性力） /M （质量） 我们只需要测量F 就可以了。 怎么测量 F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可 以得到F 对应于电流的关系。 实验室加速度传感器，安装角度可在任意角度，不易老化ii. 灵敏度系数3.94，4.55kHz+/-3dB 环境温度： -55121度 C。如图 8 （四）电子控制单元 图9 电子控制单元分布 电子控制装置是SRS的控制中心，

15、其功能是接受传感器输入的信号，判断是否启动安全 气囊系统， 并且进行故障自诊断。电子控制装置由稳压电路、备用电源电路、系统诊测电路 和驱动电路， 触发传感器记忆电路和故障自诊断电路等部分组成。当汽车发生碰撞事故时电 9 控装置接收多个传感器传来的车身不同位置的减速信号，经过反复不断的分析、比较、计算， 决定是否发出点火信号。要求控制装置能够在复杂的碰撞情况下做出非常准确的判断，点火 时刻也必须精确控制。如图9 （五）气体发生器 图 10 气体发生器结构图 安全气囊系统要求气体发生器能够在较短的时间内（30 ms 左右）产生大量的气体充 满气囊，产生的气体必须对人体无害，且不能温度太高，同时要求

16、气体发生器有很高的可 靠性和稳定性。它与安全气囊组合成一体安装在转向盘支架上，有气体发生剂、火药、雷 管，过滤器和外壳组成。碰撞发生后，雷管引燃火药，产生高温，使气体发生剂迅速生成 大量气体，经过过滤后充入气囊，使气囊瞬间展开。如图10 三、安全气囊触发 图 11 安全气囊触发过程 如图 13 所示，当车辆发生碰撞时，传感器感知车辆碰撞强度并将其传给SRS ECU ，SRS ECU进行判断， 并在适当时机发出点火信号触发气体发生装置，迅速产生大量气体充入气囊， 使气囊展开。见图 11 （一）气囊点爆电流要求 10 图 12 点爆气囊脉冲 气囊点爆的电流主要要求为1.75A， 电压为 24V，

17、速度假人冲击一般采用19.6 或者 24.1 ， 这两个速度采用的计算所得，所求的是发生事故人在驾驶室惯性撞击到方向盘的速度，点爆 气囊的电流如图12。 图 12 所示：点爆电流要求为1.75A，点爆脉冲为2ms。如果脉冲距离小于2ms, 气囊将 不会点爆，常用点爆电流为1.75A ，有些特殊的只需要1.2A，如 VOLVO ，点爆电流1.2A ，双 级点爆，脉冲间隔5ms. （二）假人撞击气囊三轴力曲线 图 13 点爆气囊三轴力曲线图 如图 13，在高温85 度高温常爆假人碰撞气囊曲线图，在0 时刻气囊冲破撕裂线，三轴 力曲线开始抖动，在大概30ms左右，气囊冲气饱和，开始泄气。假人碰到气囊

18、，曲线开始 上升，到达67ms左右的时候，假人完全接触气囊气囊，假人回弹，碰撞结束。 图中所示数据： 假人碰撞气囊速度为30.39km 每小时， 三轴力传感器器X,Y,Z 测得数值 11 分别为 7462N，-548N,-3571N. 三轴力合力为7881N。触发距离为408. （四）冲击头撞击气囊位移曲线 图 14 实验室撞击气囊位移曲线图 如图 14 所示： 冲击头于0 时刻撞击到气囊，位移开始记图， 位移曲线到达波峰的时候， 所示为最大位移，冲击头回弹，碰撞结束。 四安全气囊动作过程 1)当汽车以车速50km/h 与前面障碍物相撞时，碰撞刚开始10ms后，气囊开始充气， 驾驶 员尚未动作

19、。 (2)碰撞 40ms后，气囊完全充满， 人体向前移动。 安全带开始预收缩（吸收部分能量） 。 ( 3) 碰撞约 60ms驾驶员头部及身体压向气囊。气囊内气体通过节流孔排气，吸收人体与气 囊之间的碰撞能量。 (4)碰撞约 110ms 大部分气囊内气体从节流孔排出，汽车前方视线恢复。 注：人的眼皮一眨眼所用时间约为200ms，因此气囊爆炸这个过程是非常短暂的，用肉眼根本 无法看清。 五安全气囊系统的有效范围 安全气囊系统并非在所有碰撞情况下都能起作用。正面防撞安全气囊系统在汽车正前方 或斜前方 30角范围内发生碰撞，且其纵向减速度达到某一值时，系统才能工作。 1 汽车遭受侧面碰撞超过斜前方30

20、角时 气囊是在正面碰撞时保护脸部和头部的装置。车辆发生斜向碰撞时身体随着惯性往碰撞 方向移动， 所以头部不会与仪表板处碰撞，头部会以仪表板为基准向左右方向移动，所以即 使气囊展开也保护不了头部和脸部的碰撞。如果在这种身体倾斜，失去重心的情况下气囊展 开时，反而会带来更大的伤害。气囊是在正面左右各30 度的范围内发生刚性的高速碰撞时 才能展开。在30 度以外的角度斜面碰撞时即使气囊展开也起不到保护身体的作用，所以设 12 计气囊时30 度以外的角度是不在气囊展开工作范围内的。 2 汽车遭受斜向碰撞时； 轿车与护栏的碰撞情况很复杂。如果与护栏板接近垂直碰撞，由于护栏板刚度小，很可 能造成轿车跨越出

21、车道，而气囊无法达到点火门槛。车辆脱离车道后的运动会很复杂，在后 续的坠落、翻车等过程中可能造成车内乘员伤害，这些伤害不是轿车的安全气囊所能保护的。 3 汽车遭受后方碰撞时； 两辆车是在同一个方向行驶时碰撞的。所以后车虽然在以50Km/h 以上的速度行驶，但 是与前车的速度相互抵消且相互吸收冲击力量。实际后车所受的冲击力较小，没有达到气囊 展开的条件范围。例如：前车以 40km/h 的速度行驶，后车以50km/h 的速度追尾前车时，实 际产生的冲击力是10km/h 的速度产生的冲击力。 4 汽车发生绕纵向轴线侧翻时； 轿车与护栏在20 度角以内发生刮碰，则汽车应该在护栏的导向下减速。这种情况下

22、一般气 囊不会点火， 汽车把护栏压变形的长度一般能达到十数米，用户会认为如此严重的碰撞，为 何气囊不点火。我们用中学物理算一下就知道，100km/h 的车速，在10 米中减速的话平均 减速度仅约4g，是无法达到气囊点火门槛的 5 纵向减速值未达到设定阙值； 轿车与护栏在20 度角以内发生刮碰，而护栏结构有缺陷，在刮碰过程中护栏板在护栏 桩连接区域脱落， 造成轿车与护栏桩碰撞或脱离的护栏板插入轿车造成车内乘员伤害。后者 安全气囊无能为力，但是这种情况的前者则要看气囊系统的设置了。如果气囊系统有前端碰 撞传感器， 这种情况下气囊应该能够点火。但是，对于没有前端碰撞传感器的气囊系统，在 这种情况下要

23、气囊点火是有困难的，气囊点火门槛设置过低，能解决这类事故的乘员保护， 但是却会增加误爆的可能性。 6 汽车正常行使，正常制动和在路面不平的道路上行使时。 车辆在高速行使中通过减速带或小沟时气囊弹出。这种情况尽管没有发生碰撞事故，但 是由于碰撞部位位于车辆底部，碰撞传感器感应到的加速度超过临界值时，前气囊弹出。 13 八结论 安全气囊作为提高汽车安全性的有效措施之一越来越受到人们的重视，在一些实际的碰 撞事故中证明安全气囊确实具有降低乘员伤亡的功效，但也发现了其存在的一些间题。安全 气囊在使用中存在的问题有： 气囊可能在很低的车速时打开。汽车在很低车速行驶而发生碰撞事故时，乘员和驾驶员 系上安全

24、带即可， 完全不需要安全气囊展开起保护作用。如果这时展开气囊反而会造成不必 要的浪费，甚至还可能因安全气囊的展开加重碰撞伤害。 气囊的启动会对乘员造成伤害。安全气囊系统启动时将冲开气囊盖板，并且在瞬间展开 充气， 很可能对乘员造成冲击；产生的灼热气体也会灼伤乘员和驾驶员。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。 当乘客偏离座位或座位上无人或儿童乘坐时，气囊系统的启动不仅起不到应有的保护作 用，还可能会对乘员造成一定的伤害。

25、 由于安全气囊系统存在一定危险性，同时需要正确使用才能发挥SRS系统的作用， 因此 对于配备安全气囊的车辆，在日常使用时， 需要注意一些事项。在确保正确驾驶姿态的情况 下，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，同时驾驶者必须要系好安全带。12 岁以下的小孩应坐在汽车的后排，并扣上安 全带，绝对不能把小孩放在前排，气囊起爆时的巨大冲击力对于他们来说甚至可能有致命的 危险！ 参考文献： 1 李巍汽车安全气囊系统全套技术. 机械工业出版社.2010 ，6 2 鲁植雄汽车安全气囊系统故障诊断图解江苏科学技术出版社2008，10 3 刘希恭国产汽车安全气

26、囊系统故障检修实用手册. 机械工业出版社 2007 ，5 14 致 谢 终南幽幽， 雁塔相伴， 是我美丽的校园。 转眼间， 我已经在美丽的夜大度过了三个年头。 三年， 这是我人生中非常重要的三年，我有幸能够接触到这些不仅传授我知识、学问，而且 从更高层次指导我的人生与价值追求的良师。他们使我坚定了人生的方向，获得了追求的动 力，留下了大学生活的美好回忆。在此， 我真诚地向我尊敬的老师们和母校表达我深深的谢 意！ 这篇论文是在我的导师苏桂英教授的多次指导下完成的。从论文的选题到结构安排， 从内容到文字润饰，都凝聚了他大量的心血。在这篇论文的写作过程中，苏桂英老师不辞辛 劳，多次与我就论文中许多核

27、心问题作深入细致地探讨，给我提出切实可行的指导性建议， 并细心全面地修改了我的论文。苏老师这种一丝不苟的负责精神，使我深受感动。 更重要的 是苏老师在指导我的论文的过程中，始终践行着“授人以鱼，不如授之以渔”的原则。她常 教导我要志存高远，严格遵守学术道德和学术规范，为以后的继续深造打好坚实的基础。在 此，请允许我向尊敬的苏桂英老师表示真挚的谢意！ 在这里，还要特别感谢在夜大的年级主任高放老师。读夜大以后，很长一段时间我都 处于迷茫状态，是高老师给了我读书建议和一些参考书目，使我很快就找到了前进的方向。 去年 11月，在论文确定题目和搜集素材阶段，高老师同样给了我中肯的意见。在此，我要真 诚的说声：“谢谢您，高老师！” 感谢和我一起生活了四年的朋友小贺，是你在我失意时给我鼓励，在我失落时给我支持， 感谢你和我一路走来，让我在人生这一驿站中倍感温暖！ 最后，再次感谢为我们默默地无私奉献自己的各位老师，老师们辛苦了！ 衷心祝愿母校开大的明天更加美好！