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汽车安全气囊及其工作原理详解


汽车安全气囊系统组成及工作原理详解
随着高速公路的发展和汽车性能的提高, 汽车行驶速度越来越快, 特别是由于汽车拥有量 的迅速增加,交通越来越拥挤,使得事故更为频繁,所以汽车的安全性就变得尤为重要。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, 主要有 操纵稳定性、制动性能、平顺性等,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 , 目 前 主 要 有 安 全 带 、 安 全 气 垫 、 防 撞 式 车 身 和 安 全 气 囊 防 护 系 统 (Airbag RestraintSystem,以下简称安全气囊)等。由于现实的复杂性,有些事故是难以避免的,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,所以得到迅速发展和普及。 为了说明安全气囊的基本原理, 这里首先说明汽车发生事故时造成乘员伤亡的原因。 当 汽车发生碰撞事故时, 汽车和障碍物之间的碰撞称为一次碰撞, 一次碰撞的结果导致汽车速 度急剧下降, 速度从35km/h 降到零的时间约150ms 左右; 乘员和汽车内部结构之间的碰撞称 之为二次碰撞,由于惯性的作用,当汽车急剧降速时,乘员要保持原来的速度向前运动,于 是就发生了乘员和方向盘、仪表板、挡风玻璃等之间的碰撞,从而造成了乘员的伤亡.汽车 安全气囊的基本思想是,在发生—次碰撞后,二次碰撞前,迅速在乘员和汽车内部结构之间 打开一个充满气体的袋子,使乘员扑在气袋上,避免或减缓二次碰撞,从而达到保护乘员的 目的。 由于乘员和气袋相碰时, 因振荡造成乘员伤害, 所以一般在气囊的背面开两个直径25mm 左右的圆孔。这样,当乘员和气整相碰时,借助圆孔的放气可减轻振荡,放气过程同时也是 一个释放能量的过程,因此可以很快地吸收乘员的动能,有助于保护乘员。

安全气囊一般由传感器(sensor)、 电控单元(ECU)、 气体发生器(inflator)、 气囊(bag)、 续流器(clockspring)等组成,通常气体发生器和气囊等做在一起构成气囊模块(airbag module)。传感器感受汽车碰撞强度,并将感受到的信号传送到控制器,控制器接收传感器 的信号并进行处理,当它判断有必要打开气囊时,立即发出点火信号以触发气体发生器,气 体发生器接收到点火信号后, 迅速点火井产生大量气体给气囊充气。 安全气囊系统的组成如 图6,1.2所示。

安全气囊最重要的指标是可靠性, 如果不该点火而点火打开气囊称毒为误点火: 如果应 该点火而没有点火称之为漏点火,如果点火太晚则称之为迟点火,无论是误点火、漏点火、 还是迟点火都是不能允许的。为了提高安全气囊系统的可靠性,防止电源线在碰撞中断线、 电池遭到破坏,系统中备有储能电容或电池,以保证即使掉电也能够开气囊。为了监测传感 器、 电子电路、 气体发生器; 系统一般还有故障诊断模块、 并设有信号灯于予以显示.图6.1.3 是本田汽车安全气囊系统的布置图, 这个系统有左右挡板传感器各一个, 还有一个传感器放 在 含 有 诊 断 模 块 的 控 制 器 中 , 气 囊 有 司 机 席 (Driver Side) 正 面 碰 撞 气 囊 和 乘 客 席 (Pssseneer Side)正面碰撞气囊,另外还有警告灯。当发生前面碰撞时,两个挡板传感器中 只要有一个闭合, 诊断模块就会根据送来的信号进行处理和判断, 认为有必要点火后时即发 出点火信号使气囊充气。

图6.1.4是 Ford 公司 Tempo/Topaz 汽车安全气囊的组成与布置图,这个系统有五个传 感器,分为两组,一组是碰撞传感器,由三个机械电子传感器构成,另一组是安全传感器, 由两个机械电子传感器构成, 三个碰撞传感器分别放在保险杆的两侧和散热器的顶上, 两个

安全传感器中的一个放在散热器的顶上,另一个放在仪表板下,其电路如图6.1.5所示。 两个安全传感器并联,三个碰撞传感器并联,然后通过安全气囊进行串联。当三个碰撞 传感器中的‘个和两个安全传感器中的一个闭合就让气囊点火充气。在这个系统中,控制器 可以理解为传感器的连接关系。 图6.1.6是一单传感器安全气囊系统的示意图,其中1是传感诊断模块,2是乘客侧 (passengerside)气囊;3是指示灯;4是司机侧(driver side)气囊。这个系统只有一个电子 式传感器,控制器和传感器都做在一起。当发生碰撞事故时,控制器对来自传感器的信号进 行分析和处理, 如果认为有必要点火就分别打开司机侧气囊和乘客侧气囊, 否则就继续分析 和判断,传感诊断模块放在仪表板的下面。 安全气囊在车辆发生碰撞时能够起到缓冲作用,从而降低撞击对车内乘客造成的伤害。 很多人将安全气囊等同于 SRS,这是不准确的,其实安全气囊只是 SRS 的一种。SRS 是英文 SUPplemental Restraint System 的缩写,中文含义是辅助防护系统,常见的辅助防护系统 有安全气囊和安全带。在很多汽车的转向盘上和仪表板右侧杂物箱上方都标有 SRS 或 AIR BAG,这表示有安全气囊安装在此处。 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。 (1)碰撞传感器 对于各汽车制造厂生产的车辆,碰撞传感器的安装位置不尽相同,而 且碰撞传感器的名称也不统一,例如有些碰撞传感器按照工作原理也称为加速度传感器。 ①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,用于检测碰撞时的减速度或惯性,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。 ②按照结构的不同, 碰撞传感器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(滚动或转动)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2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。 ③对于早期的汽车,一般设有多个触发碰撞传感器,安装位置一般在车身的前部和中部,例 如车身两侧的翼子板内侧、 前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧等部位。 随着碰撞传 感器制造技术的发展, 有些汽车将触发碰撞传感器安装在气囊电脑内。 防护碰撞传感器一般 都与气囊电脑组装在一起(图1),多数安装在驾驶舱内中央控制台下面。

图1 带有碰撞传感器的气囊电脑 (2)气囊电脑 它是气囊系统的核心部件,大多安装在驾驶舱内中央控制台下面(图2)。 气囊爆炸后,在气囊电脑中会存储碰撞数据和故障码,这些故障码用普通仪器无法清除。为 了保证气囊工作的可靠性, 很多汽车生产厂家建议气囊电脑一次性使用。 但是气囊电脑的价 格很高, 因此很多具有气囊电脑数据修复功能的仪器被开发出来, 通过读取并修复碰撞数据, 可以实现气囊电脑的再次使用。 需要注意的是, 配件市场上存在将修复电脑作为新配件销售 的情况,购买配件时应注意。

图2 帕萨特 B5气囊电脑 气囊系统有2个电源,即汽车电源(蓄电池和发电机)和备用电源,备用电源电路由电源 控制电路和若干电容器组成。 当汽车发生碰撞导致蓄电池和发电机与气囊系统断开时, 备用 电源在一定时间内(一般为6 s)可以维持气囊系统供电。在维修气囊系统时应注意备用电源 的作用, 在断开蓄电池电源后仍需要等待一段时间以使备用电源放电, 具体等待时间请参阅 相关维修手册。 (3)气囊指示灯 安装在仪表板上,用于指示气囊系统功能是否处于正常状态。正常情 况下,打开点火开关后,气囊指示灯应点亮几秒钟后熄灭。如果气囊指示灯不亮、一直亮或 在行驶途中突然点亮,表示气囊系统有故障,应及时检修。 (4)气囊 按照安装位置的不同,气囊可以分为正面气囊和侧面气囊(气帘),或者分为驾驶 员气囊、前排乘客气囊以及后排乘客气囊。为了提高乘客的安全性,有些轿车还在座位侧面 和车门内侧等部位安装了安全气囊。 ①气囊采用尼龙制成,内层涂有聚氯丁二烯,用以密封气体。气囊静止时被折叠成包, 安放在气体发生器上部和气囊饰盖之间, 气囊饰盖表面模压有浅印, 以便气囊充气爆开时撕 裂饰盖,并减小冲出饰盖的阻力。气囊背面或顶部设置有排气孔,当驾驶员压在气囊上时, 气囊受压后便从排气孔排气。

图3 驾驶员安全气囊 ②驾驶员气囊安装在转向盘的中央(图3),气囊大小因制造公司的不同而有所差别,例 如在欧洲和日本的很多地方, 驾驶员安全带是强制使用的, 因此欧洲车和日本车的驾驶员安 全气囊较小,一般充气后为40 L。

图4 前排乘客气囊 ③前排乘客气囊(图4)安装在前排乘客座椅正前方,仪表板上的杂物箱和仪表板之间。 由于乘客气囊距离乘客的距离比较远, 因此乘客气囊的体积比驾驶员气囊的体积大。 为了避 免前排乘客气囊不必要爆炸造成浪费(例如座椅上没有乘客), 可以通过开关或仪器将前排乘 客气囊关闭(图5)。

(5)气体发生器 功能是在点火器引爆点火剂时,产生气体向气囊充气,使气囊爆开。气 囊发生器使用专用螺栓固定在气囊支架上, 只有使用专用工具才能进行装配。 气体发生器自 安装之日起,应10年更换1次。 ①为了便于安装,驾驶员气囊气体发生器一般都做成圆形。目前,大多数气体发生器都 是利用热效应产生氮气充入气囊。 ②前排乘客气囊的气体发生器为长筒形,其工作原理与驾驶员侧气体发生器相同。 (6)点火器 安装在气体发生器的中央位置,作用是在触发碰撞传感器和防护碰撞传感 器将气囊电路接通时,引爆点火剂,产生热量使充气剂分解。 (7)气囊系统线束连接器及保险机构 为了便于将气囊系统线束与其他电气系统线束区 别开,目前大多数汽车的气囊系统线束采用黄色连接器(图6),也有采用深蓝色或橘红色连 接器。连接器采用了导电性能和耐久性能良好的镀金端子,并设计有防止气囊误爆机构,以

保证气囊系统可靠工作。

图6 气囊线束采用黄色连接线 ①从气囊电脑到点火器之间的连接器采用了防止气囊误爆的短路片机构(铜质弹簧片, 又称为短路弹簧片)。当连接器拔开时(插头拔下或插头与插座未完全结合),短路片自动将 靠近气囊点火器一侧插头或插座的2个引线端子短接,防止静电或误通电造成气囊误爆。 ②为了保证转向盘具有足够的转动角度而又不致于损伤气囊组件的连接线束, 在转向盘 和转向柱之间采用了螺旋线束, 即将线束安装在螺旋形弹簧内。 在不同汽车制造厂提供的维 修手册中,螺旋线束的名称各有不同,例如也称为螺旋弹簧、游丝或游丝弹簧。螺旋弹簧在 转向盘和转向柱之间安装时,需要注意安装位置和方向(图7),当拆卸和安装转向盘时,应 将转向柱固定在“直向前”的位置,以免损坏螺旋线束。

安全气囊系统的检修 (1)安全规范 除原设计的线束外,严禁将其他线束接到气囊系统线束上;禁止使用万 用表以及其他能产生电源的仪器检测点火器; 存放安全气囊时, 应按照气囊向上和连接器向 下的方式放置,万一误爆时,这样放置的危险性较小;不要试图用工具打开安全气囊的气袋 或点火器,并禁止对其加热;维修焊接前应拆掉蓄电池正极;连接电气线束前,认真检查线 束是否处于断电状态。 (2)拆卸注意事项 进行任何拆卸工作前,应先进行下列操作。 ①先接通点火开关,检查仪表板上安全气囊指示灯工作是否正常。 ②关闭点火开关,拔出钥匙。断开蓄电池正极,等待2 min 以上,如果安全气囊指示灯 工作异常,断开蓄电池正极后应该等待10 min,再进行操作。 拆卸转向盘时,应使用专用工具将转向柱锁定在“直向前”的位置,以保证控制装置和

螺旋线束在安装中不会被损坏。 ③只能安装与原车零部件编号相同的配件, 点火器是有失效期的, 要遵守配件上注明的 使用期限。 ④接通蓄电池后, 打开点火开关时, 维修人员不要将身体放在安全气囊打开的轨迹之内。 ⑤安装完毕后,检查安全气囊指示灯运行是否正常。 安全气囊生产厂家 研发安全气囊的知名企业有美国的天合(TRW)、百利得(Breed)以及德尔福(Delphi)等, 欧洲的奥托立夫(Autoliv)、 博世(Bosch)以及西门子(Siemens)等, 还有日本的电装(Denso) 及丰田合成(toyotaGosei)等,目前国内汽车上安装的安全气囊大多是进口产品。我国对安 全气囊的研究是从20世纪90年代初开始, 目前已经有十几家生产安全气囊装置的企业, 但大 多是引进国外的气囊和点火器等组件进行装配生产。 国内一些气囊系统生产厂家已尝试开发 和掌握安全气囊的控制和匹配技术, 并取得了一定的进展, 安全气囊系统的国产化是必然趋 势。


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