安全气囊系统的工作原理

安全气囊系统的工作原理图9-1所示为宝马(BMW)轿车安全气囊系统的构成及电路。图9-2是雷克萨斯LS400型轿车的安全气囊系统，图9-3是雷克萨斯LS400型轿车安全气囊系统电路结构图，雷克萨斯IS400型轿车采用了驾驶员席和副驾驶员席都有安全气囊的双安全气囊系统。安全气囊的工作原理见图9-4。当汽车速度在30km／h以上受到正面碰撞(碰撞角度与汽车中轴线成30°角度之内)或侧面碰撞时，安装在汽车前部或侧面的碰撞传感器利用碰撞时产生的惯性力，检测到碰撞作用的时间、汽车减速度即碰撞强度。SRSECU将碰撞传感器送来的碰撞信号与ECU内储存的碰撞触发数据进行比较，如果判定碰撞强度达到或超过其规定值，则指令接通安全气囊引爆管的工作电路，引爆管迅速爆炸燃烧，并引燃气体发生器内的气体发生剂。气体发生剂的燃烧十分剧烈，在瞬间产生释放出大量气体，经过滤冷却后充入折叠的安全气囊，使气囊在极短的时间内突破衬垫迅速膨胀展开成扁球状。在驾驶员或乘员头部、胸部或身体因碰撞时的反冲力向前或向侧面冲去时，鼓起的气囊在驾驶员或乘员的前部或侧面车身硬件间成弹性缓冲气垫，利用气体本身的阻尼作用或气囊背面排气孔排气节流的阻尼作用，吸收并分散驾驶员和乘员的冲击能量。气囊鼓起后很快就从气囊背面的小孔排出部分气体而变瘪，柔软的气囊表面就能有效地保护人体头部、胸部和身体其他部分免受冲击伤害或减轻伤害程度。气囊内部充填的气体在受到驾驶员或乘员反冲压迫时，能缓冲驾驶员或乘员受到的碰撞冲击力，避免了驾驶员头部和身体与汽车零部件的硬碰撞，从而减少驾驶员或乘员的伤害程度。但如果膨胀后有弹性的安全气囊在受到驾驶员或乘员的反冲压迫时还不放气变瘪，则有可能因驾乘人员的头部埋在气囊中无法呼吸，憋气死亡。或内部有压力气体使有很强弹性的气囊将驾乘人员反弹回去，与汽车上其他零部件产生二次碰撞，造成驾乘人员的二次伤害。汽车碰撞事故发生时，安全气囊引爆管引爆点燃气体发生器的具体点火时间，是决定SRS系统性能优劣的十分重要的指标。如果碰撞事故发生时，引爆管引爆点火过早，则在乘员的头部和胸部向前冲的同时，气囊也迅速膨胀，则有可能导致乘员头部和胸部受到高速爆出的气囊的冲击，造成乘员伤亡或巨大的伤害。如果引爆管引爆点火过晚，则在乘员头部和胸部已经冲撞到转向盘或汽车其他汽车零部件上时，气囊尚未膨胀而起不到保护作用。引爆管引爆的最佳点火时间是当气囊充满气体膨胀时，乘员头部和胸部正好与膨胀的气袋接触。从引燃气体发生剂安全气囊开始膨胀鼓起，到受到驾驶员或乘员反冲压迫迅速泄气变瘪的时间很短，仅有约0.1s。安全气囊从充满气体膨胀到泄气只有如此短暂的时间，因此必须具备极迅速地完成冲气和放气动作的功能，才能有效保护驾驶员和乘员的安全。德国博世(BOSCH)公司生产的SRS在奥迪轿车上进行的试验表明，当汽车以50km／h的速度撞击前方障碍物时，安全气囊系统的保护动作过程可分为图9-5所示的4步。1)见图9-5(a)，碰撞约10ms后，SRS达到引爆极限。引爆管引爆产生大量热能，点燃气体发生剂叠氮化钠药片，使其受热分解。此时驾驶员尚未因碰撞惯性向前倾。2)见图9-5(b)，碰撞约40ms后，安全气囊完全充气膨胀，体积变到最大。驾驶员由于碰撞惯性力作用向前扑，此时系在驾驶员身上的安全带迅速收紧，吸收了部分冲击能量。3)见图9-5(c)，碰撞约60ms后，驾驶员头部及身体上部快速压向已膨胀的安全气囊，人体的冲击能量被弹性气囊吸收并扩散。安全气囊背面的排气孔在气体张力和人体压力的作用下，向外排气，排气节流阻尼进一步吸收人体与安全气囊之问弹性碰撞产生的动能，有效地保护了驾驶员的生命安全。4)见图9-5(d)，碰撞约110ms后，大部分气体已从安全气囊逸出，气囊变瘪，防止了驾驶员被膨胀的气囊憋气窒息。在安全带作用下，驾驶员上身后倾回到座椅靠背上，汽车前方恢复视野。碰撞约120ms后，汽车碰撞产生的动能危害完全解除，车速降低直至为零。1)见图9-5(a)，碰撞约10ms后，SRS达到引爆极限。引爆管引爆产生大量热能，点燃气体发生剂叠氮化钠药片，使其受热分解。此时驾驶员尚未因碰撞惯性向前倾。2)见图9-5(b)，碰撞约40ms后，安全气囊完全充气膨胀，体积变到最大。驾驶员由于碰撞惯性力作用向前扑，此时系在驾驶员身上的安全带迅速收紧，吸收了部分冲击能量。3)见图9-5(c)，碰撞约60ms后，驾驶员头部及身体上部快速压向已膨胀的安全气囊，人体的冲击能量被弹性气囊吸收并扩散。安全气囊背面的排气孔在气体张力和人体压力的作用下，向外排气，排气节流阻尼进一步吸收人体与安全气囊之问弹性碰撞产生的动能，有效地保护了驾驶员的生命安全。4)见图9-5(d)，碰撞约110ms后，大部分气体已从安全气囊逸出，气囊变瘪，防止了驾驶员被膨胀的气囊憋气窒息。在安全带作用下，驾驶员上身后倾回到座椅靠背上，汽车前方恢复视野。碰撞约120ms后，汽车碰撞产生的动能危害完全解除，车速降低直至为零。3安全气囊系统零部件1．碰撞传感器碰撞传感器是一个自动控制开关，按功能可分为碰撞强度传感器和碰撞防护传感器。碰撞强度传感器分别安装在汽车左前部、右前部、侧面和SRSECU内部，其功能是在汽车碰撞时检测汽车减速度，从而感知碰撞强度。碰撞防护传感器一般安装在SRSECU内部，其功能是控制安全气囊引爆管是否触发点火。汽车碰撞发生时，只有在碰撞防护传感器与任一碰撞强度传感器同时接通时，引爆管点火电路才接通引爆并点燃气体发生器中的叠氮化钠药片，使气囊瞬间充气膨胀。两种传感器的结构和工作原理相同，但碰撞防护传感器设定的电路接通阈值要稍微小一点。碰撞传感器有机电开关式、电子开关式和水银开关式3大类型。常用的机电开关式碰撞传感器有滚轴式、滚球式和偏心锤式，它利用机械运动(滚轴或滚球的滚动和偏心锤的转动)来控制触点的开合，触点的断开或闭合则控制安全气囊引爆管点火电路的接通或断开，从而使点火电路触发。(1)滚轴机电开关式碰撞传感器见图9-6，滚轴机电开关式碰撞传感器由止动销、滚轴、滚动触点、固定触点、底座和片簧等零件构成。片簧5的一端固定在底座6上，另一端略微弹起。滚轴2可沿片簧5滚动，滚动触点3固定在滚轴2上，可随滚轴一起滚动并引出传感器的一个电极。固定在片簧5上并与之绝缘的固定触点4接传感器的另一个电极。汽车未碰撞时，传感器处于静止状态(图9-6(a))。此时滚轴在弹起的片簧作用下，靠向止动销一侧，滚动触点与固定触点形成的开关处于断开状态，传感器电路不接通，无碰撞信号输入SRSECU。当汽车碰撞且减速度达到碰撞强度设定的阈值时(图9—6(b))，滚轴由于惯性产生的惯性力大于片簧的弹力，滚轴就会压下片簧克服片簧的弹力向右滚动，使滚轴上的滚动触点与片簧上的固定触点接触，将传感器电路接通，碰撞强度信号即输入SRSECU。如果该传感器作为防护传感器使用，则将安全气囊引爆管电源电路接通。滚轴机电开关式碰撞传感器在日本丰田、本田、三菱等轿车和美国福特林肯城市轿车的SRS上均有使用。(2)滚球机电开关式碰撞传感器在图9-7中，滚球机电开关式碰撞传感器亦称偏压磁铁式碰撞传感器，该传感器主要由固定触点1、滚球2、永久磁铁3和壳体等零件构成。滚球用铁材料制成，能在柱状滚道内滚动。略带弹性的两个固定触点绝缘固定在壳体上，分别引出两个传感器电极。汽车未碰撞时(图9-7(a))，传感器处于静止状态，滚球被永久磁铁吸引，静止于右侧，两个固定触点未搭接，传感器电路未接通，无碰撞信号输人SRSECU。当汽车碰撞且减速度达到碰撞强度设定的阈值时(图9-7(b))，滚球由于惯性产生的惯性力大于永久磁铁的磁力，滚球克服磁力在柱状滚道内滚动到两个固定触点侧，将两个固定触点搭接，使传感器电路接通，碰撞强度信号即输入SRSECU。滚球机电开关式碰撞传感器在日本尼桑、马自达轿车的SRS上均有使用。该碰撞传感器由德国博世(BOSCH)公司生产。(3)偏心锤机电开关式碰撞传感器在图9-8中，偏心锤机电开关式碰撞传感器由复位弹簧11、偏心锤2、挡板3、固定触点4、转动触点5和壳体等零件构成。直径方向上的两个固定触点绝缘固定在壳体上，引出一个传感器电极，直径方向上可以转动的两个转动触点引出另一个传感器电极，转动触点与偏心锤同步转动。复位弹簧使偏心锤复位并靠在挡板上定位。汽车未碰撞时(图9-8(a))，传感器处于静止状态，在复位弹簧作用下，偏心锤与挡板接触，转子总成也处在静止状态。转动触点与固定触点不接触，传感器电路未接通，无碰撞信号输入SRSECU。当汽车碰撞且减速度达到碰撞强度设定的阈值时(图9-8(b))，偏心锤由于碰撞惯性产生的惯性力大于复位弹簧的弹性力，使转子总成在惯性力矩作用下，克服复位弹簧弹性力矩沿逆时针转动一个角度。同步转动的转动触点也逆时针转动一个角度，于是固定触点与转动触点接触，将传感器电路接通，碰撞强度信号即输入SRSECU。偏心锤机电开关式碰撞传感器在日本丰田、马自达轿车的SRS上均有使用。(4)水银开关式碰撞传感器水银开关式碰撞传感器利用水银的良好导电性控制气囊引爆管点火电路的接通，一般用做碰撞防护传感器。见图9-9，水银开关式碰撞传感器由电极1和5、密封圈2、水银珠4、螺塞6和壳体3等零件构成。能够在管状壳体内移动的水银珠是一个导电体。安装在绝缘螺塞上的两个电极互相绝缘，并各引出一个传感器电极。螺塞和壳体也是绝缘的。汽车未碰撞时(图9-9(a))，传感器处于静止状态，水银珠在重力作用下处于壳体下端，传感器的两电极断开，传感器电路未接通，无碰撞信号输入SRSECU。当汽车碰撞且减速度达到碰撞强度设定的阈值时(图9-9(b))，水银珠由于碰撞产生的惯性力在壳体轴线方向的分力，克服水银珠重力在壳体轴线方向的分力，将水银珠抛向传感器电极一端，变形并将两电极接通，碰撞强度信号即输入SRSECU。(5)电子开关式碰撞传感器利用压阻效应或压电效应原理工作，电子开关式碰撞传感器一般用做中心碰撞。2．气体发生器气体发生器又称充气泵，是安全气囊系统中非常重要而又复杂的一个部件，要求它在引爆管对其点燃后，在0.03～0.05s的极短的时间内产生大量压缩气体，充填到SRS气囊中使其鼓起。气体发生器工作性能的好坏对安全气囊系统的安全保护功能起着至关重要的作用，其气体最高膨胀压力一般为160kPa以上。汽车安全气囊系统的气体发生器有机械式气体发生器和电子式气体发生器两种。图9-10为机械式气体发生器的结构，它由过滤器1、气体发生剂3、增压剂4、撞针5、机械式雷管6、触发钢球7和触发杠杆8等组成。(5)电子开关式碰撞传感器利用压阻效应或压电效应原理工作，电子开关式碰撞传感器一般用做中心碰撞。2．气体发生器气体发生器又称充气泵，是安全气囊系统中非常重要而又复杂的一个部件，要求它在引爆管对其点燃后，在0.03～0.05s的极短的时间内产生大量压缩气体，充填到SRS气囊中使其鼓起。气体发生器工作性能的好坏对安全气囊系统的安全保护功能起着至关重要的作用，其气体最高膨胀压力一般为160kPa以上。汽车安全气囊系统的气体发生器有机械式气体发生器和电子式气体发生器两种。图9-10为机械式气体发生器的结构，它由过滤器1、气体发生剂3、增压剂4、撞针5、机械式雷管6、触发钢球7和触发杠杆8等组成。气体发生剂的质量产气速度rw为rw=rAs?ρχ=bPnAsρχ(kg／s)式中，As为气体发生剂片剂表面总面积(m2)；p为气体发生剂的密度(kg／m3)；χ为气体发生剂中能产生气体的成分的百分比，一般为60％。单位时间气体的流出量C为C=aAtP(kg／s)式中，a为气体输出系数，即为气体特征速度的倒数，常取值为6.97×10-4；At为燃烧室喷嘴的总面积(m2)；P为燃烧室中燃烧气体的压力(Pa)。3．SRS气囊组件SRS气囊组件按功能分为正面气囊组件和侧面气囊组件，安装位置分为驾驶员席、副驾驶员席、后排乘员席气囊组件。SRS气囊组件将安全气囊和机械式气体发生器或电子式气体发生器组合起来。驾驶员席与副驾驶员席气囊组件结构和工作原理大体相同，一般用同一个