第6章安全气囊系统(汽车电子控制技术)

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第6章安全气囊系统•学习目标•·了解安全气囊的作用和分类。•·掌握安全气囊系统的结构与工作原理。•·了解智能安全气囊系统的特点与组成。•·掌握智能安全气囊的工作原理•·掌握安全带预紧器的结构与工作原理。6.1概述安全气囊系统(SupplementalRestraintSystem,缩写为SRS)，也称为辅助乘员保护系统。它是一种当汽车遇到冲撞而急剧减速时能很快膨胀的缓冲垫，可以避免车内乘员直接碰撞到车内构件造成的伤害，是一种被动安全装置，具有不受约束、使用方便等优点。近年来随着人们对汽车安全性要求的提高，以及安全气囊制造成本的降低，以往只在高档轿车作为选装件的安全气囊，现已发展到作为普通轿车的标准配置。6.1.1安全气囊的作用当汽车遭受碰撞导致车速急剧变化时，气囊迅速膨胀，在驾驶员、乘员与车内构件之间迅速铺垫一个气垫，使驾驶员、乘员头部与胸部压在充满气体的气囊上，利用气囊自身的阻尼作用和气囊排气节流时的阻尼作用来吸收人体惯性力产生的动能，从而减轻人体遭受伤害的程度。第6章安全气囊系统6.1.2安全气囊的分类1.按碰撞类型分类根据碰撞类型的不同，安全气囊可分为正面碰撞防护安全气囊、侧面碰撞防护安全气囊、膝部碰撞防护安全气囊和顶部碰撞防护安全气囊。2.按照安全气囊安装数目分类按照安全气囊安装数目可分为单气囊系统(只装在驾驶员侧)、双气囊系统(驾驶员侧和前排乘客侧各有一个安全气囊)和多气囊系统。3.按照安全气囊的触发机构分类按照安全气囊的触发机构可分为机械式和电子式两种。机械触发式安全气囊系统已被淘汰，目前应用的都是电子式安全气囊系统。6.2安全气囊系统的结构与工作原理6.2.1安全气囊系统的组成与工作原理1．安全气囊系统的组成安全气囊系统在车上的布置如图6-1所示，主要由传感器、安全气囊ECU、气囊组件和线束等组成，其中的气囊组件主要由气囊、气体发生器和点火器等组成。图6-1安全气囊系统在车上的布置1-右前碰撞传感器；2-左前碰撞传感器；3-SRS指示灯；4-安全气囊组件；5-安全气囊ECU2．安全气囊系统工作原理图6-2安全气囊系统工作原理6.2.2传感器1.传感器的分类安全气囊系统传感器按照不同分类方式，可以分为不同类型。（1）按照传感器的作用分类按照传感器的作用分类可分为碰撞传感器和保险传感器两类。碰撞传感器根据安装位置的内。（2）按照传感器的结构分类按照传感器的结构分类可分为机电式、电子式和水银开关式三类。常见的机电式传感器有偏心式、滚轮式和滚球式，常用作前碰撞传感器。常见的电子式传感器的有应变电阻式和压电效应式两种，一般用作中央碰撞传感器。水银开关式碰撞传感器一般用作保险传感器。2.传感器的结构与工作原理（1）偏心式碰撞传感器图6-3偏心式碰撞传感器a)不工作状态b)工作状态不发生碰撞时，偏心转子在螺旋弹簧弹力作用下处于图6-3a)所示位置，固定触点和旋转触点不接触；当发生正面碰撞，且作用在偏心重块上的减速度超过阈值时，偏心重块在惯性力的作用下带动偏心转子和旋转触点一起转动，使固定触点和旋转触点接触，碰撞传感器输出电信号。（2）应变电阻式碰撞传感器应变电阻式碰撞传感器由应变电阻片和集成电路等组成，如图6-4所示。汽车发生碰撞时，传感器重块变形引起应变电阻阻值变化，通过集成电路将电阻变化转变成反映减速度大小的电信号送给ECU。图6-4应变电阻式传感器（3）水银开关式保险传感器水银开关式传感器如图6-5所示，当汽车发生碰撞时，如果减速度足够大，水银将在惯性力的作用下向上运动，接通电路。【工作过程演示】图6-5水银开关式保险传感器6.2.3安全气囊组件全气囊组件主要由气体发生器、点火器、气囊、饰盖和底板组成。驾驶员侧气囊组件位于转向盘中心处，乘客侧气囊组件位于仪表板右侧手套箱上方。（1）气体发生器气体发生器又称为充气器，结构如图6-6所示。在点火器引爆点火剂时，产生气体向气囊充气。图6-6气体发生器（2）点火器点火器内有电热丝、引药和引爆炸药，当SRSECU发出点火指令时，电热丝电路接通，电热丝迅速红热引燃引药，继而引爆炸药，瞬间产生大量热量，药筒内温度和压力急剧升高并冲破药筒，使充气剂受热分解释放氮气充入气囊。1—引爆炸药；2—药筒；3—引药；4—电热丝；5—陶瓷片；6—永久磁铁；7—引出导线；8—绝缘套管；9—绝缘垫片；10—电极；11—电热头；12—药托图6-7点火器分解图（3）气囊气囊由聚酰胺织物(如尼龙)制成，内层涂有聚氯丁二烯，用以密闭气体。气囊在静止状态时，像降落伞未打开时一样折叠成包，安放在气体发生器上部与气囊饰盖之间。在汽车遭受碰撞时，气囊约在碰撞后10ms内开始充气。整个充气时间约为30ms。驾驶席气囊膨胀时，沿转向柱偏挡风玻璃方向膨胀，防止驾驶员面部与挡风玻璃、胸部与转向盘发生碰撞（4）饰盖饰盖是气囊组件的盖板，上面模制有撕缝，以便气囊能冲破饰盖膨开。（5）底扳气囊和充气器装在底板上，底板装在转向盘或车身上，气囊膨开时，底板承受气囊的反力。6.2.4安全气囊ECUSRSECU的内部结构如图6-8所示，主要由逻辑模块、信号处理电路、备用电源电路、保护电路和稳压电路等组成。图6-8SRS控制组件的内部结构1．逻辑模块逻辑模块的主要功用是监测汽车纵向减速度或惯性力是否达到设定的值，控制气囊组件中的点火器引爆点火剂。逻辑模块由模/数(A/D)转换器、数/模(D/A)转换器、串行输入/输出(I/O)接口、只读存储器ROM、随机存储器RAM、电可擦除可编程只读存储器EEPROM和定时器等组成。2．信号处理电路信号处理电路主要由放大器和滤波器组成。其功用是对传感器检测的信号进行整形、放大和滤波，以便SRSECU能够接收、识别和处理。3．备用电源电路安全气囊系统有两个电源：一个是汽车电源(蓄电池和交流发电机)；另一个是备用电源,备用电源又称为后备电源或紧急备用电源。4．保护电路和稳压电路为了防止安全气囊系统元件遭受损害，SRS控制模块中必须设置保护电路。同时，为了保证汽车电源电压变化时，安全气囊系统能够正常工作，还必须设置稳压电路。6.2.5安全气囊系统线束与保险机构为了便于区别电器系统线束插接器，安全气囊系统的插接器与汽车其它电器系统的插接器有所不同。目前安全气囊系统采用的线束插接器绝大多数都为黄色插接器。安全气囊系统的插接器采用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、电路连接诊断机构、插接器双重锁定机构和端子双重锁定机构等保险机构，用以保证气囊系统可靠工作。1、2、3-ECU插接器；4-SRS电源插接器；5-中间线束插接器；6-螺旋线束；7-右碰撞传感器插接器；8-气囊组件插接器；9-左碰撞传感器插接器；10-点火器图6-9安全气囊系统插接器1．防止SRS气囊误爆机构当插接器拨开时，短路片(弹簧片)自动将靠近SRS气囊点火器一侧插头或插座的两个引线端子短接，如图6-10所示，防止静电或误通电将电热丝电路接通而造成气囊误膨胀。图6-10防止气囊误爆机构结构与原理a）插接器正常连接时，短路片与端子脱开；b)插接器拔开时，短路片将端子短接2．电路连接诊断机构电路连接诊断机构的作用是：监测插接器的插头与插座是否可靠连接。在插接器插头(或插座)上，设置有一个诊断销。在插接器插座(或插头)上，设制有两个诊断端子，端子上有弹簧片，其中一个诊断端子与碰撞传感器触点的一端相连，另一个诊断端子经过一个电阻与碰撞传感器触点的一端相连。当传感器插头与插座半连接(未可靠连接)时，诊断端子与诊断销未接触，如图6-11a，此时电阻未与传感器触点构成并联电路，插接器引线“十”与“一”之间的电阻为无穷大。因为“+”、“一”引线与SRSECU插接器1或3(参见图6-9)的插头连接，所以，当ECU监测到碰撞传感器的电阻为无穷大时，即诊断为插接器连接不可靠，自诊断电路便控制SRS指示灯闪亮报警，同时将故障编成代码储存在存储器中。当传感器插头与插座可靠连接时，诊断端子与诊断销可靠接触，如图6-11b所示，此时电阻与碰撞传感器触点并联。因为传感器触点为常开触点，所以，当SRSECU检测到的阻值为该并联电阻的阻值(丰田车系为755～885Ω)时，即诊断为插接器连接可靠。图6-11电路连接诊断机构结构与原理a）半连接b）可靠连接a）b）3．安全气囊系统线束为了保证转向盘具有足够地转动角度而又不致损伤驾驶席SRS组件的连接线束，在转向盘与转向柱管之间采用了螺旋电缆。图6-12螺旋电缆1、3—线束插接器；2—螺旋弹簧；4—弹簧壳体；5—搭铁插接器6.3智能型安全气囊6.3.1概述智能安全气囊是在普通安全气囊的基础上增加传感器，以探测出座椅上的乘员是儿童还是成年人，是否系好安全带以及乘员所处的位置、高度，通过采集这些数据，由电子计算机软件计算和处理控制安全气囊的起爆和膨胀，使其发挥最佳作用，避免安全气囊出现不必要的起爆，从而极大的提高其安全保护作用。智能安全气囊比普通安全气囊主要多了两个核心元件，即相关的传感器以及与之配套的计算机软件。目前使用的传感器主要有以下几种。（1）重量传感器根据座椅上的重量感知是否有人以及乘员是大人还是小孩。（2）电子区域传感器能在驾驶室中产生一个低能量的电子区域，测量通过该区域的电流测定乘员的存在和位置。（3）红外线传感器根据热量探测乘员的存在，以区别其他无生命的物品。（4）光学传感器如同一台照相机注视着座椅，并与存储的空座椅的图像进行比较，以判别人体的存在和位置。（5）超声波传感器通过发射超声波，然后分析遇到物体后的反射波探明乘员的存在和位置。设计开发智能安全气囊的另一个重要工作就是编制计算机软件。一般来说，计算机软件要能根据乘员的身材、体重、是否系好安全带、人在座椅上所处的位置、车辆碰撞时的车速以及撞击程度，在一刹那间就作出反应，调整安全气囊的起爆和膨胀时机、速度和强度，使安全气囊为乘客提供最合理和最有效的保护，特别是减少对儿童等身体矮小者的伤害。6.3.2智能安全气囊系统的特点与组成1.宝马BMW高级安全电子系统的特点BMW公司将自己的智能安全气囊系统称为高级安全电子系统ASE。高级安全电子系统ASE由一个主控制单元、安全和网关模块SGM和多个卫星式控制单元组成。这些卫星式控制单元及其传感器散布于车辆上的各个重要位置，并与SGM交换信息。高级安全电子系统ASE具有以下优点：快速获取并传输数据（10Mb/s）；准确识别碰撞；安全气囊控制系统联网；选择性触发；精确控制智能型安全气囊；触发安全性高；抗电磁干扰能力强；需要时可断开安全蓄电池接线柱，进行蓄电池线路诊断。通过分布于车辆重要位置的多个加速传感器，能够比多重乘员保护系统MRS更准确地识别出碰撞情况。由车内加速传感器探测到的车辆减速信息都被传送至安全和网关模块SGM。SGM与所有卫星式控制单元交换减速数据，据此描绘出准确的碰撞情况，然后根据碰撞情况及时、有选择地触发执行器（气囊）。发生碰撞时，仅仅触发那些必要的执行器（气囊），以便对车内乘员提供最佳的保护，并减低维修费用。2.宝马BMW高级安全电子系统的组成（8个气囊）系统组成1-安全和网关模块；2-伺服转向助力系统阀（SA）；3-ECO阀（仅针对AFS）；4-数字式发动机控制单元；5-车身标准模块；6-灯光模块；7-多音频系统控制器；8-电子信息系统控制单元；9-紧急呼叫按钮；10-右侧头部安全气囊AITSII；11-前乘客前部安全气囊；12-前乘客侧车门模块；13-前乘客侧面安全气囊；14-后座右侧侧面安全气囊（SA）；15-行李箱内监控屏蔽接头；16-右侧B柱卫星式控制单元；17-车辆中央卫星式控制单元；18-前乘客安全带锁扣开关及拉紧装置；19-座位占用识别装置；20-后座右侧安全带锁扣开关及拉紧装置（SA）；21-安全蓄电池接线柱；22-后座左侧安全带锁扣开关及拉紧装置（SA）；23-主动式前乘客头枕；24-主动式驾驶员头枕；25-驾驶员安全带锁扣开关及拉紧装置；26-左侧B柱卫星式控制单元；27-发动机室内监控屏蔽接头