汽车安全气囊系统的认识

学习单元3．1　汽车安全气囊系统的认识

学习目标

理解汽车安全气囊系统的作用，认识汽车安全气囊系统的分类和组成，理解汽车安全气囊系统的工作原理，能够指导客户正确使用汽车安全气囊，能够进行正确的描述和识别，向客户介绍汽车安全气囊系统。了解汽车安全气囊系统的发展，能够把握维修工作和学习的方向。

根据德国深入交通事故研究GIDAS（German In Depth Accident Study）的数据说明，汽车发生碰撞时的碰撞类型及所占比例为：前部碰撞／51．1%、侧面碰撞／32．0%、后部碰撞／14．1%、翻滚／2．8%。高要求的汽车安全系统应能够对汽车各种类型的碰撞进行有效保护。

3．1．1　汽车安全气囊系统的作用

当汽车发生碰撞时，首先是汽车与障碍物之间发生碰撞，称为一次碰撞；随后车内乘员与车内构件间发生碰撞，称为二次碰撞。一次碰撞后汽车速度急剧下降。如果汽车以50km／h的速度与一个固定不动的障碍物正面碰撞，至完全停止所需时间大约为0．1s。在这短暂的一次碰撞时间内，前护杠因碰撞而停止运动，但汽车其他部分仍以50km／h的速度前进；随着车辆前部逐渐损坏，汽车开始吸收动能并减速；乘员室减速而乘员仍以50km／h的速度向前移动，巨大的惯性致使乘员与车内的方向盘、仪表板、挡风玻璃等构件发生强力碰撞，极可能造成人身伤害。汽车的碰撞和安全保护如图3－1－1所示。

图3－1－1　汽车的碰撞和安全保护

（a）一次碰撞 （b）二次碰撞 （c）安全带的作用 （d）安全气囊的作用

为了避免或减轻二次碰撞后果，需要安装汽车安全带系统和汽车安全气囊系统，在发生一次碰撞后、二次碰撞前，安全带将乘员固定在座椅上，安全气囊迅速膨胀，在乘员与车内构件之间铺垫一个气垫，同时利用气囊排气节流的阻尼作用来吸收人体动能，从而减轻人体的伤害程度。

汽车安全气囊系统SRS（Supplemental Restraint System）又称空气袋AirBag，是一种被动安全装置。它与安全带配合使用，可以为乘员提供有效保护。

当汽车以48km／h速度发生正面碰撞时，试验说明安全带和安全气囊对人体的保护情况是：如无安全气囊，驾驶员未系安全带时，碰撞发生90ms时，人体在方向盘接触处受力约90 000N，下肢多处骨折，头部和胸部的损伤程度大大超过容许程度，一般来说，死亡在所难免；如无安全气囊，驾驶员系上安全带时，驾驶员头部受伤较重，胸部由于被安全带约束，承受约10 000N的力，造成胸骨和肋骨的骨折；如有安全气囊，驾驶员未系安全带时，向前快速运动的人体充分与安全气囊作用，作用在安全气囊上的力约为10 000N，安全气囊将人体头部和胸部与驾驶室前部构件隔开，减轻了头部和胸部的损伤。

3．1．2　汽车安全气囊系统的分类和组成

1．分类

汽车安全气囊系统种类繁多，有以下几种分类方式：

按照气囊控制方式不同可以分为机械式气囊和电子式气囊。机械式气囊采用机械方式检测和引爆气囊，目前已经很少使用。电子式气囊采用传感器和电控单元检测和引爆气囊，目前普遍采用。

按照气囊设计方案不同可以分为美式气囊和欧式气囊。美式气囊是按照乘员没有使用座椅安全带的条件设计的，体积较大。欧式气囊是按照乘员使用座椅安全带的条件设计的，体积较小。

按照气囊功能不同可以分为驾驶员正面气囊、前乘员正面气囊、侧面气囊、头部帘式气囊和下肢气囊等，汽车安全气囊的分类如图3－1－2所示。

图3－1－2　汽车安全气囊的分类

2．组成

汽车安全气囊系统由传感器、电控单元（ECU）、气囊组件、安全气囊警告灯、线束等组成，其组成及安装位置如图3－1－3和图3－1－4所示。

图3－1－3　安全气囊系统的组成

（1）传感器：传感器的作用是检测汽车碰撞的类型和强度，并转化为电信号送至电控单元。传感器按功能不同分为碰撞传感器和安全传感器，碰撞传感器又分为正面碰撞传感器和侧面碰撞传感器。正面碰撞传感器安装在汽车前部中央、前部两侧（两侧翼子板内侧、前照灯支架附近或散热器支架左右两侧）或气囊ECU内部，其作用是检测汽车正面和后面碰撞强度，其中安装在气囊ECU内部的碰撞传感器又称为中央传感器。侧面碰撞传感器安装在驾驶室变速杆前后的装饰板下方、车身左右中柱上，其作用是检测汽车侧面碰撞强度。安全传感器安装在ECU内部，其减速度阈值一般比碰撞传感器小，以保证碰撞传感器工作可靠，其作用是防止碰撞传感器意外短路而造成气囊误打开。

图3－1－4　安全气囊系统元件的安装位置

（2）SRS电控单元（ECU）：是汽车安全气囊系统的核心部件，其作用是接收碰撞传感器和安全传感器的信号，经过分析、计算和判断，确定碰撞的类型和强度，如果碰撞强度足够大，ECU立即发出指令引爆安全气囊。同时，ECU还具有自诊断功能，它对气囊系统的电路不断进行测试，当检测到故障时存储故障信息并点亮安全气囊警告灯，故障信息可以从串行通信接口输出。SRS电控单元安装在车内地板的中间位置，通常安装在驾驶室变速杆前、后的装饰板下方，少数安装在座椅下。

（3）气囊组件：包括点火器、气体发生器、气囊袋等，其作用是接收SRS电控单元的指令，点火器通电产生热量加热气体发生器内的气体发生物质，短时间内产生大量气体冲入气囊袋，使气囊袋迅速充气展开。驾驶员正面气囊组件安装在方向盘上，在汽车发生正面碰撞时，可保护驾驶员的头部和胸部，美式气囊一般约60L，欧式气囊一般约40L。前乘员正面气囊组件安装在前仪表台上，体积较大，在汽车发生正面碰撞时，可保护前乘员的头部和胸部，美式气囊一般为120～160L，欧式气囊一般为60～80L。后乘员正面气囊组件安装在前排座椅靠背中，气囊引爆后可在后排乘员与前排座椅之间形成防护气垫，体积一般可达100L。侧面气囊组件安装在座椅侧面或车门内板中，在汽车发生侧面碰撞时，可保护乘员胸部、腰部、腹部和胳膊，由于受空间限制，其体积较小，车门内板中的气囊约为35～40L，座椅侧面的气囊约为12L。帘式气囊组件的气体发生器安装在后或前支柱上，气囊袋安装车门上横梁中或顶板上，制成香肠状，用于保护头部和颈部。下肢气囊组件安装在仪表板下部的前围板上，用于防止驾驶员下肢与踏板、操作杆等发生碰撞，体积较小，约为13L。

（4）安全气囊警告灯：安装在仪表盘上，常用气囊图形或SRS、AIRBAG字样显示。其作用是指示安全气囊系统是否正常。

3．1．3　汽车安全气囊系统的工作原理

1．安全气囊系统的工作过程

当汽车以50km／h的速度与一个固定不动的障碍物正面碰撞时，安全气囊起作用的工作过程可分为四个阶段，如图3－1－5所示。

第一阶段：人体尚未移动，气囊开始充气。碰撞后10ms，碰撞传感器将碰撞信号传给SRS电控单元，如果SRS电控单元确认达到引爆极限，就控制点火器通电，气囊开始充气。此时驾驶员尚未动作。

第二阶段：人体开始前移，气囊完全打开。碰撞后20ms，乘员开始移动，但还没有到达气囊。碰撞后40ms，气囊完全涨开，驾驶员身体前移，人的部分冲击能量被安全带吸收。

第三阶段：人体接触气囊，气囊开始排气。碰撞后60ms，驾驶员身体开始接触气囊。碰撞后80ms，驾驶员头部及身体上部已沉向气囊，气囊后部的排气孔排气吸收人体冲击能量。

第四阶段：人体开始后移，气囊完全排气。碰撞后110ms，乘员因惯性前移达到最大距离，并开始后移回位。气囊排出大部分气体，前方恢复视野。碰撞后120ms，汽车完全停止移动，危险期结束。

图3－1－5　安全气囊起作用的工作过程

（a）碰撞后10ms （b）碰撞后40ms （c）碰撞后60ms （d）碰撞后110ms

2．安全气囊系统的控制原理

安全气囊系统的控制原理如图3－1－6所示。当汽车发生碰撞时，碰撞传感器和安全传感器立即检测汽车的碰撞类型和强度，并转化为电信号送至SRS电控单元；SRS电控单元接收传感器信号，并进行分析、计算和判断，确定碰撞的类型与强度，当碰撞强度超过设定值时，立

图3－1－6　安全气囊系统的控制原理

即向气囊组件发出指令；气囊组件中的点火器接收SRS电控单元的指令通电，点燃点火器中的点火剂，产生大量热量，气体发生器中的充气剂受热分解释放出大量氮气冲入气囊；气囊冲出盖板，在乘员身体与车身构件之间形成气垫，并通过气囊后部排气孔的排气吸收人体的冲击能量，起到保护作用。

图3－1－7　正面气囊引爆的条件

汽车发生不同类型的碰撞时，各碰撞传感器的状态不同，控制打开的气囊不同。一般安全气囊引爆和不引爆的条件是：如图3－1－7所示，驾驶员正面气囊和前乘员正面气囊引爆必须同时满足两个条件：碰撞发生在汽车正前方正负30°角范围内；碰撞强度足够大，纵向减速度大于设计值（纵向减速度阈值）。

如图3－1－8所示，当纵向减速度未达到设定阈值或碰撞方向超过前方正负30o角区域时，驾驶员气囊和前乘员气囊并不引爆，具体情况有：车辆底部遭受碰撞；汽车发生绕纵向轴线翻转；汽车遭受后面碰撞；汽车遭受低速正面碰撞；车辆发生碰撞引起局部变形，能量被障碍物和车身变形吸收；车辆前舱上部碰撞变形等。

图3－1－8　正面气囊不引爆的条件

如图3－1－9所示，侧面气囊和帘式气囊引爆的条件是：车辆受到侧面或后侧面一定强度的碰撞。

如图3－1－10所示，当车辆受到对角线方向碰撞或不是车厢处的侧面碰撞时可能不引爆。

图3－1－9　侧面气囊引爆条件

图3－1－10　侧面气囊不引爆条件

3．1．4　别克林荫大道汽车安全气囊系统的认识

别克林荫大道汽车安全气囊系统的组成如图3－1－11所示，该系统电路如图3－1－12所示，包括驾驶员气囊组件、前乘员气囊组件、左侧气囊组件、右侧气囊组件、左帘式气囊组件、右帘式气囊组件、驾驶员和前乘员安全带预紧器、左前碰撞传感器、右前碰撞传感器、左侧碰撞传感器、右侧碰撞传感器、电控单元（传感和诊断模块SDM）以及气囊警告灯等。

图3－1－11　别克林荫大道汽车安全气囊系统的组成及安装位置

图3－1－12　别克林荫大道汽车安全气囊系统电路图（1）———SDM模块电源、搭铁和前端传感器

图3－1－13　别克林荫大道汽车安全气囊系统电路图（2）———驾驶员气囊和前乘员气囊

3．1．5　其他被动安全系统的认识

1．儿童安全座椅

前乘员气囊对身材矮小乘员起不到保护作用，成人抱着儿童乘车也是非常危险的。当汽车在40km／h车速下发生碰撞时，儿童会受到相当于孩子体重30倍的惯性力，足以使儿童从成人手中飞脱。根据美国国家公路交通安全局的调查报告显示，正确使用儿童安全座椅可以减少71%死亡率。身高1．5m以下或12岁以下儿童应坐在后排并根据儿童的年龄、身高和体重使用儿童安全座椅，儿童安全座椅如图3－1－15所示。按照ECE－R44欧洲标准，儿童安全座椅分为四个级别：0级，儿童体重为0～10kg，应采用可调至水平位置的安全躺椅；1级，儿童体重为9～18kg，应采用带安全护板或背向安装的儿童座椅；2级，儿童体重为15～25kg，应采用可与三点式安全带配合使用的儿童座椅；3级，儿童体重为22～36kg，应采用可与三点式安全带配合使用的儿童安全座垫。

图3－1－14　别克林荫大道汽车安全气囊系统电路图（3）———侧面碰撞传感器和侧面气囊

图3－1－15　儿童安全座椅

（a）0级儿童安全座椅 （b）1级儿童安全座椅 （c）2级儿童安全座椅

儿童安全座椅是临时装置在乘员座椅上的附加装置。当儿童安全座椅正向安装时，气囊应能够正常引爆；当儿童安全座椅背向安装时，儿童安全座椅后背能够提供安全保护，不需要引爆气囊，应关闭气囊。儿童安全座椅下面安装有“电子信号收发器”，SRS电控单元中安装有“儿童座椅探测器”，当儿童安全座椅装在乘员座椅上时，探测器的微型天线会发出探测电波，信号收发器的微型天线会接收信号，并做出反馈，探测器会判明是否已安装儿童安全座椅以及安装方向。当儿童安全座椅背向安装时，SRS电控单元会控制关闭气囊，同时点亮黄色的“儿童座椅安装信息指示灯”和“免用安全气囊”指示灯。

2．翻车保护系统

对于敞式汽车，在发生碰撞，尤其是翻车时，缺少一个像封闭汽车那样的保护和支撑的车顶结构，因此敞式汽车采用了翻车保护系统。宝马E36／E46／E64敞篷车采用的翻车保护系统（UERSS）如图3－1－16和图3－1－17所示，在E46敞篷车上翻车保护杆集成在后座椅头枕内，在E64上两个后座椅后面的一个托架结构内，安装了两个可移出的翻车保护杆。在翻车时或有翻车危险的情况下，UERSS会自动移出，并以一定的方式锁止，从而辅助乘员获得足够的生存空间。

图3－1－16　宝马E46敞篷车的翻车保护系统

图3－1－17　宝马E64敞篷车的翻车保护系统

1）宝马E36／E46敞篷车的翻车保护系统

宝马E36／E46敞篷车翻车保护系统的组成如图3－1－18所示，由翻车传感器总成、左右碰撞执行机构和组合仪表上的UERSS指示灯组成。

图3－1－18　宝马E36／E46敞篷车翻车保护系统的组成

翻车传感器总成直接用螺栓拧在后座长椅后面的翻车保护杆盖板上。翻车传感器总成包括：一个用于识别车辆倾斜度、横向和纵向加速度的水平传感器；一个用于识别车辆与路面是否接触的重力加速度传感器；一个具有自诊断功能的电子分析装置；两个用于提供储备能量的电容器，在车载网络电压失灵时需利用电容器使翻车保护杆触发。

执行机构由一个单动式电磁铁组成，该电磁铁带有一个用于卡止和释放翻车保护杆的锁止装置，如图3－1－19所示。电磁铁操纵锁止装置并释放承受弹簧负荷的翻车保护杆，翻车保护杆可在300ms内移出。移出时，位于翻车保护杆上的卡爪将齿条以机械方式压回。如果翻车保护杆已移出，卡爪将支撑在齿条上。如果车辆四轮朝上，作用力将通过翻车保护杆上的卡爪传递到齿条上。为了使触发后的翻车保护装置移回初始位置，必须挡住卡爪，将翻车保护杆重新张紧。

图3－1－19　翻车保护杆的锁止装置

翻车保护系统的自诊断功能是：翻车传感器在接通电源时必须位于正确的安装位置。如果翻车传感器在自检期间未在正常位置，那么自检时可能会记录为水平传感器故障和重力加速度传感器故障。识别为有故障的传感器将被锁止而无法执行触发功能。如果探测到某一碰撞执行机构内有故障，UERSS失灵指示灯就会亮起。但是翻车时碰撞执行机构也会被触发。翻车传感器如果电压低于8．5V的时间超过20s，UERSS失灵指示灯就会亮起；当电压超过10．5V的时间约4s时，UERSS失灵指示灯将关闭。

2）宝马E64敞篷车的翻车保护系统

宝马E64敞篷车翻车保护系统的组成如图3－1－20所示。翻车传感器位于车辆中心卫星式传感器SFZ内。

图3－1－20　宝马E64敞篷车翻车保护系统的组成

如果车辆中心卫星式传感器SFZ－R内的翻车传感器识别到即将翻车，相关数据就会通过byteflight发送到安全和网关模块SGM。同时通过移出触发导线将释放UERSS的信号传输给SGM。SGM通过输出级控制两个执行机构。

触发翻车保护系统的条件是：识别到有翻车危险时自动触发；正面、侧面或尾部碰撞事故严重到一定程度时触发；在功能检查时通过诊断接口触发；在维修时通过手动应急开锁装置触发。

3．主动头枕

当车辆发生后部碰撞时，主动头枕会向前运动，以便缩小乘员头部和头枕之间的距离。由于肩部和头部之间的相对运动被制止，所以颈椎受伤的危险性也就降低了。Audi A6 2005型车在前座椅上使用的主动头枕如图3－1－21所示。当车辆发生后部碰撞时，乘员压在座椅靠背上，这个压力被靠背的蒙皮饰物传递到靠背中的腰部支承板上。腰部支承板通过一个杠杆机构与“主动头枕”功能单元相连，腰部支承板向后移动时，头枕就会自动向前运动。由于头枕的质量很小，所以发生前部碰撞时，就不必再锁止机械机构了。

图3－1－21　主动头枕

（a）主动头枕座椅的结构 （b）主动头枕未移动 （c）主动头枕前移

4．吸能转向柱

吸能转向柱的结构如图3－1－22所示，方向盘和转向柱在发生碰撞驾驶员与方向盘或充气模块接触时，可吸收能量。当驾驶员将冲击力施加到充气模块和方向盘上时，转向柱将向下收缩，吸收部分的碰撞能量，从而有助于降低对驾驶员造成的人身伤害。碰撞之后，必须检查方向盘和转向柱是否损坏。

5．防撞吸能车身

为了保护乘员，在车身的前部、侧面和后部设计有吸能区，如图3－1－23所示。吸收碰撞能量的车身和高强度驾驶室能够在碰撞发生时有效吸收碰撞能量，并将其分散至车身各部位骨架，将驾驶室变形减少到最小限度，以保护座舱空间。

图3－1－22　吸能转向柱

（a）转向轴错位缓冲 （b）转向轴错位和支架变形缓冲 （c）转向柱管变形吸收冲击能量并缓冲

图3－1－23　防撞吸能车身

为了减轻对行人的伤害，在车身上还采用吸收碰撞能量的保险杠、发动机罩、翼子板和前围，同时降低发动机位置，在发动机罩内部采用纵梁式结构和吸能缓冲材质。

案例分析

案例：气囊系统连接器断开导致气囊警告灯闪烁。

车型：现代索纳塔。

症状：新车气囊警告灯闪烁。

诊断：根据经验分析，新车在铺地胶时为了便于铺设，大多会把驾驶员座椅下面的气囊线束连接器拔掉，但在铺设完毕后，可能会忘记把连接器连接复原，从而导致气囊警告灯亮起。经检查驾驶员座椅下面的气囊线束连接器已断开。

修复：重新连接连接器，故障排除。

分析：安全气囊警告灯亮起，必须及时维修，否则安全气囊系统起不到保护作用。安全气囊系统元件工作比较可靠，故障多是由于维修或使用不当造成，多发生在线路上。建议到正规的维修站或者汽车美容站去铺地胶。注意在铺设地胶后，气囊警示灯亮时，检查一下座椅下面的连接器是否连接好，如果仍不能排除问题，就需到维修站进行检修了。

测试习题

一、填空题

1．汽车发生碰撞时的碰撞类型有____________、___________、___________、___________。

2．驾驶员正面气囊安装在___________，前乘员正面气囊安装在___________，后乘员正面气囊安装在___________，侧面气囊安装在___________，头部帘式气囊安装在，下肢气囊安装在___________。

3．安全气囊传感器按功能不同分为___________和___________。

4．安全传感器安装在______________________，其作用是______________________。

5．SRS电控单元一般安装在_______________________________________________________。

二、判断题

1．目前普遍采用机械式气囊。　　　（　）

2．美式气囊是按照乘员没有使用座椅安全带的条件设计的，体积较大。欧式气囊是按照乘员使用座椅安全带的条件设计的，体积较小。　　　　　（　）

3．安全气囊警告灯安装在仪表盘上，都用气囊图形显示。　　　　　　（　）

4．安全传感器减速度阈值一般比碰撞传感器的小。　　　　　（　）

5．车辆底部遭受碰撞或汽车发生绕纵向轴线翻转时，气囊不打开。　　　　　（　）

三、问答题

1．什么是汽车的一次碰撞和二次碰撞？

2．简述安全气囊系统的工作过程。

3．简述安全气囊系统的控制原理。

4．请分析气囊引爆条件和不引爆条件。