智能化安全氣囊的研究

一、 前言
安全氣囊是現代轎車上引人注目的新技術裝置。安裝了安全氣囊裝置的轎車方向盤，平常與普通方向盤沒有什么區別，但一旦車前端發生了強烈的碰撞，安全氣囊就會瞬時間從方向盤內“蹦”出來，墊在方向盤、座椅、車輛側壁與駕駛者、乘員之間，防止乘員的頭部、胸部和腿部撞擊到方向盤、儀表板或車輛硬壁等硬物上，這種奇妙的裝置自從面世以來，已經挽救了數以萬計的性命。安全氣囊從取得專利到應用推廣，已走過了三十多年的時間，從機械式到電子式，如今智能化安全氣囊的需求又被納入到新一代安全技術研發之中。
二、 安全氣囊的作用
在乘員使用安全帶的情況下，氣囊有助于減輕胸、頭和面部在碰撞時受傷的嚴重性。在汽車發生前碰撞時，首先是汽車要停止運動，車內乘員的慣性力作用下仍以原來速度繼續向前運動，駕駛員、乘員將會與轉向盤、前擋風玻璃、汽車四壁相碰，因而可能受到嚴重傷害；佩戴安全帶的乘員將在安全帶的作用下，隨著汽車停止運動而逐漸停止向前運動。但當碰撞來重時，乘員向前運動更快，既使佩戴了安全帶，在安全帶使乘員完全停止運動前，他們仍會與車內物相碰。如果此時裝在車內的安全氣囊氣囊充氣彈出，它就可以有效保護乘員減少其與車內物相碰的可能性，更均勻地分散頭、胸的碰撞力，吸收乘員的運動能量，從而起到補充安全帶效果的作用。因此氣囊主要在緩沖前碰撞或近似前碰撞嚴重性方面，進行有效的補充性保護。
三、 智能化安全氣囊技術系統的研究

安全氣囊的智能化發展，將集成先進的傳感器技術和信息處理系統，它們在事故發生的短暫時間內能夠提供可靠的碰撞環境方面的信息。這些信息包括汽車碰撞的劇烈程度，碰撞的形式(包括正碰撞、側碰撞、翻滾等)，乘員的身材、體重、乘坐位置和乘坐姿態，以及乘員是否系有安全帶等。智能安全氣囊系統根據探測到的信息，通過其電子控制系統的計算分析，決定安全氣囊何時及以何種程度展開，從而對乘員提供最優化的保護。新一代安氣囊系統將由多種電子傳感器、中央控制器、探測設備、智能化信息處理系統、多氣囊、多安全帶預緊器和接頭等組成。
1、系統主要部件包括：
(1) 探測設備
目前在智能化安全氣囊研制過程中，對乘員的狀態識別是研究的新方向，因為中央控制器只有準確的采集到了車輛碰撞參數和乘員的身材、體重、乘坐位置和乘坐姿態等狀態，才能更好的發出點火指令，乘員識別包括壓力分布稱重座椅+紅外線探測傳感器（或光學鏡頭傳感器）和超聲波測距傳感器，由壓力分布稱重座椅測量乘員的重量、乘座位置，由紅外探測傳感器或光學鏡頭加超聲波測距傳感器測量司機與方向盤，乘員距離座椅、儀表板、車輛側壁之間的距離和乘員類別來確定乘員的真實狀態；由于探測設備采用了大量的傳感器，因此對信號的處理工作將增加難度，同時對智能化安全系統的可靠性和使用壽命也提出了新的挑戰。
(2) 多種電子傳感器
智能化安全氣囊的電子部分將增加大量的傳感器，需由新型高性能的位置傳感器、安全帶檢測傳感器、測距傳感器、紅外探測傳感器等加上傳統的加速度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器等才能實現其智能化的要求。
(3)中央電子控制器
電子控制器包括引爆控制電路、驅動電路、儲存電路和診斷電路等它們都集中裝在中央控制器上。新型智能化安全氣囊控制系統需開發能適應不同碰撞強度的多極點火系統，能采取不同的點火展開策略，能根據碰裝條件和接收到的乘員狀態信息調節氣囊的工作性能。通過掌握探測到的信息，中央控制器才能根據每個乘員的具體需要，利用本身固有的靈活性，確定安全氣囊的觸發時刻及展開強度，實現最佳的乘員保護效果，診斷電路不斷地分析和診斷氣囊系統的各種故障，將這些故障編碼儲入儲存電路，驅動電路使儀表盤上的氣囊警告燈開始閃爍，以確定安全氣囊隨時處于有效工作狀態。
（4）安全帶預緊裝置
安全氣囊和安全帶配合使用，能夠更好的發揮其保護作用，目前汽車上安裝的大部分是普通安全帶，在智能化安全氣囊系統中，開發出了新型限力式、預緊式安全帶，限力式安全帶可減少撞擊時的沖擊力，而預緊式安全帶可感知碰撞信號的強弱從而使得原來松跨在乘員身上的安全帶瞬時拉緊，以減少沖擊力。因此預緊式安全帶是當前智能化安全系統的重要組成部分。
（5）輔助電源
輔助電源由直流穩壓器和電容儲能器組成。直流穩壓器能保證供給系統電壓的恒定性，使系統能正常工作而不發生失效引爆事故。它是一種帶比較、放大和調節動能的集成穩壓裝置。電容儲能器是利用電容儲存電能，在沖撞中發生電源中斷時，擔負起氣囊系統的電源作用，避得失效引爆事故。
2、系統工作原理
在汽車行駛中，通過各探測設備和傳感器感應到的信息，中央控制器不斷將車輛不同部分變化的信息輸入到電子控制器模塊，經電子控制器不斷地計算、分析、比較和判斷，并隨時準備發出指令。當碰撞信號低于氣囊點火閥值時，安全傳感器向電子控制器輸入撞車信號，并發出引爆安全帶預緊器電點火裝置的指令，而中央傳感器發出的信號不能使電子控制器發出引爆氣囊電點火裝置的指令。所以，在低速(減速度較小)沖撞時，只要預緊器向后拉緊安全帶，就足以保護駕乘人員不撞向前方。在高速(減速度較大)沖撞時，中央傳感器通過探測傳感器等分析車內乘員的重量、乘作位置、乘員類別，確定各氣囊的張開程度，同時向電子控制器輸入沖撞信號，電子控制器在迅速判斷后發出指令，引爆安全帶預緊器和多氣囊的電點火裝置。安全帶向后拉緊的同時，氣囊張開，吸收駕乘人員因減速度大而產生的沖撞能量，有效地保護他們的安全。
從發生沖撞、傳感器發出信號到控制器判斷引爆電點火裝置，大約需要10ms時間。引爆后，氣體發生器產生大量氣體，迅速吹脹氣囊。從發生沖撞到氣囊形成，進而到安全帶拉緊，全過程所需時間為30-35ms，所以氣囊系統的保護效果是非常好的。當氣囊引爆后，由于產生的氣體大量涌進氣囊，使氣囊的壓力增高，不利吸收沖撞能量，所以，在氣囊的后面有2個排泄壓力的氣體排放孔，有利于保護駕乘人員的安全。由于汽車發生碰撞事故的瞬間是非常短促的，因此智能化安全氣囊的研究要求各傳感器發出的信號必須準確、有效，中央控制器的分析、計算、處理必須及時、正確。
四、 使用中的問題
由于安全氣囊只有在車輛出現事故時才會出現，其神秘性作為普通車輛用戶而言可謂可望而不可及，因此多方面的了解、認識安全氣囊的基本原理、構造，并且正確的使用、維護才能真正發揮其有效的保護作用。
（1） 煙和粉末
氣囊充氣時不會燃燒或破裂，由于化學反應而產生煙和粉末狀殘渣，其成分大部分是滑石粉與鈉的化合物，對人體無害。這些粉末用于防止折疊在組件內的氣囊自身粘結，有助于充氣時膨脹，充氣后生成的微量氫氧化鈉粉末與空氣中水分相互作用，很快生成碳酸鈉和碳酸氫鈉（小蘇打）。皮膚或眼睛如與沉淀物接觸，可能有短時間刺激感，但不會對健康產生危害。發生碰撞事故時，氣囊爆開所充氣體為對人體無害的氮氣或惰性氣體。
（2） 氣囊充氣后駕駛汽車
氣囊充氣后，人體碰壓使其很快泄氣，只要汽車仍然能行駛，駕駛員就能繼續操縱帶有癟氣囊的轉向盤。顯然，在這種情況下行駛是危險的，只能在應急時這樣做，而且應盡快把車送到修理廠去。
（3） 氣囊充氣對眼鏡的損壞
由于乘員與充氣氣囊相碰，可能使眼鏡架折彎、損壞甚至斷開，造成面部輕傷，但眼鏡片不會破碎或傷及眼睛。
（4） 氣囊充氣的聲音
氣囊充氣時的聲音很響，但持續時間極短，以致大多數乘員都沒注意到。因為實際碰撞的聲音幾乎完全淹沒了氣囊充氣的噪音。在試驗和實際使用中，從未有任何乘員聽力受損的報導，氣囊充氣后，有時乘員的耳內有鳴響，此情況很快就會消失。
（5） 在裝有氣囊的車室內放置物品
在氣囊的前方、上方或近處放置的任何物品都有可能防礙氣囊充氣或被拋射出去，因此發燒友對車室內附件進行改裝時，應遵照汽車廠的規定，避免有障礙物擋住氣囊爆開范圍，否則會影響氣囊工作。
（6） 碰撞損壞汽車上的氣囊
如果在由于碰撞而嚴重損壞的汽車上有未引爆充氣的氣囊，那么可能該氣囊的電路系統被損壞，以致沒有電信號傳給氣體發生器，此時應盡量請售后服務人員進行拆卸，如必須移動車輛，應首先斷開電源線再移動車輛。
（7） 氣囊系統的更換
在碰撞后可修復的汽車上，必須更換已充過氣的氣囊系統。任何氣囊系統都是與某一特定車型的碰撞特性及乘員艙尺寸相匹配的，因此，必須由專業人員更換專門為該車型設計的氣囊系統。
五、安全氣囊技術的新發展
隨著車輛的不斷增加，如何更好的保護人類生命安全已成為新一代安全系統的研究課題，人們對汽車被動安全裝置特別是新型智能化安全氣囊的開發對新技術提出了更高的要求。今后，在設法增加乘員的保護部位(例如下肢和頸部等)，減小氣囊的體積和重量，優化氣囊的充氣速率、折疊方式和最佳觸發時刻的同時，更應努力解決好轉向柱、座椅、頭枕、內飾件、車身結構、吸能塑性保險杠、風窗玻璃、安全帶和安全氣囊等各部件防碰撞特性的協調與互補問題，才能進一步將安全氣囊智能化程度的研究工作逐步推向研制智能乘員保護系統的新階段，這也是智能化安全系統未來研究的主要方向。