智能化安全气囊的研究

一、 前言
安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。安装了安全气囊装置的轿车方向盘，平常与普通方向盘没有什么区别，但一旦车前端发生了强烈的碰撞，安全气囊就会瞬时间从方向盘内“蹦”出来，垫在方向盘、座椅、车辆侧壁与驾驶者、乘员之间，防止乘员的头部、胸部和腿部撞击到方向盘、仪表板或车辆硬壁等硬物上，这种奇妙的装置自从面世以来，已经挽救了数以万计的性命。安全气囊从取得专利到应用推广，已走过了三十多年的时间，从机械式到电子式，如今智能化安全气囊的需求又被纳入到新一代安全技术研发之中。
二、 安全气囊的作用
在乘员使用安全带的情况下，气囊有助于减轻胸、头和面部在碰撞时受伤的严重性。在汽车发生前碰撞时，首先是汽车要停止运动，车内乘员的惯性力作用下仍以原来速度继续向前运动，驾驶员、乘员将会与转向盘、前挡风玻璃、汽车四壁相碰，因而可能受到严重伤害；佩戴安全带的乘员将在安全带的作用下，随着汽车停止运动而逐渐停止向前运动。但当碰撞来重时，乘员向前运动更快，既使佩戴了安全带，在安全带使乘员完全停止运动前，他们仍会与车内物相碰。如果此时装在车内的安全气囊气囊充气弹出，它就可以有效保护乘员减少其与车内物相碰的可能性，更均匀地分散头、胸的碰撞力，吸收乘员的运动能量，从而起到补充安全带效果的作用。因此气囊主要在缓冲前碰撞或近似前碰撞严重性方面，进行有效的补充性保护。
三、 智能化安全气囊技术系统的研究

安全气囊的智能化发展，将集成先进的传感器技术和信息处理系统，它们在事故发生的短暂时间内能够提供可靠的碰撞环境方面的信息。这些信息包括汽车碰撞的剧烈程度，碰撞的形式(包括正碰撞、侧碰撞、翻滚等)，乘员的身材、体重、乘坐位置和乘坐姿态，以及乘员是否系有安全带等。智能安全气囊系统根据探测到的信息，通过其电子控制系统的计算分析，决定安全气囊何时及以何种程度展开，从而对乘员提供最优化的保护。新一代安气囊系统将由多种电子传感器、中央控制器、探测设备、智能化信息处理系统、多气囊、多安全带预紧器和接头等组成。
1、系统主要部件包括：
(1) 探测设备
目前在智能化安全气囊研制过程中，对乘员的状态识别是研究的新方向，因为中央控制器只有准确的采集到了车辆碰撞参数和乘员的身材、体重、乘坐位置和乘坐姿态等状态，才能更好的发出点火指令，乘员识别包括压力分布称重座椅+红外线探测传感器（或光学镜头传感器）和超声波测距传感器，由压力分布称重座椅测量乘员的重量、乘座位置，由红外探测传感器或光学镜头加超声波测距传感器测量司机与方向盘，乘员距离座椅、仪表板、车辆侧壁之间的距离和乘员类别来确定乘员的真实状态；由于探测设备采用了大量的传感器，因此对信号的处理工作将增加难度，同时对智能化安全系统的可靠性和使用寿命也提出了新的挑战。
(2) 多种电子传感器
智能化安全气囊的电子部分将增加大量的传感器，需由新型高性能的位置传感器、安全带检测传感器、测距传感器、红外探测传感器等加上传统的加速度传感器、速度传感器、压力传感器等才能实现其智能化的要求。
(3)中央电子控制器
电子控制器包括引爆控制电路、驱动电路、储存电路和诊断电路等它们都集中装在中央控制器上。新型智能化安全气囊控制系统需开发能适应不同碰撞强度的多极点火系统，能采取不同的点火展开策略，能根据碰装条件和接收到的乘员状态信息调节气囊的工作性能。通过掌握探测到的信息，中央控制器才能根据每个乘员的具体需要，利用本身固有的灵活性，确定安全气囊的触发时刻及展开强度，实现最佳的乘员保护效果，诊断电路不断地分析和诊断气囊系统的各种故障，将这些故障编码储入储存电路，驱动电路使仪表盘上的气囊警告灯开始闪烁，以确定安全气囊随时处于有效工作状态。
（4）安全带预紧装置
安全气囊和安全带配合使用，能够更好的发挥其保护作用，目前汽车上安装的大部分是普通安全带，在智能化安全气囊系统中，开发出了新型限力式、预紧式安全带，限力式安全带可减少撞击时的冲击力，而预紧式安全带可感知碰撞信号的强弱从而使得原来松跨在乘员身上的安全带瞬时拉紧，以减少冲击力。因此预紧式安全带是当前智能化安全系统的重要组成部分。
（5）辅助电源
辅助电源由直流稳压器和电容储能器组成。直流稳压器能保证供给系统电压的恒定性，使系统能正常工作而不发生失效引爆事故。它是一种带比较、放大和调节动能的集成稳压装置。电容储能器是利用电容储存电能，在冲撞中发生电源中断时，担负起气囊系统的电源作用，避得失效引爆事故。
2、系统工作原理
在汽车行驶中，通过各探测设备和传感器感应到的信息，中央控制器不断将车辆不同部分变化的信息输入到电子控制器模块，经电子控制器不断地计算、分析、比较和判断，并随时准备发出指令。当碰撞信号低于气囊点火阀值时，安全传感器向电子控制器输入撞车信号，并发出引爆安全带预紧器电点火装置的指令，而中央传感器发出的信号不能使电子控制器发出引爆气囊电点火装置的指令。所以，在低速(减速度较小)冲撞时，只要预紧器向后拉紧安全带，就足以保护驾乘人员不撞向前方。在高速(减速度较大)冲撞时，中央传感器通过探测传感器等分析车内乘员的重量、乘作位置、乘员类别，确定各气囊的张开程度，同时向电子控制器输入冲撞信号，电子控制器在迅速判断后发出指令，引爆安全带预紧器和多气囊的电点火装置。安全带向后拉紧的同时，气囊张开，吸收驾乘人员因减速度大而产生的冲撞能量，有效地保护他们的安全。
从发生冲撞、传感器发出信号到控制器判断引爆电点火装置，大约需要10ms时间。引爆后，气体发生器产生大量气体，迅速吹胀气囊。从发生冲撞到气囊形成，进而到安全带拉紧，全过程所需时间为30-35ms，所以气囊系统的保护效果是非常好的。当气囊引爆后，由于产生的气体大量涌进气囊，使气囊的压力增高，不利吸收冲撞能量，所以，在气囊的后面有2个排泄压力的气体排放孔，有利于保护驾乘人员的安全。由于汽车发生碰撞事故的瞬间是非常短促的，因此智能化安全气囊的研究要求各传感器发出的信号必须准确、有效，中央控制器的分析、计算、处理必须及时、正确。
四、 使用中的问题
由于安全气囊只有在车辆出现事故时才会出现，其神秘性作为普通车辆用户而言可谓可望而不可及，因此多方面的了解、认识安全气囊的基本原理、构造，并且正确的使用、维护才能真正发挥其有效的保护作用。
（1） 烟和粉末
气囊充气时不会燃烧或破裂，由于化学反应而产生烟和粉末状残渣，其成分大部分是滑石粉与钠的化合物，对人体无害。这些粉末用于防止折叠在组件内的气囊自身粘结，有助于充气时膨胀，充气后生成的微量氢氧化钠粉末与空气中水分相互作用，很快生成碳酸钠和碳酸氢钠（小苏打）。皮肤或眼睛如与沉淀物接触，可能有短时间刺激感，但不会对健康产生危害。发生碰撞事故时，气囊爆开所充气体为对人体无害的氮气或惰性气体。
（2） 气囊充气后驾驶汽车
气囊充气后，人体碰压使其很快泄气，只要汽车仍然能行驶，驾驶员就能继续操纵带有瘪气囊的转向盘。显然，在这种情况下行驶是危险的，只能在应急时这样做，而且应尽快把车送到修理厂去。
（3） 气囊充气对眼镜的损坏
由于乘员与充气气囊相碰，可能使眼镜架折弯、损坏甚至断开，造成面部轻伤，但眼镜片不会破碎或伤及眼睛。
（4） 气囊充气的声音
气囊充气时的声音很响，但持续时间极短，以致大多数乘员都没注意到。因为实际碰撞的声音几乎完全淹没了气囊充气的噪音。在试验和实际使用中，从未有任何乘员听力受损的报导，气囊充气后，有时乘员的耳内有鸣响，此情况很快就会消失。
（5） 在装有气囊的车室内放置物品
在气囊的前方、上方或近处放置的任何物品都有可能防碍气囊充气或被抛射出去，因此发烧友对车室内附件进行改装时，应遵照汽车厂的规定，避免有障碍物挡住气囊爆开范围，否则会影响气囊工作。
（6） 碰撞损坏汽车上的气囊
如果在由于碰撞而严重损坏的汽车上有未引爆充气的气囊，那么可能该气囊的电路系统被损坏，以致没有电信号传给气体发生器，此时应尽量请售后服务人员进行拆卸，如必须移动车辆，应首先断开电源线再移动车辆。
（7） 气囊系统的更换
在碰撞后可修复的汽车上，必须更换已充过气的气囊系统。任何气囊系统都是与某一特定车型的碰撞特性及乘员舱尺寸相匹配的，因此，必须由专业人员更换专门为该车型设计的气囊系统。
五、安全气囊技术的新发展
随着车辆的不断增加，如何更好的保护人类生命安全已成为新一代安全系统的研究课题，人们对汽车被动安全装置特别是新型智能化安全气囊的开发对新技术提出了更高的要求。今后，在设法增加乘员的保护部位(例如下肢和颈部等)，减小气囊的体积和重量，优化气囊的充气速率、折叠方式和最佳触发时刻的同时，更应努力解决好转向柱、座椅、头枕、内饰件、车身结构、吸能塑性保险杠、风窗玻璃、安全带和安全气囊等各部件防碰撞特性的协调与互补问题，才能进一步将安全气囊智能化程度的研究工作逐步推向研制智能乘员保护系统的新阶段，这也是智能化安全系统未来研究的主要方向。