氣囊的發(fā)展與應用

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要1汽車安全氣囊概況\o"CurrentDocument"1.1汽車安全氣囊發(fā)展史31.2汽車安全氣囊與安全帶的比較4\o"CurrentDocument"1.3汽車安全氣囊的工作原理及結構7\o"CurrentDocument"1.4安全氣囊系統(tǒng)的分類12\o"CurrentDocument"1.5安全氣囊的控制算法12\o"CurrentDocument"汽車安全氣囊的應用21\o"CurrentDocument"2.1安全氣囊的缺點21\o"CurrentDocument"2.2安全氣囊的正確使用21汽車安全氣囊的改進和引用223.1磁電式傳感器的采用分析22\o"CurrentDocument"3.2智能化控制系統(tǒng)的采用22\o"CurrentDocument"3.3成員探測系統(tǒng)的選擇23\o"CurrentDocument"3.4氣體發(fā)生器的多元化發(fā)展23\o"CurrentDocument"3.5可分級充氣或釋放壓力裝置的采用23\o"CurrentDocument"汽車安全氣囊的發(fā)展趨勢24\o"CurrentDocument"4.1安全氣囊的智能化24\o"CurrentDocument"4.2安全氣囊的小型化244.3環(huán)境保護型安全氣囊24\o"CurrentDocument"4.4安全氣囊的虛擬技術化254.5安全氣囊的保護全方位化254.6正在發(fā)展的安全氣囊25\o"CurrentDocument"總結26\o"CurrentDocument"參考文獻26摘要隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車的行駛速度越來越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車的安全性就變得尤為重要。以此汽車的安全也就隨之產生，隨后很快的出現(xiàn)了一系列的汽車安全系統(tǒng)。汽車的安全性分為主動安全和被動安全兩種，主動安全是指汽車防止發(fā)生事故的能力，被動安全是指在萬一發(fā)生事故的情況下，汽車保護乘員的能力。當汽車發(fā)生事故時，對乘員的傷害是在瞬間發(fā)生的。為了在這樣短暫的時間中防止對乘員的傷害，必須設置安全裝備，目前主要有安全帶、防撞式車身和安全氣囊防護系統(tǒng)(SupplementalInflatableRestraintSystem，簡稱SRS)等。安全氣囊作為被動安全性的研究成果，由于使用方便，效果顯著，造價不高，得到了迅速的發(fā)展和普及?，F(xiàn)在，世界上許多汽車制造廠及專業(yè)生產廠都在設計和生產安全氣囊。今天的氣囊已經發(fā)展到可以在任意方向的碰撞中(包括側向碰撞)起保護乘員頭部、軀干和膝部的作用。此外還會向智能化、小型化、多樣化、無污染的方向發(fā)展的趨勢。關鍵詞：安全氣囊，技術，應用，發(fā)展車輛是現(xiàn)代道路交通的主要運行工具，是道路交通系統(tǒng)的重要組成元素，也是人們生命安全的重要把保證要素。隨著經濟技術的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市化的發(fā)展和科學技術水平在交通運輸領域中的應用，汽車已在全球范圍內迅速普及，并成為人類社會經濟生活不可缺少的工具，交通的進步與發(fā)展給人類帶來了數(shù)不盡的生活便利、經濟效益和社會繁榮，但也給道路帶來很大的壓力和問題，交通工具的使用導致交通事故的頻繁發(fā)生也給人類帶來災難，使人類蒙受了難以計數(shù)的損失，交通事故已成為當今社會的一大公害。在許多國家，由交通事故引起的人員傷亡數(shù)比火災、水災和意外爆炸等事故造成的傷亡總數(shù)和還要大得多。從經濟損失方面看也是如此，中國的火災經濟損失只相當與交通事故經濟損失的10%，因此，為了更大限度地減少經濟損失、人員傷亡、事故次數(shù)等，人們通常會對汽車的車身結構、安全帶、制動性、轉向性等方面進行考慮、改進和設計，以減輕乘員傷害的各個部件著手，已得到最佳的乘員保護效果。本文正是以此為出發(fā)點來談談安全氣囊對對車上乘員的保護及其發(fā)展與應用的。1、汽車安全氣囊概述發(fā)生交通事故時，汽車不可避免的要發(fā)生碰撞。汽車發(fā)生碰撞全過程分為兩個階段：沒有人參與的汽車與汽車或汽車與障礙物之間的碰撞作為碰撞的第一階段。碰撞第一階段必然導致汽車產生減速度，車內人員由于慣性就會以一定的加速度向撞擊發(fā)生的方向運動，如果這個加速度足夠大，將造成人員與車內構件相碰，把這個碰撞叫碰撞的第二階段，即傷人階段。安全氣囊的作用即在碰撞的第一階段和第二階段之間，迅速在車內人員與汽車構件之間產生一個充滿氣體的氣墊，在碰撞過程中通過氣囊的阻尼排氣等過程吸收乘員的動能，使碰撞的第二階段得以減緩，以減輕碰撞對人員的傷害程度。安全氣囊屬于汽車乘員“被動安全性保護裝置”。其中安全帶在被動保護過程中起主要作用，而安全氣囊屬于輔助約束系統(tǒng)(SupplementalRestraintSystem)，艮口SRSO氣囊做為車身被動安全性的輔助配置，日漸受到人們的重視。當汽車碰撞后，乘員與車內構件尚未發(fā)生“二次碰撞前”迅速在兩者之間打開一個充滿氣體的氣墊，使乘員因慣性而移動時“撲在氣墊上”從而緩和乘員受到的沖擊并吸收碰撞能量，減輕乘員的傷害程度。1.1汽車安全氣囊發(fā)展史1.1.1國外汽車安全氣囊的發(fā)展安全氣囊的使用已有近30年的歷史，它對減少撞車傷亡有不可替代的作用。美國“高速公路安全保險機構”的報告指出，裝有安全氣囊的汽車在撞車時，死亡人數(shù)減少了23%。1953年8月，John.W.He.Trick首次提出了“汽車用安全氣囊防護裝置”，并獲得了題為“汽車緩沖安全裝置”的美國專利。60年代末，美國高速公路行車安全管理局（NHTSA）開始顧慮汽車廠商發(fā)展安全氣囊。70年代，世界各國的綜合力量使安全氣囊的研究與發(fā)展進入了一個全新的發(fā)展階段。1984年，NHTSA在著名的“聯(lián)邦機動車安全標準”FMVSS（FederalMotorVehicleSafetyStandard）208條《乘員碰撞保護》中增加了安裝氣囊的要求，這為安全氣囊的發(fā)展和使用提供了一個明確的法則及指導方向。1993前后，美國政府立法規(guī)定從1995年9月1日以后制造的轎車前排座均應裝備安全氣囊。另外，還要求1998年以后的新轎車都裝備駕駛者和乘客用的安全氣囊。進入90年代以來，安全氣囊的安全性已經被人們普遍接受，并被視為一種現(xiàn)代化和高檔次的安全裝置。1.1.2國內汽車安全氣囊的發(fā)展我國對汽車安全氣囊的研究起步較晚，上個世紀80年代末我國的一些汽車碰撞安全和軍工專家才開始關注汽車安全氣囊的研究和發(fā)展。隨著世界汽車進軍我國，我國的汽車工業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展契機。1992年，我過自行研制的FS-01安全氣囊通過撞車試驗。我國的政策法規(guī)也對我國汽車工業(yè)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展空間。在我國“九五”規(guī)劃期間和“十五”規(guī)劃中，國家經貿委和汽車行業(yè)將安全氣囊列為我國汽車零配件三大重點發(fā)展項目（電子噴油系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)）之一，尤其是在1999年10月28日，國家機械工業(yè)局發(fā)布《關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則》（CMVDR294）。CMVDR294的發(fā)布間接地對汽車配置安全氣囊提出了新的要求，是中國安全氣囊發(fā)展史上的一個進步，同時也對安全氣囊的研究與發(fā)展指明了正確的方向和注入了新的活力。2000年以來，我國安全氣囊市場需求平均每年都有超過200%的速度在增長。到2007年，我國80%以上的安全氣囊組件將實現(xiàn)本地化生產。目前，我國安全氣囊零部件ECU、氣體發(fā)生器、氣袋、布料的國內采購率只有5%左右，氣囊組件配套還有很大的發(fā)展空間。1.2安全帶與安全氣囊的比較汽車被動性安全裝置主要有安全帶和安全氣囊。實驗表明安全帶對乘員有良好的約束力，可以防止乘員被慣性力甩離座位，并且在汽車發(fā)生碰撞時能夠吸收由慣性力所產生的大部分能量。但在汽車碰撞實驗分析中，發(fā)現(xiàn)安全帶對乘員，特別對駕駛員的頭部、胸部以及膝部所能提供的保護是很薄弱的。而安全氣囊則對駕駛員頭部、胸部以及膝部的保護效果特別明顯，大大地減少了乘員的死亡率和減輕了乘員的損傷程度。值得指出的是，安全氣囊只是輔助保護系統(tǒng)，需要佩帶安全帶才能起到預想的保護效果。交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，“三點式安全帶+安全氣囊”的防護效果最好，其有效保護率高達60%；僅使用安全帶的情況下，有效保護率為43?49%；而僅使用安全氣囊，有效保護率急劇下降到18%。引用上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)有助于我們消除兩個誤區(qū)：第一安全氣囊不是萬能的；第二佩帶安全帶十分重要?，F(xiàn)在人們的統(tǒng)一認識是：必須通過強制措施提高安全帶的佩帶率；在低速碰撞中，安全氣囊的展開反而會增加意外傷害的可能性而降低保護效果；在中等或嚴重程度的碰撞事故中，安全氣囊對乘員有明顯的保護作用。一般說來，車內乘員如果未系安全帶的話，在速度為20km/h左右的固定壁障碰撞中就會受到嚴重傷害;而系了安全帶的乘員，在30km/h的固定壁障碰撞中才會受到嚴重傷害。下圖1-1為安全帶與安全氣囊對駕駛員和乘員的安全防護作用的比較。項目安全帶系統(tǒng)安全氣囊系統(tǒng)安全保護范給乘員提供各種碰撞事故和翻滾事故的汽車發(fā)生嚴重的正面碰撞和側面碰撞時，對乘員圍全方位的保護提供頭部和胸部有效的保護設備的可靠性可以隨時對系統(tǒng)的零部件故障進行檢查靠診斷裝置進行一般故障檢查，但無法進行系統(tǒng)零部件的無損檢查設備的方便要佩帶和解開安全帶，即使采用自動安乘員無任何約束，但在汽車發(fā)生碰撞時，乘員可性全，對乘員的行動有很大的約束，可以防止乘員從座位上甩出，乘員的碰撞范圍較小能會甩出座椅，在很大的范圍內與車內裝備發(fā)生碰撞維修的方便性安裝、維修、更換都很方便維修較復雜，若零部件出現(xiàn)大是故障時，則需要更換全套安全氣囊系統(tǒng)使用的普及性及成本普及容易，成本低廉，不需要提高汽車總價在普及駕駛員和前排座安全氣囊，并作為汽車標準安裝，但造價高。其他形式的安全氣囊暫時為選裝件發(fā)展方向電子控制安全帶預收緊（與安全氣囊電子控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制）全方位、多個氣囊的電子控制的安全控制系統(tǒng)，智能安全控制系統(tǒng)表1-1安全帶與安全氣囊對駕駛員和乘員的安全防護作用的比較為了實現(xiàn)安全氣囊的可控制充氣過程，設計了有阻尼作用的氣囊。在氣囊的內表面縫制阻尼帶，引導安全氣囊在展開時，加速向側面膨脹，以避免安全氣囊自由地展開。或采用其他方式對高壓氣體產生阻尼作用。在氣囊的背面設置排氣孔和排氣縫隙，或設置一些通氣孔，來減少固體燃料爆炸時的壓力，緩和對乘員的沖擊力。氣囊在充氣后，在排氣孔和排氣縫隙，或通氣孔不斷地排出高壓氣體的過程中，吸收碰撞時的能量，直到氣囊完全癟塌為止。在氣體發(fā)生器總成中，過濾裝置起過濾和冷卻作用，防止高溫氣體灼傷乘員，并防止燃燒中的微粒子彈出，造成對乘員的侵害。1.3汽車安全氣囊的工作原理及結構1.3.1汽車安全氣囊系統(tǒng)的組成及作用安全氣囊系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器（ECU）、氣體發(fā)生器和氣囊等主要部件組成。傳感器和微處理器用以判斷撞車程度，傳遞及發(fā)送信號；氣體發(fā)生器根據(jù)信號指示產生點火動作，點燃固態(tài)燃料并產生氣體向氣囊充氣，使氣囊迅速膨脹。氣囊裝在方向盤轂內緊靠緩沖墊處，其容量約50至90升不等，做氣囊的布料具有很高的抗拉強度，多以尼龍材質制成，折疊起來的表面附有十粉，以防安全氣囊粘著在一起在爆發(fā)時被沖破；為了防止氣體泄漏，氣囊內層涂有密封橡膠；同時氣囊設有安全閥，當充氣過量或囊內壓力超過一定值時會自動泄放部分氣體，避免將乘客擠壓受傷，氣囊中所用的氣體多是氮氣。SRS中電控系統(tǒng)中的傳感器，有碰撞強度傳感器和防護碰撞傳感器，其功能都是檢測車輛發(fā)生碰撞時的慣性力或減速度值，并把信號傳輸給ECU。所不同的是，碰撞強度傳感器是用來檢測車輛發(fā)生碰撞時所受碰撞的激烈程度，其信號是供系統(tǒng)的控制單元判斷是否引爆點火劑而使氣體發(fā)生劑給氣囊充氣；而防護碰撞傳感器則是防治碰撞強度傳感器短路而導致安全氣囊誤膨開，其信號是供控制單元判斷是否發(fā)生碰撞。ECU為一獨立安裝的控制系統(tǒng)，它不與其他系統(tǒng)的控制單元合用，其功能是接受個傳感器發(fā)來的信號并判斷是否引爆使氣囊膨開。1.3.2安全氣囊系統(tǒng)的工作原理圖1-2安全氣囊的爆炸過程圖1-3氣囊的工作原理1.3.3傳感器的工作原理在安全氣囊控制系統(tǒng)中，普遍采用了傳感器來感知汽車在發(fā)生碰撞時的信號，檢測汽車在發(fā)生碰撞時的碰撞強度，一旦碰撞強度達到或超過設計所允許的強度后，各個傳感器立即起作用，同時產生和輸出一系列被碰撞的信號，這些碰撞信號傳輸給中央電子控制器，由中央電子控制器中的微處理器來進行處理和判斷，決定是否引爆安全氣囊。汽車安全氣囊控制系統(tǒng)中所采用的傳感器，主要類型為慣性加速度傳感器，正常情況下，依靠彈性元件使傳感器保持在斷開狀態(tài)，當汽車發(fā)生碰撞時，慣性元件克服彈性元件的阻力，使傳感器立即被接通并產生碰撞信號。按照碰撞傳感器的功能和使用情況不同，傳感器可分為碰撞傳感器、中央傳感器和安全傳感器等。碰撞傳感器可以裝在汽車的前部和側面，通過直接感知碰撞作用力或從車身結構件的變形，來檢測汽車在發(fā)生碰撞時的碰撞強度。中央傳感器是用來檢驗和判斷由傳感器輸入的碰撞信號。安全傳感器則起著保險作用，可以防止在汽車緊急制動、跨越凹坑或低于規(guī)定強度等條件時，因產生強烈振動而引起的“誤判”。幾乎所有的傳感器對溫度都非常敏感，必須保證傳感器能夠在相當大的溫差范圍內都能夠正常穩(wěn)定地工作，保證其可靠性。另外傳感器應盡量地布置在溫度變化較小的部位，或采取一定的隔熱措施。傳感器的信號判別電路由三部分組成：信號幅度判別電路；信號寬度判別電路；有用、無用信號判別電路。通過對碰撞信號進行多方位的判別，可使控制裝置獲取的碰撞信號更全面，發(fā)出的點火控制更準確，從而確保安全氣囊在必要的情況下展開。碰撞傳感器主要有三種：類機械式傳感器在早期的安全氣囊中使用較多，主要應用慣性原理，利用傳感器中元件的慣性力克服彈簧力來觸發(fā)氣體發(fā)生器。機械式在加速度較低時保證不啟動氣囊，可靠性較高，但只能單點傳感，對機械部件的品質、精度和耐磨性要求極高。電子式傳感器是一種應用最早的碰撞傳感器，根據(jù)電子原理，利用電信號來反映車身減速度，而后根據(jù)電信號來判別是否展開緩沖氣囊。機電式傳感器采用機電結合的方式，將機械信號轉化為電子信號，再利用電子信號點爆安全氣囊。即具有機械式的優(yōu)點，又能克服機械式傳感器本身存在的缺陷，安裝在車身上任何位置，以便得到較好的減速信號，而且能夠在同一位置安裝多個傳感器。雖然安全氣囊在結構上會有所不同，但其工作原理基本一致。汽車行駛過程中，傳感器系統(tǒng)不斷向控制裝置發(fā)送速度變化（或加速度）信息，由控制裝置（中央控制器）對這些信息加以分析判斷，如果所測的加速度、速度變化量或其它指標超過預定值（即真正發(fā)生了碰撞），則控制裝置向氣體發(fā)體發(fā)生器發(fā)出點火命令或傳感器直接控制點火，點火后發(fā)生爆炸反應，產生N2或將儲氣罐中壓縮氫氣釋放出來充滿碰撞氣袋。乘員與氣袋接觸時，通過氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達到保護乘員的目的。圖1-4動圈式磁電傳感器的工作原理傳感器結構如圖1-4所示，它由外殼（非磁性材料）、磁性材料、慣性體（非磁性材料）、連接在慣性體上的軟鐵、支持和調節(jié)位移幅值的彈簧、安裝在與外殼連接的凸柱內的永久磁鐵和繞制在軟鐵上的線圈及引線組成。當傳感器受到碰撞加速度時，慣性體產生反向加速度，導致通過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈引線兩端產生鐘形脈沖信號，當調整彈簧剛度時，可改變加速度信號的寬度。1.3.4安全氣囊的工作過程安全氣囊的作用過程如下：碰撞一碰撞傳感器一電子控制器一（電脈沖）一氣體發(fā)生器一氣囊展開一乘員保護。汽車發(fā)生正面碰撞時駕駛員的安全氣囊展開過程如圖1-5所示（其中具體時間與多種因素有關，圖示時間僅供參考），從汽車開始碰撞計時：0?10ms:在汽車特定的敏感部位處，安裝碰撞傳感器。碰撞傳感器受到足夠的碰撞沖量作用時，在10ms的瞬間內，將觸發(fā)信號輸送到中央電子控制器。10?20ms:在中央電子控制器中，主要有對安全氣囊系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制的微處理器，能夠對傳感器輸入的觸發(fā)信號立即進行計算、比較和判斷。如果碰撞沖量超過預先的設定值，中央電子控制器立即釋放一個電脈沖火花，使氣體發(fā)生器中的雷管急速爆炸。20?60ms:雷管的爆炸擊穿氣體發(fā)生器的燃料盒，將固定燃料點燃并產生高溫、高壓氣體（氮氣），快速地經過濾器過濾冷卻后沖入安全氣囊。氣囊在20?60ms內張開達到最大容積，在乘員與車內裝備之間形成一個氣墊。在同一瞬間，乘員因慣性力的作用，可能向前沖出150?200mm，頭部、臉部和胸部正好與迎面而來的氣囊相接觸。但高壓氣囊膨脹的能量，會把乘員“回彈”到座椅上，使得乘員身體受到一定損傷。60?100ms：與此同時，裝在氣囊后面的排氣孔打開，氣囊泄氣并收縮。由氣體的阻尼作用，吸收了碰撞的能量，緩解了氣囊對乘員頭部和臉部的壓力，使乘員陷入較柔軟的氣囊中。由于安全氣囊將乘員與車內裝備隔開，而使得乘員得到保護。最后氣體全部從排氣孔排出，氣囊癟下。圖1-5汽車正面碰撞時安全氣囊發(fā)生作用的過程示意圖整個碰撞安全氣囊展開對乘員的安全保護過程，大約60?100ms。安全氣囊展開進行保護的過程，是一種不可逆的過程，在完成保護過程后，必須重新安裝安全氣囊控制器和安全氣囊總成。一般來說，車輛的輕微碰撞不會使氣囊打開。只有在車輛正面一定角度范圍內碰撞才能使氣囊打開。安全氣囊打開需要合適的速度和碰撞角度。從理論上講，只有車輛的正前方左右大約60°之間位置撞擊在固定的物體上，速度高于30KM/h，這時安全氣囊才可能打開。這里所說的速度不是我們通常意義上所理解的車速，而是在試驗室中車輛相對剛性固定障礙物碰撞的速度，實際碰撞中汽車的速度高于試驗速度氣囊才能打開。后碰，側碰，翻轉都不會引發(fā)氣囊打開。安全氣囊同樣也有它不安全的一面。據(jù)計算，若汽車以60km的時速行駛，突然的撞擊會令車輛在0.2秒之內停下，而氣囊則會以大約300km/h的速度彈出，而由此所產生的撞擊力約有180公斤，這對于頭部、頸部等人體較脆弱的部位就很難承。因此，如果安全氣囊彈出的角度、力度稍有差錯，就有可能釀出一場“悲劇”。需要強調的是：安全氣囊只是起到輔助作用。在不系安全帶的情況下安全氣囊不但不能對乘員起到防護作用，還會對乘員有嚴重的殺傷力。安全氣囊的爆發(fā)力是驚人的，足以擊斷駕駛者的頸椎。因此，系好安全帶是安全氣囊發(fā)揮保護作用的一個重要條件。1.3.5控制系統(tǒng)的組成與原理（1）控制系統(tǒng)的組成安全氣囊的中央電子控制器（ElectronicControlUnit）是以微處理器為核心的控制系統(tǒng)。不同的國家、不同的汽車生產廠家以及研究部門，在不同時期、不同的車型上，開發(fā)和設計了多種多樣的中央電子控制器，隨著技術的不斷進步，中央電子控制器也不斷地改進和完善。安全氣囊中央電子控制器一般由微處理器，信號輸入輸出系統(tǒng)，安全氣囊系統(tǒng)電源，警告和診斷系統(tǒng)輔助組件構成汽車安全氣囊控制系統(tǒng)是由傳感器和電子控制器所組成，如下圖1-6：控制系統(tǒng)模塊氣囊組件模塊圖1-6控制系統(tǒng)的組成（2）控制系統(tǒng)的控制原理其控制原理如下：安全氣囊控制系統(tǒng)的動作信號是由碰撞傳感器、中央傳感器和安全傳感器來產生，然后由中央電子控制器來判斷各個傳感器輸入的信號。安全氣囊的引爆過程是根據(jù)運動學的規(guī)律，用力學方法對碰撞加速度強度進行計算，確定碰撞加速度強度的平均值，儲存在中央電子控制器的微處理器中。中央電子控制器接收到碰撞傳感器的信號，并經過與微處理器中儲存的加速度平均值相比較和認定，如果達到或超過儲存加速度平均值，中央電子控制器才能發(fā)出電脈沖來引爆安全氣囊。避免了由于汽車緊急制動、通過不平路面以及通過溝塹時產生的強烈振動，發(fā)生“誤爆”而引起不良的后果?；嘯-0^-1電溟點生亍慵布安全慘臨罪號會員I如引發(fā)游!放大對，博波雄酸處坦器［包括ROM.RAM,EEPRDM,定時器，點大電ift:.點大電路￡」只美限壓帽質ECU鋪|嶺我■瀚訊援口依氐埔人（包君側試）A'iff節(jié)器塹時產生的強烈振動，發(fā)生“誤爆”而引起不良的后果?；嘯-0^-1電溟點生亍慵布安全慘臨罪號會員I如引發(fā)游!放大對，博波雄酸處坦器［包括ROM.RAM,EEPRDM,定時器，點大電ift:.點大電路￡」只美限壓帽質ECU鋪|嶺我■瀚訊援口依氐埔人（包君側試）A'iff節(jié)器圖1-7ECU的結構框圖按引爆方式分類，安全氣囊系統(tǒng)可分為機械控制式和電子控制式兩類。1.4.2按安全氣囊數(shù)量分類按安全氣囊數(shù)量分類可分為單安全系統(tǒng)，雙安全氣囊系統(tǒng)和多安全氣囊系統(tǒng)。1.4.3按保護類型分類按保護類型分類安全氣囊系統(tǒng)可分為駕駛員用安全氣囊，前排成員安全氣囊，防側撞安全氣囊和后座成員用安全氣囊。1.5安全氣囊的控制算法根據(jù)目前國內外汽車安全氣囊控制的一些主要算法，解釋了該算法中的核心內容和研究特點。在結合傳統(tǒng)方法的同時，提出了兩種新的算法一一數(shù)據(jù)融合控制算法和模式識別控制方法。汽車安全氣囊的應用拯救了許多乘員的生命。但隨著汽車的應用越來越多，氣囊錯誤彈出的情況也時有發(fā)生，這樣反而會威脅到乘員的安全，所以必須提高安全氣囊的控制性能。因此，我們也需要進一步研究氣囊控制算法。汽車安全氣囊技術發(fā)展到今天，其優(yōu)劣已經不在于是否能夠判斷發(fā)生碰撞和實現(xiàn)點火，現(xiàn)代的安全氣囊控制的關鍵在于能夠在最佳時間實現(xiàn)點火和對于非破壞性碰撞的抗干擾。只有實現(xiàn)最佳時間點火，才能夠更好的保護駕駛員和乘客。最佳時間的確定在于當汽車發(fā)生碰撞的過程中，乘員向前移動接觸到氣囊，此時氣囊剛好達到最大體積，這樣的保護效果最好。如果點火慢了，則乘員在接觸氣囊的時候，氣囊還在膨脹，這樣會對乘員造成額外的傷害。如果點火快了，乘員在接觸到氣囊的時候氣囊已經可以萎縮，則氣囊不能對乘員的碰撞起到最好的緩沖作用，也就不能很好的起到對乘員的保護作用。圖1-8氣囊示意圖第二個是氣囊的可靠性問題，也就是對于急剎車、過路坎和其他非破壞性碰撞時引起的沖擊信號的抗干擾。汽車在顛簸路面上行駛或以很低速度的碰撞產生的加速度信號可能會令氣囊誤觸發(fā)，一個好的控制系統(tǒng)應該能夠很好的識別這些信號，從而在汽車產生非破壞性碰撞時不會使氣囊系統(tǒng)誤打開。第三個就是氣囊控制技術的基本指標，包括避免以下情況：①氣囊可能在很低的車速時打開。車輛在很低車速行駛而發(fā)生碰撞事故時，只要駕駛員和乘員系上了安全帶，是不需要氣囊打開起保護作用的。這時氣囊的打開造成了不必要的浪費。②當乘客偏離座位或座位上無人，氣囊系統(tǒng)的啟動不僅起不到應有的保護作用，還可能對乘客造成一定傷害。1.5.1安全氣囊點火控制的幾種算法1）加速度法該算法是通過測量汽車碰撞時的加速度（減速度），當加速度超過預先設定的閾值就彈出安全氣囊。2）速度變量法該算法是通過對汽車加速度進行積分從而得到加速度變化量，當加速度變化量超過預先設定的閾值時就彈出安全氣囊。3）加速度坡度法該方法是對加速度進行求導得到加速度的變化量作為判斷是否點火的指標。4）移動窗積分算法對加速度曲線在一定時間內進行積分，當積分值超過預先設置的閾值時，就發(fā)出點火信號。（1）移動窗積分算法下面具體介紹一下移動窗積分算法，選定以下幾個觀察量作為氣囊點火的條件指標。①汽車碰撞時的水平方向加速度（或減速度）ax。ax是直接反映碰撞激烈程度的信號，而且ax在最佳點火時刻的選取中起關鍵作用。②汽車碰撞時垂直方向的加速度ay，氣囊控制系統(tǒng)加入&）對非碰撞信號能起到很大的抗干擾作用，當汽車發(fā)生正向碰撞時，ay與ax有很大的不一致性；而當汽車受到路面干擾，例如汽車與較高的臺階直接相撞時，ay與ax有很大的一致性，可以由此來判別干擾信號。結合這幾個量，得出一個判斷氣囊點火的最佳指標。需要采樣一個時間段（從碰撞開始）ax的值，根據(jù)這一系列的值才能判斷碰撞的激烈程度。氣囊點火控制算法應在發(fā)生碰撞后20?30ms內做出點火判斷，因為氣囊膨脹到最大需要時間大概為30ms，在碰撞初速度為28.4km/h時，人體向前移動5inch到達接觸氣囊的時間大概為70ms，則目標點火時刻為70—30=40ms，所以氣囊打開應該在碰撞后的40ms時刻，所以算法必須在20?30ms內做出點火決定。這樣可以采樣碰撞后的20個加速度值(頻率是1kHZ)作為算法的輸入值。而對于垂直方向也可以如此采樣，則可得兩組值:ax(1),ax(2)ax(20)；ay(1),ay(2)ay(20)。移動窗算法中對ax的處理為(1)式:(1)圖1-9移動窗口算法小意圖其中t為當前時刻，w為時間窗寬度(采樣時間寬度)，對ax(t)進行積分，得到指標S(t，w)，當S(t，w)超過預先設定值時，則發(fā)出點火信號。寫成離散形式，如式(2)：^)=—V/5-件(2)n為當前時間點，k為采樣點數(shù)，f為采樣頻率。加上垂直加速度之后，可以提高對路面干擾的抗干擾能力，形式如式(3)：支(網)|-pmw項(3)S(n，k，p)為雙向合成積分量，n，f，k如上定義；p為合成因數(shù)，表征兩個方向加速度在合成算法中的權重。這種算法主要是考慮了汽車碰撞時的加速度因素，當加速度的積分達到一定值的時候，表示汽車的碰撞劇烈程度也到達一定值，會給乘員帶來一定傷害。而且這種算法對于判斷最佳點火時刻也是很有優(yōu)勢的，經過實驗，利用這種算法得出的點火時刻離汽車碰撞的最佳點火時刻（利用攝像得出）僅差幾毫秒，符合要求的精度。但是這種算法也有其不足，例如沒有考慮碰撞時的速度以及座位上有沒有人的因素，這樣當汽車低速運行的時候，還是有可能引起誤觸發(fā)。如果將速度和座位上是否有人的信號引入，則可以進一步減少誤觸發(fā)的機會。（2）利用數(shù)據(jù)融合提出的改進算法由上面的敘述中我們可以知道，移動窗積分算法對于氣囊彈出與否進行判斷主要是根據(jù)積分量S，現(xiàn)在我們對積分量進行一些改造，可以克服上述缺點。具體做法如下，加入以下幾個觀察量：（1）汽車碰撞時的水平方向速度v，v可以反映汽車碰撞時乘客的受傷害程度。v越大，乘客的動能就越大，碰撞時受到的傷害就越大。v是判斷氣囊是否應該打開的最直接的指標。（2）坐位上是否有乘員的信號。座位上無人時，當發(fā)生碰撞則可以不彈出氣囊，這樣做可以減少誤觸發(fā)的幾率，同時避免對其他乘員的傷害。引入函數(shù)：^=—argtan（—-3）+1汗1。，這個函數(shù)的波形為圖1-10：圖1-10函數(shù)波形圖當v超過30km/h的時候，y的值就大于1；反之就小于1。現(xiàn)在普遍采用的標準是，安全帶配合使用的氣袋引爆車速一般為低于20km/h正面撞擊固定壁時，不應點爆。而在大于35km/h碰撞時，必須點爆。在20km/h和35km/h之間屬于可爆可不爆的范圍。所以我們取v0=30km/h為標準點，這樣結合上面的移動窗積分算法提出新的S1，則S1為：TOC\o"1-5"\h\zSI=y*8=[Margtan（土_3）+1]*?。ǎ┻@樣當v>v0時，汽車點火引爆的靈敏度就比原來大了；而v<v0時，點火靈敏度就比原來小了。再引入座位是否有人信號c，有人時c=1，反之c=0。=SI=[—argtan（—-3）+1]*S*口\o"CurrentDocument"汗10（5）S'即為加入了v和^勺雙加速度合成積分量，其優(yōu)點是可以減少氣囊誤觸發(fā)的幾率，更好的保護乘員的安全。再考慮到v>v0時引爆氣囊的靈敏度不需要太大，可以適\o"CurrentDocument"argtaii（3）當調整1°的系數(shù)為1/n，此時y函數(shù)圖形如圖1-11。由圖1-11可看到，采用增加了速度函數(shù)的算法后，使到v>v0時的靈敏度適當增加，同時也有效的減少了v<v0（低速）時的誤點火幾率。這個參數(shù)可以通過大量的碰撞實驗來確定，使得點火效果最優(yōu)。（3）利用模式識別的方法提出的控制算法上述利用數(shù)據(jù)融合改進的移動窗控制算法是一種利用直觀概念進行設計的方法，采用的是實時計算得出碰撞判決指標，缺點是計算量比較大，控制系統(tǒng)的性能要求較高。如果能夠直接根據(jù)輸入進行點火判斷，則計算量會大大減少。為了減少計算量，使點火控制速度更加迅速，可以采用模式識別的方法。原理如下，在臺車碰撞試驗中采用第二節(jié)中提出的加入了速度函數(shù)的改進移動窗算法，對不同的輸入（加速度和速度）及其結果進行判斷，并將其記錄下來，得到一個數(shù)據(jù)庫。再利用模式識別的方法，結合大量的記錄，則可以求出某一車型的氣囊點火判斷的判別函數(shù)。然后在實際應用中可以利用判別函數(shù)對輸入的加速度和速度直接進行判別，對汽車狀態(tài)（氣囊彈出和氣囊不彈出）進行分類，從而大大減少計算量。圖1-11函數(shù)波形圖設計判別函數(shù)原理氣囊的彈出(w】)與不彈出(w「可歸結為通過對對象(汽車的碰撞)n組特征觀察量(a】，氣...氣，v)的判斷(這里取汽車碰撞的加速度和速度為特征觀察量)，從而對x=［氣，氣....氣，v］進行歸類。在歸類中，我們總是希望錯誤率最小，所以可以采用基于最小錯誤率的貝葉斯決策。通過對上述數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計，我們可以得到氣囊彈出的概率P(wi)，從而P(w2)=1—P(w)。1要對x進行分類，還需要類條件概率密度。p(x|w1)是氣囊彈出狀態(tài)下觀察x的類條件概率密度；p(x|w2)是氣囊不彈出狀態(tài)下觀察x的類條件概率密度。這樣我們可以算出w1和w2的后驗概率，如式(6)：^>3陰：)戶陰)(6)基于最小錯誤率的貝葉斯決策規(guī)則為：如果P(w1|x)>P(w2|x)，則把x歸類于彈出狀態(tài)w1，反之P(w1|x)<P(w2|x)，則把x歸類于不彈出狀態(tài)。把它設計成分類函數(shù)的形式，則可以直接利用分類函數(shù)進行判別。如式(7)：x是樣本向量，w為權向量，w是個常數(shù)。在實際操作中，可以通過上述數(shù)據(jù)庫中大0量的樣本來計算出w和w0。得出g(x)后，則可以對實際中檢測到的一組特征值進行評估，以決定是否引爆氣囊。二維的情況下g(x)的示意圖如圖1-12所示。圖1-12分類函數(shù)示意圖如圖1-12所示，分類函數(shù)g(x)可以將兩種狀態(tài)(引爆氣囊和不引爆氣囊)很好地區(qū)分開來，實現(xiàn)了對汽車碰撞狀態(tài)的即時判斷。而這種算法只要求系統(tǒng)進行一個查表的運算，大大減少計算量。由上可知，移動窗算法對于低速的抗干擾方面存在不足；而加入了速度函數(shù)的改進算法，能夠適當增加系統(tǒng)在高速時的靈敏度，又能減少低速時的氣囊誤觸發(fā)幾率，符合現(xiàn)代安全氣囊的控制要求；模式識別的控制算法是建立在前面正確的控制算法的基礎上，利用大量的歷史數(shù)據(jù)得出判別函數(shù)，從而直接對氣囊是否彈出進行判斷，大大減少計算量。綜上所述，本章主要介紹了汽車安全氣囊的發(fā)展過程、工作原理、控制方法及控制計算方法等，重點介紹了如何控制汽車安全氣囊的點爆時刻，從而來精確地控制汽車安全氣囊的開啟時間，從而達到減少乘客受傷的幾率。2、安全氣囊的應用安全氣囊屬于煙火類（PTI）器材，無論是裝配、儲存、使用以及運輸，都必須按照有關易燃、易爆危險品的“爆破器材法”的規(guī)定來處理。2.1安全氣囊的缺點汽車安全氣囊是20世紀汽車上的十大發(fā)明之一，但也曾因成本高、安全性能上不穩(wěn)定而倍受爭議。但任何事物都具有兩面性，安全氣囊也不例外。安全氣囊作為提高汽車安全性的有效措施之一越來越受到人們的重視。世界各國都投人大量的人力物力致力予安全氣囊的開發(fā)，使得安全氣囊系統(tǒng)得到大力發(fā)展。在一些實際的碰撞事故中證明安全氣囊確實具有降低乘員傷亡的功效，但也發(fā)現(xiàn)了其存在的一些間題和缺陷。安全氣囊在使用中存在的缺陷有：1）氣囊可能在很低的車速時打開。汽車在很低車速行駛而發(fā)生碰撞事故時，乘員和駕駛員系上安全帶即可，完全不需要安全氣囊展開起保護作用。如果這時展開氣囊反而會造成不必要的浪費，甚至還可能因安全氣囊的展開加重碰撞傷害。2）氣囊的啟動會對乘員造成傷害。安全氣囊系統(tǒng)啟動時將沖開氣囊蓋板并且在瞬間展開充氣，很可能對乘員造成沖擊；產生的灼熱氣體也會灼傷乘員和駕駛員。3）當乘客偏離座位或座位上無人或兒童乘坐時，氣囊系統(tǒng)的啟動不僅起不到應有的保護作用，還可能會對乘員造成一定的傷害。2.2安全氣囊的正確使用安全氣囊是一種一次性的安全防護裝置，不允許在裝車后進行任何試驗。汽車若無碰撞事故正常行駛長達10年時，應更換新的安全氣囊系統(tǒng)。使用時應注意:1）安全氣囊必須和安全帶配合使用。安全氣囊屬于輔助防撞安全裝置，只有和安全帶配合使用，才能獲得滿意的效果，所以駕駛員和乘員在汽車運行時必須系好安全帶。2）注意日常檢查。主要檢查各碰撞傳感器的固定是否牢固，搭鐵線部位是否清潔、連接是否可靠，方向盤轉動時是否有卡滯現(xiàn)象，以判斷方向盤內的SRS螺旋電纜是否完好。起動車輛時特別要注意觀察SRS報警燈是否自動熄滅，如果接通點火開關6s后，它依然閃爍或長亮不熄，則表示SRS系統(tǒng)有故障。在運行過程中，如果指示燈閃爍5min后長亮，也表示SRS系統(tǒng)出現(xiàn)故障。3）及時排除安全氣囊的故障，否則會產生兩種嚴重后果。一種是當汽車發(fā)生嚴重碰撞，需要安全氣囊展開起保護作用時，它卻不能工作。另一種是在汽車正常運行，安全氣囊不應工作時，它卻突然膨脹展開，給駕駛員和乘員造成不應有的意外傷害，甚至發(fā)生安全事故。4）避免高溫。安全氣囊裝置的部件應妥善保管，不要讓它承受85r以上的高溫，以免造成安全氣囊誤打開。5）避免意外磕碰和振動。安全氣囊傳感器等部件對碰撞和沖擊很敏感，因此應盡量避免碰撞和沖擊，以免造成安全氣囊不必要的突然展開。6）不要擅自改變安全氣囊系統(tǒng)及其周邊布置。不能擅自改動系統(tǒng)的線路和組件及更改保險杠和車輛前面部分結構。在方向盤和乘員側氣囊部位不可粘貼任何裝飾品和膠條，以防影響氣囊的爆開。7）乘員盡量坐后排。兒童和身材矮小的乘員在乘坐有安全氣囊的車輛時應盡量坐后排，因氣囊對他們的保護效果并不理想。8）嚴格按規(guī)范保管安全氣囊系統(tǒng)元器件。安全氣囊系統(tǒng)中有火藥、傳爆管等易燃易爆物品，必須嚴格按規(guī)范運輸、保管，否則將會造成嚴重后果。綜上所述，本章主要介紹了安全氣囊的使用方法、存在的缺點等相關知識，使得人們能進一步全面的去了解安全氣囊的優(yōu)缺點及使用方法，從而避免在使用過程中造成不必要的損失和傷害。3、安全氣囊的改進和引用3.1磁電式傳感器的采用分析傳感器的觸發(fā)通常有：開關式，純機械式，單點電子式，側撞式，應變式等。目前國際上對汽車上安全氣囊的傳感器觸發(fā)方式也沒有一個統(tǒng)一標準。不僅是因為其種類繁多，而且是因為裝于車身上不同位置的傳感器觸發(fā)方式也不同。為使傳感器能夠方便地安裝在各個需要的感應部位，使其能夠正確、適時地感應碰撞，可選用磁電式傳感器。磁電式傳感器可以安裝在車身上的任何位置，只要稍微調整一下某些參數(shù)值，使得其能夠識別峰值為0588m/s:和時間脈沖為0-20ms的碰撞加速度信號即可。只要碰撞加速度峰值和時間脈沖寬度同時滿足條件，就會向氣囊發(fā)出觸發(fā)信號，展開氣囊，對人體進行保護。3.2智能化控制系統(tǒng)的采用對安全氣囊控制系統(tǒng)的要求是準確判斷事故的碰撞強度，控制氣囊的展開與否。針對安全氣囊在使用中的缺陷，必須進一步提高控制系統(tǒng)靈活性、準確性，為此我們可以采用智能式控制系統(tǒng)。1）碰撞傳感器。安全氣囊系統(tǒng)中的重要部件，其功能是檢測、判斷汽車發(fā)生碰撞后的撞擊信號，以便決定是否展開緩沖氣囊。2）緩沖氣囊。氣囊一般由防裂性能好的聚酞胺織物制成，它是一種半硬的泡沫塑料，能承受較大的壓力；經過硫化處理，可減少氣囊沖氣膨脹時的慣性力；為使氣體密封，氣囊里面涂有涂層材料。氣囊的大小、形狀、漏氣性能是確定安全氣囊保護效果的重要因素，必須根據(jù)不同汽車的實際情況來確定。目前，安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)人員正在根據(jù)神經網絡原理開發(fā)智能型氣囊系統(tǒng)。它主要是利用神經末梢（即各種傳感器）將各自探索到的周圍環(huán)境的各種信息傳輸給中樞神經（即電腦或微機），并能將碰撞事故的碰撞類型，碰撞事故嚴重程度以及碰撞時的車速等信息一起傳遞給電腦，由電腦對這些信息進行加工處理分析，做出相應反應，并執(zhí)行與這些信息相對應的、正確的氣囊保護程序，即所謂的智能式控制系統(tǒng)。3.3乘員探測系統(tǒng)的選擇針對氣囊未能對不同的乘員做出相應的保護，我們可在乘員座位上安裝一個乘員探測系統(tǒng)，相當于專門安裝一個傳感器，探測的乘員乘坐信息，并傳遞給中央電腦控制中心。如果發(fā)生碰撞的話，控制中心在對各種傳感器傳過來的信息進行判斷的同時綜合考慮乘員探測系統(tǒng)探測所得的乘員乘坐信息。這樣的話，安全氣囊系統(tǒng)就可以針對駕駛員和乘員的乘坐情況適時適量展開氣囊，完全避免理想的安全氣囊是可以針對各種不同的特殊情況對汽車的使用者進行保護。安全氣囊應盡可能多地收集和利用有關乘員形體位置信息及撞車類型和撞車速度的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，對碰撞中乘員和車的有關信息進行識別判斷，調整安全約束系統(tǒng)參數(shù)，使人體獲得最佳保護。3.4氣體發(fā)生器的多元化發(fā)展對于氣體發(fā)生器，不僅要求其工作可靠，性能穩(wěn)定，耐久性好，符合環(huán)保要求，而且要求盡量減輕其質量和降低成本。尤其針對安全氣囊氣體傷人的情況，更是要求對氣體發(fā)生器加以改進。目前汽車上的氣囊系統(tǒng)大量采用以疊氮化物作為氣體發(fā)生物質的推進劑型氣體發(fā)生器，其它類型的氣體發(fā)生器，包括混合氣體型氣體發(fā)生器、液體（液態(tài)氣）型氣體發(fā)生器、壓縮空氣蓄能型氣體發(fā)生器和硝化纖維型氣體發(fā)生器等也在積極研制。如摩爾頓公司生產的一種低密度、無毒的氣體型氣體發(fā)生器，與現(xiàn)用的相比具有體積小、質量輕的優(yōu)點；布雷德公司開發(fā)的一種新型無鈉疊氮化物氣體發(fā)生器，耗用量不到鈉疊氮化物發(fā)氣劑的40%，而能產生等量的氣體，從而使其體積減小，質量減輕。3.5可分級充氣或釋放壓力裝置的采用加入了可分級充氣或釋放壓力的裝置，以防止一次突然點爆產生的巨大壓力對人頭部產生的傷害，特別在乘客未佩戴安全帶的時候，可導致生命危險。具體形式有：1）分級點爆裝置，即氣體發(fā)生器分兩級點爆，第一級產生約40%的氣體容積，遠低于最大壓力，對人頭部移動產生緩沖作用，第二級點爆產生剩余氣體，并且達到最大壓力?？偟膩碚f，兩級點爆的最大壓力小于單級點爆。2）分級釋放壓力方式，囊袋上開有泄壓孔或可調節(jié)壓力的孔，分為完全憑借氣體壓力頂開的方式或電腦控制的拉片Tether。這種方式，一開始壓力達到設定極限，然后瞬時釋放壓力，以避免過大傷害。4、汽車安全氣囊的發(fā)展趨勢汽車安全系統(tǒng)是汽車電子領域增長最快的一部分。汽車的安全設計在整車設計中所占的比例也越來越大。隨著科技的發(fā)展和人們對汽車安全重視程度的提高，汽車安全技術中的安全氣囊技術近年來也發(fā)展得很快。新的技術可以更好地識別乘客類型，采取不同的保護措施。當前安全氣囊新技術的開發(fā)研究可以概括為向著氣囊的智能化、綠色環(huán)?；?、虛擬技術化等方向發(fā)展。4.1安全氣囊的智能化隨著電子信息技術的飛速發(fā)展，形形色色的智能技術在汽車上得到推廣應用，智能化安全氣囊就是其中之一。它是在普通安全氣囊的基礎上增設傳感器和與之相配套的計算機軟件而制成。其重量傳感器能根據(jù)重量感知乘客是大人還是兒童，其紅外線傳感器能根據(jù)熱量探測座椅上是人還是物，其超聲波傳感器能探明乘員的