汽车安全气囊技术的新发展
湖南大学 何 文 钟志华 杨济匡
[摘要]汽车安全气囊技术是汽车被动安全技术的一项重要内容。本文简要介绍了汽车安全气囊系统的组成及其工作原理, 着重探讨了安全气囊各组成部分及其技术的新发展, 并在此基础上对安全气囊今后的发展趋势进行了预测。
叙词: 安全气囊 技术水平 发展
1 引言
近年来, 随着道路条件的改善和汽车技术的进步, 汽车行驶的速度越来越快, 车流密度越来越大, 交通安全问题日益迫切。目前全世界因交通事故而死亡的人数大约每年50万人。因此, 如何确保汽车的行驶安全性, 尤其是在紧急情况下, 汽车发生碰撞事故时, 如何解决驾乘人员伤亡问题, 越来越受到人们的重视。而在汽车上装配安全气囊就是一种有效的解决办法。安全气囊的概念, 即在碰撞过程中用充气垫来保护人员, 早在1941年就有人提出, 并在50年代就有了这方面的专利[2]。气囊装置最早应用于飞机。近20年来, 气囊系统在汽车上得到了广泛的应用, 目前已有数百万辆汽车将其作为一标准配件进行了安装。1992年奔驰公司已供用了100万套气囊系统[3]。
现代汽车安全气囊系统作为高度综合的智能型安全系统, 其在汽车安全方面的作用是无可非议的。据美国高速公路安全保险机构指出, 在1985年至1992年间的1. 8万件的车祸死亡统计中, 如果配置了安全气囊, 其车祸的死亡率要比未配置的车辆低24%, 要比所有
[1]
因撞击死亡的车辆少18%。该机构同时还指出, 配置安全气囊的汽车若发生车祸所造成中重度创伤的机会将降低25%～29%[2]。事实证明, 在汽车上装备安全气囊系统能够挽救许多驾乘人员的生命(美国碰撞事故专家调查资料表明, 安全气囊已经挽救了2500多条生命)
[4]
。
2 安全气囊系统
安全气囊主要由控制装置、气体发生器和气袋组成(图1) , 其中控制装置又包括传感器、电子控制系统及触发装置。其工作原理为:在发生碰撞事故时, 传感器感受汽车碰撞强度, 电子系统接收并处理传感器的信号。当判断有必要打开气袋时, 立即由触发装置发生点火信号触发气体发生器, 气体发生器收到信号后迅速产生大量气体, 并充满气袋, 使得乘员能够与一较柔软的吸能缓冲物件相接触, 而不是与汽车的内饰件猛烈碰撞。依靠气袋的排气孔节流阻尼来吸收碰撞的能量, 从而达到
减少伤害保护乘员的目的。
图1 安全气囊系统组成
・33・
3 安全气囊技术的新发展
为了进一步提高安全气囊系统的安全保护性能, 对气囊系统各组成部分的材料和特性提出了新的要求, 并已获得了新的发展。3. 1 气囊织物技术
由气囊系统的工作原理可知, 气袋是气囊系统的重要组成部分, 其性能好坏直接关系着驾乘人员的安全, 必须对其严格要求(见表1) 。因而须选择合适的气囊材料(包括织物材料和涂层材料) 。目前气囊织物技术的进步得以使气囊向降低成本、减轻重量和缩小折叠体积的薄型方向发展。这种薄型安全气囊系列产品一般使用420d 的新型尼龙, 即以235dtex 以下的纱线制成160g /m 以下的织物缝制。涂层材料, 传统一般是使用氯丁橡胶, 但是在气囊被用于货车后, 振动、磨损、腐蚀等都对其耐用性提出了挑战, 因而出现了第二种涂层材料——硅酮。硅酮具有环境稳定性高、化学性质不活泼、耐磨性好、摩擦系数低、短时热阻力性能良好以及利于气囊的回收利用等优点, 其作为气囊涂层材料正逐步得到广泛的应用。一种新型的涂层气囊就是使用420d 作织物材料, 以硅酮作涂层材料所制造的, 其性能如表2所列。由表2可见, 这种新型气囊质量较小、舒适性好、装配性能较好, 能同时适用于轿车和货车, 利于气囊的发展和普及。目前此种气囊仍处在试验阶段。
表1 气囊的性能要求
特 性抗拉伸能力最大延展性抗热能力抗冷能力抗老化能力抗弯折强度使用寿命
要 求
连接和孔眼处大于2500N 22%～32%
难燃, 耐100℃高温
在-30℃下可折叠和弯曲
在100℃环境温度和最大拉力下存放7天, 在40℃和92%相对湿度下存放6天, 不得有任何变化
对带涂层织物, 为10万次弯曲大于15年
[5]2
[1]
采用新型的聚酯纤维织物材料缝制, 能有效降低气囊重量、压缩折叠体积, 并且比采用尼龙66型织物具有更好的经济性[6]。采用无涂层气囊, 可让气体通过可穿透性织物从气囊中释放出来, 而节省了缝纫的操作及成本, 也有利于缝纫技术的改善。Autoliv 公司最新开发的气囊由传统的三维缝纫方式改为二维缝纫, 这种新织法允许模组包更小, 还能在相同的撕裂强度和丹尼尔细度前提下, 提高其柔顺性。另外, Autoliv 公司还能够直接在织布机上把整张气囊织出来, 这项技术降低了裁剪和缝纫的成本, 简化了侧面安全气囊的制作, 特别适用于形状复杂的气囊[7]。3. 2 气囊的内部结构
气囊的内部结构和展开方式对气囊的性能也有很大的影响。传统气囊一般都是先充气冲出后膨胀展开。此时, 气囊有两种可能对人体造成伤害, 尤其是在人-气囊模块近距离情况下
:其一是气囊开始膨胀时产生的巨大的向前的冲击力, 对离气囊模块很近并处于其膨胀方向的乘员胸部造成伤害[8, 9]; 其二是气囊在膨胀过程中未完全展开前与乘员相碰撞接触时, 其继续展开产生的膜张力对乘员的头部和颈部造成伤害(图2) , 另外, 气囊表面织物沿人体表皮高速滑移会导致人与气囊间过高的接触压力而造成人体皮肤的擦伤, 轻微的只会产生淤青, 严重时则会损伤皮下组织。美国NHTSA 指出, 在过去的十几年里, 尽管安全气囊挽救了2500条生命, 但是由其造成的死亡事故也有87起, 其中有49起是置身于前排副驾驶员一侧的婴儿和儿童, 而在35起驾驶员死亡事故中, 大部分是个子矮小的成年人。在这87起事故中, 大部分为未佩带安全带或佩带姿势不正确的乘员[4]。
[12]
[10, 11]
表2 新一代涂层气囊与传统涂层气囊性能比较性 能比重量(g /m 2) 刚度(kg ) 厚度(mm )
传统气囊2461. 20. 32
新一代气囊
2000. 70. 28
注:传统气囊:织物材料——420d , 涂层材料——氯丁橡胶; 新型气囊:织物材料——420d, 涂层材料——硅酮。
轻型气囊的另一发展趋势是无涂层气囊。这种气囊
图2 气囊对近位人体的两种伤害力
为避免安全气囊对乘员造成伤害, 一种解决办法是改变气囊的展开模式, 即使其先展开后膨胀, 而不是先膨胀后展开, 这可以通过设计气囊的内部结构来实现。Autoliv 公司正是从这个角度出发提出了一种新型安全气囊。这种气囊用全力展开, 产生伤害的可能性较小。这一被Auto liv 公司称之为伞辐式展开系统的新气囊, 其关键之处在于它具有内层, 这个内层使气囊在充分扩展开来后, 才朝着驾驶员方向膨胀。常规气囊一般只有两层织物, 而新气囊却增加了一层——气囊内层。内层背面织成特殊的纹理, 且有朝向外面的通气孔。当气囊充气时, 内层迫使膨胀的气体把气囊伸展到外面去, 然后气体通过通气孔, 填充体积更大的外层腔体形成气垫。新气囊有以下两个主要优点:
(1) 它采用全力充气器, 这就使得厂家能符合NHT SA 原先制定的标准〔要求安全气囊能在速度为48km/h 的迎面碰撞中保护好未系安全带的中等个子的男子, 使得气囊必须以约89m /s (320km /h ) 的速度展开〕; 而它的展开方式使它在对人体的冲击方面可以和减力安全气囊相比。
(2) 它对坐姿不正确的, 特别是头部离方向盘太近的驾驶员的危害较小。与传统气囊不同, 它是在驾驶员头部和转向盘之间悄然滑出, 不会在下巴颌下面制造麻烦。
但是新气囊还存在着一些问题, 其增加的内层织物使气囊折叠后体积变大, 常规的方向盘容纳不下, 因此需要重新设计, 而其展开方式的改变使得也有必要重新设计气垫盖。另外, 在将其安装于前排副驾驶员一侧时也颇费一番周折。3. 3 气体发生器技术
文献[4]指出, 为降低气囊对人体的伤害NHT SA 的对策是采用减力安全气囊(采用较小的充气器, 充气压力较小, 从而展开较慢) , 而根据美国联邦安全标准法规规定, 只能使用到2001年9月1日。对此, 为了获得与减力安全气囊一样的保护效果, 降低其所造成伤害的可能性, 人们又提出了一种智能型/自适应型安全气囊模块[4], 该模块能根据碰撞的猛烈程度、乘员的状况等自动调节, 以决定是全力展开还是减力展开。独立式气体发生器、双缸烟火型气体发生器、双点火器的混合型气体发生器以及带烟火控制的排气系统的气体发生器均能实现上述功能。前三种都是对其现有某一零件添加
[13]
一副件(副气体发生器、副燃烧室或副点火器) , 而后一种则是增加一子系统(PAV 系统) 。下面介绍独立式气
体发生器和带PA V 系统的气体发生器, 而仅将其它两种与独立式气体发生器进行了比较。
3. 3. 1 独立式气体发生器
该气体发生器由一主一副两个子气体发生器组成, 从而实现可变输出。各种气体发生技术, 像叠氮化钠、混合燃剂或者是非叠氮化物的发生剂, 均可采用。通常由主气体发生器为气囊“温和”展开充气, 在需气囊“强劲”展开时再由副气体发生器辅助充气。气囊“强劲”展开时主、副气体发生器同时工作, “温和”展开时则只需主气体发生器启动。通过在主、副气体发生器工作之间引入一时间差, 可使气囊以不同程度的展开力展开, 提供不同程度的约束。气体发生器同时工作和延时工作所输入气袋的气体总能量和质量是相等的, 区别在于延时工作时大部分能量是工作后半时输进气袋。
独立式气体发生器有如下优点:(1) 同一气囊模块中, 主、副气体发生器可以各自采用不同的充气技术, 有助于提高设计灵活性; (2) 可以分别调节主、副气体发生器来调节气囊“强劲”展开和“温和”展开时的气体内压曲线; (3) 可以单独对主气体发生器进行可靠性设计; (4) 若主、副气体发生器的设计具有通用性, 可降低制造成本。其不足之处在于其体积大, 质量大, 与使用同样充气技术的单一气体发生器相比成本较高。3. 3. 2 双缸烟火型气体发生器
该气体发生器有主、副燃烧室。在同样的性能条件下与独立式气体发生器相比, 双缸气体发生器具有费用较低、体积较小、质量较小等优势。而对于在设计时应用非叠氮化物的烟火型技术的双缸气体发生器, 其体积比应用其它充气技术的同类发生器还要小一些。3. 3. 3 双点火器混合型气体发生器
该气体发生器有主、副点火器, 与上述两种气体发生器的不同之处在于:其产生的气体总质量是相对稳定的, 其全力工作和延时工作时两点火器所产生的总能量是一致的, 但是延时工作时其能量传递过程会随之延长, 同时由于气体不断地流出发生器, 传给气体的热量(热能) 减少, 从而输入气囊的总能量也减少, 并导致气囊内部气压降低。与同技术条件下的独立式气体发生器相比, 它同样具有质量小、体积小、费用低等特点, 并且还可以通过调节延时来调节输入气袋的总热能。但是其
・35・
延时效用与发生器的内部结构有很大的关系, 在全力工作/减力工作时为获得预期的箱压曲线, 同样也要考虑内部结构的设计。
3. 3. 4 烟火控制的排气系统(PAV)
应用PAV 控制气体发生器产生的气体进入气袋的质量来控制气袋的膨胀。它可以将气体发生器产生的多余的气体排出发生器进入到车体内, 气体排出量与PAV 模块的排气孔和气囊系统的充气孔均有关系。对于正常情况下开口的PAV 系统, 系统被触发时通过一机械装置关闭排气孔, 而对正常情况下关闭的系统被触发时机械装置则将排气孔打开。本文只对开口的PAV 系统的应用进行了描述。
为对碰撞传感器发出的信号作出准确的响应, 要求系统机械装置必须能在几毫秒内迅速启动, 并还能克服气体流动所产生的阻力。启动装置的动力可由一启动器提供, 该启动器能对电信号进行处理并产生一点放烟火的动作, 从而提供启动所需的能量。发生器全力工作时发生器和该装置同时启动, 该装置能在2m s 以内关上排气孔, 使发生器产生的气体全部充入气袋。减力工作时只有发生器启动, 其产生的气体一部分从PAV 排气孔逸出。同样也可以引入延时效用来进一步调节PAV 模块, 延时越长箱压越低, 随延时的增加箱压曲线将逐步由全力工作时的曲线向减力工作时的曲线移动。
PAV 的特点是显然的:(1) PA V 模块的延时性对输入气袋的能量有直接影响; (2) 作为一独立的模块, PAV 可与现行的单一工况的气体发生器配套使用; (3) 加长延时的效果几乎和减力的效果一致。与其它多工况的气体发生器相比, 它还具有一个明显的优势:在以上3种气体发生器中, 若实际中只需启用主件, 副件尽管未被使用仍完好无损已无多大实用, PAV 模块则不同, 只要启动器未被点火, 就仍可使用。并且PAV 模块也未给系统增加新的变量, 而上述3种发生器各因其设计原理增加了系统的不稳定性。
应用PAV 的系统, 发生器的设计比较简单, 但对PAV 模块的设计则要相对复杂得多, 在设计时必须保证启动机构工作时能和其它智能模块一样可靠。3. 4 传感技术
要发挥出上述(3. 3) 系统的优势, 涉及到一个很重要的因素, 即最终输入到气体发生器的传感器所发出的信号。传感器将其所感知的相关信息, 经由控制器加以判断从而决定气体发生器以何种方式启动。因此为了使气囊智能化或自适应化, 必须进一步开发传感器技术。在传感器的3种类型中(机械式、机械电子式、电子
式) , 由于机械式传感器存在抗干扰能力差、敏感性差、性能不稳定、不容易使气囊在最佳点火时刻点火等缺点, 而逐渐被电子式传感器所取代, 目前电子传感器的功能范围在不断扩大。在开发智能型或自适应型安全气囊系统的过程中, 传感器(这里泛指前面所提的控制装置) 是其中很关键的一个部分, 除了常规的碰撞传感器以外, 还须有其它各种探测诊断传感器, 以获取尽可能多的信息适应各种复杂的环境的情况。不仅要能将碰撞事故类型、碰撞事故严重程度以及碰撞事故发生时车速的大小等有关信息传给控制器, 应还可以对乘员的状况包括乘员的类型、高矮、体重、位置、坐姿以及乘员是否佩带了安全带作出感知。
奔驰SLK 轿车率先装上了第一个乘客座椅传感器系统, 该系统能探测出乘坐者座椅或儿童安全座椅上是否有人。西门子自动化和国际电子工程公司开发出了“儿童安全座椅状态及导向探测器(COD) ”和“乘客现场探测器(PPD) ”系统
[14]
。德科电子公司和德尔福汽车
系统公司合作开发“灵巧”型安全气囊时为其开发的一系列传感器装置体现了目前一种趋势[15], 现简述如下:
(1) 传感与诊断模块——应用微处理加速度计的单点传感单元来感知碰撞减速度, 并对采集的数据进行处理, 使前碰气囊/侧碰气囊适时展开, 并能保证在碰撞速度很低(低于某一临界值) 时和/或类碰撞事故(如掉进深坑) 中气囊不动作。
(2) 侧碰传感装置——能在3ms 内判断是否为侧碰并使气囊展开, 能排除猛烈关门或与其它物体侧面轻微相碰等的干扰。
(3) 乘员位置传感装置——应用重量传感以及红外线和超声波技术, 识别乘员类型(成人或儿童) 、面向后面的儿童座椅、空座椅以及乘员的位置和坐姿。
(4) 座椅位置传感装置——安装于座椅滑移轨道上, 当乘员调整其座椅向前或向后时, 能将这一变动反馈给控制系统。
(5) 座椅安全带传感装置——探测乘员是否系安全带。
(6) 成人临界重量传感装置——安装于座椅内部, 如果占据乘客座椅上的重量低于某一预设的临界值, 不启动模块使气囊膨胀, 以防误将购物袋或公事包等当成乘客。
(7) 碰撞程度传感器——能预测到即将发生的翻车事故, 并向系统提示这一信息。
(8) 碰撞预警传感器——安装于车前方和侧方, 能预测即将发生的碰撞事故并将此信息传给控制器, 使控制器根据这些信息来决定是否展开气囊, 以及以何种方式展开。它能有效地缩短启动气囊的时间, 使之提供更好的保护。
Eng ineer ing Inter natio nal, 1998(5) :87～90
5 王金刚. 汽车安全气囊和材料的发展. 上海汽车, 1996(1) :16
～18
6 K unio N ishimur a, N o buo T akahashi, Yo shiyuki Sasaki.
T he D evelopment of New Po lyester Fabr ics for A ttaining A dvanced U ncoated A ir bag s . SA E P aper N o . 1993
1996, 104(10) :67～68
930649,
7 Kev in Jost. A ir Bag T echno lo gy. A ut omo tiv e Engineer ing , 8 Hor sch , J . , Culv er , C . . A Study o f Dr iv er Inter act ions
w ith an Inflating A ir Cushio n. In P ro ceeding of the 23rd Stapp Car Cr ash Confer ence, pp. 797～823, SA E P aper N o. 791029, 1979
9 Lau , I . , V ia no , D . . T he V iscous Cr iter io n . Bases and
Applica tio ns o f an I njury Sev erity Index fo r So ft T issue. In Pr oceeding s of the 30t h Stapp Car Crash Conference, pp. 123～142, SA E Paper N o. 861882, 1986
10 Hor sch , J . , La u , I . , A ndr zejak D . , et c . A ssessment o f
A ir Bag Deploy ment L o ads. In Pr oceedings of the 34th Stapp Car Crash Confer ence, pp. 267～288, SA E P aper N o . 902324, 1990
11 Jo hn W . M elv in , Jo hn D . Hor sch , Jo seph D . M eClear y ,
etc. A ssessment of A ir Bag Deploy ment L oa ds w it h the Sm all F emale Hybir d ⅢDummy. SA E Paper N o. 933119, 1993:2585～2596
12 R eed , M at thew P . , Schneider , L aw rence W . , Burney ,
R ichard E..
Investigation of Airbag -induced Skin
A bra sions. SA E Paper No. 922510, 199213 一松. 比较安全的安全气囊. 汽车之友, 1997(11) :2114 陈鹰, 黎明桂, 程应军. 安全气囊技术的发展趋势. 汽车技
术, 1998(4) :32～35
15 K evin Jo st. T eaming for A daptive R est raint s. A utomo tiv e
Engineer ing , 1997(5) :99～100
4 未来发展趋势
以上即是近年来安全气囊技术的一些新发展。在这里值得一提的是, 尽管安全气囊是一种重要的安全装置, 其技术和性能正得到不断完善和发展, 但它仍然只是一种辅助的约束系统。从目前来看, 当今安全气囊技术的研究开发主要有以下几个方向:
(1) 智能化:这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和乘员状况来调节气囊的工作性能。
(2) 小型轻型化:安全气囊总成采用体积小的新型气体发生器(有利用压缩气体的混合式气体发生器及采用有机气体的纯气体式气体发生器) 。
(3) 实现全方位保护:安全气囊不再仅局限于保护驾驶员与前座乘员。
(4) 环保型:采用新型气体发生技术, 使之符合环境保护的要求。
参 考 文 献
1 吴叙健, 许登堡. 汽车安全气囊织物的进展. 汽车与配件,
1998(33) :21～22
2 李成祥. 驾驶员用汽车安全气囊. 重型汽车, 1995, 29(4) :5～7
3 张桂荣. 汽车安全气囊防护系统. 汽车运输, 1997(4) :34～364 Shaw n Ryan .
Adaptiv e A ir Bag M o dules . A ut omo tiv e
・37・
汽车安全气囊技术的新发展
湖南大学 何 文 钟志华 杨济匡
[摘要]汽车安全气囊技术是汽车被动安全技术的一项重要内容。本文简要介绍了汽车安全气囊系统的组成及其工作原理, 着重探讨了安全气囊各组成部分及其技术的新发展, 并在此基础上对安全气囊今后的发展趋势进行了预测。
叙词: 安全气囊 技术水平 发展
1 引言
近年来, 随着道路条件的改善和汽车技术的进步, 汽车行驶的速度越来越快, 车流密度越来越大, 交通安全问题日益迫切。目前全世界因交通事故而死亡的人数大约每年50万人。因此, 如何确保汽车的行驶安全性, 尤其是在紧急情况下, 汽车发生碰撞事故时, 如何解决驾乘人员伤亡问题, 越来越受到人们的重视。而在汽车上装配安全气囊就是一种有效的解决办法。安全气囊的概念, 即在碰撞过程中用充气垫来保护人员, 早在1941年就有人提出, 并在50年代就有了这方面的专利[2]。气囊装置最早应用于飞机。近20年来, 气囊系统在汽车上得到了广泛的应用, 目前已有数百万辆汽车将其作为一标准配件进行了安装。1992年奔驰公司已供用了100万套气囊系统[3]。
现代汽车安全气囊系统作为高度综合的智能型安全系统, 其在汽车安全方面的作用是无可非议的。据美国高速公路安全保险机构指出, 在1985年至1992年间的1. 8万件的车祸死亡统计中, 如果配置了安全气囊, 其车祸的死亡率要比未配置的车辆低24%, 要比所有
[1]
因撞击死亡的车辆少18%。该机构同时还指出, 配置安全气囊的汽车若发生车祸所造成中重度创伤的机会将降低25%～29%[2]。事实证明, 在汽车上装备安全气囊系统能够挽救许多驾乘人员的生命(美国碰撞事故专家调查资料表明, 安全气囊已经挽救了2500多条生命)
[4]
。
2 安全气囊系统
安全气囊主要由控制装置、气体发生器和气袋组成(图1) , 其中控制装置又包括传感器、电子控制系统及触发装置。其工作原理为:在发生碰撞事故时, 传感器感受汽车碰撞强度, 电子系统接收并处理传感器的信号。当判断有必要打开气袋时, 立即由触发装置发生点火信号触发气体发生器, 气体发生器收到信号后迅速产生大量气体, 并充满气袋, 使得乘员能够与一较柔软的吸能缓冲物件相接触, 而不是与汽车的内饰件猛烈碰撞。依靠气袋的排气孔节流阻尼来吸收碰撞的能量, 从而达到
减少伤害保护乘员的目的。
图1 安全气囊系统组成
・33・
3 安全气囊技术的新发展
为了进一步提高安全气囊系统的安全保护性能, 对气囊系统各组成部分的材料和特性提出了新的要求, 并已获得了新的发展。3. 1 气囊织物技术
由气囊系统的工作原理可知, 气袋是气囊系统的重要组成部分, 其性能好坏直接关系着驾乘人员的安全, 必须对其严格要求(见表1) 。因而须选择合适的气囊材料(包括织物材料和涂层材料) 。目前气囊织物技术的进步得以使气囊向降低成本、减轻重量和缩小折叠体积的薄型方向发展。这种薄型安全气囊系列产品一般使用420d 的新型尼龙, 即以235dtex 以下的纱线制成160g /m 以下的织物缝制。涂层材料, 传统一般是使用氯丁橡胶, 但是在气囊被用于货车后, 振动、磨损、腐蚀等都对其耐用性提出了挑战, 因而出现了第二种涂层材料——硅酮。硅酮具有环境稳定性高、化学性质不活泼、耐磨性好、摩擦系数低、短时热阻力性能良好以及利于气囊的回收利用等优点, 其作为气囊涂层材料正逐步得到广泛的应用。一种新型的涂层气囊就是使用420d 作织物材料, 以硅酮作涂层材料所制造的, 其性能如表2所列。由表2可见, 这种新型气囊质量较小、舒适性好、装配性能较好, 能同时适用于轿车和货车, 利于气囊的发展和普及。目前此种气囊仍处在试验阶段。
表1 气囊的性能要求
特 性抗拉伸能力最大延展性抗热能力抗冷能力抗老化能力抗弯折强度使用寿命
要 求
连接和孔眼处大于2500N 22%～32%
难燃, 耐100℃高温
在-30℃下可折叠和弯曲
在100℃环境温度和最大拉力下存放7天, 在40℃和92%相对湿度下存放6天, 不得有任何变化
对带涂层织物, 为10万次弯曲大于15年
[5]2
[1]
采用新型的聚酯纤维织物材料缝制, 能有效降低气囊重量、压缩折叠体积, 并且比采用尼龙66型织物具有更好的经济性[6]。采用无涂层气囊, 可让气体通过可穿透性织物从气囊中释放出来, 而节省了缝纫的操作及成本, 也有利于缝纫技术的改善。Autoliv 公司最新开发的气囊由传统的三维缝纫方式改为二维缝纫, 这种新织法允许模组包更小, 还能在相同的撕裂强度和丹尼尔细度前提下, 提高其柔顺性。另外, Autoliv 公司还能够直接在织布机上把整张气囊织出来, 这项技术降低了裁剪和缝纫的成本, 简化了侧面安全气囊的制作, 特别适用于形状复杂的气囊[7]。3. 2 气囊的内部结构
气囊的内部结构和展开方式对气囊的性能也有很大的影响。传统气囊一般都是先充气冲出后膨胀展开。此时, 气囊有两种可能对人体造成伤害, 尤其是在人-气囊模块近距离情况下
:其一是气囊开始膨胀时产生的巨大的向前的冲击力, 对离气囊模块很近并处于其膨胀方向的乘员胸部造成伤害[8, 9]; 其二是气囊在膨胀过程中未完全展开前与乘员相碰撞接触时, 其继续展开产生的膜张力对乘员的头部和颈部造成伤害(图2) , 另外, 气囊表面织物沿人体表皮高速滑移会导致人与气囊间过高的接触压力而造成人体皮肤的擦伤, 轻微的只会产生淤青, 严重时则会损伤皮下组织。美国NHTSA 指出, 在过去的十几年里, 尽管安全气囊挽救了2500条生命, 但是由其造成的死亡事故也有87起, 其中有49起是置身于前排副驾驶员一侧的婴儿和儿童, 而在35起驾驶员死亡事故中, 大部分是个子矮小的成年人。在这87起事故中, 大部分为未佩带安全带或佩带姿势不正确的乘员[4]。
[12]
[10, 11]
表2 新一代涂层气囊与传统涂层气囊性能比较性 能比重量(g /m 2) 刚度(kg ) 厚度(mm )
传统气囊2461. 20. 32
新一代气囊
2000. 70. 28
注:传统气囊:织物材料——420d , 涂层材料——氯丁橡胶; 新型气囊:织物材料——420d, 涂层材料——硅酮。
轻型气囊的另一发展趋势是无涂层气囊。这种气囊
图2 气囊对近位人体的两种伤害力
为避免安全气囊对乘员造成伤害, 一种解决办法是改变气囊的展开模式, 即使其先展开后膨胀, 而不是先膨胀后展开, 这可以通过设计气囊的内部结构来实现。Autoliv 公司正是从这个角度出发提出了一种新型安全气囊。这种气囊用全力展开, 产生伤害的可能性较小。这一被Auto liv 公司称之为伞辐式展开系统的新气囊, 其关键之处在于它具有内层, 这个内层使气囊在充分扩展开来后, 才朝着驾驶员方向膨胀。常规气囊一般只有两层织物, 而新气囊却增加了一层——气囊内层。内层背面织成特殊的纹理, 且有朝向外面的通气孔。当气囊充气时, 内层迫使膨胀的气体把气囊伸展到外面去, 然后气体通过通气孔, 填充体积更大的外层腔体形成气垫。新气囊有以下两个主要优点:
(1) 它采用全力充气器, 这就使得厂家能符合NHT SA 原先制定的标准〔要求安全气囊能在速度为48km/h 的迎面碰撞中保护好未系安全带的中等个子的男子, 使得气囊必须以约89m /s (320km /h ) 的速度展开〕; 而它的展开方式使它在对人体的冲击方面可以和减力安全气囊相比。
(2) 它对坐姿不正确的, 特别是头部离方向盘太近的驾驶员的危害较小。与传统气囊不同, 它是在驾驶员头部和转向盘之间悄然滑出, 不会在下巴颌下面制造麻烦。
但是新气囊还存在着一些问题, 其增加的内层织物使气囊折叠后体积变大, 常规的方向盘容纳不下, 因此需要重新设计, 而其展开方式的改变使得也有必要重新设计气垫盖。另外, 在将其安装于前排副驾驶员一侧时也颇费一番周折。3. 3 气体发生器技术
文献[4]指出, 为降低气囊对人体的伤害NHT SA 的对策是采用减力安全气囊(采用较小的充气器, 充气压力较小, 从而展开较慢) , 而根据美国联邦安全标准法规规定, 只能使用到2001年9月1日。对此, 为了获得与减力安全气囊一样的保护效果, 降低其所造成伤害的可能性, 人们又提出了一种智能型/自适应型安全气囊模块[4], 该模块能根据碰撞的猛烈程度、乘员的状况等自动调节, 以决定是全力展开还是减力展开。独立式气体发生器、双缸烟火型气体发生器、双点火器的混合型气体发生器以及带烟火控制的排气系统的气体发生器均能实现上述功能。前三种都是对其现有某一零件添加
[13]
一副件(副气体发生器、副燃烧室或副点火器) , 而后一种则是增加一子系统(PAV 系统) 。下面介绍独立式气
体发生器和带PA V 系统的气体发生器, 而仅将其它两种与独立式气体发生器进行了比较。
3. 3. 1 独立式气体发生器
该气体发生器由一主一副两个子气体发生器组成, 从而实现可变输出。各种气体发生技术, 像叠氮化钠、混合燃剂或者是非叠氮化物的发生剂, 均可采用。通常由主气体发生器为气囊“温和”展开充气, 在需气囊“强劲”展开时再由副气体发生器辅助充气。气囊“强劲”展开时主、副气体发生器同时工作, “温和”展开时则只需主气体发生器启动。通过在主、副气体发生器工作之间引入一时间差, 可使气囊以不同程度的展开力展开, 提供不同程度的约束。气体发生器同时工作和延时工作所输入气袋的气体总能量和质量是相等的, 区别在于延时工作时大部分能量是工作后半时输进气袋。
独立式气体发生器有如下优点:(1) 同一气囊模块中, 主、副气体发生器可以各自采用不同的充气技术, 有助于提高设计灵活性; (2) 可以分别调节主、副气体发生器来调节气囊“强劲”展开和“温和”展开时的气体内压曲线; (3) 可以单独对主气体发生器进行可靠性设计; (4) 若主、副气体发生器的设计具有通用性, 可降低制造成本。其不足之处在于其体积大, 质量大, 与使用同样充气技术的单一气体发生器相比成本较高。3. 3. 2 双缸烟火型气体发生器
该气体发生器有主、副燃烧室。在同样的性能条件下与独立式气体发生器相比, 双缸气体发生器具有费用较低、体积较小、质量较小等优势。而对于在设计时应用非叠氮化物的烟火型技术的双缸气体发生器, 其体积比应用其它充气技术的同类发生器还要小一些。3. 3. 3 双点火器混合型气体发生器
该气体发生器有主、副点火器, 与上述两种气体发生器的不同之处在于:其产生的气体总质量是相对稳定的, 其全力工作和延时工作时两点火器所产生的总能量是一致的, 但是延时工作时其能量传递过程会随之延长, 同时由于气体不断地流出发生器, 传给气体的热量(热能) 减少, 从而输入气囊的总能量也减少, 并导致气囊内部气压降低。与同技术条件下的独立式气体发生器相比, 它同样具有质量小、体积小、费用低等特点, 并且还可以通过调节延时来调节输入气袋的总热能。但是其
・35・
延时效用与发生器的内部结构有很大的关系, 在全力工作/减力工作时为获得预期的箱压曲线, 同样也要考虑内部结构的设计。
3. 3. 4 烟火控制的排气系统(PAV)
应用PAV 控制气体发生器产生的气体进入气袋的质量来控制气袋的膨胀。它可以将气体发生器产生的多余的气体排出发生器进入到车体内, 气体排出量与PAV 模块的排气孔和气囊系统的充气孔均有关系。对于正常情况下开口的PAV 系统, 系统被触发时通过一机械装置关闭排气孔, 而对正常情况下关闭的系统被触发时机械装置则将排气孔打开。本文只对开口的PAV 系统的应用进行了描述。
为对碰撞传感器发出的信号作出准确的响应, 要求系统机械装置必须能在几毫秒内迅速启动, 并还能克服气体流动所产生的阻力。启动装置的动力可由一启动器提供, 该启动器能对电信号进行处理并产生一点放烟火的动作, 从而提供启动所需的能量。发生器全力工作时发生器和该装置同时启动, 该装置能在2m s 以内关上排气孔, 使发生器产生的气体全部充入气袋。减力工作时只有发生器启动, 其产生的气体一部分从PAV 排气孔逸出。同样也可以引入延时效用来进一步调节PAV 模块, 延时越长箱压越低, 随延时的增加箱压曲线将逐步由全力工作时的曲线向减力工作时的曲线移动。
PAV 的特点是显然的:(1) PA V 模块的延时性对输入气袋的能量有直接影响; (2) 作为一独立的模块, PAV 可与现行的单一工况的气体发生器配套使用; (3) 加长延时的效果几乎和减力的效果一致。与其它多工况的气体发生器相比, 它还具有一个明显的优势:在以上3种气体发生器中, 若实际中只需启用主件, 副件尽管未被使用仍完好无损已无多大实用, PAV 模块则不同, 只要启动器未被点火, 就仍可使用。并且PAV 模块也未给系统增加新的变量, 而上述3种发生器各因其设计原理增加了系统的不稳定性。
应用PAV 的系统, 发生器的设计比较简单, 但对PAV 模块的设计则要相对复杂得多, 在设计时必须保证启动机构工作时能和其它智能模块一样可靠。3. 4 传感技术
要发挥出上述(3. 3) 系统的优势, 涉及到一个很重要的因素, 即最终输入到气体发生器的传感器所发出的信号。传感器将其所感知的相关信息, 经由控制器加以判断从而决定气体发生器以何种方式启动。因此为了使气囊智能化或自适应化, 必须进一步开发传感器技术。在传感器的3种类型中(机械式、机械电子式、电子
式) , 由于机械式传感器存在抗干扰能力差、敏感性差、性能不稳定、不容易使气囊在最佳点火时刻点火等缺点, 而逐渐被电子式传感器所取代, 目前电子传感器的功能范围在不断扩大。在开发智能型或自适应型安全气囊系统的过程中, 传感器(这里泛指前面所提的控制装置) 是其中很关键的一个部分, 除了常规的碰撞传感器以外, 还须有其它各种探测诊断传感器, 以获取尽可能多的信息适应各种复杂的环境的情况。不仅要能将碰撞事故类型、碰撞事故严重程度以及碰撞事故发生时车速的大小等有关信息传给控制器, 应还可以对乘员的状况包括乘员的类型、高矮、体重、位置、坐姿以及乘员是否佩带了安全带作出感知。
奔驰SLK 轿车率先装上了第一个乘客座椅传感器系统, 该系统能探测出乘坐者座椅或儿童安全座椅上是否有人。西门子自动化和国际电子工程公司开发出了“儿童安全座椅状态及导向探测器(COD) ”和“乘客现场探测器(PPD) ”系统
[14]
。德科电子公司和德尔福汽车
系统公司合作开发“灵巧”型安全气囊时为其开发的一系列传感器装置体现了目前一种趋势[15], 现简述如下:
(1) 传感与诊断模块——应用微处理加速度计的单点传感单元来感知碰撞减速度, 并对采集的数据进行处理, 使前碰气囊/侧碰气囊适时展开, 并能保证在碰撞速度很低(低于某一临界值) 时和/或类碰撞事故(如掉进深坑) 中气囊不动作。
(2) 侧碰传感装置——能在3ms 内判断是否为侧碰并使气囊展开, 能排除猛烈关门或与其它物体侧面轻微相碰等的干扰。
(3) 乘员位置传感装置——应用重量传感以及红外线和超声波技术, 识别乘员类型(成人或儿童) 、面向后面的儿童座椅、空座椅以及乘员的位置和坐姿。
(4) 座椅位置传感装置——安装于座椅滑移轨道上, 当乘员调整其座椅向前或向后时, 能将这一变动反馈给控制系统。
(5) 座椅安全带传感装置——探测乘员是否系安全带。
(6) 成人临界重量传感装置——安装于座椅内部, 如果占据乘客座椅上的重量低于某一预设的临界值, 不启动模块使气囊膨胀, 以防误将购物袋或公事包等当成乘客。
(7) 碰撞程度传感器——能预测到即将发生的翻车事故, 并向系统提示这一信息。
(8) 碰撞预警传感器——安装于车前方和侧方, 能预测即将发生的碰撞事故并将此信息传给控制器, 使控制器根据这些信息来决定是否展开气囊, 以及以何种方式展开。它能有效地缩短启动气囊的时间, 使之提供更好的保护。
Eng ineer ing Inter natio nal, 1998(5) :87～90
5 王金刚. 汽车安全气囊和材料的发展. 上海汽车, 1996(1) :16
～18
6 K unio N ishimur a, N o buo T akahashi, Yo shiyuki Sasaki.
T he D evelopment of New Po lyester Fabr ics for A ttaining A dvanced U ncoated A ir bag s . SA E P aper N o . 1993
1996, 104(10) :67～68
930649,
7 Kev in Jost. A ir Bag T echno lo gy. A ut omo tiv e Engineer ing , 8 Hor sch , J . , Culv er , C . . A Study o f Dr iv er Inter act ions
w ith an Inflating A ir Cushio n. In P ro ceeding of the 23rd Stapp Car Cr ash Confer ence, pp. 797～823, SA E P aper N o. 791029, 1979
9 Lau , I . , V ia no , D . . T he V iscous Cr iter io n . Bases and
Applica tio ns o f an I njury Sev erity Index fo r So ft T issue. In Pr oceeding s of the 30t h Stapp Car Crash Conference, pp. 123～142, SA E Paper N o. 861882, 1986
10 Hor sch , J . , La u , I . , A ndr zejak D . , et c . A ssessment o f
A ir Bag Deploy ment L o ads. In Pr oceedings of the 34th Stapp Car Crash Confer ence, pp. 267～288, SA E P aper N o . 902324, 1990
11 Jo hn W . M elv in , Jo hn D . Hor sch , Jo seph D . M eClear y ,
etc. A ssessment of A ir Bag Deploy ment L oa ds w it h the Sm all F emale Hybir d ⅢDummy. SA E Paper N o. 933119, 1993:2585～2596
12 R eed , M at thew P . , Schneider , L aw rence W . , Burney ,
R ichard E..
Investigation of Airbag -induced Skin
A bra sions. SA E Paper No. 922510, 199213 一松. 比较安全的安全气囊. 汽车之友, 1997(11) :2114 陈鹰, 黎明桂, 程应军. 安全气囊技术的发展趋势. 汽车技
术, 1998(4) :32～35
15 K evin Jo st. T eaming for A daptive R est raint s. A utomo tiv e
Engineer ing , 1997(5) :99～100
4 未来发展趋势
以上即是近年来安全气囊技术的一些新发展。在这里值得一提的是, 尽管安全气囊是一种重要的安全装置, 其技术和性能正得到不断完善和发展, 但它仍然只是一种辅助的约束系统。从目前来看, 当今安全气囊技术的研究开发主要有以下几个方向:
(1) 智能化:这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和乘员状况来调节气囊的工作性能。
(2) 小型轻型化:安全气囊总成采用体积小的新型气体发生器(有利用压缩气体的混合式气体发生器及采用有机气体的纯气体式气体发生器) 。
(3) 实现全方位保护:安全气囊不再仅局限于保护驾驶员与前座乘员。
(4) 环保型:采用新型气体发生技术, 使之符合环境保护的要求。
参 考 文 献
1 吴叙健, 许登堡. 汽车安全气囊织物的进展. 汽车与配件,
1998(33) :21～22
2 李成祥. 驾驶员用汽车安全气囊. 重型汽车, 1995, 29(4) :5～7
3 张桂荣. 汽车安全气囊防护系统. 汽车运输, 1997(4) :34～364 Shaw n Ryan .
Adaptiv e A ir Bag M o dules . A ut omo tiv e
・37・