汽车安全论文

汽车安全气囊

10级工商管理1班 邱丽莉 [1**********]3

摘要：汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种。主动安全是指汽车防止发生事故的能力主要有操纵稳定性、制动性能、平顺性等，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力。目前主要有安全带、安全气囊、防撞式车身和安全防护系统（Airbag Restraint System 简称安全气囊）等。

由于现实的复杂性，有些事故是难以避免的，因此被动安全性也非常重要，安全气囊作为被动安全性的研究成果，由于使用方便、效果显著、造价不高，所以得到迅速发展和普及，为了使大家对汽车安全气囊有一个比较全面的了解和认识，我分别从汽车安全气囊的工作及设计原理、结构与大家共同探讨，以便说明汽车具备安全气囊的重要性。

安全气囊是现代轿车上引人注目的高技术装备，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，安全气囊就会瞬间从方向盘内“蹦”出来，垫在方向盘与驾驶者之间，防止驾驶者的头部和胸部撞击到方向盘或仪表板等硬物上。安全气囊面世以来，已经挽救了许多人的性命，研究表明，有气囊装置的轿车发生正面撞车，驾驶者的死亡率，大轿车降低了30%，中型轿车降低了11%，小型轿车降低了14%。

汽车碰撞安全性研究的目标是尽可能地减低交通事故发生的后果，设计优秀的汽车在碰撞事故发生时一方面可以确保人的生存空间，另一方面借助汽车的约束系统把产生在乘员上的负荷限制在人体可以承受的范围之内。

关键词：安全气囊，汽车碰撞，数据融合，模式识别

Supplement Restrain System

Class: 10 business administration class one Name: Lily ID: [1**********]3 Abstract: Vehicle safety into active safety and passive safety two. Active security refers to the car to prevent accidents ability mainly handling stability, braking performance, smoothness, passive safety refers to in case of accident, car occupant protection ability. At present the main safety belts, airbags, anti-collision body and safe protection system ( Airbag Restraint System airbag ) etc..

Due to the complexity of real, some accidents are hard to avoid, so passive safety is also very important, the airbag as passive safety research, due to convenient use, obvious effect, the cost is

not high, so the rapid development and popularization, in order to make everyone on the airbag has a more comprehensive understanding and knowledge, I respectively from an automobile airbag work and the design principle, structure and everybody to be discussed jointly, in order to explain the importance of automobile with airbag.

The airbag is modern cars attract sb.'s attention on high technology equipment, installation of the safety air bag device for car steering wheel, common and ordinary steering no difference, but when the front end has a strong collision, the airbag will instantly from the steering wheel" jumping" out, pad on the steering wheel and the driving between, preventing driving the head and chest impact to the steering wheel and dashboard and other hard objects. Since the launch of the airbag, has saved many lives, studies show, with airbag apparatus car frontal crash, the driver of the car was 30% lower mortality, big, medium-sized sedan was reduced in 11%, small car was reduced by 14%.

Vehicle passive safety research goal is possible to reduce the traffic accident consequences, excellent design of car in the accident and one can ensure people's living space, on the other hand the car restraint system to produce the occupant 's load limit in the human body can withstand range.

Key Word: Supplement Restrain System, Automobile collision, Date fusion, Patter recognition

引言

安全气囊，也称为辅助乘员保护系统。它是一种当汽车遭到碰撞而急剧降速时能很快膨胀的缓冲气囊，可以保护车内乘员不至于撞到车厢内部，是一种被动安全装置。

为了减少汽车发生正面碰撞时由于巨大的惯性力所造成的对驾驶员和乘员的伤害，现代汽车在驾驶员方向盘中央普遍装有安全气囊，有些汽车在副驾驶座前的手套箱上端和乘员座位上也装有安全气囊。

当汽车发生正面碰撞事故时，安全气囊控制系统检测到冲击力超过临界值时，安全气囊电子控制装置立即接通充气元件中的传爆管电路，点燃传爆管内的点火介质，火焰引燃点火药粉和气体发生剂，产生大量气体，在0.03s的时间内即将气囊充气，使气囊急剧膨胀，冲出方向盘盖罩，缓冲对驾驶员和乘员的冲击力，随后又将气囊中的气体放出。事实证明，汽车装有安全气囊后，汽车发生正面碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大减小。

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。当汽车发生前碰撞时，首先是汽车要停止运动，车内乘员在惯性力作用下仍以原来速度继续向

前运动。不系安全带的乘员将会与转向盘、前挡风玻璃相碰，因而可能受到严重伤害；系安全带的乘员可以随着汽车停止运动而逐渐停止向前运动。如果碰撞剧烈，乘员向前运动更快，即使系了安全带，在完全停止运动前，仍会与车内物相碰。如果此时装在转向盘或仪表板内的安全气囊充气弹出，它就可以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，补充安全带提供保护作用。

一、安全气囊的结构

1、安全气囊主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀，气囊容量约在（50~90）L。同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤。安全气囊所用的气体多是氮气或一氧化碳。

2、除了驾驶员侧有安全气囊外，有些轿车前排也安装了乘客用的安全气囊（即双安全气囊规格），乘客用的与驾车者用的相似，只是气囊的体积要大些，所需的气体也多一些而已。另外，有些轿车还在座位侧面靠门一侧安装了侧面安全气囊。

二、从设计原理的角度说明汽车具备安全气囊的必要性

1、要说明安全气囊的基本原理，这里首先说明汽车发生事故时造成成员伤亡的原因。当汽车发生碰撞事故时，汽车和障碍物之间的碰撞称为一次碰撞，一次碰撞的结果导致汽车速度急剧下降，速度从35km/h降到零的时间约150m/s左右。

2、乘员和汽车内部结构之间的碰撞称之为二次碰撞，由于惯性的作用，汽车急剧降速时，乘员要保持原来的速度向前运动，于是就发生了乘员与方向盘、仪表板、挡风玻璃等之间的碰撞，从而造成了乘员的伤亡。汽车安全气囊的基本思想是，在发生第一次碰撞后，二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，使乘员扑在气袋上，避免或减缓二次碰撞，从而达到保护乘员的目的。

3、由于成员和气袋相碰时，因震荡造成成员伤害，所以一般在气囊的背面开两个直径25mm左右的圆孔。这样当乘员和气袋相碰时，借助圆孔的放气可减轻振荡。放气过程同时也是一个释放能量的过程，因此可以很快地吸收驾乘人员的动能，有助于保护乘员。

三、从结构的组成说明汽车具备安全气囊的可行性

1、安全气囊的结构组成。安全气囊一般由传感器（sensor）、电控单元（ECU）、气体发生器（inflator）、气囊（bag）、续流器（clockspring）等组成，通常气体发生器和气囊等在一起构成气囊模块（airbag module）。传感器感受汽车碰撞强度，并将感受到的信号传送到控制器，控制器接收传感器的信号并进行处理，当它判断有必要打开气囊时，立即发出点火信号以触发气体发生器，气体发生器接收到点火信号后，迅速点火并产生大量气体给气囊充气。

2、可靠性是汽车安全气囊最重要的指标。安全气囊最重要的指标是可靠性，如果不该点火而点火打开气囊称为误点火，应该点火而没有点火称之为漏点火，或点火太晚则称之为迟点火，无论是误点火、漏点火，还是迟点火都是不能允许的。为了提高安全气囊的可靠性，防止电源线在碰撞中断线，电池遭到破坏，系统中备有储能电容或电池，以保证即使掉电也能够开气囊。为了监测传感器、电子电路、气体发生器；系统一般还有故障诊断模块，并设有信号灯予以显示。

四、安全气囊的分类

随着科学技术的发展和汽车设计者思路的开拓，汽车安全气囊根据其在安装位置和作用不同，又可以分为以下几类。

1、驾驶员安全气囊、前排乘员安全气囊、后排乘员安全气囊、膝部安全气囊、侧安全气囊和安全气帘。

2、行人保护气囊：这是为了降低“人车碰撞事故”中对行人的伤害而开发的一种新型安全气囊。它由主动发动机罩以及行人保护安全气囊组成。当事故发生时，安全气囊在前车灯间部位展开。气囊的折叠模式和断面设计保证了气囊展开时能与汽车前端的轮廓相合，以免在猛烈碰撞时车对行人造成更大伤害。

3、气囊式安全带：它将气囊和安全带结合到了一起。当车辆遭遇猛烈碰撞时，安全带内部的气囊开启，使安全带和人体接触的部位增大，并能够缓冲伤害。同时产生的气体软垫能够减少头部和肩颈部的冲击。

五、安全气囊的控制

1、汽车碰撞事故发生时，由于持续时间非常短（一般几十毫秒），汽车的约束系统（例如三点式安全带、安全带卷收器、气囊等）必须很好地匹配起来才能最佳地保护乘客，这就要求约束系统必须能很快地识别碰撞，很快地决定是否、何时点爆气囊或者安全带卷收器（如果有的话）。有些早起汽车的安全气囊控制器安装在转向柱上，这样虽然成本较低，但此处的加速度不稳定，很难做到精确地控制气囊是否、何时引爆。

2、现代汽车的安全气囊大多是通过装在车内中央通道上的点燃触发控制器来控制的。当今的控制器一般实时监测汽车中央通道处的加速度变量大小，经滤波积分等处理后同预先设置好的触发门槛信号进行比较，从而决定交通事故发生时安全气囊的点爆。汽车中央通道上的碰撞响应特性非常大地影响着汽车的碰撞安全保护，设计优秀的汽车（主要是车身）将使得碰撞感应很可靠、非常容易，事故发生时气囊爆发的整个过程由信号传输、传感器反应分析、气囊气体发生器被点燃等组成。

3、但是当今世界上汽车安全气囊的引爆控制一般也只考虑了汽车本身在碰撞事故发生时的情况而没有考虑到坐在车内的乘客。

六、安全气囊的危险

1、毫无疑问安全气囊系统非常好地改善了汽车的碰撞安全性，它和安全带一起充分地发挥了对人的保护效能。但是在乘员OOP状态（“Out of Position,非正常乘坐位置”）下，安全气囊也会对人造成伤害甚至致死亡，例如：

2、由于气囊的传感系统没有完全考虑到事故的真实情况，造成气囊计较晚的被点燃引爆。

3、乘客由于恐慌等原因伏在安装气囊的方向盘或者仪表板上，或者座椅调节得太靠前，或者由于安全带比较松，甚至没有安全带造成紧急刹车时乘客身体前倾。

4、没有注意到汽车上的警告，把婴儿的座椅头朝前地固定在副驾驶员位置上。

在上述情况下，气囊爆发时，很容易对人造成伤害。要解决这个问题，就必须改善现有的碰撞传感识别系统，要求通过这套系统，一方面安全气囊可以提供乘客在“标准位置”时的碰撞安全保护，另一方面也可以通过气囊的不引爆或者减少气囊爆炸时的压力来减少乘客在偏离正常乘坐位置时可能产生的对人的伤害。

七、安全气囊的正确使用方法

虽然大部分小汽车里都配备了安全气囊，但是安全气囊的使用仍然存在许多误区，在此简要介绍一下，安全气囊的正确使用方法。

1、安全气囊只是辅助安全系统，需要与安全带配合使用。由于安全气囊的充气速度非常快，充气瞬间的冲击力非常大。如果不佩带安全带，驾驶员就会由于巨大的惯性而过早地冲向未充满的安全气囊，而发生意外。

2、当汽车前排有前排乘员安全气囊时，切不可让儿童坐在前排。

3、要注意观察位于仪表盘上的安全气囊警告灯。在正常情况下，点火开关转到ACC或ON位置时，警告灯会亮6S。进行自检后熄灭，若长亮则表明有故障，应进行安全气囊系统检查。

4、挡风玻璃不能悬挂小挂物和小饰品。在乘员与气囊间不能有坚硬或者尖锐物体。不然在气囊弹出时，强大的冲击力会打到人身上。

5、不能敲打气囊裸露在外的标志和部位。因为气囊内含有一种易被引爆的化学成分。

6、戴眼镜的驾驶员最好戴上安全眼镜。因为安全气囊撞上普通眼镜会将镜片撞碎，造成眼球受伤。

八、安全气囊的目标

1、进一步改善汽车碰撞安全系统的保护作用。

2、避免安全系统产生的危险。

针对以上两方面法规将提出在这些情况下的安全气囊实验。目前国外各大汽车公司都在加紧从事这方面的开发工作，不断改进汽车的被动安全性，针对成员OoP状态时的汽车安全气囊的要求，不断改进安全气囊模块，开发能检测车内乘员坐立状态的探测系统，已取得了很大的进展。

可以想象，将来更完美的汽车碰撞安全系统应该：

1、具有更好的交通事故识别能力，能准确识别事故的严重程度。

2、具有乘员室内的传感系统，而且它不只是能静态识别，还要能动态地感应出乘坐位置，以及乘员大小和体重等。

3、能通过例如采用多级气囊气体发生器或者可调气囊排气装置等来改变气囊爆炸时的压力。

4、能根据要求改变安全带限位器的限力大小，更好地发挥安全带在交通事故中的效能，更好地同安全气囊系统一道保护车内乘员。

当今时代的汽车除了可靠性、油耗和舒适性以外，安全性越来越引人注目，汽车的被动安全约束系统及其控制也在其实用、经济等原则下不断取得革新。

结论：

汽车安全气囊的应用拯救了许多乘员的生命。但随着汽车的应用越来越多，气囊错误弹出的情况也时有发生，这样反而会威胁到乘员的安全，所以必须提高安全气囊的控制性能。因此，我们也需要进一步研究气囊控制算法。汽车安全气囊技术发展到今天，其优劣已经不在于是否能够判定发生碰撞和实现点火，现代的安全气囊控制的关键在于能够在最佳时间实现点火和对于非破坏性撞击的抗干扰。只有实现最佳时间点火，才能够更好的保护驾驶员和乘客。最佳时间的确定在于当汽车发生碰撞的过程中，乘员向前移动接触到气囊，此时气囊刚好达到最大体积，这样的保护效果最好。假如点火慢了，则乘员在接触气囊的时候，气囊还在膨胀，这样就会对乘员造成额外的伤害。假如点火快了，乘员在接触到气囊的时候气囊已经可以萎缩，则气囊不能对乘员的碰撞起到最好的缓冲作用，也就不能很好的起到对乘员的保护作用。第二个是气囊的可靠性问题，也就是对于急刹车、过路坎和其他非破坏性碰撞时引起的冲击信号的抗干扰。汽车在颠簸路面上行驶或以很低速度的碰撞产生的加速度信号可能会令气囊误触发，一个好的控制系统应该能够很好的识别这些信号，从而在汽车产生非破坏性碰撞时不会使气囊系统误打开。第三个就是气囊控制技术的基本指标，包括避免以下情况：①气囊可能在很低的车速时打开。车辆在很低车速行驶而发生碰撞事故时，只要驾驶员和乘客系上了安全带，是不需要气囊打开起保护作用的。这时气囊的打开造成了不必要的浪费。②当乘员偏离座位或座位上无人，气囊系统的开启不仅起不到应有的保护作用，还可能对乘客造成一定伤害。2、安全气囊点火控制的几种算法。（1）加速度法。该算法是通过检测汽车碰撞时的加速度，当加速度超过预先设定的阀值就弹出安全气囊。（2）速度变量法。改算法是通过汽车加速度进行积分从而得到加速度变化量，当加速度变化量超过预先设定的阀值时就弹出安全气囊。（3）加速度坡度法。该方法是对加速度进行求导得到加速度的变化量作为判定是否点火的指标。（4）移动窗积分算法。该算法对加速度曲线在一定时间内进行积分，当积分值超过预先设置的阀值时，就会发出点火信号。2.1移动窗积分算法，下面具有介绍一下移动窗积分算法，选定一下几个观察值作为气囊点火的条件指标。①汽车碰撞时的水平方向加速度ax。Ax是直接反映碰撞激烈程度的信号，而且ax在最佳点火时刻的选其中起关键作用。②汽车碰撞时垂直方向的加速度ay，气囊控制系统加入ay对非碰撞信号能起到很大的抗干扰作用，当汽车发生正向碰撞时，ay与ax有很大的不一致性，可以由此来判别干扰信号。结合这几个量，得出一个判定气囊点火的最佳指标。需要采样一个时间段ax的值，根据这一系列的值才能判定碰撞的激烈程度，气囊点火控制算法应在发生碰撞后20~30ms内做出点火判定，因为气囊膨胀到最大需要时间大概为30ms，在碰撞初速度为28.4km/h时，人体向前移动5inch到达接触气囊的时间大概为70ms，则目标点火时刻为70-30=40ms，所以气囊打开应该在碰撞后的40ms时刻，所以算法必须在20~30ms内做出点火决定，这样可以采样碰撞后的20个加速度值作为算法的输入值。而对于垂直方向也可以

如此采样。则可得到两组值：axS为双向合成积分量，n , f , k如上定义；ρ为合成因素，表征两个方向加速度在合成算法中的权重。这种算法主要是考虑了汽车碰撞时的加速度因素，当加速度的积分达到一个定值的时候，表示汽车的碰撞剧烈程度也到达一定值，会给乘客带来一定伤害。而且这种算法对于判定最佳点火时刻也是很有优势的，经过实验，利用这种算法得出的点火时刻离汽车碰撞的最佳点火时刻仅差几毫秒，符合要求的精度。但是这种算法也有其不足，例如没有考虑碰撞时的速度以及座位上有没有人的因素，这样当汽车低速运行的时候，还是有可能引起误触发。假如将速度和座位上是否有人的信号引入，则可以进一步减少误触发的机会。2.2利用数据融合提出的改进算法由上面的叙述中我们可以知道，移动窗积分算法对于气囊弹出与否进行判定主要是根据积分量S，现在我们对积分量进行一些改造，可以克服上述缺点。具体做法如下，加入以下几个观察量：汽车碰撞时的水平方向速度v，v可以反映汽车碰撞时乘客的受伤害程度。v越大，乘客的动能就越大，碰撞时受到的伤害就越大。V是判定气囊是否应该打开的最直接的指标。坐位上是否有乘客的信号。坐位上无人时，当发生碰撞时则可以不弹出气囊，这样做可以减少误触发的几率，同时避免对其他乘员的伤害。

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