安全气囊的发展与应用

Xxxxxx学院

Xxxxxxx课程设计

题目：安全气囊的发展与应用

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学科门类 专 业 学 号

姓 名 指导教师

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摘 要 .................................................................................................................................................... 2 ABSTRACT ............................................................................................................................................. 4 第一章 安全气囊的发展历史 ................................................................................................................ 5 1.1安全气囊的发展 ............................................................................................................................ 5 1.1.1国外的安全气囊发展历程 ................................................................................................... 5 1.1.2国内的安全气囊发展历史 ..................................................................................................... 5 1.2安全气囊的功能简介 .................................................................................................................... 6 1.2.1安全气囊的使用原理 ............................................................................................................. 6 1.2.2安全气囊的工作过程 .......................................................................................................... 6 第二章 安全气囊的应用现状 ................................................................................................................ 8 2.1安全气囊的应用 ............................................................................................................................ 8 2.1.1乘员探测系统应用 ................................................................................................................. 8 2.1.2磁电式传感器应用 ................................................................................................................. 8 2.1.3智能化控制系统应用 ............................................................................................................. 9 2.2安全气囊改良 .............................................................................................................................. 10 第三章 安全气囊的发展前景 .............................................................................................................. 11 3.1安全气囊的智能化 ...................................................................................................................... 11 3.2安全气囊的绿色环保化 .............................................................................................................. 12 3.3安全气囊的小型、轻型化 .......................................................................................................... 12 结论 ........................................................................................................................................................ 13 参考文献 ................................................................................................................................................ 14

摘 要

在当今社会随着汽车技术的发展和道路条件的改善，车流量越来越大，汽车的速度也变得越来越快。如此汽车带给我们的安全隐患也随之加重，交通事故频频出现。为了保障人们出行的人身和财产安全，确保行车过中的安全，解决行车过程中的人员安全渐渐地受到了我们的重视。以此汽车的安全也就随之产生，随后很快的出现了一系列的汽车安全系统。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，被动安全是指在万一发生事故的情况下，目前主要有安全带和安全气囊防护系统等。由于很多事故是难以避免的，因此被动安全性是极其重要的，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，成本低廉，得到了迅速的发展和普及。现在，世界上许多汽车制造厂及专业生产厂都在设计和生产安全气囊。今天的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中（包括侧向碰撞）起保护乘员头部、躯干和膝部的作用。此外还会向智能化、小型化、多样化、无污染的方向发展的趋势。 关键词：安全气囊；技术；应用；发展

Abstract

In today's society, with the development of automobile technology and the improvement of road conditions, the speed of the car becomes faster and faster, and the traffic flow is becoming bigger and bigger. This car has brought us more security risks, and traffic accidents occur frequently. In order to ensure the safety of people's travel and property and ensure the safety of driving, we gradually pay attention to the safety of people in the process of driving. As a result, the safety of the car was also produced, and then a series of car safety systems appeared. Vehicle safety is divided into two kinds: active safety and passive safety. Active safety refers to the ability of cars to prevent accidents. Passive safety means that in case of accidents, there are mainly safety belts and airbag protection systems. Because many accidents are unavoidable, passive safety is extremely important. As a research achievement of passive safety, airbag is easy to use, effective and inexpensive, and has been rapidly developed and popularized. Now, many automobile manufacturers and professional manufacturers in the world are designing and producing airbags. Today's airbags have developed to protect the crew's head, trunk, and knees in any direction of collision (including lateral collisions). In addition to the trend of intelligent, miniaturized, diversified and pollution-free

Keywords：airbag; technology; application; development

第一章 安全气囊的发展历史

1.1安全气囊的发展

1.1.1国外的安全气囊发展历程

安全气囊使用到现在已有近30年了，它对减少撞车伤亡有举足轻重的作用。美国“高速公路安全保险机构”的报告指出，装有安全气囊的汽车在撞车时，死亡人数减少了23％。安全气囊使车祸中的驾驶员面部受伤减少了75％。安全气囊最早是由赫特里克于1953年8月提出，并获得了美国“汽车缓冲安全装置”专利。由于当时技术水平及人们观念的限制，并没有被广泛接受或认可，当时的美国人更倾向于安装安全带。随着各国车辆安全标准的制定，安全气囊的装备率越来越高。到现在欧洲及美、日等国家汽车上的安全气囊的装备率已达到近100%。60年代末，美国高速公路行车安全管理局（NHTSA）开始顾虑汽车厂商发展安全囊。70年代美国通用、福特，德国奔驰 、日本丰田等汽车公司以及美国 MONTON公司、TRW公 司、德 国 TEMIC公司、ICT研究院、等均投入大量资金和人力研究与发展安全气囊，最终1971年5月安全气囊终于在德国的一个研究小组成功诞生，并运用于汽车生产当中。这些综合力量使安全气囊的研究与展进入了一个全新的发展阶段。1973年美国通用汽车公司开始出售可供顾客选配的汽车气囊系统。安全气囊的灵感来源于他在1952年的一次事故。他在猛打方向盘的后，并进行制动，发现他和妻子都用手臂本能地保护坐在前座中间位置上的女儿。这次事故后他意识到必须有一个类似于软垫子的东西来保护乘员，两周之后他绘好了设计图纸交给了代理人，这份图纸确定了今天安全气囊的雏形。

1984年，NHTSA在著名的“联邦机动车安全标准”FMVSS（Federal Motor Vehicle Safety Standard）208条《乘员碰撞保护》的提出为安全气囊的提供了一个明确的法则及指导向，指导安全气囊的发展和使用。1993年前后，美国政府规定从1995年9月1日以后出场的轿车前排座均应备安全气囊。除此以外1998年以后的新轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊。于是安全气囊在近几年在美国首先得到飞速发展，其他国家纷纷开始重视安全气囊，这使得安全气囊的价格大幅下降，装备安全气囊的轿车从过去的中高级轿车向中低级轿车发展。同时有些轿车前排安了双气囊，乘客用安全气囊与驾驶员用安全气囊相似。但所需的气体要多一些，当然气囊的体积也要大一些。

1.1.2国内的安全气囊发展历史

由于我国的汽车工业起步较晚，所以我国对汽车安全气囊的研究起步晚于欧美等国家。上个世纪80年代末我国的一些汽车碰撞安全和军工专家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。随着世界汽车进军我国，我国的汽车工业迎来了前所未有的发展契机。1992年，我国自主研发的FS-01安全气囊通过撞车试验。 国家经贸委和汽车行业在我国“九五”规划和“十五”规划中明确将安全气囊列为我国汽车零配件三大重点发展项目(电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统)之一, 尤其是1999年10月28日，国家机械工业局发布《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》(CMVDR294)。这个设计规则明确提出对汽车乘员在发生汽车碰撞时所述的安全要求。CMVDR294的发布实际上是地对汽车配置安全气囊提出了国家级的新的要求,这是中国安全气囊发展史上的一个进步,这

一法规的实施对中国的安全气囊发展提供了方向，指明了道路，对我国的行车安全提供了保障，这也同样相当于对中国人民的安全表示重视。

1.2安全气囊的功能简介

1.2.1安全气囊的使用原理

当汽车在行驶过程中发生碰撞事故时，安全气囊当中的接收器接收撞击号，并对其进行分析。当达到一定的标准，传感器则发出信号。电子控制器接收到信号后，与其存储的标准信号进行比较，如果达到条件，驱动电路就会向气囊组件中的气体发生器送信号。气体发生器接到信号后引燃气体发生剂，产生气体，经过滤后，再经冷却系统进入气囊，使气囊成功实现在极短的时间内突破迅速展开，在驾驶员或乘员的前部形成气垫，从而有效地保护人体头部和胸部，使之免于伤害或减轻伤害程度，这大大降低了人们行车生命安全的威胁程度。

1.2.2安全气囊的工作过程

安全气囊的作用过程如下：外界的碰撞、碰撞传感器、电子控制器、气体发生器、气囊展开、乘员保护。

安全感气囊需要在汽车特定部位处装置碰撞传感器。碰撞传感器受到足够的撞击冲量时，将触发信号输送到中央电子控制器。在中央电子控制器中，微处理器能够对传感器输入的触发信号立即进行分析比对。如果碰撞冲量超过预先的设定值，中央电子控制器释放出电火花，使气体发生器中的雷管急速爆炸。雷管炸裂气体发生器中的燃料盒，将燃料点燃并产生高温、高压气体（氮气），快速地经过滤器过滤冷却后冲入安全气囊。气囊在极短的时间之内膨胀至无法再增大为止，在乘员与车内装备之间形成一个气垫。在同一瞬间，乘员因惯性力的作用，

可能向前冲出一段距离，头部、脸部和胸部会与迎面而来的气囊相接触。但高压气囊的膨胀，会把乘员打击到座椅上，会使人员身体受到伤害。气囊在后面还安装的排气孔，排气孔打开，由气体的阻尼作用，吸收了碰撞产生的能量，减轻了乘员的压力，使乘员陷入较柔软的气囊中。

第二章 安全气囊的应用现状

2.1安全气囊的应用

2.1.1乘员探测系统应用

为了能够使得气囊对不同的乘员做出相应的正确而有效的保护，我们现在已经着手乘员座位上安装一个探测系统，，这个探测系统针对车座上是否有人，乘员的体型大小，以及就座时偏离正中情况，还有撞车瞬间成员的身体反应机理进行探测和计算。相当于一个传感器或者一个微型的计算机，计算和与预测的乘员乘坐信息，并传递给安全气囊的中央电脑的总控制中心。在发生碰撞的时候，控制中心在对传感器反馈过来的各种信息进行判断，分析，检验，计算的同时综合考虑探测系统探测所得的乘员乘坐信息。在这种情况下，安全气囊系统就能针对驾驶员和乘员的乘坐情况适时适量适当启动气囊，完全理想的安全气囊是可以针对各种不同的特殊情况对汽车的使用者进行全方位周到的完美保护。安全气囊的中央数据库应尽可能多地收集和利用有关乘员形体位置信息及撞车类型和撞车速度的数据，建立数字模型，对碰撞中乘员和车的有关信息进行识别与判断，调整安全约束系统的参数数值，使人体获得最佳的安全保护。要实现这一技术的应用，科学家和各研究机构正在行之有效的实验当中，目前已经取得较好的成果以及初步应用，但是要普及和全面推动还需要很大的财力物力人力，还需要国家乃至世界人民的齐心努力。

2.1.2磁电式传感器应用

传感器的触发有开关式，纯机械式，单点电子式，侧撞式，应变式等等多种多样。全气囊的传感器触发方式在整个国际上并没有统一标准，其种类繁多，而且由于触发器装于车身上不同位置其触发的方式也不尽相同。为使传感器能够方便地安装在各个部位，使其能够正确适时地感应碰撞。磁电式传感器的应用就显得尤为重要。只要稍微调整一下某些参数值，这种磁电式传感器就可以安装在车身上的任何位置，得其能够识别任何时间脉冲为0-20 ms和峰值为0588 m/s的碰撞和速度信号。只要碰撞加速度峰值和时间脉冲宽度能够同时满足条件，就会向气囊发出触发信号，展开气囊，对人体进行保护。这种传感器结构由磁性材料，以及外壳和惯性体等非磁性材料组成，连接在惯性体上的软铁、支持和调节位移幅值的弹簧、安装在与外壳连接的凸柱内的永久磁铁和绕制在软铁上的线圈及引线组成。当传感器受到碰撞加速度时，惯性体产生反向加速度，导致通过线圈的

磁通量发生变化，在线圈引线两端产生钟形脉冲信号，当调整弹簧刚度时，可改变加速度信号的宽度。传感器的信号判别电路由三部分组成：信号幅度判别电路；信号宽度判别电路；有用、无用信号判别电路。通过对碰撞信号进行多方位的判别，可使控制装置获取的碰撞信号更全面，发出的点火控制更准确，从而确保安全气囊在必要的情况下展开。磁电式传感器不仅电子判别电路出错率低，感应碰撞信号的可信度高而准确；而且通过标锤落定实验可以调节它的感应范围宽度，满足汽车碰撞产生脉冲的再现，从而还可以安装于车身上任何部位。还有就是它设计简单，价格低廉，对绝大多数汽车使用者来说都不再是望而却步的奢侈品。

2.1.3智能化控制系统应用

对安全气囊控制系统的要求是准确判断事故的碰撞强度，控制气囊的展开，而决定这一要素的就是碰撞传感器。碰撞传感器是安全气囊系统中的重要部件，其功能是检测、判断汽车发生碰撞后的撞击信号，以便决定是否展开缓冲气囊。碰撞传感器主要有三种。机械式传感器在早期的安全气囊中使用较多，主要应用惯性原理，利用传感器中元件的惯性力克服弹簧力来触发气体发生器。机械式在加速度较低时保证不启动气囊，可靠性较高；但只能单点传感，对机械部件的品质、精度和耐磨性要求极高。电子式传感器是一种应用最早的碰撞传感器，根据电子原理，利用电信号来反映车身减速度，而后根据电信号来判别是否展开缓冲气囊。机电式传感器采用机电结合的方式，将机械信号转化为电子信号，再利用电是因为子信号点爆安全气囊。即具有机械式的优点，又能克服机械式传感器本身存在的缺陷，安装在车身上任何位置，以便得到较好的减速信号，而且能够在同位置多安装传感器。

除了安全气囊的控制系统以外，它的材质也起到了至关重要的作用。缓冲气囊一般由防裂性能好的聚酰胺织物制成，它是一种半硬的泡沫塑料类组织，能承受较大的压力；经过硫化处理，可减少气囊冲气膨胀时的惯性力；为使气体密封，气囊里面还涂有涂层材料。气囊的大小、形状、漏气性能也是确定安全气囊保护效果的重要因素，必须根据不同汽车的实际情况来确定。

需要重点说明的是，安全气囊不代表绝对的安全，针对安全气囊在使用中的缺陷如气囊伤人、保护效果不佳或者浪费等状况，我们必须进一步提高控制系统灵活性、准确性，为此我们可以采用智能式控制系统。

智能型气囊系统是安全气囊系统开发人员正在根据神经网络原理进行开发的。它主要是模拟神经末梢（即各种传感器）将各自探索到的周围环境的各种信息传输给中枢神经（即电脑或微机）的运行规律，将碰撞事故的碰撞类型，碰撞事故严重程度以及碰撞时的车速等信息一起传递给电脑，由电脑对这些信息进行

加工处理分析，做出相应反应，并执行与这些信息相对应的、正确的气囊保护程序。智能式控制系统一般由两部分组成，软件部分和硬件部分。硬件部分主要由车载部分的电子控制单元（包括单片机、传感器、点火电路等）和地面部分（包括串行通讯电路、计算机系统等）；软件部分主要由单、片机部分和微机部分组成。

2.2安全气囊改良

现有安全气囊的设计目标是用来对付严重交通事故的，但是对于不太严重的事故中，反而容易对驾乘人员造成伤害。针对实际使用中存在的问题，我们更希望在安全气囊展开之前，安全气囊系统能够精确感应汽车发生的碰撞，并按照程序来判断碰撞事故的严重程度，如果碰撞级别比较低的话，只需安全带的防护措施即可；如果碰撞级别比较高，需要启动安全气囊，则将点燃气囊的指令传递给气囊系统。这也就是要求安全气囊系统能够准确地感应所发生的碰撞事故；根据实际的碰撞程度来判别安全气囊是否需要展开，有一定灵活性；并且能够针对不同体形的乘员适当的调整安全气囊。对于气体发生器，不仅要求其工作可靠， 性能稳定，耐久性好，符合环保要求，而且要求尽量减轻其质量和降低成本。尤其针对安全气囊气体伤人的情况，更是要求对气体发生器加以改进。汽车上的气囊系统大量采用以叠氮化物作为气体发生物质的推进剂型气体发生器，其他类型的气体发生器，包括混合气体型气体发生器、液体（液态气）型气体发生器、压缩空气蓄能型气体发生器和硝化纤维型气体发生器等也在积极研制。如摩尔顿公司生产的一种低密度、无毒的气体型气体发生器，与现用的相比具有体积小、质量轻的优点；布雷德公司开发的一种新型无钠叠氮化物气体发生器，耗用量不到钠叠氮化物发气剂的40%，而能产生等量的气体，从而使其体积减小，质量减轻。就是在普通型的基础上增加传感器，以探测出座椅上的乘员是儿童还是成年人，他们系好的安全带以及所处的位置是怎样的高度，通过采集这些数据，由电子计算机软件分析和处理控制安全气囊的膨胀，使其发挥最佳作用，避免安全气囊出现无必要的膨胀，从而极大地提高其安全作用。智能安全气囊比普通型主要多了两个核心元件，即传感器及其与之配套的计算机软件。

第三章 安全气囊的发展前景

汽车安全系统的成长速度非常快。汽车的安全设计在整车设计中所占的比例也越来越大。汽车安全性分为主动安全和被动安全两种，主动安全系统旨在提高车辆行驶的稳定性，防范事故于未然。被动安全系统是事故发生后开始起作用，以减缓事故严重程度。而汽车安全气囊属于被动安全系统。在我国，2000年的时候曾经实施了CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》法规，这法规于欧洲ECER94法规有着异曲同工之妙。而我国的侧面碰撞在今年也已经开始实施。这一法规的实施将对我国车辆的碰撞安全性能和驾乘人员保护系统提出更高标准的要求。随着汽车安全法规体系的不断完善，中国汽车电子市场的发展速度将会日趋迅猛。智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高，安全气囊技术近年来也发展得很快。新的技术可以更好地采取不同的保护措施，识别乘客类型。系统采用重量、超声波、红外等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等各种因素，进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用1级触发还是2级乃至多级触发、点爆力有多大，并与安全带形成总体控制。网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。当前安全气囊新技术的开发研究可以概括为向着气囊的智能化、绿色环保化、虚拟技术化等方向发展。除此以外通过传感器，气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式，是正面碰撞还是角度碰撞，侧面碰撞还是整车地翻滚运动，以便引爆车身不同位置的气囊，形成对乘客的最佳保护。

3.1安全气囊的智能化

随着电子信息技术的飞速发展，更多的智能技术在汽车上得到推广应用，智能化安全气囊就是其中之一。其主要原理是在普通安全气囊的基础上增设传感器并且加上与之相配套的计算机软件而制成。举例说明，重量传感器的增加可以根据重量感知乘客的年龄，其红外传感能探测座椅上是人还是物品，超声波传感器能探明乘员的存在，位置和应对各种情况坐车的反应等。计算机软件则能根据乘客的各项属性，是否系上了安全带以及汽车碰撞速度，撞击程度，刹车力度，车辆损毁成都等，及时调整气囊的膨胀的时机、速度和程度，使安全气囊对乘客提供最合理有效的保护。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。它解决了安全气囊膨胀过快而对乘客造成的挤压伤害问题。在这种情况之下整个传感器系统将由神经网络控制。为保证精确地确定乘客的位置，采用了4个超声波传感器：来自这些传感器的信息输送给神经

网络，然后计算出乘客的体重和位置、衣服穿戴的类型等。还能确定他们的精确位置，身体向后仰还是向前倾。控制系统和传统的进行数字信号处理的微处理器结合使用。

3.2安全气囊的绿色环保化

迭氮化钠是一种有毒物质，然而这种迭叠化钠现在被普遍用于安全气囊中。其毒性是砷的30倍左右。一旦泄露，会对人体造成一定程度的伤害。此外，迭氮化钠在被激活后释放的气体冲起气囊的同时，还会生成固态的钠，我们都知道钠的化学性质非常活泼，特别是在与水接触时可以直接燃烧。因而，我们为 避免使用有潜在危险和有毒性的含钠物质，科学家采用了新型气体发生技术，使之符合环境保护的要求，这是汽车安全气囊发展的一个新方向。前不久TRW公司用非叠氮化合物替代了原来安全气囊所用的固体氮化合物来作推进剂动力，也有公司研制采用空气和氢的混合物的安全气囊，氢燃烧后产生的热气体，能以很快的速度充满安全气囊并且其产生的气体是无毒性的水蒸气；也有其他采用氦气其膨胀的新型安全气囊系统。而这些方法的宗旨更对都是从化学的角度保护人体的安全。

3.3安全气囊的小型、轻型化

目前市场上流通的安全气囊还存在体积大，重量大的缺陷。人们希望把安全气囊变成采用小体积的新型气体发生器，它采用压缩混合式气体气体发生器及有机气体的纯气体式气体发生器。这就大大减轻了车头的空间负担。另外，德尔福传感器公司将推出了世界上最小的安全气囊模块，使方向盘既美观简洁，又有足够的空间来集成更多的控制系统。德尔福的技术使得囊系统的盖板与方向盘的接缝非常细小，安装的位置也比较独特，且方向盘看上去更漂亮。德尔福公司的这种技术使得安全气囊向小而轻的方向发展，但是这种新型气囊的安全性目前还不如以前较为笨重的气囊。虽然如此有很多车辆生产公司对这种技术的前景表示看好。因为如果解决了安全性的难题，这对汽车的销量是一个正面的刺激。 随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高，汽车安全技术中的安全气囊技术近年来也发展得很快，智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。

新的技术可以更好地识别乘客类型，采取不同的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高等因素，进而在碰撞时判

断是否点爆气囊、采用1级点火还是多级点火、点爆力有多大，并与安全带形成总体控制。通过传感器，气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式，是正面碰撞还是角度碰撞，侧面碰撞还是整车地翻滚运动，以便驱动车身不同位置的气囊，形成对乘客的最佳保护。

网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。在汽车网络中，有一种应用面比较窄，但是非常重要的网络即Safe-By-Wire。 Safe-By-Wire是专门用于汽车安全气囊系统的总线，Safe-By-Wire技术旨在通过综合运用多个传感器和控制器来实现安全气囊系统的细微控制。Safe-By-Wire Plus总线标准是由汽车电子供应商和部件供应商如飞利浦、德尔福等公司提出。与整车系统常用的CAN、FlexRay等总线相比，Safe-By-Wire的优势在于它是专门面向安全气囊系统的汽车LAN接口标准。为了保证系统在汽车出事故时也不受破坏，Safe-By-Wire中嵌入有多重保护功能。比如说，即使线路发生短路，安全气囊系统也不会因出错而起动。Safe-By-Wire技术将会在汽车安全气囊系统中获得广泛的应用。

结论

综上所述，我们可以清楚看到安全气囊在整个汽车的安全系统中的重要作用。安全气囊是一种集机械、电子、化学化工等多学科于一体的高新产品，技术含量高、结构复杂、装配精度高、安全要求高。安全气囊的研究步伐还在继续在前进。据有关机构统计。在所有可能致命的车祸中，如果使用安全带，可挽救45%的生命；如果同时使用安全气囊，这一比例将上升到60%。在不安全带的状况下，安全气囊不但不能对乘员起到保护作用，还会对乘员有严重的杀力，安全气囊的爆发力是惊人的。足以给驾驶者以重创。所以安全气囊的新技术还在需要不断被开发，尚需投入大量的工作。安全气囊关系到现如今的万千人的生命，其应用发展是我们生活当中非常值得关注的问题在此希望以本文的研究方法和成果为人们的出行安全以及方便带来福音。

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