汽车安全气囊结构与原理

一、工作表：安全气囊的结构与原理

二、参考信息

（一）安全气囊系统的主要组件

电子式安全气囊系统主要由传感器、安全气囊组件、安全气囊控制单元、安全气囊报警灯和安全气囊系统保险机构与线束等组成。

安全气囊系统的组成

1.安全气囊组件

安全气囊组件主要由气体发生器、点火器、气囊、饰盖和底板组成。驾驶员侧安全气囊组件位于转向盘中心处，副驾驶员侧安全气囊组件位于仪表板右侧手套盒的上方。

（1）气体发生器。气体发生器又称为充气器，用于在点火器引爆点火剂时，产生气体向安全气囊充气，使安全气囊膨开。气体发生器由上盖、下盖、充气剂（片状叠氮化钠）和金属滤网等组成，如图4-11所示。上盖上有若干个充气孔，充气孔有长方孔和圆孔两种。下盖上有安装孔，以便将气体发生器安装到安全气囊支架上。上盖与下盖用冷压工艺压装成一体，壳体内装充气剂、金属滤网和点火器。金属滤网安放在气体发生器的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧后的渣粒。

安全气囊组件

目前，大多数气体发生器都是利用热效反应产生氮气而充入安全气囊。在点火器引爆点火剂的瞬间，点火剂会产生大量热量，叠氮化钠受热立即分解释放氮气，并从充气孔充入安全气囊。由于片状叠氮化钠燃烧后温度较高，可以达到2 200 ℃，经过金属滤网降温后仍高达160 ℃，所以在一些新型安全气囊中使用不含叠氮化钠的燃料，燃烧温度降至1 600 ℃，冷却后为80 ℃，安全性能更高。

图4-11　气体发生器的组成

1—上盖；2—充气孔；3—下盖；4—充气剂；5—点火器药筒；6—金属滤网；7—电热丝；8—引爆炸药

下面主要介绍驾驶员侧和副驾驶员侧安全气囊气体发生器。

① 驾驶员侧安全气囊气体发生器（盆装气体发生器）。驾驶员侧安全气囊气体发生器因其盆状的外形而被称为盆状气体发生器。点火器位于盆状外壳的中央位置，充气剂环绕在点火器周围，如图4-12所示。

图 4-12　盆状气体发生器

有些车型驾驶员侧安全气囊气体发生器采用二级触发盆式气体发生器。二级触发盆式气体发生器可根据事故的严重程度和类型，由安全气囊控制单元决定两次点火之间的时间差，来调节安全气囊膨胀时的压力，以降低乘员接触安全气囊时的压力。根据车型不同，点火时间差可在5～50 ms范围内变动。原则上每次均会进行二次点火，以避免在安全气囊触发后仍有气体充气剂保持有效状态，如图4-13与图4-14所示。

② 副驾驶员侧安全气囊气体发生器。副驾驶员侧安全气囊使用管状的气体发生器，又被称为管式气体发生器，如图4-15所示。在有些车型中，副驾驶员侧安全气囊的防护罩与撕裂缝完全置于仪表板中，在使用含有溶剂的清洁剂清洁仪表板时，可能会导致仪表板与安全气囊模块多孔。在触发安全气囊时，松动的塑料部件可能导致乘员受伤。

图4-13　二级触发盆式气体发生器

图4-14　二级触发盆式气体发生器触发时的压力变化

图4-15　管式气体发生器

（2）点火器。点火器的外层包裹有铝箔，安装在气体发生器内部中央位置。其结构如图4-16所示。

图4-16　点火器的结构

l—引爆炸药；2—药筒；3—引药；4—电热丝；5—陶瓷片；6—永久磁铁；7—引出导线；8—绝缘套管；9—绝缘垫片；l0—电极；11—电热头；12—药托

（3）安全气囊。安全气囊多由尼龙布涂氯丁橡胶或有机硅制造。橡胶涂层起密封和阻燃作用，安全气囊背面有两个泄气孔。乘员侧安全气囊没有涂层，其靠尼龙布本身的间隙泄气。

（4）饰盖和盖板。饰盖是安全气囊组件的盖板，上面模制有裂缝，以便安全气囊能冲破饰盖膨开。安全气囊和充气器装在底板上，底板装在转向盘或车身上，安全气囊膨开时，底板承受安全气囊的反力。

2.安全气囊控制单元

安全气囊控制单元是安全气囊系统的控制中心，其功能是接收碰撞传感器及其他各传感器输入的信号，判断是否满足点火引爆使安全气囊充气的条件，并对安全气囊系统故障进行自诊断。它一般由安全气囊逻辑模块、信号处理电路、备用电源电路、保护电路和稳压电路等组成，安全气囊传感器一般内置于安全气囊控制单元中。

安全气囊控制单元

3.传感器

（1）安全气囊传感器。安全气囊传感器用于检测、判断汽车发生事故后的撞击信号，告知安全气囊控制单元以便及时启动安全气囊。

安全气囊传感器按照其功能可分为碰撞传感器和安全传感器。其中，碰撞传感器根据安装位置分为正面碰撞传感器、侧面碰撞传感器与中央传感器；安全传感器也称为触发传感器，其闭合的减速度与碰撞传感器相比稍小一些，起保险作用，防止碰撞传感器短路造成误爆开，如图4-17和图4-18所示。(www.xing528.com)

正面碰撞传感器用于纵向测量车辆减速和加速，以便及早识别正面碰撞。有的车型在正中间安装碰撞传感器，也有的在左、右两侧各安装一个碰撞传感器。

侧面碰撞传感器既可以是加速传感器，也可以是压力传感器，一般安装在车辆B柱、C柱或前车门中，用于测量车辆横向加速或车门变形时的气压变化。

碰撞传感器

中央传感器与安全传感器位于安全气囊控制单元内部。在新一代的安全气囊控制单元中，机械式安全传感器被微机械加速度传感器取代，该传感器同时用作中央传感器。

图4-17　正面与侧面碰撞传感器

（a）正面碰撞传感器；（b）侧面加速型碰撞传感器； （c）压力型碰撞传感器

（2）副驾驶员侧座椅占用传感器。副驾驶员侧座椅占用传感器安装在副驾驶员侧座椅的座椅套和坐垫之间，通过检测重量的变化来判断有无乘员乘坐，如图4-19所示。

图4-18　安全气囊控制单元内置传感器

图4-19　副驾驶侧座椅占用传感器

（3）副驾驶员侧安全气囊关闭钥匙开关。副驾驶员侧安全气囊关闭钥匙开关一般位于副驾驶员侧仪表板下方，并不是所有车型都具有此元件。它用于关闭副驾驶员侧安全气囊，若在副驾驶员座椅上安装背向行驶方向的儿童座椅，则必须关闭副驾驶员侧安全气囊。当关闭副驾驶员侧安全气囊后，副驾驶员侧安全气囊关闭指示灯点亮，以提示驾驶员。

副驾驶员侧座椅占用传感器

4.安全气囊警报灯

安全气囊警报灯位于仪表板上，如图4-20所示。接通点火开关时，诊断单元对安全气囊系统进行自检，若安全气囊警报灯点亮6 s后熄灭，表示安全气囊系统正常；若点亮6 s后依然闪烁或长亮不熄，表示安全气囊系统出现故障，应进行检修。

若安全气囊控制单元出现异常，不能控制安全气囊警报灯，安全气囊警报灯便在其他电路的直接控制下作出异常显示。如安全气囊控制单元无点火电压，安全气囊警报灯常亮；安全气囊控制单元无内部工作电压，安全气囊警报灯常亮；安全气囊控制单元不工作，安全气囊警报灯在看门狗电路的控制下，以3次/s的频率闪烁；安全气囊控制单元未接通，安全气囊警报灯经线束插接器的短接条接通。

5.安全气囊系统保险机构与线束

为了便于区别电气系统线束插接器，目前安全气囊系统的插接器绝大多数采用黄色插接器。安全气囊系统的插接器采用导电性能和耐久性能良好的镀金端子，并设计有防止安全气囊误爆机构、端子双重锁定机构、插接器双重锁定机构和电路连接诊断机构等，用以保证安全气囊系统可靠工作。

安全气囊的所有线束都套装在黄色波纹管内，以便于区别。为了保证转向盘具有足够的转动角度而又不致损伤驾驶员侧安全气囊组件的连接线束，在转向盘与转向柱管之间采用螺旋线束。先将线束安装在螺旋弹簧内，再将螺旋弹簧安放到螺旋弹簧壳体内，如图4-21所示。通常，电扬声器线束也安装在螺旋弹簧内。在安装螺旋弹簧时，应注意其安装位置和方向，否则会导致转向盘转动角度不足或转向沉重。

图4-20　安全气囊警报灯

图4-21　螺旋弹簧与螺旋线束

1，3—线束插头或插接器；2—螺旋弹簧；4—螺旋弹簧壳体；5—搭铁插头

（二）安全气囊系统的工作原理与过程

车辆的正面碰撞传感器可保证在正面30°范围内有效地工作。当汽车发生碰撞时，由相应的碰撞传感器对碰撞程度进行识别，对于中等程度以上的碰撞，传感器发出信号给安全气囊控制单元，经安全气囊控制单元判别后发出点火信号使点火器工作，气体发生装置在极短的时间内产生大量气体，并通过滤清器充入卷收在一起的安全气囊，使其膨胀，如图4-22所示。

安全气囊系统的工作原理

图4-22　安全气囊系统的工作原理

安全气囊系统的整个工作过程大约需要100 ms，可分为4个阶段，如图4-23所示。

第1阶段：汽车撞车，达到安全气囊系统引爆极限，传感器从测出碰撞到接通电流需10 ms，引爆器点燃安全气囊的气体发生器，而此时驾驶员仍然处于直坐状态，如图4-23（a）所示。

第2阶段：气体发生器在30 ms内将安全气囊完全胀起，撞车（以50 km/h的速度）40 ms后驾驶员身体开始向前移动，因为安全带斜系在驾驶员身上，随着驾驶员前移，安全带被拉长，一部分撞车时产生的冲击能量由安全带吸收，如图4-23（b）所示。

第3阶段：汽车撞车60 ms之后，驾驶员的头部及身体上部都压向安全气囊，安全气囊后面的排气口允许气压在压力作用下匀速地逸出，如图4-23（c）所示。

第4阶段：汽车撞车110 ms之后，驾驶员向后移回到座椅，大部分气体已从安全气囊中逸出，前方又恢复了清晰的视野，如图4-23（d）所示。

安全气囊起爆过程

图4-23　安全气囊系统时序动作