安全气囊系统的工作原理(四)

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2．气体发生器
气体发生器又称充气泵，是安全气囊系统中非常重要而又复杂的一个部件，要求它在引爆管对其点燃后，在0.03～0.05s的极短的时间内产生大量压缩气体，充填到SRS气囊中使其鼓起。气体发生器工作性能的好坏对安全气囊系统的安全保护功能起着至关重要的作用，其气体最高膨胀压力一般为160kPa以上。
汽车安全气囊系统的气体发生器有机械式气体发生器和电子式气体发生器两种。图9-10为机械式气体发生器的结构，它由过滤器1、气体发生剂3、增压剂4、撞针5、机械式雷管6、触发钢球7和触发杠杆8等组成。


气体发生剂的质量产气速度rw为
                               rw=rAs?ρχ=bPn Asρχ (kg／s)
       式中，As为气体发生剂片剂表面总面积(m2)；p为气体发生剂的密度(kg／m3)；χ为气
体发生剂中能产生气体的成分的百分比，一般为60％。
       单位时间气体的流出量C为
                                     C= aAtP (kg／s)
       式中，a为气体输出系数，即为气体特征速度的倒数，常取值为6.97×10-4；At为燃烧
室喷嘴的总面积(m2)；P为燃烧室中燃烧气体的压力(Pa)。
3．SRS气囊组件
SRS气囊组件按功能分为正面气囊组件和侧面气囊组件，安装位置分为驾驶员席、副驾驶员席、后排乘员席气囊组件。
SRS气囊组件将安全气囊和机械式气体发生器或电子式气体发生器组合起来。驾驶员席与副驾驶员席气囊组件结构和工作原理大体相同，一般用同一个SRSECU控制。
安装在驾驶室内驾驶员席和副驾驶员席的、采用电子式气体发生器的SRS安全气囊组件外形见图9-12。图中所示为在事先已断开点火开关和蓄电池搭铁线的前提下，驾驶员席和副驾驶员席的SRS安全气囊组件已分别从转向盘中央和仪表盘上取下，缓冲装饰垫面朝上的情况。副驾驶员席的SRS安全气囊组件的引爆管导线剥去25mm长的绝缘皮，用带导线的鳄鱼夹连接。为了保证SRS的被动安全保护功能，已从车上拆下的过期未引爆的安全气囊组件，绝不能再装到汽车上，必须更换新的安全气囊组件。已经拆下的过期安全气囊组件，将装饰垫面朝上，置于重叠的5～6个旧轮胎中，将其引爆后，重新装填气体发生剂等再组装。


安全气囊气袋常用聚酰胺织物(如尼龙等)来制造，在气囊袋的内表面涂上聚氯丁二烯来形成密封层。安全气囊气袋与气体发生器外壳边缘紧密压粘，再折叠成包放在气体发生器与缓冲装饰垫面之间。安全气囊的放气开口一侧固定在安装支架上。缓冲装饰垫面表面有模压出的撕痕，类似于邮票上的齿孔，以便于安全气囊引爆膨胀时立即撕裂装饰垫，减少安全气囊膨胀时的阻力。
4．安全气囊微处理器(SRSECU)
SRSECU是安全气囊系统的核心部件，主要由专用CPU、备用电源电路、稳压电路、信号处理电路、保护电路、监测电路和点火电路等组成。图9-13是美国福特林肯城市轿车的SRSECU内部元件布置示意图，图9-14是韩国现代轿车的SRSECU电路示意图。
       (1) 专用CPU
专用CPu的主要功能是监测汽车碰撞时，汽车前进方向上的减速度即碰撞强度是否达到设定的阈值，从而控制安全气囊引爆管是否引爆。专用CPU由模／数(A／D)转换器、数／膜(D／A)转换器、串行输入／输出接口、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、电可擦除可编程的只读存储器(EEPROM)和定时器等组成。
汽车行驶过程中，专用CPU不断监测汽车上碰撞传感器，一旦获得传感器信号则判断汽车是否是减速行驶还是发生了碰撞。当判断结果为发生碰撞，且汽车减速度信号反映汽车碰撞强度达到或超过设定阈值时，专用CPU立即执行控制引爆管点火的RJ程序，向引爆管点火电路发出引爆指令。




专用CPU还对SRSECU中的关键部件和电路(如传感器、备用电源、点火电路、SRS指示灯及其驱动器电路等)进行不间断地监视，如这些部件或电路发生故障，则闪亮SRS指示灯并存储故障代码，以提醒驾驶员及时维修。
(2) 信号处理电路
信号处理电路的功能是对碰撞传感器检测到的信号进行整形和滤波处理，以便SRSECU能够接收与识别。信号处理电路主要由放大器和滤波器组成。
(3) 备用电源
备用电源由电容器构成，其功能是在汽车碰撞时，如蓄电池或发电设备损坏而不能给安全气囊系统供电的情况下，紧急提供保证安全气囊系统工作所需要的电力。备用电源的供电时间虽然只能延续6s，但在此供电时间内，却能保证SRSECU测出碰撞强度、发出引爆指令点燃气体发生剂，使安全气囊保护作用可靠启动。当时间超过6s以后，备用电源的供电能力下降，不能保证安全气囊系统正常工作。
汽车点火开关接通10s之后，如果汽车蓄电池电压或发电电压高于SRSECU的最低工作电压，则对备用电源的电容器进行充电，直至电容器电能储存足够为止。
(4) 稳压保护电路
稳压保护电路的功能是保证供给各电子元件的电压不至于发生大的波动而损坏电子元器件。由于汽车电器部件中有许多电感线圈，当电路中的开关器件接通或断开使负载电流发生突然变化时，都会产生瞬时的脉冲高压对SRS电路中的元器件造成损害。为了防止SRS元件损坏造成SRS保护作用失效，保证汽车电源电压波动时SRS也能正常工作，必须设置稳压保护电路。
安全气囊微处理器(SRSECU)在汽车上的安装依车型而异，如本田市民轿车、雅阁轿车因防护传感器与SRSECU组装在一起，则将SRSECU安装在变速杆前面的装饰板下面。当防护传感器与SRSECU分开时，SRSECU的安装位置就各不相同，马自达、宝马BMW5、BMW7系列轿车将它安装在驾驶员侧的仪表盘下面，而宝马BMW3系列轿车则安装在副驾驶员侧的仪表盘下面。
5．电路连接装置
安全气囊系统的插接器应特别可靠，采用双保险锁和分断自动短路引焊电阻丝来予以保证。如插接器分断，则短路棒将会把引爆管的电源端接线和搭铁端接线短路，以防止误通电或静电造成引爆管触发。维修时，不能使用普通仪表或万用表去检测引爆电热丝是否断路。
6．SRS线束
SRS电路线束用特种包装和颜色标识。螺旋电缆能保证安装在转向盘中央的安全气囊系统电路可靠连接。另外，插接器触片与插头表面镀金用来防止接触不良。
7．SRS指示灯
安装在仪表盘上的SRS指示灯的功能是，一旦SRS出现故障则闪亮来提示驾驶员。当汽车点火开关接通后，SRS指示灯闪亮6s后熄灭，说明安全气囊系统自检通过，SRS无异常。如汽车点火开关接通后SRS指示灯不亮，或在汽车行驶中点发亮或闪烁，则说明SRS有故障。维修时用测试仪调出故障代码，对照故障提示进行检查维修。
检查或维护安全气囊系统时，应特别小心，稍有不慎，就有可能导致安全气囊意外地膨胀鼓起，造成不必要的财产损失甚至对人身的伤害。因此，每次检查或维修前，应首先关闭点火开关，拆除蓄电池负极后等待10min以上。其次，检查或维修中，绝不能使用普通仪表或万用表测量任何与安全气囊系统有关的电路。第三是充分利用SRS故障诊断仪，在拆除蓄电池负极前，调出故障代码来帮助检查或维修。
检查或维修时，不慎碰撞而安全气囊并未展开，也应对碰撞传感器和气囊组件进行仔细检查。汽车碰撞后，安全气囊已经膨胀使用过，必须更换气囊组件，同时要更换碰撞传感器和控制元件。安全气囊安装在汽车上过了一定的时间，即使没有发生碰撞膨胀，全套安全气囊零部件也必须更换。
如SRS指示灯一直发亮，首先应检查ECU的插接器各端子是否正确连接，若连接正确，则说明升压电路有故障，即在蓄电池电压过低的情况下，升压电路不能将电压提升到SRS正常工作要的电压。故障排除后，在SRS工作电压恢复正常之后10s，SRS指示灯会自动熄火。如SRS指示灯闪烁，则说明插接器端子问可能短路。
某轿车SRS故障代码见表9-1。


4     电子汽车防撞系统
       1．集成安全系统
德尔福汽车公司研究开发的集成安全系统，在行驶汽车的5种不同驾驶状态下都起作用，5种驾驶状态指正常状态、预警状态、躲避碰撞状态、无法躲避碰撞状态和碰撞之后状态。
       (1) 正常状态和预警状态
汽车的安全控制系统要随时监视周围的环境，包括路况、迎面行驶的车辆、行人或其他物体以及驾驶员自身的状态。例如，集成安全控制系统要不断监测驾驶员的呼吸、眼睛睁开程度和眨眼速度，以判断驾驶员驾车的警觉程度或是否疲劳驾驶，以便在发生行人突然闯入行驶车道或横穿公路时，迅速计算出驾驶员的应急反应时间。再参照当时的汽车行驶速度，确定需要采取什么安全控制措施来应对突发的情况。
美国高速公路驾驶安全管理委员会的统计数据表明，高速公路上79％的汽车追尾事故是由于驾驶员注意力分散，在紧急情况下应急措施延缓而造成的。如果安全控制系统能提前半秒钟警醒驾驶员，则汽车追尾事故的发生率可减少60％，因此可看出集成安全系统在预警方面的作用和潜力。
(2) 躲避碰撞状态
集成安全系统将防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(ASR)和电子稳定程序(ESP)等集成在一起，使汽车动力控制系统处于最佳工作状态，在发生紧急情况时，帮助驾驶员躲避可能发生的碰撞。随着电子伺服系统的广泛采用，智能驾驶汽车可以做到紧急情况下自行制动并转向，躲避碰撞事故发生。
(3) 无法躲避碰撞状态
对不可避免地要发生的碰撞事故，集成安全系统会提前发出警告。当汽车驾驶状态在正常状态和预警状态时，系统会根据潜在碰撞事故的相应数据，使乘员保护系统随时待命，一旦事故发生，则在最理想的时刻启动被动安全措施。比如德尔福汽车公司的被动式乘员识别系统(POD)和主动式乘员感知系统(OPDS)技术，使碰撞发生时保护乘员的被动安全措施即安全气囊及时发挥作用。
被动式乘员识别系统(POD)由安装在座椅内部且体积很小的安全气囊、连接德尔福压力传感器的液囊、电子控制器(ECU)和安全带张力传感器等组成。安全带张力传感器根据乘员座椅的状态，获得座椅上的乘员是成人、儿童或婴儿，或者座椅空闲等信息，并将信号送人ECU。ECU内存储有处理各种传感器信息的程序，该程序根据座椅承受重力可确切地判断出乘员的体形等信息，然后对安全气囊的引爆膨胀提供智能化的选择。
根据不同座椅配置设计的POD可轻松地安装在各种车辆的座椅上，且安装POD系统对座椅生产过程影响极小。POD是第一批通过验证，并符合美国新安全标准的最新安全技术，是第一个完全不用驾驶员干预操作的真正的被动系统。POD在美洲豹XK系列、4种品牌的福特汽车和林肯水星汽车上已装用。
汽车前部配置侧面安全气囊的本田第7代雅阁V6轿车上安装的是主动式乘员感知系统(OPDS)。OPDS在汽车座椅内安装了7个传感器，其中6个在座椅靠背内，以监测乘员的坐姿和高度，据此判断座椅上是儿童、婴儿还是大人，或者是饮料瓶等其他东西。另一个传感器在靠背的侧边，专门用来监测儿童乘客是否在侧着头打瞌睡，据此判断儿童的头部是不是在侧面安全气囊引爆膨胀展开的范围内，以便充分发挥侧面安全气囊的安全保护作用。
0PDS安装在前排副驾驶员席，与前排有侧面安全气囊的系统配合，对副驾驶员席乘员进行被动安全保护。对儿童来说，为了防止侧面安全气囊引爆膨胀造成对儿童身体尤其是头部的弹性伤害，当副驾驶员席座椅上坐着的儿童侧着头打瞳睡，靠背侧面传感器监测儿童头部或身体在侧面安全气囊引爆膨胀展开的范围内时，在汽车发生侧面碰撞的紧急状态下，ECU指令副驾驶座椅侧面安全气囊展开功能自动关闭，即侧面安全气囊不膨胀展开。
OPDS的工作原理是，汽车副驾驶员座椅有一个自身的座椅导电体量，当汽车运行时，传感器检测到该座椅的总导电体量，总导电体量减去座椅自身的导电体量就是乘员的导电体量。如果乘员导电体量低于控制系统ECU初始设定的临界值，则OPDS系统判定副驾驶员座椅上坐的是儿童，靠背侧面传感器又监测到儿童在歪头瞌睡其头部处于侧面安全气囊引爆膨胀的范围内，于是ECU指令自动关闭侧面安全气囊。同时仪表盘上的侧面安全气囊已关闭的黄色指示灯发亮通知驾驶员。
在无法躲避碰撞状态下，安全系统的传感器部分已将驾乘人员的体重、身高和胖瘦程度和每个人在车内座位上的具体位置检测到，ECU从而能确定安全气囊充气膨胀的确切程度。对车内乘员还配置充气式主动膝垫，当汽车发生无法避免的正面碰撞事故时，主动式膝垫才向乘员膝盖方向移动，以减轻事故对乘员造成的伤害。充气式主动膝垫平时离座位较远，以保证乘员在车内有足够的乘坐空间，增加了舒适感和车内开阔感。
(4) 碰撞之后状态
集成安全系统中的车载通信技术，在汽车碰撞后，可及时向救援服务中心发出求救报警信号，并通过导航系统报告汽车发生事故时的具体位置，甚至还可说明碰撞事故的类型和乘员受伤的程度。
2．碰撞报警和避免碰撞系统
碰撞报警和避免碰撞系统对于改善汽车主动安全眭能、减少交通事故发生的作用是明显的。
碰撞报警和避免碰撞系统有两种类型，即被动碰撞报警系统和主动避免碰撞系统。被动碰撞报警系统在监测到汽车存在可能碰撞的潜在危险下，向驾驶员报警。主动避免碰撞系统则在汽车存在潜在危险情况下，自动采取措施来避免碰撞事故的发生，即躲避碰撞。主动避免碰撞系统通过控制动力系统如切断燃油供给、自动制动并产生转向动作来躲避碰撞事故。被动碰撞报警系统和主动避免碰撞系统二者监测汽车碰撞危险的工作原理是相同的，目前，都是使用激光扫描雷达、定波长频率调制技术、摄像机和相应的控制程序来进行报警或躲避碰撞的。
利用雷达发送光脉冲和接收从障碍物返回光脉冲的时间间隔，就可计算出汽车与障碍物间的距离。图9-15为激光扫描雷达碰撞报警系统的控制电路，其雷达可称为脉冲雷达或激光雷达，雷达的发射采用的是激光二极管。由于激光发射脉冲和接收脉冲之间是相位相关的，测量目标的多普勒频移，就可判断目标是否运动以及运动速度和运动方向。发射的激光还必须进行上下一定角度和左右一定角度的扫描移动，才能避免漏过低矮车辆或行人，或汽车上下坡时扫描不到前方目标和漏过不在汽车正前方的目标。反射的激光信号经放大器放大后送入控制系统ECU进行分析，计数器记录发射与接收之间的时间间隔。为满足光速传播需要，控制系统ECU必须有很高的时钟频率。
主、被动系统的主要区别还在于，主动系统要对障碍物进行更精确的识别，判断汽车行驶前方是车道上的障碍物还是路边标志。路边标志可能是警示牌、电杆，土堆或石头，车道上障碍物可能是车辆或行人。如果是车辆则还要判断是迎面驶来还是同向行驶，以及车辆行驶的速度。这些问题激光雷达都要探测清楚，以便采取避让措施和防止发生错误避让。基本探测原理很简单，但要在汽车高速行驶条件下(如高速公路上就要求汽车有一定的行驶速度)，正确判断有无潜在危险就相当困难了。如果激光雷达探测到汽车前方的所有障碍物都发出报警，那等于没有报警。这种情况发生在主动避免碰撞的系统中，则错误报警指令汽车自动制动反而会带来危险。在汽车行驶速度很高的条件下，能及时辨别汽车前方的物体，就需要长距离、大方位分辨率的雷达。现在已有的激光雷达探测距离达100～200m，这个距离对车速为100km／h 的汽车，如前方障碍物静止，驾驶员在得到危险报警后，有3～6s的反应时间来采取应急避让措施。


大众辉腾和奥迪A8轿车上安装的车距自动控制系统(ADC)，取得了良好的安全车距控制效果。ADC系统在可能出现撞车危险时发出警告，在汽车前进道路上有明显障碍时能进行应急制动。ADC系统还能判别汽车前方的路况，在汽车驶入弯道时进行制动力控制。因此，碰撞报警和避免碰撞系统对防止汽车碰撞事故的作用明显，尤其是雨雪天或冰雪路面，还有大雾天气都能防止或减少汽车追尾事故。
新一代的ADC系统加入了逐步停车功能，在必要时可以使汽车在安全距离内逐步自动停车，防撞效果更好。
3．倒车避免碰撞系统
      德尔福汽车公司的预警后视辅助系统(BUA)使用一个雷达传感器和两个超声波传感器，及时提醒驾驶员在倒车过程中可能发生的碰撞。汽车倒车时，BUA系统自动启动，帮助驾驶员察觉汽车后方的固定或移动物体。该系统探测的范围约为车后5m，在倒车速度不高的情况下，驾驶员在接收到碰撞潜在危险警告后，有足够的反应时间来采取应急措施防止汽车倒车碰撞事故。BUA的音响报警效果是越接近障碍物报警声越大，屏幕可显示离障碍物的距离。
大众辉腾和奥迪A8轿车上安装的车距自动控制系统(ADC)，取得了良好的安全车距控制效果。ADC系统在可能出现撞车危险时发出警告，在汽车前进道路上有明显障碍时能进行应急制动。ADC系统还能判别汽车前方的路况，在汽车驶入弯道时进行制动力控制。因此，碰撞报警和避免碰撞系统对防止汽车碰撞事故的作用明显，尤其是雨雪天或冰雪路面，还有大雾天气都能防止或减少汽车追尾事故。
新一代的ADC系统加入了逐步停车功能，在必要时可以使汽车在安全距离内逐步自动停车，防撞效果更好。
3．倒车避免碰撞系统
      德尔福汽车公司的预警后视辅助系统(BUA)使用一个雷达传感器和两个超声波传感器，及时提醒驾驶员在倒车过程中可能发生的碰撞。汽车倒车时，BUA系统自动启动，帮助驾驶员察觉汽车后方的固定或移动物体。该系统探测的范围约为车后5m，在倒车速度不高的情况下，驾驶员在接收到碰撞潜在危险警告后，有足够的反应时间来采取应急措施防止汽车倒车碰撞事故。BUA的音响报警效果是越接近障碍物报警声越大，屏幕可显示离障碍物的距离。