淺談汽車安全氣囊技術及其應用

汽車安全技術是汽車高新技術的重要內涵之一， 對汽車性能、價格以及汽車產品在消費者中的競爭力有著重要影響。長期以來，可靠的安全帶一直是汽車中唯一的被動保護裝置。盡管當時人們對于安全帶的安全性存有爭議，尤其是對于在兒童使用時，但隨著時光流轉，許多國家和地區最終頒布了強制使用安全帶的法規。 統計數據表明，安全帶的使用挽救了成千上萬原本可能在撞車事故中罹難的生命。

安全氣囊的開發由來已久。在緊急降落時使用軟枕墊進行緩沖的想法一定很有吸引力——第一項用于飛機的可充氣式緊急降落設備的專利早在第二次世界大戰時就已經提出申請！在20世紀80年代，汽車中首次出現了商用安全氣囊。安全氣囊技術盡管仍處于較快的發展和提高之中， 但它已經達到了可以大量減少傷亡的水平。因此， 發達國家的新一代汽車產品一般都配備了安全氣囊。

汽車安全氣囊工作時所發揮的作用的大小不僅與安全氣囊本身的狀況有關， 還取決于其他一些相關因素， 如汽車整車的碰撞特性以及是否與安全帶配套使用等。正因為如此， 汽車安全氣囊的設計必須考慮與其他的安全措施配套， 以獲得最佳保護效果。對裝備有安全氣囊而發生了交通事故的汽車進行統計分析的結果表明， 單獨使用氣囊可減少18%的死亡事故， 氣囊加上安全帶可減少47%的死亡事故。盡管汽車安全氣囊還沒有像汽車安全帶那樣成為全球范圍內的一種強制性安全標準， 但它在發達國家已是一種事實上的必備安全措施。汽車安全氣囊技術的研究和應用在國內還處于起步階段， 但中國加入世貿組織后， 激烈的國際競爭不可避免地要把中國的科技界、工程界和企業界推向該一技術的研究與應用前沿。

1、汽車安全氣囊系統及其工作原理

1.1 汽車安全氣囊系統的組成

汽車安全氣囊系統可分成3 個組成部分： ① 氣體發生器； ②控制系統； ③氣囊。氣體發生器用來根據要求以足夠快的速度產生足夠體積的氣體， 供給氣囊。控制系統則用來判斷汽車發生碰撞的劇烈程度， 決定是否應該打開氣囊， 并在條件滿足時啟動氣體發生器工作。氣囊則用來接受來自氣體發生器的氣體， 控制氣體的壓力和氣囊所占據空間的位置和形狀， 并接受乘員的碰撞， 吸收碰撞動能， 從而達到減少和減輕乘員傷亡的目的。

1.2 汽車安全氣囊系統的工作原理

汽車行駛過程中，傳感器系統不斷向控制裝置發送速度變化（或加速度）信息，由控制裝置（中央控制器）對這些信息加以分析判斷，如果所測的加速度、速度變化量或其它指標超過預定值（即真正發生了碰撞），則控制裝置向氣體發體發生器發出點火命令或傳感器直接控制點火，點火后發生爆炸反應，產生N2或將儲氣罐中壓縮氮氣釋放出來充滿碰撞氣袋。乘員與氣袋接觸時，通過氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達到保護乘員的目的。

汽車的安全氣囊內有疊氮化鈉（NaN3）與硝酸銨（NH4NO3）等物質。當汽車在高速行駛中受到猛烈撞擊時，這些物質會迅速發生分解反應，產生大量氣體，充滿氣囊。[疊氮化鈉分解產生氮氣和固態鈉，硝酸銨作為氧化劑參與。

新型安全氣囊加入了可分級充氣或釋放壓力的裝置，以防止一次突然點爆產生的巨大壓力對人頭部產生的傷害，特別在乘客未佩戴安全帶的時候，可導致生命危險。具體形式有：

1.分級點爆裝置，即氣體發生器分兩級點爆，第一級產生約40%的氣體容積，遠低于最大壓力，對人頭部移動產生緩沖作用，第二級點爆產生剩余氣體，并且達到最大壓力。總的來說，兩級點爆的最大壓力小于單級點爆。這種形式，壓力逐步增加。

2.分級釋放壓力方式，囊袋上開有泄壓孔或可調節壓力的孔，分為完全憑借氣體壓力頂開的方式或電腦控制的拉片Tether。這種方式，一開始壓力達到設定極限，然后瞬時釋放壓力，以避免過大傷害。

2、汽車安全氣囊技術的發展趨勢

汽車安全氣囊作為一種設想提出來后到今天成為必需的安全裝備在汽車上廣泛應用已經過了整整半個世紀的歷程。安全氣囊有效地減小了在汽車碰撞事故中乘員的傷亡，它的保護效果在汽車安全研究領域得到廣泛的認識和高度重視。隨著汽車安全氣囊的普遍推廣應用， 安全氣囊系統的各關鍵技術環節均成為汽車安全研究領域的重點。當前安全氣囊新技術的開發研究可以概括為向著氣囊的智能化、小型化、多樣化、無污染的方向發展。

（1）安全氣囊的智能化傳統的正面碰撞安全氣囊系統是根據前座乘員的常規乘座位置和氣囊的理想點火時刻為原則設計的。但是在實際的汽車碰撞事故中， 影響氣囊保護性能的因素很多，例如乘員的身高和體重、乘員相對于方向盤或儀表板的位置、碰撞的劇烈程度等等。不同的碰撞條件及乘員和乘員的位置的變化會導致乘員不是在最佳時刻與氣囊接觸，從而降低對乘員的保護效果。為了充分發揮安全氣囊的保護效果，自適應式或稱為智能型安全氣囊的概念也就應運而生。近年來， 智能型安全氣囊的研究致力于開發一種能夠最大限度地保護乘員的安全氣囊系統。這種氣囊系統能夠在汽車碰撞的一瞬間根據碰撞條件和乘員狀況來調節氣囊的工作性能。智能型氣囊的關鍵技術之一是先進的傳感系統和電子運算系統，它們在事故發生的短暫時刻內能夠提供可靠的碰撞環境的信息。這些信息包括汽車碰撞的劇烈程度，碰撞的方位， 乘員的身材、體重、位置，乘員是否系有安全帶。智能氣囊系統根據原有探測的信息作出判決怎樣調節和控制氣囊的工作性能，使氣囊能充分發揮其保護效果。

（2）安全氣囊的小型化縮小安全氣囊總成的體積是當前發展的趨勢之一。新型發生器工作時，壓縮氣體從氣罐中噴出充滿氣袋。這種發生器氣體產生率高， 因而尺寸小，便于安裝布置。

（3）環境保護型安全氣囊 采用壓縮氣體的氣體發生器對人體無毒害，且易于回收處理，沒有環境污染的問題。

（4）安全氣囊的多樣化駕駛員和前座乘員安全氣囊已成為轎車生產中的標準設備，作為正碰撞事故中的安全措施。側面碰撞氣囊正在迅速發展。不同設計形式的側碰撞氣囊可分別安裝在坐椅靠背外側、車門中部、車身中立柱、車身頂部與車門交界部位。這些安裝在不同部位的側碰撞氣囊可分別起到保護乘員頭部、胸部和臀部的作用。