揭秘汽車安全氣囊工作原理

牧云一葉

因為工作關系，我經常接到電話抱怨汽車安全氣囊（以下簡稱“氣囊”）在車禍中沒有起爆展開，進而懷疑自己車上安裝的氣囊質量有問題，并詢問我所在的試驗室是否能做質量鑒定。對于這類問題，存在不少解釋，其中最典型的是，專業人員解釋說氣囊沒有起爆是由于“碰撞角度不對”，可有時被歪曲成“車禍時應該找準角度撞過去，氣囊才會起爆”。可見，不少人對氣囊的認識存在誤區。

氣囊如何工作

氣囊的的核心部件是充氣裝置，專業的說法叫氣體發生器。充氣裝置里填裝著火藥，火藥起爆時快速產生大量氣體，使得氣囊沖開外層蒙皮、快速展開并迅速被氣體充滿。

氣囊并不是一個封閉的口袋，它的側面還留有泄氣口。氣囊彈出并膨脹充滿之后，緊接著就是泄氣收縮的過程；而由于泄氣口的存在，泄氣和充氣實際上幾乎是同時開始的。整個充氣只是一個很短暫的過程，當泄氣流量大于充氣流量時氣囊就開始收縮了。

從設計的角度，最理想的狀態是，人體（一般指頭部）剛碰到氣囊的那一瞬間，氣囊正好由充滿轉為收縮。在這種情況下，氣囊能起到最好的緩沖作用，將車禍對人的傷害降到最小程度。但如何實現這個過程是一個系統設計，涉及到諸如精確控制氣囊起爆時間、火藥填充量、氣囊大小和形狀、泄氣口大小等很多相關因素。然而，這一理想狀態針對的是一種事先定義好的標準狀態，實際接觸時往往都是一種非理想狀態。因為使用者的體型、坐姿習慣、碰撞烈度等存在著諸多差異。如果頭部接觸氣囊的時刻相對較晚，氣囊已經泄氣較多，對頭部的支撐力會不夠，起不到應有的緩沖效果；如果頭部接觸氣囊的時刻相對較早，那么此時氣囊正在充氣并向人體方向膨脹，氣壓很大，且和頭部的接觸過程是一個相向的運動，氣囊本身會對頭部造成較大的沖擊。

氣囊起爆時，對其作用范圍內即展開行程內的物體的沖擊力約相當于成年男子狠狠擊出的一拳。有人做過這樣的試驗：在氣囊前方擺放一個大西瓜，點爆氣囊，高速拍攝的影像顯示，彈開的氣囊瞬間將西瓜擊碎。所以，千萬不要以為安全氣囊像充滿空氣的氣球那么溫柔可愛。

氣囊何時該起爆

因為氣囊起爆時本身存在傷害性，加上更換氣囊的維修成本因素，我們希望氣囊在需要起爆時才展開，不該起爆時就安安靜靜地呆著別動。

氣囊分前氣囊和側氣囊（簾），前氣囊又分駕駛員氣囊和乘員氣囊。如果碰撞沖擊來自正面，那么側面氣囊起爆一般來說是多余的；如果碰撞沖擊來自側面（比如在十字路口），那么正面氣囊展開也起不到保護作用，只需要打開受沖擊的那一側氣囊（簾）就夠了。

注意，汽車前方遭遇碰撞有可能導致車輛滾翻，所以，有的汽車設計成前方沖擊值達到一定的程度，會在起爆前氣囊的同時也打開兩側氣囊；這是為了防止車輛滾翻時頭部直接磕碰到堅硬的車身上。當碰撞速度比較低時，只要系好了安全帶，車內的人一般不會磕碰或者磕碰不很嚴重，此時沒必要起爆氣囊。氣囊標定試驗的一個項目是這樣進行的：汽車以15km/h的速度碰撞到靜止的剛性碰撞壁上，此時氣囊不能展開；汽車以23km/h的速度碰撞到同樣的碰撞壁上，此時氣囊必須展開；介于15km/h和23km/h這兩個速度之間便處于一個模糊地帶，展開和不展開都是容許的。氣囊試驗還有很多內容，包括各種不同速度、不同狀況的碰撞等等，不在此詳述。

這些試驗都驗證這一點：該汽車在受到足夠烈度的碰撞沖擊時，能自動打開相應方向的氣囊來保護車內的人；非碰撞或碰撞沖擊烈度不夠時，氣囊不可以起爆展開。也就是說，需要的時候提供保護，不必要時不可自行其是。

氣囊起爆怎樣控制

現在我們知道了，汽車正面受到足夠強的沖擊時，前方氣囊會起爆展開；側面受到足夠強的碰撞時，碰撞一側氣囊起爆展開；那么，斜著撞上的會怎么樣？

前面提到有人抱怨氣囊沒有起作用，他們所說的基本上是高速公路上擦碰路邊的防護欄，汽車失穩后又經過多次碰撞。車破壞得看上去很嚴重但氣囊沒展開，人受到的傷害據描述也不是很大。這就要具體情況具體分析了。如果行駛正前方向沒有其他障礙，汽車只是和護欄或隔離帶碰撞，那么碰撞一定會有一個切入角度。碰撞方向和護欄之間的夾角足夠大、沖擊足夠強，前氣囊會起爆展開；反之，角度較小或前方受沖擊強度不夠，前氣囊就不會展開。另外，如果不是飛出去橫撞電桿、大樹，不是被他車橫撞或自身翻滾，一般也不會受到大的側面沖擊，側氣囊也不會展開。這種不展開的情況就屬于專家所說的“碰撞角度不對”，此時氣囊是不應該展開的。有媒體在報道中譏諷似的反問：“碰撞的時候難道還要選準角度再撞上去嗎？”這顯然是對專家回答的誤解和嘩眾取寵。這里的“角度不對”并不是指事前的選擇，在剎那間駕駛者也沒有時間和能力去做出這樣的選擇。“角度不對”是指在當時的速度下，以這個角度碰撞到護欄上產生的沖擊不足以引起氣囊起爆；或者說這個角度撞上去沒必要起爆氣囊。

汽車是怎么做出判斷和控制這一過程的呢？這就是汽車安全氣囊控制器的責任了。氣囊控制器裝有加速度傳感器及其他信號輸入接口，這些傳感器可以測定碰撞的嚴重程度，安全帶的使用情況，乘員的狀態、位置和重量，座椅位置及靠背傾斜度等。碰撞發生的瞬間，氣囊控制器根據加速度的大小、方向以及其他信號，來確定不同的碰撞類型；再通過觸發算法來判斷是否起爆；如果需要起爆，還要判斷起爆哪個或哪幾個氣囊，并輸出相應的點火信號，同時觸發安全帶收緊器。從碰撞發生到氣囊破繭而出，這之間只有十幾毫秒，留給控制器的響應時間是很短的，其中氣囊接到信號到破繭約需4毫秒。因為要求判斷精準而且響應迅速，所以每個算法或者說控制程序一般都是汽車生產企業的核心機密。在50km/h的碰撞中，氣囊完全充脹約需40ms，泄氣約80-100ms。整個過程也就0.1s多點，真的是眨眼的瞬間。執行這一程序總的宗旨，就是將車禍中對使用者的人身傷害和造成的財產損失降到最低程度。

氣囊可能錯誤起爆

安全氣囊的設計目的是為了在車禍發生時保護車上的人，但如果不該起爆時起爆或者使用不當，不但起不到保護作用，反而會造成不必要的傷害。endprint

每次車禍的碰撞都是一個復雜的過程，比如高速公路上的先擦碰后接連多次和護欄或隔離帶碰撞，如果駕駛員處理得好，擦碰時及時采取措施修正，未必會發生后繼的多次碰撞。如果在上述擦碰時氣囊就展開了，那么駕駛員幾乎不可能再采取修正措施控制好車輛。又比如，汽車駛過平交道會與鐵軌發生一點沖擊，如果此時駕駛員前氣囊突然展開，駕駛員被氣囊莫名其妙地打蒙，后續還會發生什么傷害就難說了。再比如上馬路牙子、沖路邊沙堆、被石頭刮底盤，這些都有可能產生較大沖擊，但這時候用戶顯然不希望氣囊起爆。

在給一個新車型匹配氣囊之前，都要按上述的情況做試驗，專業上稱為“氣囊誤用試驗”。這里的“誤用”不是指用戶錯誤地使用，而是指氣囊在一些特殊情況下錯誤地發生作用。

使用者的錯誤習慣

用戶也會錯誤地使用：

1.不少人開車不習慣系安全帶。從減少傷害的角度說，碰撞發生時安全帶起到的作用才是主要的，氣囊只能起到輔助作用；而且根據設計，氣囊的安全輔助作用只是在系有安全帶的情況下才能發揮得很好。如果不系安全帶，沒等到氣囊完全展開人就可能被甩出座位了，此時氣囊是起不到保護作用的。

2.有人喜歡把小孩子放在副駕駛座位上，或者由大人抱著坐在副駕駛座位上，這是比較普遍而又極其錯誤的壞習慣。姑且不說其他因素，光氣囊起爆的沖擊就能對小孩造成很大的傷害甚至足以致命！

所以，不要認為氣囊只有保護乘員的一面，而忽視其可能造成的傷害。有些車裝配了失效開關，并有專門的指示燈，可以人為關掉氣囊功能。還有一種氣囊設計成兩級，在烈度不高的碰撞沖擊時只展開較小的氣囊，目的都是為了降低氣囊本身對成員的傷害。

正確認識氣囊的起爆和不起爆

氣囊起爆時可能會對人體會造成沖擊傷害，發生車禍時因慣性直接碰撞也會造成傷害，兩害相權取其輕。發生車禍的瞬間，駕駛員是來不及也不可能做出任何判斷和操作的（事先關掉副駕駛前氣囊除外），如何取舍就只能交給氣囊控制器了。控制器里的程序會根據當時傳感器采集到的參數按照特定的算法計算，并做出它認為最佳的反應。那么氣囊沒展開就絕對不是質量問題嗎？在試驗中確實出現過氣囊該起爆而沒起爆的情況，但事后檢查發現，這是因為試制車型的試驗車，裝配時沒有正式生產線上那么嚴謹，氣囊起爆信號線根本就沒插上去，也可能是做別的試驗有意拔掉后忘了再接上去。出廠的車輛一般不可能有這種情況。

一般試驗都是按照設定的標準情況進行的（雖然也盡量模擬有代表性的車禍），但具體的每起車禍則千奇百怪，要對每起氣囊沒展開的事故做出準確鑒定確實很難。如果做現場復原試驗，一是成本高，二是技術難度大，實際不可行。不過有些典型的情況還是能判斷的，比如遭遇正前方車輛相對碰撞，受傷嚴重，對方車輛氣囊展開了而你的沒展開；相反，有些氣囊不該起爆而起爆了（像上文提到氣囊誤用試驗的情況）。這種確認為質量問題相對來說要容易些。endprint