國內汽車市場氣囊起爆條件檢測技術分析

谷陽陽 牛增良 潘小龍

摘 要：文章研究了汽車安全氣囊點火算法工作原理和安全氣囊工作條件，并調研國內外安全氣囊工作條件文獻資料，結合汽車被動安全技術，研究制定安全氣囊起爆條件檢測鑒定技術條件，并應用到實際的司法鑒定工作中，對安全氣囊鑒定工作起到了良好的指導作用。

關鍵詞：安全氣囊;起爆條件;司法鑒定

Abstract： This paper synthesized airbag ignition algorithm principle and airbag working conditions， as well as the domestic and foreign literature investigation data， researched and formulated airbag ignition condition authentication technology， and applied to actual forensic authentication work， it had played a good role in guiding.the airbag authenti -cation work.

1 引言

在交通事故中，最常見的碰撞形態就是正面碰撞。目前，汽車上基本都標配了駕駛位安全氣囊和乘員位安全氣囊，因此，在發生交通事故時，安全氣囊為駕駛員和乘客提供了有力的保護，當安全氣囊和安全帶共同作用時，才能發揮最大的保護作用。但是，在實際的交通事故中，常常會出現安全氣囊無法打開或者低速碰撞下安全氣囊打開的情形，給消費者帶來嚴重傷亡和巨大損失，從而造成消費者和車企之間產生糾紛。對交通事故中安全氣囊是否具備起爆條件應該打開進行鑒定，對于明確事故責任，解決糾紛具有重要意義。

2 安全氣囊概述

2.1 安全氣囊組成

安全氣囊系統各部分在汽車上的安裝位置（見圖1），主要由傳感器、氣體發生器、氣囊和電控單元（ECU）等主要部件組成（見圖1）。

2.2 安全氣囊工作流程

當汽車受到前方一定角度內的高速碰撞時，車輛突然減速，左右縱梁前端的碰撞傳感器和氣囊電腦內的中央傳感器會檢測到強烈的加速度信號，迅速將次信號傳送到氣囊電腦內，這一過程僅在0.01秒之內，氣囊電腦通過預先置入好的氣囊點火算法，對此信號進行確認和計算，當加速度信號超過預先設定閾值時，氣囊電腦會向氣體發生器發送點火指令，點火指令接到信號后立即點火，這一過程一般只需0.05秒左右。氣體發生器點爆之后，發生器內預裝的固態氮粒會快速氣化，形成大量的氮氣，瞬間充滿氣袋，并形成巨大的向上的沖擊力，沖開方向盤和儀表板手套箱上的蓋板，迅速安全展開，為乘員和車體之間形成保護層。

2.3 安全氣囊點火算法

2.3.1 加速度峰值法

加速度峰值算法是安全氣囊控制電腦（ECU）通過對加速度傳感器收集的加速度信號進行判斷，最終決定是否起爆安全氣囊，此種算法中，會設置一個加速度值作為閾值，當加速度傳感器采集的加速度信號超過次閾值后，氣囊電腦會向執行器發出點火指令，起爆安全氣囊。

加速度傳感器一般安裝在車輛左右縱梁的前端，中央氣囊傳感器一般集成在氣囊電腦（ECU）內，氣囊電腦一般安裝在儀表臺中間部位下方或者變速器檔桿位置下方。車輛正面碰撞時，左右縱梁是碰撞變形區域主要受力部件，因此在左右縱梁上的傳感位于車輛碰撞時的變形位置，碰撞產生的噪聲會對加速度傳感器收集信號造成很大的干擾;安裝在氣囊電腦內部的加速度傳感器位于車輛中間，離變形區域較遠，一般碰撞時不會對其造成干擾，受到噪聲的影響也就比較小，但是由于遠離變形區域，中間會有彈性部件造成信號衰退，因此采集到的信號比真實的碰撞信號有一定差異。所以會結合左右縱梁的加速度傳感器一起使用，如果中央傳感器信號精確，也可以單獨使用[1]-[3]。所以，使用加速度峰值算法時，需要優化算法，能夠對加速度信號進行比較好的濾波，最大限度減低干擾，目前，在國內汽車市場上的機械式安全氣囊控制系統中應用較多。加速度峰值算法在以下方面進行了應用。

（1）“門限”作用：某些車輛安裝的安全氣囊系統中，設定安全氣囊開始計算的方式是通過加速度信號是否超過門限值來判定碰撞是否發生。比如當加速度信號傳感器采集的加速度值超過預先的閾值（如3g）時，認為此時車輛發生碰撞，此時，命令氣囊電腦點火算法開始運算。

（2）碰撞速度較高時直接點爆氣囊的作用：當車輛高速行駛過程中發生碰撞時，碰撞加速度傳感器信號超過了預先設計的的高閾值時，氣囊電腦會直接向氣體發生器發出點火指令，從而省去了中間信號處理和運算過程，保證車輛發生高速碰撞時及時起爆安全氣囊，保護乘員安全。

2.3.2 加速度梯度法

加速度梯度算法的判定指標是根據加速度變化率來計算和判斷的，將加速度值進行濾波后，然后將加速度值對時間求導數，將計算的結果與預先設計的閾值進行比較，從而判定氣囊是否可以進行點火。

加速度梯度法對噪聲濾波的要求更高，當汽車行駛路況比較惡劣或者車輛發生緊急剎車制動時，或者與階梯發生低速碰撞時，車輛會產生一定的減速度，此時可能會導致加速度梯度值超過預先設計的閾值，導致氣囊電腦發出點火指令。當發生這種情況時，由于車速較低，不但不能保護乘員，反而對乘員產生傷害。因此加速度梯度算法對濾波要求很高，從而也就要求氣囊電腦計算時間更長，延長碰撞檢測時間，也就導致氣囊控制系統開發成本的增加。不過，正如加速度梯度法的創造者美國ASL實驗室的Tony Gioutsos提出，加速度梯度參數能很好地預測碰撞的發生，并預測車內乘員的位置變化，與其他的點火算法相比，對于氣囊點火時刻有著無法比擬的優越性[4]-[5]。因此，設計人員可以將加速度梯度算法與其它算法，如與移動窗算法結合使用，此算法抗干擾能力較強，綜合運用兩種算法的優勢，從而彌補了加速度梯度法對于抗干擾能力差的缺點。

2.3.3 移動窗積分算法

設t2=t1+T，T代表時間窗截取計算的寬度區間，移動窗積分算法對加速度信號進行實時采集和技術，為實時計算當前信號值，取t2時刻為當前時刻t，故：

目前，汽車安全氣囊點火算法基本都采用的移動窗式積分算法。移動窗式積分算法是對當前時刻之前T時間段內的加速度數據進行積分，得到一個計算值S（t，T），當計算值S（t，T）超過預先設定的閾值Sth時，氣囊電腦發出點火指令，如果未超過閾值，則繼續進行計算處理。由于該算法時刻保持計算時間最近的時間窗T長度內的信號，對時間窗以外的信號實時舍棄，因此叫做移動窗式積分算法。

由移動窗積分算法得到的速度變化量曲線比較平滑，有一定的抗干擾能力，在汽車發生100%正面碰撞時，能夠很容易判斷車輛碰撞的嚴重程度，確定氣囊是否需要點火。但是僅僅利用速度變化量參數?V，不能區分碰撞類型，當車輛發生柱碰撞、角度碰撞時，氣囊會發生漏點火現象。

因此，在移動窗積分算法的基礎上引入了另外一個參數，用加速度曲線的長度L來判斷汽車的碰撞形式（a為加速度）。

因為高速柱碰撞的加速度比低速正面碰撞的加速度振蕩幅度更大，振蕩頻率也更快， 即加速度曲線上的褶皺更加嚴重、密集，因此利用移動窗內加速度曲線的長度參數可以輕易地將高速柱碰撞從低速正面碰撞中區分出來，避免高速柱碰撞時由于安全氣囊不展開而造成的乘員傷害。

2.4 安全氣囊工作條件

汽車安全氣囊系統并非在所有的碰撞情況下都能起作用。正面安全氣囊系統在汽車從正前方或斜前方30°角范圍內發生碰撞且縱向減速度達到某一值（通常稱為減速度閾值）時，才能引爆氣體發生器給氣囊充氣（見圖2）。

當滿足下列條件之一時，正面安全氣囊系統電控單元（ECU）不會發出引爆指令，安全氣囊不會展開：①汽車遭受側面碰撞超過斜前方30°角時;②汽車遭受橫向碰撞時;③汽車發生后方碰撞時;④汽車發生繞縱向軸線側翻時;⑤縱向減速度未達到設定閾值時（減速度閾值由設計人員根據安全氣囊系統的性能設定，不同車型安全氣囊的減速度閾值可能有所不同。該速度與實際交通事故中根據車身變形量推算出的等效固定壁碰撞速度相當）;⑥汽車正常行駛、正常制動或在路面不平的道路上行駛時。

3 安全氣囊鑒定技術條件

通過調研國內外有關安全氣囊起爆條件相關文獻，總結發現，由于碰撞過程中，減速度的采集比較困難，行業內多數采用速度變化量這一指標作為安全氣囊起爆條件之一。通過對幾十篇國內外文獻的總結，安全氣囊的起爆條件一般為：16km/h以下不起爆;16km/h-26km/h為點爆模糊區，26km/h以上必須起爆。

根據安全氣囊點火算法工作原理和安全氣囊工作條件，安全氣囊打不打開主要影響因素是：①碰撞角度②碰撞減速度或者速度變化量。

因此，綜合安全氣囊點火算法工作原理和安全氣囊工作條件，以及國內外文獻調研資料，研究制定安全氣囊起爆條件鑒定技術條件為：①碰撞角度：碰撞在汽車從正前方或斜前方30°角范圍內;②碰撞速度變化量：16km/h以下不起爆;16km/h-26km/h為點爆模糊區，26km/h以上必須起爆。

4 案例應用

4.1 簡要案情

2012年11月13日04時40分許，宋某駕駛津GQK***號某品牌小型轎車，在天津市津南區沿津歧公路由北向南行駛至39.4公里處時發生交通事故，車輛突然失控駛入對向車道，繼而又駛入公路東側路肩內，車前部撞上路肩內指示牌標桿，造成駕駛員當場死亡和車輛損毀的交通事故。

4.2 鑒定過程

4.2.1 碰撞形態檢驗

被鑒車輛的整體碰撞變形比較明顯，車前部碰撞損壞變形，變形區域凹陷，呈現出“U”字型;左側翼子板變形，左側車門變形;車右側翼子板變形，右側車門變形;車后部無變形。通過被鑒車輛的碰撞變形部位、狀態及程度，可以確定被鑒車輛的此次碰撞屬于典型的柱撞形態（見圖3）。

根據事故現場勘查，結合當地交警出具的《道路交通事故責任認定書》描述的情況，發現此次車輛碰撞事故中，被鑒車輛撞擊的對象為路邊堅固的鋼制指示牌標桿。堅固的指示牌標桿通過螺栓固定在地面上，碰撞后指示牌標桿未發生明顯變形和移動。因此，可以將指示牌標桿等同為固定柱狀障礙物，此次碰撞事故基本符合汽車安全氣囊控制系統標定試驗中的柱撞試驗形態。

4.2.2 計算碰撞瞬間的車速

根據三坐標測量儀測量數據，做出被鑒車輛和與其同型號的新車的前部最外緣包絡線對比圖以及車輛變形關鍵點的變形量（見圖5）。

在上列整車坐標圖中，整車坐標系y=-100mm處，被鑒車輛的碰撞變形達到最大值823mm。根據車輛的碰撞變形量可以看出此次事故碰撞強度較大。根據汽車與柱狀堅固物體碰撞時，其變形量與碰撞速度的關系式為：

將測量數據代入公式計算得出，被鑒車輛變形區域在y=-100mm處，塑性變形量最大值L=0.823m。由此計算得出被鑒車輛撞柱時車速為：V=67 X 0.823≈55km/h。

4.3 鑒定意見

根據被鑒車輛碰撞形態可知，被鑒車輛的此次碰撞屬于典型的柱撞形態，碰撞角度位于汽車從正前方或斜前方30°角范圍內;被鑒車輛碰撞瞬時速度達到了55km/h，遠高于26km/h。綜合安全氣囊鑒定技術條件，此次碰撞事故條件達到了安全氣囊起爆條件，分析認定：被鑒車輛安全氣囊應該打開。

5 總結

鑒于國內外還沒有安全氣囊起爆條件相關的標準法規，為滿足國內汽車市場安全氣囊檢測鑒定工作的需要，本文綜合分析國內汽車市場主流廠家的安全氣囊點火算法工作原理和安全氣囊工作條件，以及國內外文獻調研資料，研究制定了安全氣囊起爆條件檢測鑒定技術條件。該檢測鑒定技術條件符合安全氣囊工作條件的要求，滿足了司法鑒定工作中安全氣囊起爆條件檢測鑒定的要求，為安全氣囊鑒定工作提供了參考標準，針對現階段來說，為安全氣囊鑒定工作提供了有力的指導，切實解決了消費者與車企之間的糾紛矛盾。

參考文獻

[1] 石哲.新型進口汽車ABS.SRS 檢修手冊[M].福州：福建科學技術出版社，2000.

[2] 肖偉權.基于多傳感器信息融合的安全氣囊控制系統[D].合肥：中國科技大學，2007.

[3] 王軼聞.豐田花冠安全氣囊的原理與檢修[J].科技信息，2009（11）： 101-102.

[4] GIOUTSOS T.A Predietive Based Algorithm for Aetuation of an Airbag[C].SAE Paper 920479.

[5] GIOUTSOS T.Slant Transform/Signal Space Crash Discriminator： United States，6532408 BI [P].1997.5.29[2003.3.11].