二节汽车安全气囊安全系统原理与维修

第二节汽车安全气囊安全系统原理与维修一、安全气囊系统的结构构成安全气囊系统的主要电子元器件有ECU、碰撞传感器（集中式系统安置于ECU内部，分散式系统安置在ECU外部）、警示装置、安全气囊组件、乘员位置传感装置及接头和线束等。二、安全气囊系统典型ECU结构对於单点碰撞传感－集中式安全气囊ECU，采用了与放大和滤波电路相关联的电子加速度计（传感器），能稳定地保持对汽车加速度跟踪（即能按照汽车的加速度成比例地输出电压）。与单片微机相关联的装置包括：电源供给装置，给所有的电路提供工作电压。属於这部分的两个重要电气装置包括电荷泵和能量贮备（又称备用电源，在碰撞过程中，一旦蓄电池连接松脱，仍能提供足够的贮电容量触发引爆管使安全气囊张开）。电荷泵具有提升能量贮备电压，使其高於汽车工作电压的能力。当蓄电池、充电系统或发电机出现故障时，电荷泵能维持能量贮备装置的最低工作电压。另外，在提升能量贮备电压的同时，能检测引爆路电阻偏高等类似的故障；供单片微机监控用的监视计时器；供警示灯控制和故障诊断用的接口电路；触发司机或乘客侧充气组件的引爆电路。引爆路一般由ECU内部电路及ECU的外部元器件组成。外部元器件有：接头、电缆、滑环/盘簧（仅司机路才有）引爆管，对於分散式安全气囊系统还有电子机械碰撞传感器等。ECU监控的首要任务，是在碰撞过程中监测可能妨碍成功引爆安全气囊的所有故障；进一步的任务是监测使安全气囊发生致伤、甚至致死的不适时引爆；与ECU集成在一起的机－电安全传感器；选择输入电路。“选择输入”是用来向安全气囊ECU提供乘客座位、司机和乘客安全带的状态信息，这些信息经ECU处理後，除了具有前面提到能改变安全气囊充气速率的功能外，还有安全抑制功能。对於乘客安全气囊，只有在乘客座位被占用、乘客安全带扣上以及安全气囊在较高阈值的情况下，才会引爆充气。将司机安全气囊与乘客安全气囊分开控制，可以减少安全气囊不必要的张开；方便接入外部诊断设备，帮助维修的串行数据线路。三、安全气囊组件的结构及工作过程乘客侧与司机侧安全气囊的结构和工作过程很相似。典型的司机侧安全气囊组件由安全气囊饰罩、带涂敷层或不带涂敷层的织物折囊垫、充气器（即气体发生器、含引爆剂、扩爆剂和主推进剂）和将安全气囊组件安装在方向盘的连接组件等组成。组件的功用和工作过程如下：（1）、将从碰撞传感器接收的电信号传给充气器的引爆剂；（2）、引爆剂像根“电火柴”通电後着火，然後再点燃充气器组件内的扩爆剂，扩爆剂又称为引爆管。（3）、扩爆剂点燃後，点燃主装药－主推进剂。传统的主推进剂由氮化钠+氧化剂组成，也有些使用压缩氮气或氩气，还有两种混合应用；（4）、推进剂燃烧生成氮气流；（5）、迅速膨胀的气体经过过滤进入折囊垫，形成安全气囊雏形；（6）、充气器使充入安全气囊的气体压力增高，并开始推压安全气囊饰罩；（7）、安全气囊饰罩上的压力不断上升，饰罩材料延伸变形和撕裂薄弱区的接缝；（8）、随着裂缝的出现，饰罩门开启，为充气安全气囊的喷出提供最佳通路；（9）、气体压力继续增长，安全气囊张开至织物绷紧；（10）、乘员接触和压迫安全气囊，实现安全保护；（11）、通过气体的粘性阻尼作用，乘员前移能量被吸收和耗散，安全气囊中过压气体经过安全气囊通气孔排出而不致伤害乘员。四、安全带和安全气囊为了说明安全带和安全气囊在保护乘员方面的重要性，首先说明造成乘员伤害的原因。如图2所示，当汽车和障碍物之间发生碰撞事故时，汽车和障碍物之间的碰撞称为一次碰撞。一次碰撞的结果导致汽车速度急剧下降。例如，如果一辆汽车以50km/h的速度与一个固定不动的障碍物正面相撞，则汽车至完全停止所需时间大约0.1s。在这短暂的时间内，可发生的事情却相当多：在碰撞的瞬间，前护杠停止运动，但汽车的其他部分仍以50km／h的速度前进。随着车辆前部逐渐损坏，汽车即开始吸收动能并减速；在碰撞过程中，当开始减速慢下来时，内部乘员则仍以原来的速度向前移动。于是就发生了乘员和方向盘、仪表板、风挡玻璃等之间的碰撞，造成了乘员的伤害。这种乘员和汽车内部结构之间的碰撞称为二次碰撞，如图3所示。图2一次碰撞示意图图3二次碰撞示意图如果乘员未系上安全带，则他们会继续以50km/h的速度前进，直到撞及车室内部物件才会停止。在此例中，乘员撞击车室内部的速度，与从三楼的窗户跳下撞击地面时的速度相当。如果乘员系上安全带，则他们将逐渐减速，因此作用到他们身上的撞击力将减轻。但是在严重的碰撞事件中，虽然系上安全带的碰撞力比未系安全带少了很多，但乘员仍可能会撞到车室内部物件而造成伤害。汽车安全气囊的基本思想是：在发生一次碰撞后，二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，使乘员撞在气袋上，避免或减缓二次碰撞，从而达到保护乘员的目的，如图4所示。由于乘员和气囊相碰时容易因振荡造成乘员伤害，所以在气囊的背面开两个直径25mm左右的圆孔。这样，当乘员和气囊相碰时，借助圆孔的放气可减轻振荡，放气过程同时也是一个释放能量的过程，因此可以很快地吸收乘员的动能，有助于保护乘员。图4安全气囊对乘员的保护作用五、安全气囊的形式除了上述供正面碰撞的保护安全气囊外，近年还开发出了供侧面碰撞保护用的侧安全气囊。这样，安全气囊系统按保护面的不同，可分为供正面碰撞保护用的安全气囊系统和供侧面保护用的侧安全气囊系统，如图5所示。图5正面安全气囊和侧安全气囊此外，安全气囊还可按充气装置点火系统的形式、气囊数量和气囊传感器数量等3种方式来分类。1、按充气装置点火系统分（1）电子式（E型）（2）机械式（M型）2、按气囊数量分（1）1个：用于驾驶员（E型或M型）（2）2个：用于驾驶员和前座乘员（只有E型）（3）4个：用于驾驶员和前座乘员的正面和侧面（只有E型）3、按气囊传感器数量分（只有E型）（1）1个：气囊传感器（2）3个：一个中央气囊传感器和两个前气囊传感器各形式的气囊系统及其动作如图6至图9所示。图6E型、双气囊、3传感器图7M型、单气囊图8E型、单传感器、双气囊图9E型侧气囊六、安全气囊的工作在承受来自如图10斜线区域箭头内严重的正面撞击时，安全气囊系统会检测此减速力。若减速力达到设定值以上时，系统会触发充气装置，然后充气装置内的化学反应会使气囊在瞬间充满氮气，以缓冲乘员的冲击，保护乘员头部和脸部免于撞击方向盘或仪表板。在气囊开始泄气时，气囊依然在继续吸收动能。图10正面撞击方位整个过程（由充气、保护、泄气组成）在不到1s内完成，如图11所示。图11安全气囊的工作过程气囊张开后，需注意如下问题：（1）安全气囊在设计上只能充气1次，一次性使用。用后必须更换。（2）发生碰撞时，即使前乘员座没有乘员，前座乘员气囊也会同时张开。（3）在气囊充气时会产生巨大的声响，而且在所释放出的氮气中会伴生少许烟雾。这些气体和烟雾是无害的（这不表示有起火现象），但乘员要尽快清洗残留物，以免皮肤过敏。（4）气囊的充气在少于1s内完成，因此气囊充气的力量相当大。此系统的设计是为了减少严重的伤害，但它本身可能会对乘员造成轻微的烫伤、擦伤或红肿等伤害。（5）气囊张开后，气囊单元的组件（方向盘中央部分、仪表板）可能会烫热几分钟，但气囊本身并不会发烫。（6）当碰撞的程度足以让气囊充气时，可能会因车身变形而使风挡玻璃破裂。而在备有乘员气囊的车辆上，风挡玻璃也可能因吸收部分充气力量而破裂。七、元件的结构和工作原理1、前气囊传感器（只适用部分车型）前气囊传感器固定在两边的前翼子板内侧，传感器本身是一个机械式开关。当传感器检测出前方撞击的力量大于设定值时，传感器内部的触点闭合，并将此信号送至中央气囊传感器总成（见图17）。图17前气囊传感器（1）结构。前气囊传感器包括：外壳、偏心转子、偏心重块、固定触点和旋转触点等。在传感器本体外侧有一个电阻，作白检之用，检测中央气囊传感器总成与前气囊传感器之间的线路是否有开路或短路（见图18）。图18前气囊传感器的结构（2）工作原理。在正常情况下，偏心转子和偏心重块在螺旋弹簧弹力的作用下，紧靠在与外壳相连的止动块上。此时固定触点和旋转触点并未接合。当发生正面碰撞，如果碰撞的减速率大于设定值时，由于偏心重块惯性的作用，使偏心重块连同偏心转子和旋转触点一起转动，直到与固定触点闭合（如图19所示）而使前气囊传感器闭合。图19前气囊传感器的工作过程★为确保安全气囊系统的高可靠性，前气囊传感器在气囊充气张开后绝不可再重复使用。因为在气囊动作时会有大电流流过传感器触点，这可能会使触点表面烧蚀而造成电阻过大。若重复使用，可能造成气囊充气张开的可靠性降低。2、中央气囊传感器总成或气囊传感器总成当车辆设有前气囊传感器时，此传感器总成称为中央气囊传感器总成，里面所包含的传感器也称为中央气囊传感器；如果车辆未设置前气囊传感器，则称为气囊传感器总成，里面所包含的传感器称为气囊传感器。如图20所示，中央气囊传感器总成安装在车内地板的中间位置上，它从气囊传感器（前气囊传感器和其内置的中央气囊传感器）接收信号，判断气囊应否张开，并诊断系统的故障。图20中央气囊传感器总成如图21所示，中央气囊传感器总成由中央气囊传感器、安全传感器，点火控制与驱动电路和诊断电路组成。一个可靠性极高的备用电源系统也组合在总成内，以防在碰撞时因汽车电源系统的损坏而导致气囊系统不工作。图21中央气囊传感器总成电路（1）中央气囊传感器。中央气囊传感器封装在中央气囊传感器总成内。它有电子式和机械式两种。电子式可检测出减速率，然后点火控制和驱动电路再根据此信号判断是否让气囊充气。机械式也可测出减速率，并直接驱动气囊充气。1）电子式。电子式中央气囊传感器是一种智能传感器，它将传感元件、信号适配器和滤波器等集成在一块IC上，具有可靠性高、功能强等优点。如图22所示，传感器有一悬臂梁，悬臂梁的质量就是惯性质量，当传感器承受冲击时，悬臂梁会发生弯曲。这一弯曲变形可由其上的变形计测出，并转换成电信号，经集成电路整理放大后的输出信号随减速率线性变化。图22电子式中央气囊传感器2）机械式。当机械式传感器检测到正面撞击的速度大于设定值时，其触点会闭合使气囊充气。（2）安全传感器。安全传感器有几种形式。图23中是以配重动能为基础而闭合触点的机械式和以水银为导体的水银开关式。安全传感器的作用主要是为了防止气囊误开。此传感器触发的基准减速率比气囊作用的设定值小。图23安全传感器如果使用水银开关式以外的安全传感器时，在气囊已作用充气之后，中央气囊传感器总成绝不可重复使用。因为在气囊动作时，会有大电流流过传感器触点，使触点表面产生烧蚀而令电阻过大，造成气囊可靠性降低。1992年8月以后产的丰田汽车已不再采用水银开关式安全传感器。1）点火控制和驱动电路（适用于电子式中央气囊传感器）。点火控制与驱动电路对中央气囊传感器来的信号进行计算，如果计算值比预定值大，它就触发点火，使气囊充气。2）备用电源，，备用电源由备用电容器和直流—直流变压器组成。在电源系统由于碰撞而失效的情况下，备用电容器将释放电能，以供应系统所需的电力。当蓄电池电压下降到一定值时，直流—直流变压器用于提高电压。3）诊断电路。本诊断电路可诊断系统内的任何故障。当故障被检测出来后，点亮组合仪表上的故障警告灯以告示驾驶员。这一电路可监视下列各种情况：·造成点火失效的故障；·造成意外点火的故障；·诊断电路本身的故障，即造成不能检测点火失效和意外点火的故障。4）记忆电路。当诊断电路检测出故障时，这一故障被编成代码储存在记忆电路中。此代码可随时取出，以分辨故障部位及进行快速诊断。按照车型、年份的不同，记忆电路可分为两种形式，一种是当电源中断时，记忆内容即自动消失；另一种是即使供应电源中断，记忆内容仍能保留。5）安全电路。安全电路禁止点火。当诊断电路检测到的故障可能会引起意外点火时，诊断电路向安全电路送出一个信号，用于禁止点火。3、侧气囊传感器总成侧气囊传感器总成有两种类型，第一种是独立于正面安全气囊系统而自成体系的，它从封装于侧气囊传感器总成内的侧气囊传感器接收信号，判断侧气囊是否应打开，并诊断系统的故障。这一类型的侧气囊传感