汽车安全气囊系统的结构原理_汽车安全气囊系统工作原理

1.深入浅出揭真相！汽车安全气囊工作原理全解析

深入浅出揭真相！汽车安全气囊工作原理全解析

题记

对于车主来说，安全气囊是我们司空见惯的汽车安全配置，这种高科技的辅助安全装置，能在严重交通事故中大概率挽救驾乘人员的生命。

也许读者朋友们并不知道，相对于汽车的发明，安全气囊被真正广泛装备的历史并不算太长。上世纪50年代一项大胆的发明专利，在彼时似乎毫无实用价值。但在进入21世纪后被广泛应用于汽车之上。

正是由于安全气囊与安全带的配合使用，在严重交通事故中，驾乘人员致死的可能性降低了67％，每年有数十万驾乘人员的生命得以挽救。

安全气囊在其未被完全证实可靠、实用的几十年间，在不断的研发演变过程中，逐渐渗透了大量跨学科的科技成果，使之成为汽车上科技含量相当高的软硬件系统。

为什么笔者认为安全气囊系统结构复杂、设计精巧、高科技含量高呢？

答案就在此篇图文中，本期为大家带来安全气囊基本原理的分析。与往期类似，我们会通过形象直观，同时结合实际的解析方法，帮助大家全面透彻地了解其工作原理。

为避免技术内容过于繁杂，导致读者朋友们阅读疲劳，无法全都理解，笔者将剥离与安全气囊系统密切相关的安全带方面的内容，这方面的内容，以后笔者可以再做专题图文解析。

什么是安全气囊系统

我们常说的的安全气囊（Airbag），其实拥有一个难以理解的专业称谓：

辅助约束系统（SRS，Supplemental?Restraint?System）。

事实上，安全气囊只是安全气囊系统中的组件之一。在统一这个命名以前，各厂家还赋予过它不同的专业描述，例如：气垫约束系统（ACRS）、辅助充气约束（SIR）。

不过，它们本质上都是同一种汽车安全装备。

本文将采用大家熟知的“安全气囊系统”来代替其正式名称“辅助约束系统”。

安全气囊系统是汽车被动安全系统中最重要的子系统，其主要目的是配合安全带系统，对车辆撞击后的乘客身体进行约束与缓冲，从而保护其人身安全。

其工作原理也非常简单，可以这样形象地进行描述：当汽车发生较严重碰撞或翻覆事故时，安全气囊系统会被迅速激活，“吹”出软质具有缓冲功能的大“气袋”，配合安全带的约束功能，防止驾乘人员与车内物体发生致命碰撞。

根据功能的不同，安全气囊分为不同的类型，并被配置于车内与车外各个关键位置，高档汽车装备多达10个以上安全气囊也并不令人惊讶。

分类多样保安全

安全气囊的类型

读者朋友们最熟悉的，恐怕是方向盘上的前排安全气囊，但其实气囊类产品根据功能的而不同，可细分为多种类型，本节将为大家全面进行分类，并逐一解析其特点。

1.前排安全气囊

前排安全气囊位于汽车方向盘、仪表台处，用以在车辆严重碰撞时，保护驾驶者与副驾驶乘客，其保护功能主要针对来自前方的强烈冲击，这类气囊并不为乘员提供侧方与后方的保护。

由于车辆正前方发生碰撞的概率最大，因此前排安全气囊在绝大多数国家属于汽车强制装备的配置！

您会在我们后文模拟视图中看到其特点：由于前排安全气囊工作时间非常短，展开后又迅速排气，如果车辆随后遭遇二次碰撞，此时气囊将不起任何保护作用。

前排安全气囊又可细分为：?驾驶座安全气囊（DAB）与副驾驶座安全气囊（PAB）。

2.侧面安全气囊（SAB）

侧面安全气囊一般位于车侧座椅或车门内，当车辆遭受较强的侧面碰撞时，侧面安全气囊迅速弹出，并在车门与座椅之间狭小空间膨胀展开，这类气囊维持充气状态的时间稍长。

其主要功能是：为该侧乘客提供头部或躯干的保护，防止其碰撞车内物体受伤。

侧面安全气囊在功能上也各有侧重点：

有的气囊偏重于乘客胸部、躯干的侧面保护，而有的气囊则偏重于乘客头部侧面保护，另一部分气囊兼具前两者的功能。

部分设计精巧的侧面气囊组件，还能根据人体侧面不同部位的生理特点，提供软硬度不同的缓冲。

对乘客相对柔软的盆腔、下腹部位，气囊提供较为轻柔的缓冲，而对于有肋骨保护的胸部，气囊提供的缓冲则较为厚重！

◥安全气囊分类

3.侧帘安全气囊（CAB）

侧帘安全气囊一般配置于车门上方内饰板内，因展开后外形呈细管状且可覆盖整个车窗，形似窗帘而得名。

它不仅会对碰撞会作出反应，部分产品对车辆倾覆也能非常敏锐地感知，当以上两种情况发生时，侧帘安全气囊会从上至下迅速膨胀展开，重点保护乘客头部。

在各种侧碰与翻车事故中，侧帘安全气囊可以降低乘客45％的脑部重伤死亡率。

与前排安全气囊相比，此种类型的气囊不但保持充气状态时间较长，而且保护覆盖面亦较大，部分车型甚至可以提供多达三排乘客的侧方位保护！

侧帘式安全气囊与上文的侧面安全气囊通常搭配使用。

（以下类型气囊一般装备于中高端车型）

4.膝部安全气囊（KAB）

随着用户对安全气囊系统的要求越来越高，为驾乘者提供更全面保护的产品开始逐渐装备汽车。

工程师对长期的碰撞测试与交通事故案例进行统计时发现，前排安全气囊虽然能良好地保护乘员的躯干与头部，但严重的碰撞，几乎都会导致受害人膝部遭受严重损伤！

膝部安全气囊一般部署于前排仪表台处，其主要功能是防止车辆前部严重变形时，溃塌的仪表台严重挤伤乘员膝部。

5.中央安全气囊

中央安全气囊可在车内中间位置膨胀展开，其作用是防止乘客之间因猛烈碰撞相互进行撞击。

6.安全带气囊

安全带气囊配置于安全带上，主要功能是当其激活展开后，可扩大与乘客身体的接触面积，缓冲安全带收紧后产生的巨大拉力，避免乘客被安全带严重勒伤。

7.行人安全气囊

行人安全气囊是近些年才出现的安全气囊类产品，也仅有高档豪华车型才会装备，它并不保护车内驾乘人员的安全，其主要功能是当机动车与行人发生碰撞事故时，减少后者的身体伤害。

安全气囊系统主要构件

安全气囊系统主要由三大组成构件，分别为：安全气囊控制单元、传感器、安全气囊模块。

简要了解本节基本知识，有助于读者朋友们轻松阅读后文即将呈现的模拟演示内容。

1.安全气囊控制单元（ACU）

◥气囊电脑实物

安全气囊控制单元（ACU）俗称气囊电脑，是由计算机处理器、存储器、输入和输出模块构成，是整个安全气囊系统的核心控制组件。

这个“大脑”的软件编程算法，会根据相关传感器传送的信息，进行逻辑判断，最终决定气囊是否触发。

另外，气囊电脑还为系统提供备用电源服务，对整个系统进行随时自我诊断，当系统内部出现故障时，故障详细信息也将被之记录，并通过故障灯警示使用者。

当然，气囊电脑也负责向其它车载系统发送相关数据。

2.传感器

安全气囊系统内各种不同功能传感器采集的信息，是气囊控制电脑决策时必须依赖的重要基础数据。

根据功能的不同，各种传感器被部署到汽车的不同位置，为尽量确保气囊不会错误弹出，气囊电脑逻辑程序不会因为单一传感器传输的碰撞信息，而触发气囊弹出！

以下列出主流安全气囊系统必须拥有的数种传感器（高级安全气囊系统使用的传感器更多，笔者将在以后为大家专题解析）：

尽管新旧款传感器实现功能的方式略有不同，但所有传感器的共同工作目标，毫无例外是将侦测到的车辆物理运动特征转换成电信号，迅速传送给气囊控制电脑。

◥安全气囊系统ACU与传感器

①外部碰撞传感器

外部碰撞传感器作为最直接的碰撞感应组件，被配置在车辆前后以及车侧的关键轮廓位置。

②加速度传感器

该传感器一般配置于车内，通过测量内部小质量块因惯性位移的情况，将其运动特征转换成电信号，用以检测加速度的变化。

例如：正面碰撞将会引起快速减速，而侧面碰撞则会引起快速加速。

③陀螺仪传感器

陀螺仪传感器通过测量因振动而引起的方向变化（如：车辆失控旋转），将运动特征转换成电信号，输出至气囊电脑。

装备该传感器的车辆发生翻转时，该传感器与加速度传感器的共同信号，将被气囊电脑定义为翻车事故已发生，此时侧帘式安全气囊将展开，以保护车内驾乘人员。

④座位占用传感器

早期的安全气囊系统，并没有这种类型的传感器，座位占用传感器用于更精确地控制安全气囊展开，当座位没有乘员时，气囊系统将不被激活！

该传感器一般被部署于前排座位内，通过电压力感知的方式实现其功能。

⑤轮速传感器

轮速传感器被配置与车轮位置，通过电磁信号采集车辆运行速度。

车辆是否处于运动状态，且是否超过气囊激活的最低速度？

这些信息是气囊电脑进行逻辑运算判断，必须参照的最基础数据之一！

3.安全气囊模块

安全气囊充气过程必须迅速而精确。

因此，安全气囊模块不仅只是充满气体的弹性气囊，其构造也较为复杂，它由充气装置、气囊本体两个主要部分构成：

①充气装置

◥两种类型充气机激活过程?点火方式一致

尽管安全气囊系统被认为是一种“被动”的安全保护技术，但其工作原理其实非常“主动”而“暴力”！

引燃器由包裹在可燃材料内的电阻丝制成，电流接通后导致其高温，从而引燃烈性可燃材料。

我们可将之形象地比喻为微型“电”，而整个充气过程更像是炸药爆炸，事实上两者的基本工作原理完全一致。

请记住这个比喻，后文会用到它。

如上图所示：引燃器的小规模爆炸会冲破第一爆破片，这会直接导致充气装置内的大量烈性易燃化学制剂（主要成分是环保的硝酸铵与硝基胍）开始第二次猛烈大爆燃，第二阶段爆燃产生大量氮气，随即涌入气囊内部。

高压强的气体使气囊瞬间膨胀，冲破容器迅速弹出，其平均展开时间仅为20毫秒，而其弹出速度高达近300公里/小时！

要知道，我们人类眨眼的时间约为200毫秒，这样的部署速度，完全可以在人体因惯性移动之初，就已顺利筑好生命保护软墙！

②气囊本体

◥气囊本体结构

为确保气囊在需要时能顺利展开，气囊本体由抗老化、高耐久性的聚酰胺织物制成，此种类型的面料具有较低的摩擦系数，厂方于其中还预置润滑粉（通常为滑石粉或玉米淀粉）。

这也是为什么我们看到气囊展开后，驾驶室内白烟四溢的原因，读者朋友们，那可不是着火！

气囊本体是以紧密折叠的方式，存储于狭窄的气囊模块内，后部结构保留允许气体逸出排气口，供气囊完全展开以后，泄气缓冲使用。

触发条件

各种不同类型的安全气囊均有不同的触发条件，为节约篇幅，笔者仅列出部分与下一节模拟事故场景中需要了解的触发条件：

Tips：记住，每项单独的触发条件无法迫使气囊电脑做出展开安全气囊的决定！

①速度

还记得我们前文提到的轮速传感器吗？

前排安全气囊在正面与前侧面碰撞的绝对触发条件为：绝对行驶速度约为50公里/小时以上（不同系统略有差异）。

②角度

对于下一节模拟案例中，我们即将介绍的正面碰撞传感器，只有在车辆中心线的任何一侧成30度角（合计60度）的碰撞，才被系统认定为有效的正面碰撞。

③加速度

我们前文提到过的加速度传感器，正是由它传输数据供气囊电脑参考。

其触发条件为碰撞时加速度绝对值约为40g以上。

④座位上是否有乘客

装备座位占用传感器的安全气囊系统，将根据座位上是否有乘客，来决定有否打开安全气囊的必要。

当然，目前汽车安全气囊的触发算法，变得更加复杂，而且越是高档的多气囊车型，需要综合衡量的细节数据越多。本节仅为读者更透彻理解原理，列出几项示例性的触发条件。

最佳认知方式

安全气囊系统模拟演示

在了解前面章节解析的内容以后，再来观看笔者制作的安全气囊系统动态工作模拟动图，相信大家就一定能很直观系统地了解其工作原理。

◥典型前碰撞交通事故?安全气囊系统工作模拟动图

在本次“事故”中，因驾驶员操作不当，该车右前侧撞击高速公路护栏。

碰撞瞬间，右前侧撞击传感器因猛烈碰撞而率先响应，与此同时，轮速传感器、加速度传感器、座位占用传感器等相关组件，也将自己捕获的数据传回气囊电脑。

大量的基础数据汇总排列在气囊电脑处理队列中，计算机芯片根据这些实时基础数据，依照厂方预先设定的运算规则进行逻辑判断，笔者给出一个形象而简单的算式：

①速度条件（√）+②角度条件（√）+③加速度（√）+④座位上是否有乘客（√）=立即部署前排驾驶员侧安全气囊（运算结果）

气囊电脑随即向指定位置安全气囊发出激活展开指令，还记得前文笔者请大家记住的“电”吗？

一次小的爆炸将会引起另一次更大的爆燃。。。。。。

就这么简单！

通过前文层层基础知识的铺垫，在这个真正模拟安全气囊工作原理的环节，却不再需要太多语言进行解析了。

您不但理解了整个系统中各个组件是如何协同工作，更知道每个组件的内部工作细节（比如：气囊是如何展开）！

Tips：有时，当我们发生交通事故时，安全气囊并未展开。阅读完本期图文，您脑海里就有了触发条件这个概念。

有的时候，并非车辆有故障，而是碰撞结果构不成气囊展开的综合触发条件。

奉献给读者的实用建议

以下是笔者根据国内车主的不良习惯，总结出几点有关安全气囊的实用建议（限于篇幅，不于文中展开解析，可回复评论交流）：

1.副驾驶位置决不能供儿童使用（即使有儿童安全座椅也必须禁止）；

2.安全气囊弹出位置，不允许有任何物品覆盖，这包括部分花哨的仪表台垫、劣质的座椅套、窗帘等；

3.所有安全气囊组件，原则上不允许维修，即：只换不修；

4.驾车时尽量不要将座椅调整得过于靠前，方向盘应与胸部保持一定距离；

5.喜欢极限越野的读者朋友们，参加此类活动前，请先关闭安全气囊系统（部分硬派SUV与皮卡车型，具有此功能开关。无此功能的车型，可手工关闭）；

6.当安全气囊故障灯亮起时，尽快寻求维修支持。

笔者寄语

汽车的安全性能，已经成为相当一部分消费者购车的首要考虑因素，而安全气囊系统也能从侧面反映出该车型的整体安全性。

本图文示例中的安全气囊系统，仅属中等配置水平，更高级的安全气囊系统配置，不但拥有更多的气囊与传感器，而且要求气囊电脑拥有更复杂、精细的逻辑算法。

目前部分高级安全气囊系统，已经发展到能根据事故发生瞬间，驾乘人员的具体身体条件，智能调控安全气囊的展开强度，从而最大限度保护驾乘人员。

但是，无论从哪方面来说，安全气囊仅属于辅助约束系统，这也证明其仅仅是一种补充安全手段。在不系安全带的情况下，其防护性能会大打折扣，甚至完全不起作用！

除了交通事故伤亡统计，笔者只给出最直接的原因：安全气囊在长时间实用化的演变过程中，有一种分支理论的实践，就是期望其完全代替令人不适的安全带，但最后的结果完败！

因此，提醒各位读者朋友，如果不系安全带，即使是最高档车型的高级安全气囊系统，也不一定能在严重交通事故中挽救您的生命！

祝各位读者朋友出行顺利，旅途平安！

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。