了解原理更安全,你知道安全气囊是怎么工作的吗

安全气囊所要做的就是将乘客的速度降为零,同时确保乘客受到较少的损伤,甚至毫发无损。安全气囊的使用非常严格。安全气囊只能在乘客和方向盘或仪表板之间的有限空间内发挥作用,并且必须在几分之一秒的时间内完成使命。不过,如果安全气囊系统能够匀速降低乘客的速度,而不是让他的运动骤然而止,那么即便是如此有限的距离和时间也是很有价值的。

安全带作为一项简单可靠的发明在汽车安全中起这十分重要的作用,通常我们将安全带认为是对人的“主动约束”,而安全气囊就是与安全带共同发挥作用保障乘客安全的“被动保护”。

做为车身被动安全性的辅助配置,日渐受到人们的重视。当汽车与障碍物碰撞后,称为一次碰撞,乘员与车内构件发生碰撞,称为二次碰撞,气囊在一次碰撞后、二次碰撞前迅速打开一个充满气体的气垫,使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”从而缓和乘员受到的冲击并吸收碰撞能量,减轻乘员的伤害程度。

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安全气囊分布在车内前方,侧方和车顶三个方向。在装有安全气囊系统的容器外部都印有Supplemental
Inflatable Restraint
System,简称SRS)的字样,直译成中文,应为“辅助可充气约束系统”。英文名称中强调了安全气囊是辅助性的设备,应该与安全带配合工作才能起到最佳的保护作用。可惜的是中文名称中忽略了这一点,容易给用户带来误解,以为仅靠安全气囊就能获得良好的保护效果。其实,若不配合安全带使用的话,在某些情况下,安全气囊展开时会对乘员造成不必要的伤害。在正驾驶位的气囊装在方向盘的中间位置,副驾驶位的安全气囊安装在正前方的平台内部,在意外发生的瞬间可以有效的保护驾驶员和副驾驶位乘员的头部和胸部,因为正面发生的猛烈碰撞会导致车辆前方大幅度的变形,而车内乘员会随着这股猛烈的惯性向前俯冲,造成跟车内构件的相互撞击,另外车内正驾驶位置的安全气囊可以有效的防止在发生碰撞时方向盘顶到驾驶者的胸部,避免致命的伤害。

安全气囊有三个部件可以助其完成这项本领:

为了保护前排乘客,在传感器检车到车辆撞击后,安全气囊会快速充满气体以保护前排乘客和驾驶员的安全。为了达到充分的保护效果,安全气囊必须在于乘客接触前完全充气,然后安全气囊会与乘客发生接触并放弃,这样才能最大程度缓冲撞击,从而减少伤害。整个过程中安全气囊充气的时间大约为40毫秒,整个撞击过程也不过十分之一秒,所以这个过程是非常迅速的。

侧面气囊系统是保护汽车遭侧面碰撞以及车辆翻滚时乘员的安全一般安装于车门上,在车辆遭到侧面碰撞会导致车门严重变形,以至于无法开启车门,车内乘员被困于车内,侧面安全气囊可以有效的保护车内驾乘人员来自侧面撞击导致的腰部,腹部,胸部外侧,以及胳膊的伤害,保证身体上肢的活动能力和逃生能力。

气囊自身由纤细的尼龙纤维制成,折叠后装入方向盘或仪表盘。近来还出现了装入座椅或车门的气囊。
传感器是通知气囊充气的设备。当撞击力相当于以16-24公里/小时的速度撞击砖墙时,气囊便会开始充气。当质量位移使电接触断开时,某个机械开关将会被触动,告知传感器已发生撞击。传感器从内置于微芯片中的加速计接收信号。
安全气囊充气系统中的叠氮化钠和硝酸钾发生反应,生成氮气。氮气形成的热流会让气囊迅速膨胀。

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随着整车被动安全重要性的深入人心,在一些高档豪华车中出现了高达30几个气囊从颈部、膝部、甚至是在车顶的两侧会配有两条管状气囊,在意外情况发生时能够有效的缓解来自车顶上方的下压力,配合侧面气帘能够有效的保护乘客的头部和颈部。膝盖部分的气囊位于前排驾驶座椅内,一旦打开能够有效保护后排乘客的腰下肢体部位,从而也能缓解来自正面碰撞的前冲力。

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以前安全气囊为例(汽车还有侧安全气囊等),前安全气囊的功能是在高达60 km
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h的速度下撞击障碍物时,保护驾驶员和前排乘客免受车辆撞击时的头部和胸部伤害。在两辆车之间的正面碰撞中,前安全气囊可以在100公里/小时的速度下提供保护。单独安全带不能防止头部在严重的冲击力下撞击方向盘。为了实现该功能,根据安装位置,车辆类型和结构变形响应,安全气囊具有不同的充气能力和适合于特定车辆状况的压力。

车外气囊系统又叫保险杠内藏式气囊。当汽车在正面碰撞行人时,气囊迅速向前张开和向两侧举升,托起被撞行人同时防止行人跌向两侧。目前车外气囊系统正处于研制阶段。

气囊充气系统与固体火箭助推器的原理相同(有关详细信息,请参见火箭发动机工作原理)。安全气囊系统点燃的是“固体推进剂”,后者的燃烧极为迅速,可产生大量气体为气囊充气。随后,气囊爆炸般地冲出原始安装位置,时速高达322公里,比眨一下眼睛还要快!1秒之后,气体通过气囊上的小孔迅速消散,气囊收缩,因此乘客又可以自由移动。

为了使安全气囊能够快速充气,安全气囊并不能使用压缩空气释放来完成充气,而是采用化学反应的方式快速生成大量气体。一些安全气囊使用包含叠氮化钠,KNO
3和SiO 2的混合物进行反应产生大量氮气N 2,反应顺序如下

安全气囊是汽车被动安全中一项技术含量很高的产品。它的保护效果已经被人们普遍认识,有关安全气囊的第一个专利始于1958年。1970年就有厂家开始研制可以减轻碰撞事故中乘员伤害程度的安全气囊;20世纪80年代,汽车生产厂家开始逐渐装用安全气囊;进人90年代,安全气囊的装用量急剧上升;而进入新世纪以后,汽车上普遍都装有安全气囊。

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  1. 2 NaN 3 →2 Na + 3 N 2

  2. 10 Na + 2 KNO 3 →K 2 O + 5 Na 2 O + N 2

  3. K 2 O + Na 2 O + 2 SiO 2 →K 2 SiO 3 + Na 2 SiO 3

汽车安全气囊系统是辅助安全系统,它通常是作为安全带的辅助安全装置出现。安全带与安全气囊是配套使用,没有安全带,安全气囊的安全效果将要大打折扣。据调查,单独使用安全气囊可使事故死亡率降低18%左右,单独使用安全带可使事故死亡率下降42%左右,而当安全气囊与安全带配合使用时可使事故死亡率降低47%左右。由此可见,只有两者相互配合才能最大可能的降低事故的死亡率,安全气囊系统必然作为安全带的辅助系统出现。

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前两个反应产生4摩尔当量的氮气,第三个反应将剩余的反应物转化为相对惰性的硅酸钾和硅酸钠。

当发生碰撞事故时,安全带将乘员“约束”在座椅上,使乘员的身体不至于撞到方向盘、仪表板和风窗玻璃上,避免乘员发生二次碰撞;同时避免乘员在车辆发生翻滚等危险情况下被抛离座位。安全气囊的保护原理是:当汽车遭受一定碰撞力量以后,气囊系统就会引发某种类似小剂量炸药爆炸的化学反应,隐藏在车内的安全气囊就在瞬间充气弹出,在乘员的身体与车内设备碰撞之前起到铺垫作用,减轻身体所受冲击力,从而达到减轻乘员伤害的效果。

安装在方向盘中的安全气囊和充气系统

安全气囊是如何被触发的呢?这依赖于安全气囊传感器。在一些老旧的车型上,使用的是传统的碰撞传感器,然而在一些新的车型上已经开始使用更为先进的加速度传感器作为安全气囊传感器。

安全气囊系统称为SRS,相对于安全带,安全气囊只是一个辅助保护设备。安全气囊是用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成,工作时用无害的氦气填充。此系统由一个传感器激活,该传感器用于监视碰撞中汽车速度减小的程度。在碰撞发生的早期,安全气囊开始充气,安全充气大约需要0.03秒。安全气囊可以非常快的速度充气十分重要,这能确保当乘客的身体被安全带束缚不动而头部仍然向前行进时,安全气囊能及时到位。在头部碰到安全气囊时,安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气。气体的排出有一定的速率,确保让人的身体部位缓慢地减速。由于安全气囊弹开充气的速度可高达320公里/小时,碰撞时如果人的乘坐姿势不正确,将给人带来严重的伤害。

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以下图为例,这是碰撞传感器的一种形式。

充气系统使用固体推进剂和点火器

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尽管整个过程只经历短短的1/25秒,但多出的这点时间已足以防止人员遭受重创。顺便介绍一下,气囊中释放出的粉状物质是普通的玉米淀粉或滑石粉,安全气囊制造商用它们来确保气囊在贮存时保持柔韧和润滑。

正常情况下,滚珠被磁铁固定在初始位置,此时接触开关断开,则不会产生可能会触发安全气囊的信号。当车辆发生碰撞时,由于惯性作用,磁铁不能继续将滚珠保持在现在的位置,滚珠撞击接触开关,触发信号,如下图所示。

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早在美国交通运输部于20世纪80年代要求机动车安装快速充气垫之前,就有人提出了使用快速充气垫防止撞伤的构想。第一项用于飞机的可充气式紧急降落设备的专利在第二次世界大战时便已提出申请。

现代安全气囊系统中常用更加电子化的传感器,通过检测车辆加速度来传递信号,在折中传感器中微观机械元件响应于快速减速而移动,并且该运动引起电容的变化,该变化由芯片上的电子器件检测,然后发送信号以点燃安全气囊。与传动的碰撞传感器不同,加速度传感器可以放置于车身几乎任意一个位置,而碰撞传感器则需要安装在较容易传达碰撞冲击的车辆前端水箱框架周围等位置。同时,现在的加速度传感器可以同时监控多个方向的数据,一些先进的传感器可以监控车身横向、纵向甚至翻转时的加速度变化,所以某些车型中只需要一个安全气囊传感器就可以了。

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最初在汽车中应用安全气囊时,主要解决的是价格昂贵问题和技术上的难题(包括压缩气体的贮存和释放)。研究人员考虑的问题包括:
汽车中是否有足够的空间放置气罐
在汽车使用过程中,气体是否要一直保持高压状态
如何设计才能保证气囊在各种工作温度下迅速而可靠地膨胀,同时不会发出震耳欲聋的巨响。

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他们需要找到一种方法来引发化学反应,从而产生氮气来为气囊充气。20世纪70年代,小型固体推进剂充气系统的出现解决了这个难题。

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在使用汽车安全气囊之初,专家提醒这种新设备应与安全带一起使用。由于安全气囊只有在速度高于16公里/小时的正面撞击中才能发挥作用,因此仍然需要使用安全带。只有安全带能够在侧面撞击(尽管现在侧气囊日益普及)、追尾以及二度撞击中起到一定的保护作用。虽然科学技术日新月异,但就目前来说,安全气囊仍需要结合膝式/肩式安全带使用才能发挥作用!

然而,不久之后,人们就发现安全气囊会对过于靠近它的人员会造成伤害。研究人员已经确认,驾驶员安全气囊的危险区域是在充气系统前方5到8厘米的范围内。因此,与驾驶员安全气囊保持25厘米的距离可以让自己处于绝对安全的区域。这个距离应按从方向盘中心到胸骨位置来测算。如果您目前的距离不足25厘米,请按以下方法调整驾驶位置:在保证可以自如踩下踏板的前提下,尽可能向后移动座椅。
使座椅靠背稍稍后仰。尽管汽车的设计各不相同,但只要使座椅靠背稍稍后仰一些,即使驾驶座椅位于最前面,大多数驾驶员还是能够确保25厘米的距离。如果靠在椅背上难以看到路面,则可以使用汽车的座椅升降系统(并非所有的汽车都有这种系统)升高座椅,也可以在座位上放置牢固、不易滑动的坐垫来达到同样的目的。
向下倾斜方向盘(此操作仅在方向盘可以调节时才有效),让安全气囊朝向胸部,而不是朝向头部和颈部。

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