电控安全气囊系统

5．1　电控安全气囊系统

安全气囊(Supplemental Restraint System)是辅助安全系统，简称SRS。安全气囊属于被动安全保护装置，对驾驶员的头部和颈部安全起着明显的保护作用，特别是汽车正面碰撞和侧前方碰撞时，其保护作用十分明显。安全统计结果表明，当汽车发生正面碰撞，由于巨大的惯性力对驾驶员所造成的伤害中，胸部以上受伤的概率达75%以上。所以，安全气囊在设计时，主要是针对驾驶员的头部和颈部而设计的。近几年来，随着汽车技术的发展与普及，人们对汽车安全性能要求越来越高，这样现代汽车大部分都配置了安全气囊系统。而且有一些国家已经在交通法规中明确规定轿车必须配置安全气囊装置。随着世界汽车市场的激烈竞争和安全气囊制造成本的降低，安全气囊将做为标准配置装配到所有家庭用的经济型轿车上。

5．1．1　安全气囊的类型

1．按照保护对象的不同来分

根据保护对象的不同来分，安全气囊可分为驾驶员防撞安全气囊(安装在转向盘上)、前排乘员防撞安全气囊(用于保护副驾驶位置乘员)、后排乘员防撞安全气囊(装在前排座椅上，防止后排乘员在撞车时受到伤害)、侧面防撞安全气囊(装在车门上，防止驾驶员及乘员受侧面撞击)及顶部防护安全气囊;正面碰撞安全气囊系统是目前应用最广泛的一种，而侧面碰撞安全气囊和顶部碰撞安全气囊将逐渐普及。

2．按照安全气囊数目分类

按照安全气囊安装数目可分为单气囊系统(只安装在驾驶员侧)、双气囊系统(驾驶员侧和副驾驶员侧各有一个安全气囊)和多气囊系统(前排安全气囊、后排安全气囊、侧面安全气囊)。

3．按照气囊的大小来分

按气囊的大小可分为保护全身的安全气囊、保护整个上身的大型气囊和主要保护面部的小型护面气囊。

4．按照安全气囊控制类型分类

按照安全气囊控制类型可分为机械式和电子控制式安全气囊，现代汽车大部分采用了电子控制式安全气囊。另外，新型的智能型安全气囊(SmartAir Bag)克服普通安全气囊系统的不足，增加了检测乘员是否系上座椅安全带、检测乘员乘坐位置、检测座椅上是否有乘员以及调节安全气囊充气膨胀力等功能。

5．1．2　汽车对安全气囊的要求

安全气囊是在汽车发生碰撞时才工作的安全装置，所以它的可靠性就显得尤为重要。也就是说，汽车在发生碰撞时，根据不同车速，确定安全气囊可靠地工作。但是汽车在紧急制动或在高低不平的路面上行驶时，汽车也会产生较大的减速度和激烈的振动，这时却要保证安全气囊不工作。此外，由于现代汽车安全气囊大多是电子控制式的安全气囊，这样要求安全气囊系统在汽车发生碰撞、电源出现故障的短时间(20s)内，应能够正常工作。因此，一般情况下，安全气囊系统采用双电源:在电源断电的情况下，安全气囊控制系统电路中的备用电源，可引爆安全气囊。在技术上，对安全气囊的要求主要有以下几个方面:

1．可靠性高

在汽车未发生碰撞事故的情况下，安全气囊的使用年限为7～15年。若在碰撞事故中，安全气囊开启后，安全气囊系统要全套更换。

2．安全可靠

安全气囊系统要能正确区分制动减速度和碰撞减速度。

3．灵敏度高

当汽车发生碰撞时，安全气囊系统要在二次碰撞(指驾驶员或乘客与转向盘、仪表板或挡风玻璃碰撞)前，正确快速打开气囊，并能正确泄气，起到缓冲作用。

4．有防误爆功能

安全气囊系统一般采用二级门限控制，减速度的控制门限要合理。过低，轻微碰撞，安全气囊就会引爆;过高，汽车发生碰撞时，安全气囊打不开，或者打开过晚。

5．有自诊断功能

安全气囊系统能及时发现故障，并以报警灯的形式报告驾驶员。

5．1．3　安全气囊的结构及工作原理

安全气囊系统主要由传感器、安全气囊ECU、气囊组件、安全气囊指示灯、安全气囊线束及保险机构等组成。图5－1所示为LS400SRS系统的零件位置。

图5－1　LS400 SRS系统的零件位置

当汽车发生碰撞时，传感器将电信号传送给安全气囊ECU，安全气囊ECU将信号进行处理，当确定需要打开安全气囊时，安全气囊ECU立即发出点火信号，气体发生器在30ms内将大量气体充满气囊，从而实现对驾驶员和乘客的安全保护。电控安全气囊系统的工作原理如图5－2所示。

1．传感器

传感器有前碰撞传感器、中央传感器和安全传感器等

(1)前碰撞传感器。前碰撞传感器通常安装于汽车前保险杠后及前叶子板下，也有不同的，如奥迪A6车的碰撞传感器在正副驾驶员座椅下面。其作用是在汽车发生碰撞时，检测汽车碰撞强度的信号，并将信号输入给安全气囊ECU，安全气囊ECU根据碰撞传感器传送的信号来判断是否引爆气体发生器使气囊充气。

图5－2　安全气囊系统的工作原理

前碰撞传感器一般为机械式的，它相当于一个控制开关，其工作状态取决于汽车碰撞时减速度的大小。机械式碰撞传感器是利用机械运动(滚动或转动)来控制传感器中常开触点的动作，再由触点的打开与闭合来控制气体发生器电路的导通与截止。常用的机械式碰撞传感器有滚球式、偏心锤式和滚轴式三种。

①滚球式。图5－3所示为奥迪轿车使用的滚球式碰撞传感器的结构图。

1－滚球　2－磁铁　3－导缸　4－触点　5－壳体

图5－3　滚球式碰撞传感器的结构

传感器主要由铁质滚球1、永久磁铁2、导缸3、固定触点4和壳体5组成。两个触点分别与传感器引线端子连接，滚球用来检测减速度大小，在导缸内可移动或滚动。壳体5上印制有箭头标记，方向与传感器的结构有关，因此安装传感器时，箭头方向必须符合该车型使用说明书规定。

工作原理如图5－4所示，当传感器处于静止状态时，在永久磁铁磁吸力的作用下，导缸内的滚球被吸向磁铁，两个触点与滚球分离，传感器电路处于断开状态，如图5－4(a)所示。当汽车发生碰撞且减速度达到设定值时，滚球所产生的惯性力将大于永久磁铁的磁吸力。滚球在惯性力作用下就会克服磁力沿导缸向两个固定触点运动并将两个固定触点接通，如图5－4(b)所示，此时传感器将碰撞信号传送给安全气囊ECU。

图5－4　滚球式传感器工作原理

②偏心锤式。图5－5为丰田轿车所采用的偏心锤式传感器的外形，如图5－6(a)所示为偏心锤式传感器的结构，该传感器的结构由壳体、偏心转子、偏心重块、固定触点、旋转触点等部分组成。如图5－6(b)所示，在传感器外还固定有一个电阻R，电阻R的作用是对系统进行自检，检测安全气囊ECU与碰撞传感器之间的联接导线是否断路或短路。

图5－5　丰田轿车所采用的偏心锤式传感器的外形

图5－6　偏心锤式传感器的结构

偏心锤式传感器的工作原理如图5－7所示，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，顶靠在与外壳相连的止动块上，此时，旋转触点与固定触点不接触，开关处于断开状态，如图5－7(a)。当汽车发生碰撞时，偏心重块由于惯性力将带动偏心转子克服弹簧弹力产生偏转。当碰撞强度达到设定值时，偏心转子旋转触点与固定触点接触而闭合(如图5－7(b))，此时碰撞传感器向安全气囊ECU输入导通信号，安全气囊ECU只有收到碰撞传感器输入的导通信号时，才能引爆气体发生器，使气囊充气。

图5－7　偏心锤式传感器的工作原理

③滚轴式。滚轴式碰撞传感器的主要结构有:滚轴、卷簧、动触点、静触点等。卷簧的一端固定在传感器的底座上，另一端缠绕在滚轴上;滚轴上有动触点，底座上有静触点。如图5－8所示:

1－止动块　2－滚轴　3－动触点　4－静触点　5－卷簧　6－触点闭合

图5－8　滚轴式碰撞传感器

如图5－8(a)所示，汽车没有发生碰撞时，滚轴在卷簧弹力的作用下位于最左端，此时，动、静触点分离，气囊点火器电路断开，安全气囊不工作;

如图5－8(b)所示，当汽车发生碰撞且达到规定碰撞强度时，滚轴在其本身惯性力的作用下，克服卷簧弹力向前滚动，动、静触点接触，接通气囊点火器电路，安全气囊弹开工作。

(2)中央传感器。安装于安全气囊ECU内部用于检测汽车发生碰撞程度的碰撞传感器叫中央传感器，它是电子式传感器。中央传感器的结构及原理如图5－9所示。

1－传感器架　2－动态应变仪　3－半导体应变片　4－悬臂架

图5－9　中央传感器

中央传感器的结构是一个半导体压力传感器，半导体应变片两端被悬臂架压住，当汽车发生碰撞时，半导体应变片在悬臂架惯性力作用下发生弯曲应变，受压后的半导体应变片的电阻值产生变化，电阻的变化引起动态应变仪输出电压US变化。汽车的速度越大，碰撞后产生的减速度越大，传感器输出的电压越大。由于半导体压力传感器输出特性受温度影响，因此常采用三极管的基极——发射极间的电压变化来对温度进行修正。

电子式传感器对汽车正向加速度进行连续测量，并将测量结果输送给安全气囊ECU，安全气囊ECU根据碰撞信号的分析处理，若需要引爆安全气囊，安全气囊ECU便会接通点火电路，如此时前方碰撞传感器的触点同时也闭合，则气体发生器的电路接通，安全气囊引爆。

(3)安全传感器。在安全气囊系统中，除了装有碰撞传感器之外，还设立了两个安全传感器，用来防止在非碰撞的情况下引起气囊的误动作。安全传感器一般装于安全气囊ECU内，是一个水银常开开关，如图5－10所示。

1－水银(正常位置)　2－水银(碰撞时位置)　3－触头　4－外壳　5－接电源　6－接点火器

图5－10　安全传感器

当汽车发生碰撞时，足够大的减速度惯性力将水银抛起，接通点火控制器的电路。设计时根据低速和高速碰撞的临界速度计算两种减速度，然后再计算出两个安全传感器的安装角α(水银运动方向与水平线夹角)，即cosα= g/a，其中，α为碰撞减速度，g为重力加速度。

2．安全气囊ECU

安全气囊ECU由中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、I/O接口、驱动器等电子电路组成。同时，安全气囊ECU内部还有安全传感器、备用电源、稳压电路和故障自诊断电路等。

安全气囊ECU的内部结构如图5－11所示，电控系统的原理如图5－12所示。

在汽车运行过程中，安全气囊ECU不断接收前碰撞传感器和安全传感器传来的车速变化信号，经过数学计算和逻辑判断后，确定是否发生碰撞。当确定为发生碰撞时，立即进行控制点火器的程序，并向点火器控制电路发出点火指令，引爆点火剂，点火剂引爆时产生大量的热量，使充气剂受热分解释放氮气充入气囊。

安全气囊ECU还要对控制组件中的关键部件的电路不断地进行诊断测试，并通过SRS指示灯和储存在存储器中的故障码来显示测试结果。仪表板上的SRS指示灯可以直接向驾驶员提供安全气囊系统的状态信息。逻辑存储器中的状态信息和故障码可用专用仪器或通过特定方式从串行通信接口调出，供维修时参考。

图5－11　安全气囊ECU内部结构

图5－12　安全气囊电控系统的原理图

安全气囊系统有两个电源:一个是汽车电源;另一个是备用电源。备用电源电路由电源控制电路和若干个电容器组成。点火开关接通10s之后，如果汽车电源电压高于安全气囊ECU的最低工作电压，所有备用电源即可完成储能任务。备用电源的功用是:当汽车电源与安全气囊ECU之间的电路切断后，在一定时间内(一般为6s)，备用电源继续向安全气囊ECU供电，保持安全气囊系统的正常功能。当汽车遭受碰撞而导致蓄电池或发动机与安全气囊ECU之间的电路切断时，备用电源能在6s之内向安全气囊ECU供电，保证安全气囊ECU测出碰撞、发出点火指令及引爆气囊等正常功能。时间过长，备用电源供电能力下降，不能确保安全气囊系统正常工作。

3．气囊组件

气囊组件主要由气体发生器、点火器、气囊、饰盖和底板等组成。驾驶员侧气囊组件位于转向盘中心处，乘客侧气囊组件位于仪表板右侧杂物箱上方。

(1)气体发生器。气体发生器又称充气泵或充气器，其作用是在有效的时间内产生气体，使气囊张开。气体发生器的结构如图5－13所示:气体发生器由上盖、下盖、充气剂(叠氮化钠固体药片)和金属滤网等组成。

1－上盖　2－充气孔　3－下盖　4－充气剂　5－点火器药筒　6－金属滤网　7－电热丝

图5－13　气体发生器的结构

气体发生器壳体由上盖和下盖两部分组成。上盖上制有若干个长方形或圆形充气孔，下盖上制有安装孔，以便用专用螺栓和专用螺母固定在气囊支架上，装配时只能用专用工具进行装配。上盖与下盖压成一体，壳体内装有充气剂、滤网和点火器。金属滤网安装在气体发生器的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧产生的渣粒。气体发生器是利用热效反应产生氮气而充入气囊。在点火器引爆点火剂瞬间，点火剂会产生大量热量，叠氮化钠药片受热立即分解，产生氮气并从充气孔充入气囊。虽然氮气是无毒气体，但是叠氮化钠的副产品有少量的氢氧化钠和碳酸氢钠(白色粉末)。这些物质是有害的，因此在清洁膨胀后的气囊时，应保持良好的通风并采取防护措施。

(2)点火器。点火器外包铝箔，安装在气体发生器内部中央位置。其功用是根据安全气囊ECU的指令引爆点火剂，产生热量使充气剂分解。点火器的结构如图5－14所示，主要由引爆炸药1、药筒2、引药3、电热丝4、电极10和引出导线7等组成。

点火器的所有部件均装在药筒内。点火剂包括引爆炸药和引药。引出导线与气囊连接器插头连接，连接器(一般为黄色)中设有短路片(铜质弹簧片)。当连接器插头拔下或插头与插座未能完全接合时，短路片将两根引线短接，防止静电或误通电将电热丝电路接通，从而使点火剂引爆而导致气囊误开。

(3)气囊。气囊按布置可分为驾驶员侧气囊、乘客气囊、后排气囊、侧面气囊和顶部气囊等。按照大小可分为保护整个上身的大型气囊和保护面部的小型护面气囊。护面气囊成本低，但一定要和座椅安全带配合使用才能有保护作用。

驾驶员侧的气囊多采用尼龙布涂氯丁橡胶或有机硅制成。橡胶涂层起密封和保护作用，气囊背面有2个泄气孔。乘客侧气囊没有涂层，靠尼龙布本身的孔隙泄气。

1－引爆炸药　2－药筒　3－引药　4－电热丝　5－陶瓷片　6－永久磁铁　7－引出导线　8－绝缘套筒　9－绝缘垫片　10－电极

图5－14　点火器的结构

(4)饰盖。饰盖是气囊组件的盖板，上面模制有撕缝，以便气囊能冲破饰盖膨开。

4．安全气囊SRS指示灯

SRS指示灯位于仪表板上，接通点火开关时，诊断单元对系统进行自检，若点亮6s后熄灭，表示安全气囊系统正常;若6s后SRS指示灯依然闪烁或一直不熄灭，表示安全气囊系统有故障，提示驾驶员应进行维修。

5．安全气囊系统线束

安全气囊系统的所有线束都套装在黄色的波纹管内，并与车颈线束连成一体，以便于区别。为了保证转向盘具有足够的转动角度而又不致损伤驾驶员气囊组件的连接线束，在转向盘与转向柱管之间采用了螺旋线束，即将线束安装在螺旋形弹簧内，再将螺旋弹簧放到弹簧壳体内，如图5－15所示。

1、3－线束插头或插座　2－螺旋弹簧　4－弹簧壳体　5－搭铁插头

图5－15　安全气囊系统的螺旋线束

电喇叭线束也安装在螺旋弹簧内，螺旋弹簧安装在转向盘与转向柱之间，安装时应注意其安装位置和方向，否则将导致螺旋线束和电喇叭线束折断、转向盘转向角度不足或转向沉重。

6．保险机构

安全气囊系统工作可靠与否，直接关系到人身安全。前面已经提到了为保证安全气囊系统可靠工作，在安全气囊电控系统中采用了安全传感器，是为了防止在非碰撞而发生急减速的情况下，安全气囊引爆。不但如此，安全气囊系统在线束连接器中也采用了防止气囊误引爆机构，主要是防止在维修拆装过程中，由于静电或误通电将点火器中的电热丝电路接通而将气囊引爆。

安全气囊线束为了区别其他线束，不但将线束做成黄色，而且线束插接器采用导电性能和耐久性能良好的镀金端子，并设计有防止气囊误爆机构、端子双重锁定机构、插接器双重锁定机构和电路连接检查机构。图5－16所示为丰田汽车安全气囊系统采用的特殊插接器。

1、2、3－安全气囊ECU插接器　4－安全气囊系统电源插接器　5－中间线束插接器　6－螺旋线束　7－右碰撞传感器插接器　8－气囊组件插接器　9－左碰撞传感器插接器　10－点火器

图5－16　丰田汽车安全气囊系统线束插接器

(1)防止安全气囊误引爆机构。如图5－17所示，在这种插接器中有一个短路片，当插接器插头与插座接在一起时，插头的绝缘体将短路片顶起，如图5－17(a)所示。短路片与点火器的两个端子分开，点火器中电热丝电路处于正常连接状态;当插接器拔下时，短路片就自动将点火器的两个引线端子短接，使点火器的电热丝与短路片构成回路，如图5－17 (b)所示。此时即使误将电源加到点火器上，点火器也不会引爆，从而防止安全气囊误引爆。

(2)电路连接诊断机构。如图5－18所示，电路连接诊断机构是用来监测插接器是否连接可靠，常用于前碰撞传感器。在这种插接器中，有一个诊断销和两个诊断端子，插接器正常连接时，诊断销与前碰撞传感器中的常开触点并联。

当传感器插头与插座未可靠连接时(半连接)，诊断端子与诊断销未接触，如图5－18 (a)。此时安全气囊ECU监测到该碰撞传感器的电阻为无穷大，即诊断该碰撞传感器为连接不可靠，自诊断电路便控制SRS指示灯闪亮报警，同时将故障码储存在存储器中;当传感器插头与插座的连接为可靠连接时，诊断端子与诊断销完全接触，如图5－18(b)。此时电阻与碰撞传感器中的常开触点并联，安全气囊ECU检测到的阻值为该电阻的阻值，即可诊断为该插接器连接可靠。

图5－17　防止安全气囊误引爆机构原理

图5－18　电路连接诊断机构原理

(3)插接器双重锁定机构。安全气囊系统在线束的重要连接部位，其插接器都采用了双重锁定机构，用于锁定插接器的插头与插座，防止插接器脱开，如图5－19所示。当主锁未锁定时，插头上的两个凸台阻止副锁锁定，如图5－19(a)所示;当主锁完全锁定时，副锁锁柄方能转动并锁定，如图5－19(b)所示;当主锁与副锁双重锁定时，插接器的插头与插座的连接状态如图5－19所示，从而防止插接器插头与插座分开。

图5－19　插接器双重锁定机构原理

(4)端子双重锁定机构。安全气囊系统的每一个插接器都设有端子双重锁定机构，用于阻止引线端子滑出，如图5－20所示。插接器的插头与插座都是由锁柄和分隔片两部分组成，锁柄为一次锁定机构，可防止端子沿引线轴向方向滑动;分隔片为二次锁定机构，可防止端子沿引线径向移动。

图5－20　端子双重锁定机构

5．1．4　安全气囊的控制过程

安全气囊系统控制原理如图5－21所示。

图5－21(a)所示为安全气囊ECU与传感器及点火器(引爆管)的控制原理图;图5－21 (b)所示为安全气囊ECU与传感器及点火器(引爆管)的控制原理等效电路图。

由图可知:前碰撞传感器、安全传感器与点火器都是串联的，安全传感器控制点火器的电源侧电路，前碰撞传感器控制点火器的搭铁侧电路，点火器引爆气囊的条件是前碰撞传感器与安全气囊ECU内的安全传感器必须同时接通。当汽车发生碰撞时，前碰撞传感器、安全传感器送给安全气囊ECU一个闭合信号，这时安全气囊ECU再综合中央传感器SRS侦测电路，最后发出点火指令。通过点火驱动电路控制点火器的最终搭铁，点火器中电热丝迅速通电，引爆充气剂，充气剂受热分解产生大量氮气，充入气囊。

图5－21　安全气囊系统控制原理

5．1．5　丰田汽车安全气囊实例

丰田汽车安全气囊系统零部件的安装位置基本相同(见图5－22)。

左、右碰撞传感器安装在前翼子板的内侧，SRS控制组件由SRSECU、保险传感器、中心碰撞传感器、点火控制电路、备用电源电路和自诊断电路等组成，安装在变速杆前面或后面的装饰板下面。驾驶席SRS组件安装在转向盘上，乘员席SRS组件安装在杂物箱上部挡风玻璃下方，座椅安全带收紧器安装在前排座椅的左、右两侧，气囊系统指示灯安装在仪表盘上，有的用图形表示、有的用英文字母“SRS”或“AIR BAG”表示。安全气囊系统一旦发生故障，自诊断电路就能诊断出来，并控制仪表盘上的SRS指示灯闪亮，提示驾驶员安全气囊系统出现故障，同时将故障编成代码存入SRSECU的存储器中，以便检查安全气囊系统时，通过调用故障码尽快查到故障部位。图5－23所示为LS400轿车单气囊系统控制电路。

图5－22　丰田LS400轿车安全气囊的零件位置原理图

1－蓄电池　2－点火开关　3－SRS指示灯　4－诊断座　5－左安全带收紧器　6－右安全带收紧器　7－驾驶员侧气囊点火器　8－乘员侧气囊点火器　9－左碰撞传感器　10－右碰撞传感器　11－安全气囊ECU

图5－23　LS400轿车安全气囊系统的工作原理图

该电路的特点如下:

前碰撞传感器9、10与安装在安全气囊ECU中的中央传感器并联，驾驶员侧气囊点火器7与副驾驶员侧气囊点火器8并联，左、右安全带收紧器点火器5、6并联。在安全气囊ECU中有两个相互并联的安全传感器，其中一个与安全带收紧器5、6和安全气囊ECU中的驱动电路构成回路，收紧器的点火器由安全气囊ECU控制;另一个安全传感器与气囊点火器7、8和前碰撞传感器9、10构成回路，气囊点火器7、8也由安全气囊ECU控制。

工作原理:在汽车行驶过程中安全传感器、前碰撞传感器和中央传感器随时检测车速的变化信号，并将信号送到安全气囊ECU。在安全气囊ECU中，CPU经过数学计算和逻辑判断，确定是否发出点火指令以及是向安全带收紧器的点火器发出点火指令，还是向安全气囊点火器发出点火指令。

当汽车车速低于30km/h发生碰撞时，碰撞产生的减速度和惯性力较小，安全传感器和中央传感器将此信号送到安全气囊ECU，安全气囊ECU判断结果为不引爆安全气囊，只引爆安全带收紧器的点火器。与此同时，向左、右安全带点火器发出点火指令使安全带收紧，防止驾驶员和乘客受伤。

当汽车车速高于30km/h发生碰撞时，碰撞产生的减速度和惯性力较大，安全传感器和中央传感器将此信号送到安全气囊ECU，安全气囊ECU判断结果为需要引爆安全气囊和安全带收紧器共同保护驾驶员和乘客。与此同时，向左、右安全带点火器和安全气囊点火器发出点火指令，在安全带收紧的同时，驾驶员侧气囊和乘客侧气囊同时打开，达到保护驾驶员和乘客的目的。