奔驰汽车安全气囊的原理与分析.doc

北京电子科技职业学院汽车工程学院毕业论文奔驰汽车安全气囊的原理与分析在我国，随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤等诸多因素导致近年来汽车安全事故的损失逐年上升。所以，汽车安全性就变得尤为重要，其中安全气囊又是保护乘客生命安全的最后一道屏障。本人在奔驰班学习已有俩年多，对车身结构车内构造有一定了解。所以决定粗略的分析一下奔驰汽车安全气囊的原理。一、奔驰汽车安全性概述1.1 社会背景改革开放以来，中国道路通车里程逐年增长，交通基础设施越来越完善，国民生活水平提高，拥有一辆汽车已经不再是梦想。随着在道路上行驶车辆的增多，交通事故数量也基本呈逐年增长的趋势。2009年，全国共发生道路交通事故造成67759人死亡、27.5万人受伤，直接财产损失9.1亿元；2010年和2011年，交通事故造成死亡人数分别是65225和62387人，已经连续十余年居世界第一。引发事故的主要原因有无证违章驾车、超载、超速、酒后驾车等。多数人难以将驾车与死亡连在一起，但是鲜明的数据提醒我们，驾车安全已经变得尤为重要。车主在选择购买一辆汽车的时候，车辆本身的安全性也被纳入了他们的考虑范畴。因此，作为世界知名的德国汽车品牌梅赛德斯-奔驰，提高车辆本身的安全性，成为了越来越注重的一大因素。梅赛德斯-奔驰的安全性大体分为主动安全以及被动安全两大方面。1.2主动安全俗称积极安全性，之所以称为主动安全，其意思就是在车辆有撞击危险之前可以起到防范于未然的系统。其目的是提高汽车行驶的稳定性，减少操控的偏差。奔驰汽车主动安全系统主要包括以下几方面，如常见的防抱死制动系统（ABS），具有防滑、防锁死功能，能有效提高制动性能，防止甩尾、侧滑；电子制动力分配系统（EBD），能自动调节前、后轴的制动力分配比例，提高制动效能，在一定程度上可以缩短制动距离；并配合ABS提高制动稳定性；还有驱动防滑装置（ASR），可以避免车辆加速时驱动轮打滑，维持车辆行驶方向的稳定性；电子车身稳定系统（ESP），通过ECU 控制前后、左右车轮的驱动力和制动力，确保车辆转弯时的稳定性。这些配置在奔驰全系轿车已是标配。时至今日，梅赛德斯-奔驰依然致力于安全技术的不断创新，全球率先应用于最新S级轿车身上的PRE-SAFE（预防性安全系统）更是开创了一个汽车安全的新纪元。PRE-SAFE是一套针对乘员各种姿态所开发的主动安全科技。当发生碰撞时，PRE-SAFE能够自动监测到碰撞的征兆，并结合了车上的主、被动安全系统（如ABS、BAS及ESP等）,马上采取预防措施来保障乘客的安全。另外再说一点ABS、安全气囊、ESP均由梅赛德斯-奔驰首先研制。由此可见，在安全性方面，梅赛德斯-奔驰被认为是世界上最高档汽车品牌之一是毋庸置疑的。1.3被动安全被动安全这一保护的概念已经延伸到车内外所有的人甚至物体。被动安全是在车祸意外发生，车辆已经失控的状况之下，对于乘坐人员进行被动的保护作用，希望透过固定装置，让车室内的乘员，固定在安全的位置，并利用结构上的导引与溃缩，尽量吸收撞击的力量，确保车室内乘员的安全。由于国际汽车界对于被动安全已经有着非常详细的测试细节的规定，所以在某种程度上，被动安全是可以被量化的。这主要依靠于车辆的钢板，车身结构，安全带，安全气囊，头枕，可溃缩的方向盘等来实现量化。其中安全气囊的作用尤其重要：减轻汽车碰撞后，乘员因惯性发生二次碰撞时的伤害程度。安全气囊对于保护乘客的安全是必不可少的一个防护措施。二、奔驰汽车安全气囊的结构与原理2.1奔驰汽车安全气囊的特点奔驰汽车公司自1967年开始研制安全气囊，于1980年进入批量生产。在这期间，他们进行了250次的实车碰撞试验，进行了约2500次台架碰撞试验，并同时进行数千次的零部件试验，从而成功开发了奔驰汽车安全气囊及其故障报警系统。近年来，又有大量的研究成果应用于新型的安全气囊中，使奔驰汽车安全气囊始终处于国际领先水平。奔驰汽车安全气囊主要有以下特点： 1、气囊膨胀容量大。安全气囊的膨胀容量根据不同生产厂家和具体车型而有很大差异。以驾驶座安全气囊为例，其气囊膨胀容积可分为三类。第一类膨胀容积为30L，此类气囊只能用于保护头部，成为小容量；第二类膨胀容积约45L，称为中间容量；第三类膨胀容积约60L，此类气囊不仅可保护头部，还可保护胸部，成为全容量。目前，奔驰系统汽车上均安装了全容量安全气囊，驾驶座安全气囊膨胀容积为60L以上，乘员座安全气囊为150L以上，最大的已达到269L。2、气囊膨胀后覆盖面广。安全气囊膨胀后的形状也是安全气囊的一个重要参数，奔驰汽车安全气囊膨胀后的形状为椭球形，且覆盖面极大。驾驶座安全气囊膨胀后可覆盖整个方向盘，乘员座安全气囊膨胀后可覆盖到驾驶室右前侧立柱。对于乘员座安全气囊膨胀后的覆盖面积尤为重要，因汽车行驶中，一旦与前方障碍物相撞，汽车与障碍物碰撞的接触点一般在右前部，因惯性力的作用乘员倒向也是偏向右前侧，如安全气囊覆盖面积过小，不能覆盖驾驶室右前侧立住，乘员的头部很可能会撞到立柱，造成伤亡。3、气囊膨胀速度快。安全气囊能否对车辆碰撞作出及时的反应，以最快的速度进入膨胀工作状态，这是关系到能否真正有效保护乘客人员安全的关键。四是提供全方位的安全保护。汽车发生碰撞事故，其碰撞点在汽车的前后左右都有可能出现，因此汽车仅在前部安装安全气囊是不够的。近年来，汽车侧面碰撞事故呈上升趋势。据资料统计，1985年，在造成乘员伤亡的事故中，侧面碰撞仅占14%；而现在这个比例已扩大到了30%，在侧面碰撞事故中造成乘员死亡比例大约占了44%。奔驰汽车公司为使司乘人员得到全方位安全保护，在奔驰轿车中，不仅在方向盘和仪表盘中安装了侧撞安全气囊，而且在所有车门上安装了侧撞安全气囊，以及在车顶衬垫内安装了大尺寸的帘式头部安全气囊。它们与安全带拉紧装置、安全带限力装置一起，构成了对司乘人员的全方位保护系统，从而将汽车发生碰撞事故对司乘人员的伤害降至最低，最大限度地保障司乘人员的生命安全。4、提供全过程的安全保护。奔驰轿车安全气囊装备有俩个阶段的气体发生器，能够根据事故的严重程度，相应激活安全气囊，从而达到对司乘人员全过程的安全保护。当传感器检测到车辆只发生了轻微（车速在2035km/h时发生的）碰撞时，气体发生器将只点爆一个腔；而中央气囊控制单元的传感器检测到车辆发生了严重碰撞时，第二个气体发生腔将也被点爆。俩级气体发生器技术能够适应任何特定的实际情况。有效保障乘员的安全。2.2奔驰汽车安全气囊的结构安全气囊系统主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等主要部件组成。气囊装载在方向盘内紧靠缓冲垫处，做气囊的布料多以尼龙材质制成，具有很高的抗拉强度，折叠起来的表面附有干粉，以防安全气囊粘在一起在爆发时被冲破；气囊内层涂有密封橡胶，可以防止气体泄漏。同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤。气囊中所用的气体多是氮气，气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀。传感器和微处理器用于判断撞车程度，传递以及发送信号。奔驰汽车碰撞传感器为电子式减速度传感器，用来检测汽车的减速度；安全传感器为水银开关式传感器。碰撞传感器和安全传感器均安装在辅助防护系统电子控制器内。辅助防护系统电子控制器安装在变速杆前方装饰板下面，内部设有记忆电路和诊断电路。驾驶席气囊组件安装在转向盘中央，前排乘员席气囊组件安装在仪表台上面，后排乘员席气囊组件安装在前排座椅的后面。当水银开关式传感器触点闭合，且汽车的减速度传感器设定的减速度值时，辅助防护系统电子控制器才会控制气囊点火器引爆气囊。当仅有其中一只传感器动作时，辅助防护系统电子控制器不会引爆气囊。尽管各款汽车的安全气囊在结构，数量和安装位置不同，但其基本组成大致相同。如图1所示汽车安全气囊组成的结构。图1安全气囊组成结构2.3汽车安全气囊工作原理当车辆发生碰撞时, 安全气囊电控模块N2 /7 将根据撞击类型、强度以及外部传感器信号数据, 执行相应的触发逻辑程序。1.车身正面碰撞( 1 级触发临界值)安全气囊电控模块N2 /7 通过驾驶员侧的正面加速度传感器B48 /1 和前乘客侧的正面加速度传感器B48 /2, 记录到一个中等强度的减速度数值时, 只对安全带引爆装置( 安全带已插入锁扣内) 进行触发, 即驾驶员座椅安全带ETR 引爆管R12 /1、前乘客座椅安全带ETR 引爆管R12 /2、左后座椅安全带ETR 引爆管R12 /6、右后座椅安全带ETR 引爆管R12 /7。2.车身正面碰撞( 2 级或3 级触发临界值)安全气囊电控模块N2 /7 通过驾驶员侧的正面加速度传感器B48 /1 和前乘客侧的正面加速度传感器B48 /2, 记录到一个高强度的减速度数值时, 气囊和安全带引爆装置将联合触发, 即驾驶员安全气囊引爆管1R12 /13( 或R12 /3) 、前乘客安全气囊引爆管1R12/4( 前乘客座椅识别到被占用时) 、驾驶员座椅安全带ETR 引爆管R12 /1、前乘客座椅安全带ETR 引爆管R12 /2。同时,根据撞击的剧烈程度触发驾驶员安全气囊引爆管2R12 /14( 若安装) 、前乘客气囊引爆管2R12/5( 前乘客座椅识别到被占用时) 。注: 对于后排座椅安全带,无论座椅是否被占用均被触发。若传感器B48 未识别到前乘客座椅被占用或识别到装配了儿童座椅, 则与前乘客相关的引爆装置不会触发。3.车身后部碰撞( 1 级和2级触发临界值)安全气囊电控模块N2 /7根据记录到的加速度和减速度数值, 触发驾驶员座椅安全带ETR 引爆管R12 /1、前乘客座椅安全带ETR 引爆管R12 /2、左后座椅安全带ETR 引爆管R12 /6、右后座椅安全带ETR 引爆管R12 / 7。若未识别到前乘客座椅被占用, 则前乘客座椅安全带ETR 引爆管R12 /2不会触发。4.车身侧面碰撞车辆受到侧面撞击产生的加速度, 由左侧气囊和窗帘气囊传感器A53 /1、右侧气囊和窗帘气囊传感器A54 /1 探测, 信号传送至安全气囊电控模块N2 /7, 经运算处理后, 用于判断是否对相应的侧气囊和窗帘气囊进行触发。例如, 撞击发生在车身左侧, 将同时触发左前侧气囊引爆管R12 /20、左后侧气囊引爆管R12 /11、左后窗帘气囊引爆管R12 /22。注: 若电控模块N2 /7 识别到前乘客座椅未被占用, 则与前乘客相关的侧气囊和窗帘气囊不会触发。若一个有关座椅占用识别系统的错误信号被检测到, 则前乘客侧气囊在所有碰撞情况下均将被触发。安全气囊系统的元件组成如图2所示图2安全气囊系统的元件组成2.4 W220型汽车安全气囊故障实例一辆奔驰S320型轿车,底盘型号为W220型, VIN码为WDB2201651A058146。该车发动机起动后,仪表板上的SRS 故障警告灯处于常亮状态。故障诊断与排除: 连接START D检测仪进行故障自诊断, 选择S 级220165 底盘车型, 在控制单元组中选择“ AB airbag”, 查询出的故障信息为:“ B1315 Component B48 ( front passenger seat occupied and childseat recognition) is fault”, 其含义为“ 前乘客座椅占用和儿童座椅识别元件B48 信号故障”, 性质为当前存在。用检测仪清除故障码后再次查询, 仪器依然显示“ B1315”号故障码, 说明故障性质为真实存在。将前乘客座椅总成拆下, 揭开座椅皮套, 看到座椅皮套下面有一个塑料薄膜式的电气元件, 该元件的终端还连接有一个电路板盒。这个薄膜式电气元件称为“ 前乘客座椅占用和儿童座椅识别传感器”, 所连接的电路板盒称为“ 电子监测处理器”, 二者构成了B48 元件总成。根据以往的维修经验, 若能判定“ B1315”号故障码的真实性, 即可更换B48 元件总成。测量线路的连接情况正常, 说明故障在B48 元件本身。将一个新的B48 元件总成仔细地铺设在座椅海绵垫上, 并进行必要的固定, 覆盖好座椅皮套后将座椅总成装复到车上。打开点火开关, 用检测仪清除记忆性故障码, 然后起动车辆, SRS 故障警告灯正常熄灭, 说明故障排除。总结: 在奔驰各级别车型中, 都采用了B48元件总成, 它是安全气囊系统中故障率最高的电气元件。究其原因, 是因为B48元件总成铺设在座椅皮套下方, 长时间使用后,难免会出现一些皱褶, 从而造成薄膜内部的电路中断, 使传感器失效。通过查询相关资料,对B48元件总成的工作原理有了进一步的了解, 具体介绍如下：前乘客座椅占用和儿童座椅识别元件B48, 由一个连接了电子监测处理器的膜片式传感器席垫组成, 席垫中包括用于识别前乘客座椅是否被占用的压感式膜片传感器以及两个用于识别儿童座椅的天线。另外, 在天线元件中, 还包含了无线电信号的传送和接收装置。压感式膜片传感器覆盖了座椅表面, 具有无线电信号传送和接收功能的天线被印制在膜片传感器上面。这些电气装置的电路与电子监测处理器相连接, 电子监测处理器通过BUS 数据线将信号传送至安全气囊电控模块N2 /7。当负荷作用在座椅表面时( 即有人坐在座椅上时) , 压感式膜片传感器将产生一个电信号, 并传送至电子监测处理器, 该信号经运算处理后, 若识别为真实存在, 电子监测处理器将向安全气囊电控模块N2 / 7发送一个前乘客座椅已被占用的信号。为了避免因座椅上放置了购物袋、礼品盒等物件而产生不真实的占用信号, 压感式膜片传感器在负荷作用区域和作用力之间进行了精确的匹配设计, 即在直径120mm的区域内, 覆盖了12kg 的负荷作用力时才会被计算为座椅占用信号。另外,N2 /7 将每2s 检测一次座椅的占用状态, 当负荷撤除后, 座椅占用信号将延迟2min 才被解除。当负荷再次作用在座椅上时, 占用信号将立即被识别。儿童座椅识别功能需由奔驰厂家获准, 并通过对安全气囊电控模块编程才能实现。儿童座椅是特制的标准件, 在儿童座椅支架底部配置了两个无线电发送器( 谐振器) 。当儿童座椅安装好后, 电子监测处理器通过这两个无线电发送器进行数据信号的通讯传输。其具体过程是: 从儿童座椅发送的无线电信号,由膜片传感器内部的接收装置接收后传送至电子监测处理器, 经过运算处理后, 电子监测处理器将该信号由BUS 数据线传送至安全气囊电控模块N2 /7。因此, N2 /7 能够感知儿童座椅相关的瞬间状态, 包括儿童座椅是否存在、儿童座椅安装在前乘客座椅的后部或是前部、儿童座椅定位是否正确等等。若儿童座椅定位正确且被识别到存在, 在车辆受到碰撞时, N2 /7 将禁止与前乘客相关的引爆元件触发。图3所示为N2/7元件的控制流程。图3N2 /7元件控制流程3、安全气囊的使用和维修注意事项3.1安全气囊使用注意事项由于安全气囊系统结构较为复杂，工作要求高，而工作时机又极少，因此在使用和检查过程中，应特别注意。否则可能导致系统意外张开，造成经济损失和人员伤害；或者由于误操作造成安全气囊不起作用。因此我例举了一些安全气囊使用的注意事项。1、任何车辆都不要超速行驶。任何安全设备都无法保护超速行驶中的撞击。2、切勿在安全气囊罩盖上或周围放置物件，特别是不能在安全气囊的弹射出口放置杂物。因为，在安全气囊充气起作用时，这些小东西就有可能在气囊爆发的带动下像子弹一样射向乘员的身体。3、驾驶时必须使用安全带。即使装有安全气囊的车辆，驾驶时也必须与安全带配合，这样在事故中才能充分发挥其保护作用。更不要误认为有了安全气囊，就可以不系安全带。4、坐姿调整要适宜。不要坐在座椅的边缘驾车，身体要与方向盘和仪表保持足够的安全距离。距离的标准以保持能够舒适地控制汽车为宜，以便有足够空间使安全气囊在发生意外扩张后充分发挥其保护作用。5、在装有安全气囊的前排座椅上，不许使用儿童座椅，并尽可能给儿童配备专用座椅。6、已发生过碰撞且安全气囊已经充气张开的安全气囊、控制电脑、传感器、安全带张紧器等，均不可重复使用，必须更换。7、安全气囊及安全带收紧器即不能沾油和水，也不能涂润滑脂，更不可用任何类型的清洗剂清洗。8、配有防侧撞安全气囊的车辆不可任意加装配件，以免安全气囊弹不出来；也不能加装普通椅套，必须选用原厂的专用椅套。9、一般汽车的安全气囊在汽车以20km/h以上的速度正面碰撞刚性物体或俩车迎面相撞时才起作用，若正面碰撞时速度低于20km/h，或汽车遭受侧面和后方碰撞侧翻时，安全气囊将不起作用，不能认为只要发生碰撞，安全气囊就一定开启。10、驾车时要注意检查安全气囊指示灯。打开点火开关后，自动诊断装置会开启指示灯610秒，然后熄灭。如果安全气囊指示灯不亮，或闪烁不定，或持续点亮，说明安全气囊有故障，应立即进厂检修。3.2安全气囊维修注意事项在维修安全气囊时，也要注意一下事项：1、检查维修安全气囊，必须由专职的维修人员在认真阅读随车使用手册后严格按照厂家规定的操作规程进行，任何人员不得以私自拆装维修，以免损坏机件或发生危险。2、检查维修安全气囊，首先要读取故障自诊断代码，然后脱开蓄电池电缆。3、将点火开关转到OFF（或LOCK）位置，并将蓄电池负极端子电缆拆下90秒（有的车型为60秒）以上，然后再开始检修工作。因为安全气囊一般都配有备用电源，如果从蓄电池上拆下负极电缆后不到90秒（或60秒）就开始进行维修，安全气囊仍有可能充气张开。4、当负极端子从蓄电池上脱开时，时钟和音响系统的存储内容都将消失。所以，在开始工作前，应将各存储系统的存储内容作好记录，在工作结束以后，对音响系统重新设置。5、如果发生轻微的碰撞，即使安全气囊并没有张开，也应仔细检查安全气囊、传感器、安全带收紧器、控制电脑以及电缆、插头等。6、车辆维修过程中，如果可能会对车前传感器有冲击作用，则应在维修前先将传感器拆下。7、不可拆卸和修理其他车辆的控制电脑、车前传感器、安全气囊、安全带收紧器重复使用，也不可使用其他车辆的安全气囊配件。8、如果传感器、安全气囊、安全带收紧器、控制电脑等元件的紧固件已经脱落，或外壳、托架、连接件有裂纹、凹陷及其它缺陷，应予以更换。9、在安装传感器时，传感器上的箭头应指向车辆前方。10、接上连接器时，务必将各种锁止机构可靠锁住，以防止连接器松脱或者出现失灵代码。11、转向盘必须正确地装入转向柱内，否则会引起电缆接触不良。同时，螺旋形电缆应处于中间位置，否则极易在转动转向盘时遭到损坏。12、前碰撞传感器的定位螺栓和螺母一般都要经过防锈处理，拆卸或更换时，必须同时更换定位螺栓和螺母。13、如果安全气囊或其引爆装置从高于0.5米处落到地上，就不能 再装车使用。因为受到机械损伤的安全气囊原件会导致电路板损坏而使系统失灵。14、安全气囊不可重叠堆放。拆下的安全气囊应顶面朝上放置，如果安全气囊顶面朝下放置时，有时会因某种原因突然充气张开，造成事故。15、安全气囊及安全带收紧器应存放在湿度不高并远离电磁场干扰的地方，并且不可在高温环境或阳光暴晒的地方放置。16、安全气囊维修结束后，必须检查安全气囊警告灯工作是否正常，并用故障检测仪提取故障代码，确认系统无故障。将点火开关转到ON位置时，指示灯亮610秒熄灭，说明安全气囊系统工作正常。4、汽车安全气囊的缺点与改进安全气囊作为提高汽车安全性的有效措施之一越来越受到人们的重视，在一些实际的碰撞事故中证明安全气囊确实具有降低乘员伤亡的功效，但也发现了其存在的一些间题。4.1安全气囊在使用中存在的问题因为安全气囊本身存在的问题，奔驰公司已经付出了不小的代价。2006年与2007年，洛阳先后发生了两期奔驰S350追尾事故，损坏严重，但两辆车各自配置的8个安全气囊均未弹出。车主认为应属质量问题，多次要求赔偿。但是奔驰公司做出回应：“安全气囊不能缓解或防止外部物体的侵入，事故撞击力不足以打开安全气囊。”因此而拒绝赔偿。安全气囊的重要性不言而喻，而其本身存在的技术性以及设计上的问题，令安全气囊并不那么安全。随着科学技术的发展，奔驰汽车在外观以及性能方面都有了很大的改进。而安全气囊的改进也应受到重视。如何解决像上述的例子一样的问题，如何让安全气囊更好的为人们服务，更好的防止每一次的伤害。我想这是奔驰公司乃至整个汽车行业都应思考的问题。安全气囊主要缺点如下：1、气囊可能在很低的车速时打开。汽车在很低车速行驶而发生碰撞事故时，乘员和驾驶员系上安全带即可，完全不需要安全气囊展开起保护作用。如果这时展开气囊反而会造成不必要的浪费，甚至还可能因安全气囊的展开加重碰撞伤害。2、气囊的启动会对乘员造成伤害。安全气囊系统启动时将冲开气囊盖板，并且在瞬间展开充气，很可能对乘员造成冲击；产生的灼热气体也会灼伤乘员和驾驶员。据计算，若汽车以60km的时速行驶，突然的撞击会令车辆在0.2秒之内停下，而气囊则会以大约300km/h的速度弹出，而由此所产生的撞击力约有180公斤，这对于头部、颈部等人体较脆弱的部位就很难承。3、当乘客偏离座位或座位上无人或儿童乘坐时，气囊系统的启动不仅起不到应有的保护作用，还可能会对乘员造成一定的伤害。4.2安全气囊系统的改进当人们更加懂得保护自己，也就更加珍惜自己与他人的生命。司机的使命是安全、方便的到达目的地，而司机的生命、乘客的信任、其他车辆行人的交错，都赋予驾驶这件事情神圣而庄重的责任，而这一切的前提，就是生产出来的车辆，令车主真正的放心。设计与生产汽车同样是一项重大的责任，秉持时时刻刻为驾驶人着想的宗旨，才能真正拥有信誉与口碑。安全气囊并不是万无一失，也不是驾驶人违规驾驶的保护伞。科学技术的发展，必将带来技术以及设计上的飞跃。在保障车主安全这一方面，安全气囊需要做的还有很多。我们需要做的还有很多。汽车安全技术中的安全气囊技术近年来发展的很快。智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。新的技术可以更好地识别乘客类型，采取不用的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表盘远近、重量、身高等因素，进而在碰撞时判断是否点爆气囊，点爆力有多大，并与安全带形成总体控制。通过传感器，气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式，是正面碰撞还是角度碰撞，形成对乘客的最佳保护。12