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      揭秘汽車安全氣囊工作原理

      2014-08-02 10:26:55牧云一葉
      汽車科技 2014年3期
      關(guān)鍵詞:安全帶車禍充氣

      牧云一葉

      因?yàn)楣ぷ麝P(guān)系,我經(jīng)常接到電話抱怨汽車安全氣囊(以下簡稱“氣囊”)在車禍中沒有起爆展開,進(jìn)而懷疑自己車上安裝的氣囊質(zhì)量有問題,并詢問我所在的試驗(yàn)室是否能做質(zhì)量鑒定。對于這類問題,存在不少解釋,其中最典型的是,專業(yè)人員解釋說氣囊沒有起爆是由于“碰撞角度不對”,可有時被歪曲成“車禍時應(yīng)該找準(zhǔn)角度撞過去,氣囊才會起爆”??梢姡簧偃藢饽业恼J(rèn)識存在誤區(qū)。

      氣囊如何工作

      氣囊的的核心部件是充氣裝置,專業(yè)的說法叫氣體發(fā)生器。充氣裝置里填裝著火藥,火藥起爆時快速產(chǎn)生大量氣體,使得氣囊沖開外層蒙皮、快速展開并迅速被氣體充滿。

      氣囊并不是一個封閉的口袋,它的側(cè)面還留有泄氣口。氣囊彈出并膨脹充滿之后,緊接著就是泄氣收縮的過程;而由于泄氣口的存在,泄氣和充氣實(shí)際上幾乎是同時開始的。整個充氣只是一個很短暫的過程,當(dāng)泄氣流量大于充氣流量時氣囊就開始收縮了。

      從設(shè)計的角度,最理想的狀態(tài)是,人體(一般指頭部)剛碰到氣囊的那一瞬間,氣囊正好由充滿轉(zhuǎn)為收縮。在這種情況下,氣囊能起到最好的緩沖作用,將車禍對人的傷害降到最小程度。但如何實(shí)現(xiàn)這個過程是一個系統(tǒng)設(shè)計,涉及到諸如精確控制氣囊起爆時間、火藥填充量、氣囊大小和形狀、泄氣口大小等很多相關(guān)因素。然而,這一理想狀態(tài)針對的是一種事先定義好的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),實(shí)際接觸時往往都是一種非理想狀態(tài)。因?yàn)槭褂谜叩捏w型、坐姿習(xí)慣、碰撞烈度等存在著諸多差異。如果頭部接觸氣囊的時刻相對較晚,氣囊已經(jīng)泄氣較多,對頭部的支撐力會不夠,起不到應(yīng)有的緩沖效果;如果頭部接觸氣囊的時刻相對較早,那么此時氣囊正在充氣并向人體方向膨脹,氣壓很大,且和頭部的接觸過程是一個相向的運(yùn)動,氣囊本身會對頭部造成較大的沖擊。

      氣囊起爆時,對其作用范圍內(nèi)即展開行程內(nèi)的物體的沖擊力約相當(dāng)于成年男子狠狠擊出的一拳。有人做過這樣的試驗(yàn):在氣囊前方擺放一個大西瓜,點(diǎn)爆氣囊,高速拍攝的影像顯示,彈開的氣囊瞬間將西瓜擊碎。所以,千萬不要以為安全氣囊像充滿空氣的氣球那么溫柔可愛。

      氣囊何時該起爆

      因?yàn)闅饽移鸨瑫r本身存在傷害性,加上更換氣囊的維修成本因素,我們希望氣囊在需要起爆時才展開,不該起爆時就安安靜靜地呆著別動。

      氣囊分前氣囊和側(cè)氣囊(簾),前氣囊又分駕駛員氣囊和乘員氣囊。如果碰撞沖擊來自正面,那么側(cè)面氣囊起爆一般來說是多余的;如果碰撞沖擊來自側(cè)面(比如在十字路口),那么正面氣囊展開也起不到保護(hù)作用,只需要打開受沖擊的那一側(cè)氣囊(簾)就夠了。

      注意,汽車前方遭遇碰撞有可能導(dǎo)致車輛滾翻,所以,有的汽車設(shè)計成前方?jīng)_擊值達(dá)到一定的程度,會在起爆前氣囊的同時也打開兩側(cè)氣囊;這是為了防止車輛滾翻時頭部直接磕碰到堅硬的車身上。當(dāng)碰撞速度比較低時,只要系好了安全帶,車內(nèi)的人一般不會磕碰或者磕碰不很嚴(yán)重,此時沒必要起爆氣囊。氣囊標(biāo)定試驗(yàn)的一個項(xiàng)目是這樣進(jìn)行的:汽車以15km/h的速度碰撞到靜止的剛性碰撞壁上,此時氣囊不能展開;汽車以23km/h的速度碰撞到同樣的碰撞壁上,此時氣囊必須展開;介于15km/h和23km/h這兩個速度之間便處于一個模糊地帶,展開和不展開都是容許的。氣囊試驗(yàn)還有很多內(nèi)容,包括各種不同速度、不同狀況的碰撞等等,不在此詳述。

      這些試驗(yàn)都驗(yàn)證這一點(diǎn):該汽車在受到足夠烈度的碰撞沖擊時,能自動打開相應(yīng)方向的氣囊來保護(hù)車內(nèi)的人;非碰撞或碰撞沖擊烈度不夠時,氣囊不可以起爆展開。也就是說,需要的時候提供保護(hù),不必要時不可自行其是。

      氣囊起爆怎樣控制

      現(xiàn)在我們知道了,汽車正面受到足夠強(qiáng)的沖擊時,前方氣囊會起爆展開;側(cè)面受到足夠強(qiáng)的碰撞時,碰撞一側(cè)氣囊起爆展開;那么,斜著撞上的會怎么樣?

      前面提到有人抱怨氣囊沒有起作用,他們所說的基本上是高速公路上擦碰路邊的防護(hù)欄,汽車失穩(wěn)后又經(jīng)過多次碰撞。車破壞得看上去很嚴(yán)重但氣囊沒展開,人受到的傷害據(jù)描述也不是很大。這就要具體情況具體分析了。如果行駛正前方向沒有其他障礙,汽車只是和護(hù)欄或隔離帶碰撞,那么碰撞一定會有一個切入角度。碰撞方向和護(hù)欄之間的夾角足夠大、沖擊足夠強(qiáng),前氣囊會起爆展開;反之,角度較小或前方受沖擊強(qiáng)度不夠,前氣囊就不會展開。另外,如果不是飛出去橫撞電桿、大樹,不是被他車橫撞或自身翻滾,一般也不會受到大的側(cè)面沖擊,側(cè)氣囊也不會展開。這種不展開的情況就屬于專家所說的“碰撞角度不對”,此時氣囊是不應(yīng)該展開的。有媒體在報道中譏諷似的反問:“碰撞的時候難道還要選準(zhǔn)角度再撞上去嗎?”這顯然是對專家回答的誤解和嘩眾取寵。這里的“角度不對”并不是指事前的選擇,在剎那間駕駛者也沒有時間和能力去做出這樣的選擇?!敖嵌炔粚Α笔侵冈诋?dāng)時的速度下,以這個角度碰撞到護(hù)欄上產(chǎn)生的沖擊不足以引起氣囊起爆;或者說這個角度撞上去沒必要起爆氣囊。

      汽車是怎么做出判斷和控制這一過程的呢?這就是汽車安全氣囊控制器的責(zé)任了。氣囊控制器裝有加速度傳感器及其他信號輸入接口,這些傳感器可以測定碰撞的嚴(yán)重程度,安全帶的使用情況,乘員的狀態(tài)、位置和重量,座椅位置及靠背傾斜度等。碰撞發(fā)生的瞬間,氣囊控制器根據(jù)加速度的大小、方向以及其他信號,來確定不同的碰撞類型;再通過觸發(fā)算法來判斷是否起爆;如果需要起爆,還要判斷起爆哪個或哪幾個氣囊,并輸出相應(yīng)的點(diǎn)火信號,同時觸發(fā)安全帶收緊器。從碰撞發(fā)生到氣囊破繭而出,這之間只有十幾毫秒,留給控制器的響應(yīng)時間是很短的,其中氣囊接到信號到破繭約需4毫秒。因?yàn)橐笈袛嗑珳?zhǔn)而且響應(yīng)迅速,所以每個算法或者說控制程序一般都是汽車生產(chǎn)企業(yè)的核心機(jī)密。在50km/h的碰撞中,氣囊完全充脹約需40ms,泄氣約80-100ms。整個過程也就0.1s多點(diǎn),真的是眨眼的瞬間。執(zhí)行這一程序總的宗旨,就是將車禍中對使用者的人身傷害和造成的財產(chǎn)損失降到最低程度。

      氣囊可能錯誤起爆

      安全氣囊的設(shè)計目的是為了在車禍發(fā)生時保護(hù)車上的人,但如果不該起爆時起爆或者使用不當(dāng),不但起不到保護(hù)作用,反而會造成不必要的傷害。endprint

      每次車禍的碰撞都是一個復(fù)雜的過程,比如高速公路上的先擦碰后接連多次和護(hù)欄或隔離帶碰撞,如果駕駛員處理得好,擦碰時及時采取措施修正,未必會發(fā)生后繼的多次碰撞。如果在上述擦碰時氣囊就展開了,那么駕駛員幾乎不可能再采取修正措施控制好車輛。又比如,汽車駛過平交道會與鐵軌發(fā)生一點(diǎn)沖擊,如果此時駕駛員前氣囊突然展開,駕駛員被氣囊莫名其妙地打蒙,后續(xù)還會發(fā)生什么傷害就難說了。再比如上馬路牙子、沖路邊沙堆、被石頭刮底盤,這些都有可能產(chǎn)生較大沖擊,但這時候用戶顯然不希望氣囊起爆。

      在給一個新車型匹配氣囊之前,都要按上述的情況做試驗(yàn),專業(yè)上稱為“氣囊誤用試驗(yàn)”。這里的“誤用”不是指用戶錯誤地使用,而是指氣囊在一些特殊情況下錯誤地發(fā)生作用。

      使用者的錯誤習(xí)慣

      用戶也會錯誤地使用:

      1.不少人開車不習(xí)慣系安全帶。從減少傷害的角度說,碰撞發(fā)生時安全帶起到的作用才是主要的,氣囊只能起到輔助作用;而且根據(jù)設(shè)計,氣囊的安全輔助作用只是在系有安全帶的情況下才能發(fā)揮得很好。如果不系安全帶,沒等到氣囊完全展開人就可能被甩出座位了,此時氣囊是起不到保護(hù)作用的。

      2.有人喜歡把小孩子放在副駕駛座位上,或者由大人抱著坐在副駕駛座位上,這是比較普遍而又極其錯誤的壞習(xí)慣。姑且不說其他因素,光氣囊起爆的沖擊就能對小孩造成很大的傷害甚至足以致命!

      所以,不要認(rèn)為氣囊只有保護(hù)乘員的一面,而忽視其可能造成的傷害。有些車裝配了失效開關(guān),并有專門的指示燈,可以人為關(guān)掉氣囊功能。還有一種氣囊設(shè)計成兩級,在烈度不高的碰撞沖擊時只展開較小的氣囊,目的都是為了降低氣囊本身對成員的傷害。

      正確認(rèn)識氣囊的起爆和不起爆

      氣囊起爆時可能會對人體會造成沖擊傷害,發(fā)生車禍時因慣性直接碰撞也會造成傷害,兩害相權(quán)取其輕。發(fā)生車禍的瞬間,駕駛員是來不及也不可能做出任何判斷和操作的(事先關(guān)掉副駕駛前氣囊除外),如何取舍就只能交給氣囊控制器了??刂破骼锏某绦驎鶕?jù)當(dāng)時傳感器采集到的參數(shù)按照特定的算法計算,并做出它認(rèn)為最佳的反應(yīng)。那么氣囊沒展開就絕對不是質(zhì)量問題嗎?在試驗(yàn)中確實(shí)出現(xiàn)過氣囊該起爆而沒起爆的情況,但事后檢查發(fā)現(xiàn),這是因?yàn)樵囍栖囆偷脑囼?yàn)車,裝配時沒有正式生產(chǎn)線上那么嚴(yán)謹(jǐn),氣囊起爆信號線根本就沒插上去,也可能是做別的試驗(yàn)有意拔掉后忘了再接上去。出廠的車輛一般不可能有這種情況。

      一般試驗(yàn)都是按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行的(雖然也盡量模擬有代表性的車禍),但具體的每起車禍則千奇百怪,要對每起氣囊沒展開的事故做出準(zhǔn)確鑒定確實(shí)很難。如果做現(xiàn)場復(fù)原試驗(yàn),一是成本高,二是技術(shù)難度大,實(shí)際不可行。不過有些典型的情況還是能判斷的,比如遭遇正前方車輛相對碰撞,受傷嚴(yán)重,對方車輛氣囊展開了而你的沒展開;相反,有些氣囊不該起爆而起爆了(像上文提到氣囊誤用試驗(yàn)的情況)。這種確認(rèn)為質(zhì)量問題相對來說要容易些。endprint

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