天津市职业技师鉴定论文摘要：分析了汽车安全气囊的系统构成与工作原理, 以及安全气囊设计中应考虑的主要问题, 特别指出了整车碰撞性能对安全气囊设计和工作性能的影响。论述了计算机仿真技术在安全气囊研究与设计中的应用, 并指出了技术关键, 展望了汽车安全气囊技术的发展趋势。关键词：汽车安全气囊 汽车碰撞 计算机仿真技术 技术关键浅谈汽车安全气囊技术及其应用前言汽车安全技术是汽车高新技术的重要内涵之一, 对汽车性能、价格以及汽车产品在消费者中的竞争力有着重要影响。长期以来，可靠的安全带一直是汽车中唯一的被动保护装置。尽管当时人们对于安全带的安全性存有争议，尤其是对于在儿童使用时，但随着时光流转，许多国家和地区最终颁布了强制使用安全带的法规。 统计数据表明，安全带的使用挽救了成千上万原本可能在撞车事故中罹难的生命。 安全气囊的开发由来已久。在紧急降落时使用软枕垫进行缓冲的想法一定很有吸引力第一项用于飞机的可充气式紧急降落设备的专利早在第二次世界大战时就已经提出申请！在20世纪80年代，汽车中首次出现了商用安全气囊。安全气囊技术尽管仍处于较快的发展和提高之中, 但它已经达到了可以大量减少伤亡的水平。因此, 发达国家的新一代汽车产品一般都配备了安全气囊。汽车安全气囊工作时所发挥的作用的大小不仅与安全气囊本身的状况有关, 还取决于其他一些相关因素, 如汽车整车的碰撞特性以及是否与安全带配套使用等。正因为如此, 汽车安全气囊的设计必须考虑与其他的安全措施配套, 以获得最佳保护效果。对装备有安全气囊而发生了交通事故的汽车进行统计分析的结果表明, 单独使用气囊可减少18%的死亡事故, 气囊加上安全带可减少47%的死亡事故。尽管汽车安全气囊还没有像汽车安全带那样成为全球范围内的一种强制性安全标准, 但它在发达国家已是一种事实上的必备安全措施。汽车安全气囊技术的研究和应用在国内还处于起步阶段, 但中国加入世贸组织后, 激烈的国际竞争不可避免地要把中国的科技界、工程界和企业界推向该一技术的研究与应用前沿。1 汽车安全气囊系统及其工作原理1.1 汽车安全气囊系统的组成汽车安全气囊系统可分成3 个组成部分: 气体发生器; 控制系统; 气囊。气体发生器用来根据要求以足够快的速度产生足够体积的气体, 供给气囊。控制系统则用来判断汽车发生碰撞的剧烈程度, 决定是否应该打开气囊, 并在条件满足时启动气体发生器工作。气囊则用来接受来自气体发生器的气体, 控制气体的压力和气囊所占据空间的位置和形状, 并接受乘员的碰撞, 吸收碰撞动能, 从而达到减少和减轻乘员伤亡的目的。1.2 汽车安全气囊系统的工作原理汽车行驶过程中，传感器系统不断向控制装置发送速度变化（或加速度）信息，由控制装置（中央控制器）对这些信息加以分析判断，如果所测的加速度、速度变化量或其它指标超过预定值（即真正发生了碰撞），则控制装置向气体发体发生器发出点火命令或传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生N2或将储气罐中压缩氮气释放出来充满碰撞气袋。乘员与气袋接触时，通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量，达到保护乘员的目的。汽车的安全气囊内有叠氮化钠（NaN3）与硝酸铵（NH4NO3）等物质。当汽车在高速行驶中受到猛烈撞击时，这些物质会迅速发生分解反应，产生大量气体，充满气囊。叠氮化钠分解产生氮气和固态钠，硝酸铵作为氧化剂参与。新型安全气囊加入了可分级充气或释放压力的装置，以防止一次突然点爆产生的巨大压力对人头部产生的伤害，特别在乘客未佩戴安全带的时候，可导致生命危险。具体形式有：1.分级点爆装置，即气体发生器分两级点爆，第一级产生约40%的气体容积，远低于最大压力，对人头部移动产生缓冲作用，第二级点爆产生剩余气体，并且达到最大压力。总的来说，两级点爆的最大压力小于单级点爆。这种形式，压力逐步增加。2.分级释放压力方式，囊袋上开有泄压孔或可调节压力的孔，分为完全凭借气体压力顶开的方式或电脑控制的拉片Tether。这种方式，一开始压力达到设定极限，然后瞬时释放压力，以避免过大伤害。2 汽车安全气囊设计中应考虑的主要问题(1) 使用该安全气囊的汽车整车碰撞性能即在给定碰撞条件下, 汽车内部给定位置的加速度特性曲线。这个特性曲线不仅是气囊控制系统判别是否要启动安全气囊的主要依据, 它还为安全气囊系统的具体设计提供了参考依据, 如这个特性是决定安全气囊必须达到的反应速度的重要依据。如果汽车整车碰撞的特性不够好, 那么安全气囊系统再先进也可能达不到安全标准的要求。(2) 安全气囊到底应该做多大也就是要决定气囊缓冲层的厚度和宽度, 这一方面与汽车内部结构有关, 另一方面与赋予安全气囊的使命有关。在其他条件不变的情况下, 正常状态下的乘员离可能发生二次碰撞的内部结构越远, 安全气囊的体积就应越大,反之亦然。安全气囊的使命问题主要指安全气囊是否配合安全带使用, 是为驾驶员配备, 还是为乘员配备, 是否为防侧撞而设等。在欧洲安全带是一项强制性安全措施, 人们普遍使用安全带,安全气囊可以小一些, 而在美国使用安全带的较少, 气囊必须在无安全带的情况起到同样的保护作用, 因此, 要求安全气囊体积要大一些。为驾驶员配备的防正撞安全气囊通常装在方向盘上, 比为乘员配备的防正撞安全气囊要小一些, 防侧撞的安全气囊又通常比防正撞安全气囊要小。(3) 气体发生器的特性即单位时间内产生的气体量及其温度与压力, 这个特性必须与气囊的大小配套, 同时也要与气囊的设计压力变化历程相协调。(4) 电控系统的特性其中包括反应时间和长时间内( 通常为10 年以上) 的可靠性。理论上讲, 反应时间越短越好, 但实际中, 由于技术和价格的限制, 电控系统的反应速度总有一定的限制。如果其他条件不能改变, 那么反应速度必须足够高, 才能保证气囊及时打开。(5) 气囊的选材气囊材料不仅应有足够的强度, 还要有足够的化学稳定性。目前常用的材料为各种不同型号的尼龙纺织品。(6)气囊的内部结构与折叠方式这将直接影响气囊的展开过程以及对人体的冲击程度。(7) 气囊的安装及外保护装置安全气囊装在汽车上, 绝大部分不会有用武之地。对个别真有用武之地的气囊来说, 也不知道什么时候才会遇到碰撞发生。因此一般要求一个安全气囊的可使用寿命大于汽车的寿命, 这就要求对安全气囊有足够好的保护措施, 以防气囊受到机械损伤和高温伤害等。同时安全气囊的安装要考虑到气囊展开后有一个合适的受力支撑, 以防止气囊经受人员的碰撞后发生自由移动。3 计算机仿真技术及其在安全气囊研究与设计中的应用3.1计算机仿真技术的定义计算机仿真技术 computer simulation technology 利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。3.2 计算机仿真在安全气囊中的应用随着计算机技术的发展和计算机仿真技术的成熟, 安全气囊研究与设计中的许多问题可借助计算机仿真技术来解决, 计算机仿真技术在这方面的应用可分为两个层次: 一是模拟给定碰撞特性下安全气囊展开过程及其与人体和车内其他结构的碰撞作用过程; 二是模拟带有安全气囊和人偶模型的整车碰撞过程。前者适合于研究和设计用于已定型的汽车上的安全气囊, 后者适合于与设计阶段的汽车配套的安全气囊。显然后者比前者涉及的问题要多得多。但从仿真理论的角度看, 它们可用统一的模型来表达, 即求解如下的接触碰撞问题 2 : ( 1)式中, 为仿真模型中所有零部件所占的空间; 为应力矩阵; 为虚应变向量; S 为零部件受外载荷的面积; q 为作用在S 上的外载向量; 为虚位移;C 为零部件自身相互接触面积; f 为作在C 上的接触力; 为与f 对应的两接触点的相对虚位移; Q为零部件的质量密度; a 为加速度向量; Fi 为内部点载荷; 为对应于Fi 的虚位移。应当说明, 上式并没有包含气体发生器对气囊充气过程的描述, 因此, 气体对气囊和其他零部件的作用被作为外力而包含在q 中。实际上, 由于充气过程包含气体体积、温度和压力等量的复杂变化, 作用在气囊上的气压严格说来也应通过仿真来确定。为了减少计算工作量, 也因为有关理论和仿真计算方法不够成熟, 目前更多的是采用简单的气体状态方程来估算气囊内的气压。另一个应当说明的问题是人偶模型也可作为一般汽车零部件来处理, 只是它的材料不同而已, 人偶模型各关节的特性通常也是采用实验参数来描述, 以减少计算工作量, 并提高仿真精度。将式( 1) 用显式有限元方法离散后可获得如下形式的代数方程组: 式中, M 为质量矩阵; A 为系统加速度向量; Q 为系统外力向量; F 为汽车内部的接触碰撞力向量; 为系统的内力向量。从式( 2) 的求解可了解计算机仿真技术用于汽车碰撞过程分析涉及到的一些关键技术。首先Q的计算涉及与外界碰撞力的计算, 这里可能涉及车与车碰撞, 车与其他路障碰撞等, 其中涉及的接触搜寻和接触力计算相对简单, 但当路障为易碎物体时, 碰撞后路障的响应计算较复杂。F 的计算是很复杂的, 因为它不仅涉及任意2 个零部件间接触搜寻, 还涉及不同刚性接触表面的接触摩擦力计算。当有气囊存在时, 这个难度更大。从第二层次的应用来看, 计算机仿真技术更是具有实验技术不可替代的作用。实际上, 对于处于设计阶段的汽车是不可能用实验手段来获得它的碰撞特性的, 计算机仿真技术的意义不言自明。4 汽车安全气囊技术的发展趋势汽车安全气囊作为一种设想提出来后到今天成为必需的安全装备在汽车上广泛应用已经过了整整半个世纪的历程。安全气囊有效地减小了在汽车碰撞事故中乘员的伤亡, 它的保护效果在汽车安全研究领域得到广泛的认识和高度重视。随着汽车安全气囊的普遍推广应用, 安全气囊系统的各关键技术环节均成为汽车安全研究领域的重点。当前安全气囊新技术的开发研究可以概括为向着气囊的智能化、小型化、多样化、无污染的方向发展。(1) 安全气囊的智能化传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规乘座位置和气囊的理想点火时刻为原则设计的。但是在实际的汽车碰撞事故中, 影响气囊保护性能的因素很多, 例如乘员的身高和体重、乘员相对于方向盘或仪表板的位置、碰撞的剧烈程度等等。不同的碰撞条件及乘员和乘员的位置的变化会导致乘员不是在最佳时刻与气囊接触, 从而降低对乘员的保护效果。为了充分发挥安全气囊的保护效果, 自适应式或称为智能型安全气囊的概念也就应运而生。近年来, 智能型安全气囊的研究致力于开发一种能够最大限度地保护乘员的安全气囊系统。这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和乘员状况来调节气囊的工作性能。智能型气囊的关键技术之一是先进的传感系统和电子运算系统,它们在事故发生的短暂时刻内能够提供可靠的碰撞环境的信息。这些信息包括汽车碰撞的剧烈程度, 碰撞的方位, 乘员的身材、体重、位置, 乘员是否系有安全带。智能气囊系统根据原有探测的信息作出判决怎样调节和控制气囊的工作性能, 使气囊能充分发挥其保护效果。( 2) 安全气囊的小型化缩小安全气囊总成的体积是当前发展的趋势之一。新型发生器工作时,压缩气体从气罐中喷出充满气袋。这种发生器气体产生率高, 因而尺寸小, 便于安装布置。( 3) 环境保护型安全气囊采用压缩气体的气体发生器对人体无毒害, 且易于回收处理, 没有环境污染的问题。( 4) 安全气囊的多样化驾驶员和前座乘员安全气囊已成为轿车生产中的标准设备, 作为正碰撞事故中的安全措施。侧面碰撞气囊正在迅速发展。不同设计形式的侧碰撞气囊可分别安装在坐椅靠背外侧、车门中部、车身中立柱、车身顶部与车门交界部位。这些安装在不同部位的侧