综 述
西安公路交通大学 李令举 李三财 河南高级公路建设指挥部 齐邓林
[摘要] 详细介绍了汽车电子式安全气囊电控部分和机械部分结构及原理，阐述了电子式安全气囊的工作流
程并实例说明工作时序。
关键词：安全气囊 安全带 传感器 控制器
[Abstract ] T h is paper introduces the structure and p rinci p le of the electronic contro l part and m echanical part of the electronic safety air bag .It expounds the wo rk ing p rocess and illustrates its ti m e sequence w ith examp les .
Keywords :Safety a ir bag Safety belt Sen sor Con troller
汽车电子式安全气囊分类较多，但其基本结构与原理都是大同小异的。下面以较复杂的双动作双气囊和双安全带预紧器为例说明其结构原理。
1 电子式安全气囊结构与组成111 电控部分的结构
该系统电控部分的硬件框图见图1，由各种传感器、微处理器(CPU )、双气囊和双安全带预紧器的、报警装置、接口、
RAM 、ROM 等组成。
图1 双动作双气囊系统电控部分的硬件框图
11111 碰撞传感器
碰撞传感器是安全气囊中用来检测碰撞强度的传
感器。其安装位置依厂家设计而定，一般安装在汽车
前方左右两侧，以分别检测前方左右两侧纵向30°范围内的撞击。碰撞传感器种类很多，有偏心锤式、应变片式、水银开关式、永磁式等。
a 1前方传感器
此传感器安装在保险杆与挡泥板之间，用来感测低速碰撞的信号。前方左右两个传感器结构相同，都是偏心锤式机械传感器。传感器装在一个密封的防震保护盒内,
其结构如图2所示。
图2 偏心锤式传感器结构
11心轴 21扭力弹簧 31重锤 41转盘 51触桥 6、12、141
动触头 7、11、131静触头 81外壳 91插头 101止位块
其工作原理如下：汽车正常行驶时，扭力弹簧2
将重锤3、动触头6、12、14定在止点位置，传感器没有触发信号给中央控制器。当汽车碰撞时，减速度力克服弹簧的扭力而使重锤产生运动，带动触桥5转动，使动、静触头接合。此时，传感器向中央控制器发出“接通”的信号，同时安全传感器也接通,CPU 发出引
爆安全带预紧器电的指令，使安全带拉紧而起到安全保护作用。
设计传感器时，首先要求它能区分汽车碰撞或制动的减速度，不将制动减速度力传给控制器，这一点对于偏心锤式传感器更重要。从理论上分析，汽车在制动时，不论其速度大小，最大的制动减速度为
J m ax=Υg(m s2)(1)式中 Υ——车轮与路面附着系数,Υ<1
g——重力加速度
由此可知，在汽车制动时，其最大的减速度不能大于918m s2。因此，气囊和安全带预紧器系统的传感器和控制器设计的减速度的最小临界值应为918m s2。
在发生碰撞时，汽车的运行瞬间停止，甚至向后运动，这“瞬间”的时间约为0105～011s。若发生碰撞时的减速度为918m s2，则碰撞前的汽车速度大约为315km h，如此低的速度，汽车是绝对不会发生碰撞事故的。
设计偏心锤式传感器时，其次是扭力弹簧的最大扭力和重锤的质量的选择。在不考虑摩擦力时，重锤克服弹簧扭力应为
F=m a(2)式中 m——重锤质量
a——汽车碰撞时减速度
车速小于10km h时，驾驶员的反应能力以及制动性能足以能使汽车避免发生碰撞，因此，偏心锤式传感器的减速度以10km h的碰撞速度为基准。这个基准的减速度比最大制动减速度大得多。这样，重锤的质量和弹簧力即可决定。
从结构上可以看出重锤由汽车碰撞产生的作用力
F克服弹簧的张力而转动，带动触桥转动一定角度后，使动、静触头接合，产生碰撞信号，传给CPU。重锤转动的大小决定于作用力F(即重锤质量和汽车碰撞时的减速度)和弹簧刚度的大小。因此，传感器的动、静触头闭合的条件与重锤质量、汽车减速度和弹簧的刚度有关，也就是说改变重锤的质量和弹簧的刚度即可改变汽车碰撞的速度大小。例如原来设计在车速20km h碰撞时，才发出碰撞信号，使气囊动作。现要改变成30km h碰撞时气囊引爆，可以把弹簧旋紧一些，使其刚度变大即可。
偏心锤式传感器有4个引脚，其中2个引脚接中央控制器，另外2个为自诊断引脚，如图3所示。电阻的
作用是诊断本传感器和中央控制器之间是处于开路状态，还是处于正常状态。CPU启动自检程序运行后，用程序开关把外电源通过一个电阻接入4—1线上，并测量4—1与3—1之间的电压。电压为设计值,
则说明
图3 偏心锤式传感器接线图
11传感器 21电阻 31自诊断接线柱 41传感器主接头
4—1与3—1两根线完好，如电压为零则说明4—1和3—1两线中间有一个是断路的。再人为地把传感器触头闭合，同法测4—1与4—2之间的电压，如为零，则说明4—1线是好的。同样可以自诊断其他线和传感器是否完好。
b1中央传感器
中央传感器装在中央控制器内，用来感测发生高速碰撞的信息，并将其输送到CPU，引爆气囊电，使气囊张开。同时前方传感器也引爆了预紧器的电，即安全带预紧器和气囊同时起作用。有的前方传感器有两对动、静触头，在低速碰撞时第1对触头闭合引爆安全预紧器，在高速碰撞时第2对触头接通，安全预紧器及气囊同时动作。中央传感器是作为提高可靠性而设置的传感器冗余。
中央传感器是一个半导体压力传感器，它具有稳定性好、应变灵敏系数K值大(约100～150)及压敏电阻效应性好等特点。中央传感器的结构如图4a所示。其悬臂架4压在半导体应变片3的两端。当汽车发生碰撞时，半导体应变片在悬臂减速力作用下发生弯曲应变，受压后的电阻变化由公式计算
∃R
R s
=KΕ(3)
式中 ∃R——受压后半导体的电阻值变化量
R s——半导体在标准温度下的电阻值
K——应变灵敏系数,100～150
Ε——应变量
电阻的变化引起动态应变仪2输出电压的变化，其值为
U s=KU in(4)式中 U s——输出电压
U in——输入电压(恒压)
汽车的速度越大，碰撞后产生的减速度力越大，则输出的电压也越大。
由于半导体压力传感器输出特性受温度影响较
大，故应用晶体管的基极—发射极间电压U BE 的温度变化来消除传感器输出特性的变化。所以，半导体压力传感器要求有稳定电源。它的原理线路如图4b 所示
。
图4 中央传感器(半导体压力传感器)
11传感器架 21动态应变仪 31半导体应变片 41悬臂架
c 1安全传感器
本系统设立了2个安全传感器，用来防止系统在
非碰撞状况引起气囊的误动作。它们装在中央控制器内，是一个水银常开开关，如图5所示。当发生碰撞时，足够大的减速度力将水银抛上,
接通电电路。
图5 安全传感器
11水银(正常位置) 21水银(碰撞位置) 31触头41外壳 51接电源 61接电
在设计时，首先应分别用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2个安全传感器安装角度Α(运动方向与水平线夹角)，即
co s Α
=g a
(5)
式中 a ——碰撞减速度
g ——重力加速度11112 气囊电源
气囊电源由从点火开关接出的汽车蓄电池(或交流发电机)主电源、稳压器、电源监控器、备用电源等组成。平时由主电源供电，并对备用电源充电。由于主电源波动较大，一般都设有稳压器，以便获得稳
定的电压。在主电源损坏时，电源监控器就马上切断主电源，启动备用电源。同时，电源监控器的贮能电容器也是备用电源的一部分。
11113 存贮器
中央控制器有两种不同类型的存贮器。
a 1易失性存贮器(RAM )，即又能读、又能写的存贮器，也叫随机存贮器或读写存贮器。它是CPU 在工作过程中用来存贮中间结果并随机存取数据的部件。例如气囊在自检中发现左前方传感器有故障,CPU 把其代码出后，就放在RAM 里供随时显示用。其特点是一旦电源切断，存放在其中的信息就丢失。
b 1非易失性存贮器(ROM )，也叫只读存贮器。用来存放气囊运行的所有固定程序和一些不变的量。例如自检中各主要元器件的故障编码等。它只能输出，而断电后存放在里面的信息仍然存在。11114 气囊引爆器
双动作双气囊系统共有4个引爆器，气囊引爆器实际上是一个电“点火器”。在汽车发生碰撞时，各个传感器都向中央控制器输送碰撞信号，经中央控制器判断后，确定是哪一级的碰撞。中央控制器分别向相应的引爆器输出一个电压信号，经功率放大驱动后，向电输送一个一定大小的电流而引爆点燃固体燃料，加热气化剂使气囊张开。11115 声、光报警及读码器
实际上是气囊系统故障报警器及读码器。报警器及读码器一般是一个L ED 指示灯(也有的加上如蜂鸣器一类的声报警器)。在正常情况下，接通电源，该灯亮约6s ，然后熄灭。在气囊系统自检到系统有故障时该指示灯被点亮以警告驾驶员。检修气囊时，在没有切断电源前，先要接通读码开关(有的是用线连接)，读取故障码，以判断故障位置。11116 中央控制器
中央控制器由CPU 、RAM 、ROM 、
接口、驱动器等电子电路组成。多数都是由单片机加上其他电路所组成。一般做成两块印刷电路板，外壳用金属制作。一方面加强机械强度，另一方面是为了屏蔽外界的电磁波的干扰。它通过牢固的插接件，把传感器等输入信号，及引爆器、报警器等输出信号和中央控制器连接起来。一般电路图上的接线标号就是插接件上的标号。112 机械部分的结构11211 气囊系统
本系统有两个气囊，它们分别安置在方向盘和乘员前的仪表板上。两个气囊的结构、原理相同，只不过方向盘气囊多一个缠叠电缆装置。
气囊系统由气囊和充气器等组成。图6是方向盘气囊结构。气囊4折叠在气囊盒10中，其材料为尼龙织物，内层涂聚氯丁二烯，能承接大于215kN 的拉力。气囊保护盖8也是一个关键零件，它具有保护气
图6 方向盘气囊结构
11安装架 21充气器外壳 31方向盘 41气囊 51引
火药 61电 71气化剂 81气囊保护盖 91过滤
器 101气囊盒 111经济速度开关 121缠叠电缆
囊作用，又必须在气囊张开时易于碎裂而不影响气囊膨胀，而且碎裂时不会伤害驾乘人员。因此，采用轻度发泡的聚氨脂塑料薄板制成。
充气器由电6、气体发生器和过滤器9等组成。在碰撞减速力的作用下，传感器向CPU发出碰撞信号,CPU向电6输送一个电流信号引爆并点燃引火药5，产生的火焰加热气化剂7，使其产生大量的氮气，通过金属过滤器9的过滤、冷却、降压，迅速吹涨气囊。实际上，气体发生器是以爆炸的形式迅速产生气体。因此，其外壳强度和爆炸气体在进入气囊之前的过滤、降温、降压处理就十分重要。此处采用多孔粉末冶金金属板作过滤器，不仅其降温、降压效果好，而且价格便宜。
11212 安全带预紧器
安全带预紧器安装在前排座椅的左右两外侧，它包括电、气化剂、气缸活塞和导线等。当汽车发生碰撞时，电(引爆管)由CPU控制接通电源引爆气化剂，活塞在膨胀气体作用下迅速移动，并带动安全带迅速预紧，将驾乘人员向座椅靠背拉动，防止他们冲向汽车前方。
2 电子式安全气囊系统的工作原理
211 电子式安全气囊的工作程序
电子式安全气囊的全部动作完全是由CPU的程序控制，按照人们事先设计的工作内容与步骤，按部就
班地逐条执行的。工作程序框图如图7所示。
汽车的点火开关闭合后，气囊就开始工作。首先把CPU等电子电路复位，紧接着是自检工作，专门由自检子程序对各传感器、引爆器、RAM、ROM、电源等部件逐个进行检查。如果有故障，先执行总的故障显示灯显示子程序，使故障灯发出闪烁亮灯信号，驾驶员迅速把故障码读取开关合上(或用线接好)，读取故障码，查出气囊故障的部位
。
图7 电子式安全气囊的工作程序框图
如果自检气囊无故障，启动传感器采集子程序，对所有的传感器进行巡回检测。如没有碰撞，程序又返回到自检子程序。如果一直没有碰撞则程序就这样循环下去。
如果有碰撞，经CPU的判断，如碰撞速度小于30km h时,CPU发出引爆双安全带预紧器的指令，点燃双安全带预紧器，拉紧安全带，保护乘员，并且发出光、电报警指令。如果碰撞速度大于30km h，则CPU向所有的引爆器发出引爆指令，使两个安全带拉紧，两个气囊张开，同时发出光、电报警指令。
如果在较大速度碰撞后，主电源断线，则电源监控器自动启动备用电源，支持整个系统工作，并使报警工作至备用电源耗尽。
212 电子式安全气囊系统工作时序
图8所示为某汽车在速度为50km h与前面障碍物相撞时，安全气囊引爆时序
。
图8 某汽车50km h车速碰撞后安全气囊引爆时序
(下接第6页)
效负载和时间；每个工作班、每周和每个月的单车运输生产量。这些数据可通过车内无线电传送系统直接送至各级管理部门，对于及时了解汽车运输生产、提高汽车使用和维修管理综合水平，提供了可靠依据。
在悬挂缸漏气或漏油时，上述系统压力信号就会失真，从而测量的有效负载也会失真。压力传感器的另外一种安装方法如图2所示,
在两根车架的上表面
图2 压力传感器的另外一种安装方法
分别装设二个平直的长方形皮带管，内充油液，压力传感器与两皮带管相连，承载车厢与皮带管接触，其内部油液压力随负载增加而增大。这种特殊的承压皮带管应具有高强度、弹性好、耐磨、抗冲击、抗压性好等特性。只要皮带管不破漏，压力传感器的测量信号就不会失真。
2 有效负载自动监测系统的综合作用
实际上，该系统的作用是多方面的，综合起来包括以下几个方面:
a 1使矿用汽车有效负载达到额定值，以满载运行，从而减少运输循环，提高运输生产率;
b 1避免汽车超载运行，减少汽车故障率，延长维修周期，提高设备使用效率;
c 1根据矿石品位变化，可准确地进行配矿装载;
d 1与矿山计算机管理中心相配合，可提高矿山运输、矿石开采的综合管理水平。
(责任编辑 成 成)
收稿日期:1997207224
汽车安全气囊价格(上接第4页)
a 1撞车10m s 后，达到引爆时极限，引
爆器引爆，产生大量的炽热气体。此时，驾驶员由于
惯性仍然坐着。
b 120m s 后驾驶员开始移动，但还没有到达气囊。
c 140m s 后气囊已完全涨起，驾驶员逐渐向前移动，安全带被拉长，人的部分冲击能量已吸收。
d 160m s 后驾驶员已经开始沉向气囊。
e 180m s 后驾驶员的头和身体上部沉向气囊。气囊的排气口打开，其中的气体在高压下匀速地逸出，以吸收能量。
f 1100m s 后车速已降为零，这时对车内的乘员来讲事故的危险期就已经结束。
g 1110m s 后驾驶员向前移动达到最大距离，随后身体开始后移，回向座位。这时大部分气体已从气囊中逸出，前方又恢复了清晰的视野。
3 参考文献
1 李令举1汽车工程电子新技术1北京：人民交通出版社,
19951
2 王运朋1两次动作的双安全气囊系统1汽车技术,1995
(6):21～261
(责任编辑 叶 子)
收稿日期:1997209215
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