二节汽车安全气囊安全系统原理与维修

第二节汽车平安气囊平安系统原理与维修
一、平安气囊系统的结构
构成平安气囊系统的主要电子元器件有ECU、碰撞传感器〔集中式系统安置于ECU内部，分散式系统安置在ECU外部〕、警示装置、平安气囊组件、乘员位置传感装置及接头和线束等。

二、平安气囊系统典型ECU结构
对於单点碰撞传感－集中式平安气囊ECU，采用了与放大和滤波电路相关联的电子加速度计〔传感器〕，能稳定地保持对汽车加速度跟踪〔即能按照汽车的加速度成比例地输出
电压〕。

与单片微机相关联的装置包括：
电源供给装置，给所有的电路提供工作电压。

属於这局部的两个重要电气装置包括电荷泵和能量贮备〔又称备用电源，在碰撞过程中，一旦蓄电池连接松脱，仍能提供足够的贮电容量触发引爆管使平安气囊张开〕。

电荷泵具有提升能量贮备电压，使其高於汽车工作电压的能力。

当蓄电池、充电系统或发电机出现故障时，电荷泵能维持能量贮备装置的最低工作电压。

另外，在提升能量贮备电压的同时，能检测引爆路电阻偏高等类似的故障；供单片微机监控用的
监视计时器；供警示灯控制和故障诊断用的接口电路；触发司机或乘客侧充气组件的引爆电路。

引爆路一般由ECU内部电路及ECU的外部元器件组成。

外部元器件有：接头、电缆、滑环/盘簧〔仅司机路才有〕引爆管，对於分散式平安气囊系统还有电子机械碰撞传感器等。

ECU监控的首要任务，是在碰撞过程中监测可能阻碍成功引爆平安气囊的所有故障；进一步的任务是监测使平安气囊发生致伤、甚至致死的不适时引爆；与ECU 集成在一起的机－电平安传感器；选择输入电路。

“选择输入〞是用来向平安气囊ECU提供乘客座位、司机和乘客平安带的状态信息，这些信息经ECU处理後，除了具有前面提到能改变平安气囊充气速率的功能外，还有平安抑制功能。

对於乘客平安气囊，只有在乘客座位被占用、乘客平安带扣上以及平安气囊在较高阈值的情况下，才会引爆充气。

将司机平安气囊与乘客平安气囊分开控制，可以减少平安气囊不必要的张开；方便接入外部诊断设备，帮助维修的串行数据线路。

三、平安气囊组件的结构及工作过程
乘客侧与司机侧平安气囊的结构和工作过程很相似。

典型的司机侧
平安气囊组件由平安气囊饰罩、带涂敷层或不带涂敷层的织物折囊垫、充气器〔即气体发生器、含引爆剂、扩爆剂和主推进剂〕和将平安气囊组件安装在方向盘的连接组件等组成。

组件的功用和工作过程如下：
〔1〕、将从碰撞传感器接收的电信号传给充气器的引爆剂；〔2〕、引爆剂像根“电火柴〞通电
後着火，然後再点燃充气
器组件内的扩爆剂，扩爆
剂又称为引爆管。

〔3〕、扩爆剂点燃後，点燃主装药－主推进剂。

传统的主推进
剂由氮化钠+氧化剂组成，
也有些使用压缩氮气或氩
气，还有两种混合应用；〔4〕、推进剂燃烧生成氮气流；〔5〕、迅速膨胀的气体经过过滤进入折囊垫，形成平安气囊雏
形；
〔6〕、充气器使充入平安气囊的气体压力增高，并开始推压平
安气囊饰罩；
〔7〕、平安气囊饰罩上的压力不断上升，饰罩材料延伸变形和
撕裂薄弱区的接缝；〔8〕、随着裂缝的出现，饰罩门开启，为充气平安气囊的喷出
提供最正确通路；
〔9〕、气体压力继续增长，平安气
囊张开至织物绷紧；〔10〕、乘员接触和压迫平安气囊，实现平安保护；
〔11〕、通过气体的粘性阻尼作用，乘员前移能量被吸收和耗
散，平安气囊中过压气体经
过平安气囊通气孔排出而不
致伤害乘员。

四、平安带和平安气囊
为了说明平安带和平安气囊在
保护乘员方面的重要性，首先说明造成乘员伤害的原因。

如图2所示，当汽车和障碍物之间发生碰撞事故时，
汽车和障碍物之间的碰撞称为一次
碰撞。

一次碰撞的结果导致汽车速度急剧下降。

例如，如果一辆汽车以50km/h的速度与一个固定不动的障碍物正面相撞，那么汽车至完全停止所需时间大约0.1s。

在这短暂的时间内，可发生的事情却相当多：在碰撞的瞬间，前护杠停止运动，但汽车的其他局部仍以50km／h的速度前进。

随着车辆前部逐渐损坏，汽车即开始吸收动能并减速；在碰撞过程中，当开始减速慢下来时，内部乘员那么仍以原来的速度向前移动。

于是就发生了乘员和方向盘、仪表板、风挡玻璃等之间的碰撞，造成了乘员的伤害。

这种乘员和汽车内部结构之间的碰撞称为二次碰撞，如图3所示。

图2 一次碰撞示意图
图3 二次碰撞示意图
如果乘员未系上平安带，那么他们会继续以50km/h的速度前进，直到撞及车室内部物件才会停止。

在此例中，乘员撞击车室内部的速度，与从三楼的窗户跳下撞击地面时的速度相当。

如果乘员系上平安带，那么他们将逐渐减速，因此作用到他们身
上的撞击力将减轻。

但是在严重的碰撞事件中，虽然系上平安带的碰撞力比未系平安带少了很多，但乘员仍可能会撞到车室内部物件而造成伤害。

汽车平安气囊的根本思想是：在发生一次碰撞后，二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间翻开一个充满气体的袋子，使乘员撞在气袋上，防止或减缓二次碰撞，从而到达保护乘员的目的，如图4所示。

由于乘员和气囊相碰时容易因振荡造成乘员伤害，所以在气囊的反面开两个直径25mm左右的圆孔。

这样，当乘员和气囊相碰时，借助圆孔的放气可
减轻振荡，放气过程同时也是一个释放能量的过程，因此可以很快地吸收乘员的动能，有助于保护乘员。

图4 平安气囊对乘员的保护作用五、平安气囊的形式
除了上述供正面碰撞的保护平安气囊外，近年还开发出了供侧面碰撞保护用的侧平安气囊。

这样，平安气囊系统按保护面的不同，可分为供
正面碰撞保护用的平安气囊系统和供侧面保护用的侧平安气囊系统，如图5所示。

图5 正面平安气囊和侧平安气囊此外，平安气囊还可按充气装置点火系统的形式、气囊数量和气囊传感器数量等3种方式来分类。

1、按充气装置点火系统分
〔1〕电子式〔E型〕
〔2〕机械式〔M型〕
2、按气囊数量分
〔1〕1个：用于驾驶员〔E型或M 型〕
〔2〕2个：用于驾驶员和前座乘员〔只有E型〕
〔3〕4个：用于驾驶员和前座乘员的正面和侧面〔只有E型〕
3、按气囊传感器数量分〔只有E型〕〔1〕1个：气囊传感器
〔2〕3个：一个中央气囊传感器和两个前气囊传感器
各形式的气囊系统及其动作如图6至图9所示。

图6 E型、双气囊、3传感器
图7 M型、单气囊
图8 E型、单传感器、双气囊
图9 E型侧气囊
六、平安气囊的工作
在承受来自如图10斜线区域箭头内严重的正面撞击时，平安气囊系
统会检测此减速力。

假设减速力到达设定值以上时，系统会触发充气装置，然后充气装置内的化学反响会使气囊在瞬间充满氮气，以缓冲乘员的冲击，保护乘员头部和脸部免于撞击方向盘或仪表板。

在气囊开始泄气时，气囊依然在继续吸收动能。

图10 正面撞击方位
整个过程〔由充气、保护、泄气组成〕在不到1s内完成，如图11所示。

图11 平安气囊的工作过程
气囊张开后，需注意如下问题：〔1〕平安气囊在设计上只能充气1次，一次性使用。

用后必须更换。

〔2〕发生碰撞时，即使前乘员座没有乘员，前座乘员气囊也会同时张开。

〔3〕在气囊充气时会产生巨大的声响，而且在所释放出的氮气中会伴生少许烟雾。

这些气体和烟雾是无害的〔这不表示有起火现象〕，但乘员要尽快清洗残留物，以免皮肤过敏。

〔4〕气囊的充气在少于1s内完成，因此气囊充气的力量相当大。

此系统的设计是为了减少严重的伤害，但它本身可能会对乘员造成轻微的烫伤、擦伤或红肿等伤害。

〔5〕气囊张开后，气囊单元的组件〔方向盘中央局部、仪表板〕可能会烫热几分钟，但气囊本身并不会发烫。

〔6〕当碰撞的程度足以让气囊充气时，可能会因车身变形而使风挡玻璃破裂。

而在备有乘员气囊的车辆上，风挡玻璃也可能因吸收局部充气力
量而破裂。

七、元件的结构和工作原理
1、前气囊传感器〔只适用局部车型〕前气囊传感器固定在两边的前翼子板内侧，传感器本身是一个机械式开关。

当传感器检测出前方撞击的力量大于设定值时，传感器内部的触点闭合，并将此信号送至中央气囊传感器总成〔见图17〕。

图17 前气囊传感器
〔1〕结构。

前气囊传感器包括：外壳、偏心转子、偏心重块、固定触点和旋转触点等。

在传感器本体外侧有一个电阻，作白检之用，检测中央气囊传感器总成与前气囊传感器之间的线路是否有开路或短路〔见图18〕。

图18 前气囊传感器的结构
〔2〕工作原理。

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，紧靠在与外壳相连的止动块上。

此时固定触点和旋转触点并未接合。

当发生正面碰撞，如果碰撞的减速率大于设定值时，由于偏心重块惯性的作用，使偏心重块连同偏心转子和旋转触点一起转动，直到与固定触点闭合〔如图19所示〕而使前气囊传感器闭合。

图19 前气囊传感器的工作过程
★为确保平安气囊系统的高可靠性，前气囊传感器在气囊充气张开后绝不可再重复使用。

因为在气囊动作时会有大电流流过传感器触点，这可能会使触点外表烧蚀而造成电阻过大。

假设重复使用，可能造成气囊充气张开的可靠性降低。

2、中央气囊传感器总成或气囊传感器总成
当车辆设有前气囊传感器时，此传感器总成称为中央气囊传感器总成，里面所包含的传感器也称为中央气囊传感器；如果车辆未设置前气囊传感器，那么称为气囊传感器总成，
里面所包含的传感器称为气囊传感器。

如图20所示，中央气囊传感器总成安装在车内地板的中间位置上，它从气囊传感器〔前气囊传感器和其内置的中央气囊传感器〕接收信号，判断气囊应否张开，并诊断系统的故障。

图20 中央气囊传感器总成
如图21所示，中央气囊传感器总成由中央气囊传感器、平安传感器，点
火控制与驱动电路和诊断电路组成。

一个可靠性极高的备用电源系统也组合在总成内，以防在碰撞时因汽车电源系统的损坏而导致气囊系统不工作。

图21 中央气囊传感器总成电路〔1〕中央气囊传感器。

中央气囊传感器封装在中央气囊传感器总成内。

它有电子式和机械
式两种。

电子式可检测出减速率，然后点火控制和驱动电路再根据此信号判断是否让气囊充气。

机械式也可测出减速率，并直接驱动气囊充气。

1〕电子式。

电子式中央气囊传感器是一种智能传感器，它将传感元件、信号适配器和滤波器等集成在一块IC上，具有可靠性高、功能强等优点。

如图22所示，传感器有一悬臂梁，悬臂梁的质量就是惯性质量，当传感器承受冲击时，悬臂梁会发生弯曲。

这一弯曲变形可由其上的变形计测出，并转换成电信号，经集成电路整理放大后的输出信号随减速率线性
变化。

图22 电子式中央气囊传感器2〕机械式。

当机械式传感器检测到正面撞击的速度大于设定值时，其触点会闭合使气囊充气。

〔2〕平安传感器。

平安传感器有几种形式。

图23中是以配重动能为根底而闭合触点的机械式和以水银为导体的水银开关式。

平安传感器的作用主要是为了防止气囊误开。

此传感器触发的基准减速
率比气囊作用的设定值小。

图23 平安传感器
如果使用水银开关式以外的平安传感器时，在气囊已作用充气之后，中央气囊传感器总成绝不可重复使用。

因为在气囊动作时，会有大电流流过传感器触点，使触点外表产生烧蚀而令电阻过大，造成气囊可靠性降低。

1992年8月以后产的丰田汽车已不再采用水银开关式平安传感器。

1〕点火控制和驱动电路〔适用于电子式中央气囊传感器〕。

点火控制与驱动电路对中央气囊传感器来的信号进行计算，如果计算值比预定值大，它就触发点火，使气囊充气。

2〕备用电源，，备用电源由备用电容器和直流—直流变压器组成。

在电源系统由于碰撞而失效的情况下，备用电容器将释放电能，以供给系统所需的电力。

当蓄电池电压下降到一定值时，直流—直流变压器用于提高电压。

3〕诊断电路。

本诊断电路可诊断系统内的任何故障。

当故障被检测出来后，点亮组合仪表上的故障警告
灯以告示驾驶员。

这一电路可监视以下各种情况：
·造成点火失效的故障；
·造成意外点火的故障；
·诊断电路本身的故障，即造成不能检测点火失效和意外点火的故障。

4〕记忆电路。

当诊断电路检测出故障时，这一故障被编成代码储存在记忆电路中。

此代码可随时取出，以分辨故障部位及进行快速诊断。

按照车型、年份的不同，记忆电路可分为两种形式，一种是当电源中断时，记忆内容即自动消失；另一种是即使供给电源中断，记忆内容仍能保存。

5〕平安电路。

平安电路禁止点火。

当诊断电路检测到的故障可能会引起意外点火时，诊断电路向平安电路送出一个信号，用于禁止点火。

3、侧气囊传感器总成
侧气囊传感器总成有两种类型，第一种是独立于正面平安气囊系统而自成体系的，它从封装于侧气囊传感器总成内的侧气囊传感器接收信号，判断侧气囊是否应翻开，并诊断系统的故障。

这一类型的侧气囊传感器总成有自己的侧气囊故障警告灯。

这种侧气囊传感器总成由侧气囊传感器、平安传感器、点火控制与驱动电路、诊断电路等组成。

这些组成局
部的作用和工作原理与中央气囊传感器总成相同。

另一种是侧气囊传感器总成由侧气囊传感器、平安传感器等组成的。

侧气囊传感器总成接收侧气囊传感器来的信号，并判断应否翻开侧气囊。

假设需要翻开侧气囊，那么侧气囊传感器总成向中央气囊传感器总成〔或气囊传感器总成〕发出信号，最终由中央气囊传感器总成向侧气囊传爆管送出电流，使侧气囊张开充气。

上述两种类型的左、右两个侧气囊传感器总成分别安装在左、右侧车身的中间立柱上，两者是相互独立的，
如图24所示。

图24 安装在中间立柱上的侧气囊传感器总成
3、充气装置和气囊
平安气囊系统对充气装置的要求主要有3个方面：
1〕能在约30ms内产：生大量气体；
2〕所产生的气体应无毒性，温度电不能过高；
3〕整个装置应具有很高的可靠性和很好的稳定性。

充气装置主要有压缩气体式、烟火式和混合式3种。

压缩气体式因充气较慢、受环境温度影响较大、系统的性能不稳定而在目前已较少使用。

丰田汽车的充气装置主要采用烟火式。

1998年开始，逐渐在前座乘员气囊和侧气囊上采用混合式充气装置。

〔1〕驾驶员充气装置和气囊。

驾驶员充气装置采用烟火式。

充气装置和气囊均装设于方向盘衬垫内，它们是不可分解的。

如图25所示，充气装置包括传爆管、点火药粉与气体发生剂等。

在车辆正面严重碰撞时，充气装置瞬间给气囊充气。

气囊由尼龙布制成，并在内外表涂有树
脂。

图25 驾驶员充气装置
如图26所示，当车辆正面严重碰撞时，减速力使气囊传感器导通，电流流入传爆管使其产生高热，从而点燃传爆管内的点火物质。

火焰随即扩散到点火药粉和气体发生剂。

气体发生剂于是产生大量氮气，这些氮气经过滤器降温后进入气囊内。

气囊被迅速充气并急剧膨胀，冲破方向盘衬垫，缓冲了乘员的二次碰撞冲击。

气囊在
充气完成后，氮气由释放孔迅速排泄，，这不但可减少乘员对气囊的冲击力量，而且可确保乘员有良好的视野。

图26 点火装置截面图
〔2〕前乘员充气装置和气囊。

前乘员充气装置有烟火式和混合式两种。

这两种形式的充气装置和气囊均密封在一个外壳内，装在手套箱上方的仪表台上，如图27所示。

图27 前乘员充气装置和气囊
1〕烟火式前乘员充气装置〔图28〕。

这种形式的充气装置是一个金属盒，里面有传爆管、点火药粉和气体发生剂等。

气囊由尼龙布制作，由充气装置生成的氮气充气展开。

前乘员气囊的展开体积约为驾驶员气囊的2~4倍。

图28 烟火式前乘员充气装置截面
图
烟火式前乘员充气装置的工作过程与驾驶员充气装置相同。

如图29所示。

图29 烟火式前乘员充气装置的工作过程
2〕混合式前乘员充气装置。

这种形式的充气装置由传爆管、推进剂、销、隔片和压缩氩气等其他元件组成，如图30所示。

图30 混合式前乘员充气装置假设因正面碰撞的惯性力使气囊传感器接通，那么电流会点燃充气装置内的传爆管。

被传爆管点燃的推进剂使氩气膨胀，同时也使销触发，击穿隔片。

膨胀的气体从被销击穿的隔片通过，经气体释放孔流到气囊内。

随着气体进一步膨胀，前乘员气囊推开气囊门而弹出，缓冲前乘员头部和胸部所受到的撞击。

其工作过程如图31所示。

图31 混合式前乘员充气装置的工作过程
〔3〕侧充气装置和气囊。

侧充气装置和侧气囊组合在一个壳体内，装设在座椅靠背外侧，如图32所示。

充气装置由传爆管、乙醇、压缩氩气和隔片组成。

如图33所示。

图32 侧充气装置和气囊
图33 侧充气装置的结构
气囊由强力尼龙布制作，由被充气装置加热的氩气来充气。

当侧气囊传感器因车辆严重的侧碰撞造成的减速力而导通时，气囊传感器立即把电流送到侧气囊充气装置，使传爆管点火。

传爆管的火焰瞬间即扩散到乙醇。

乙醇的燃烧使氩气的压
力剧增，膨胀的气体撕破隔片，充进气囊〔如图34所示〕。

图34 侧充气装置的工作过程
受到氩气充入而膨胀的气囊撕破座椅外罩的缝纫口，在乘员的侧面弹出并进一步膨胀。

膨胀的气囊吸收乘员手臂和胸部所受的冲击，然后在气囊外表排出氩气，缓缓收缩。

4、螺旋电缆〔图35〕
螺旋电缆是连接车身与方向盘的电器接线。

螺旋电缆由转子、壳体、电缆和解除凸轮组成。

转子与解除凸轮
之间有连接凸缘和凹槽，方向盘转动时，两者互相触动，形成一个整体一起随方向盘转动。

电缆很薄很宽，有长，螺旋状盘在壳体内。

电缆的一端固定在壳体上，另一端固定在转子上。

当方向盘向左或向右转动时，电缆在其裕量内转动而不会被拖曳。

图35 螺旋电缆
车辆维修时，螺旋电缆必须正确地找到中间位置〔有对中记号〕，在车辆正直向前的状态下安装到转向柱上。

否那么容易造成电缆被扯断和
其他故障。

5、气囊警告灯〔图36〕
图36 三种气囊警告灯
气囊警告灯装在组合仪表上。

1992年8月以前产的车型警告灯用英文AIR BAG表示，1992年8月以后
产的车型改用图形。

1996年8月～1997年6月的凌志LS400还设有专用于侧气囊系统的侧气囊警告灯。

1997年7月以后的车型用一个气囊传感器总成控制所有气囊，所以侧气囊警告灯也随之而取消。

当气囊传感器总成的自检系统检测到气囊系统有故障时，气囊警告灯被点亮以警告司机。

此外，故障代码的输出也由气囊警告灯的闪烁来进行。

在正常情况下，点火开关转到ACC或ON位置时，该灯亮约6s，然后熄灭。

6、平安气囊系统的连接器
平安气囊系统中的所有连接器均为黄色，以便与其他系统的连接器相区别。

这些连接器专为平安气囊系统而设，具有多种不同的特殊功能，而且连接器的端子均镀金，以保证高度的可靠性和耐久性。

下面以1993年款的凌志LS400为例，介绍这些特殊的连接器。

图37是这一系统的线路连接图。

系统共有12个连接器，不同的连接器有不同的特殊机构，这些机构有4种：端子双锁机构、平安气囊防误动机构、电器连接检查机构和连接器双锁机构。

一个连接器可有多种不同的机构〔参看图37下的表格〕。

编
号
名称应用
1 端子双锁
机构连接器①，②，③，④，⑤，⑥，⑦，⑧，⑨，⑩，，
2 平安气囊
防误动机连接器①，③，④，⑤，⑥，⑨，⑩，，
连接器③，④，⑤，⑥，
⑦，⑩，，
图37 1993年款凌志LS400平安气囊系统线路连接图
1〕端子双锁机构〔图38〕。

连接器是由壳体和分隔片组成的两件式结构。

这种设计可保证端子由两个锁紧装置〔分隔片和壳体内的撞杆〕锁定，以防端子脱出。

这种端子双锁机构也被其他系统的连接器所采用。

图38 端子双锁机构连接器
2〕平安气囊防误动机构〔图39〕。

连接器上有一个短路簧片，当连接器脱开时，短路簧片就自动地将传爆管的电源端和接地端接通，使传爆管侧的电路成为一个闭合电路，以确保传爆管不会被误触动。

图39 平安气囊防误动机构
3〕电器连接检查机构〔图40〕。

这一机构用来检查连接器连接得是否正确和完全。

例如，当前气囊传感器连接器连接时，其接线检测引脚也自动地把传感器的输入端和输出端通过电阻连接起来。

一个微小的电流流
到中央气囊传感器总成，以检查连接器是否连接正确。

图40 电器连接检查机构
连接器内壁有一斜面，当连接器接上时，接线检测引脚沿这一斜面插入，当连接器完全插入时，接线检测引脚伸出斜面的端部，与端子接触上〔如图41所示〕。