汽车安全气囊系统结构原理

安全气囊系统由碰撞传感器、安全气囊电控单元（SRSECU）、气囊组件和SRS指示灯4部分组成。气囊组件和SRS指示灯是安全气囊系统的执行元件。

1.碰撞传感器

碰撞传感器实际上是一种减速度传感器，其功能是将碰撞信号输入SRSECU，以便SRS ECU判定是否引爆气囊点火器和安全带收紧点火器。

1）碰撞传感器的类型

按用途不同，碰撞传感器可分为碰撞信号传感器和碰撞防护传感器两种类型。

碰撞信号传感器又称为碰撞烈度（激烈程度）传感器，安装在汽车左前与右前翼子板内侧，两侧前照灯支架下面，发动机散热器（水箱）支架左、右两侧，左、右仪表台下面等。

碰撞防护传感器又称为安全传感器或保险传感器，简称“防护传感器”，一般安装在SRSECU内部。碰撞防护传感器和碰撞信号传感器的结构原理完全相同，唯一的区别在于设定的减速度阈值有所不同。

【知识链接】

换句话说，一只碰撞传感器既可用作碰撞信号传感器，也可用作碰撞防护传感器，但是必须重新设定其减速度阈值。设定减速度阈值的原则：碰撞防护传感器的减速度阈值比碰撞信号传感器的减速度阈值稍小。在欧洲制造的汽车上，当汽车以35 km／h左右的速度撞到一辆静止的汽车上或以25 km／h左右的速度迎面撞到一个不可变形的障碍物上时，减速度就会达到碰撞信号传感器设定的阈值，传感器就会动作。

【特别提示】

为什么安全气囊系统必须设置碰撞防护传感器呢？这是因为气囊点火器与碰撞信号传感器的电路是串联的，如果没有碰撞防护传感器，那么在检修前照灯或发动机散热器等安装碰撞信号传感器的部件时，如果不慎将碰撞信号传感器的电路（即触点）接通，就会使点火器电路接通而造成气囊误引爆。这不仅会造成经济损失，而且可能造成严重事故。

设置碰撞防护传感器后，将其安装在气囊的电源电路与点火器电路之间。在检修车辆时，即使不慎将碰撞信号传感器的电路接通，由于安装在SRS ECU内部的碰撞防护传感器电路（即触点）并未接通，因此，点火器不会点火引爆气囊。此外，碰撞防护传感器的减速度阈值比碰撞信号传感器的减速度阈值稍小，也不会影响安全气囊系统正常发挥作用。

按结构不同，碰撞传感器可分为机电结合式碰撞传感器、水银开关式碰撞传感器和电子式碰撞传感器3种类型。机电结合式碰撞传感器是一种利用机械机构运动（滚动或转动），使电器触点闭合（或断开）来接通（或切断）气囊点火器电路的装置，常用的有滚球式、滚轴式和偏心锤式3种。水银开关式碰撞传感器是一种利用水银的良好导电特性，将气囊点火器电路直接接通或切断的装置。电子式碰撞传感器是一种将碰撞作用力转换为电信号，使电子电路导通（或截止）来接通（或切断）气囊点火器电路的装置，其工作原理与压力传感器基本相同。这些传感器结构简单，使用方便，下面以典型的偏心锤式碰撞传感为例说明其结构特点与工作原理。

2）偏心锤式碰撞传感器的结构特点

偏心锤式碰撞传感器又称为偏心转子式碰撞传感器，其结构如图7－15所示，主要由偏心锤1与8、偏心锤臂2与15、转动触点臂3与11、转动触点6与13、固定触点10与16、复位弹簧19、挡块9、壳体4与12等组成。转子总成由偏心锤1、转动触点臂3及转动触点6与13组成，安装在传感器轴18上。偏心锤偏心安装在偏心锤臂上。转动触点臂3与11两端固定有转动触点6与13，转动触点随转动触点臂一起转动。两个固定触点10与16绝缘固定在传感器壳体上，并用导线分别与传感器固定触点引线端子7、14、5、17连接。

3）偏心锤式碰撞传感器的工作原理

偏心锤式碰撞传感器的工作原理如图7－16所示。当传感器处于静止状态时，在复位弹簧的弹力作用下，偏心锤与挡块保持接触，转子总成处于静止状态，转动触点与固定触点断开，如图7－16（a）所示，传感器电路处于断开状态。

图7-15　偏心锤式碰撞传感器的结构

1，8—偏心锤；2，15—偏心锤臂；3，11—转动触点臂；4，12—壳体；5，7，14，17—固定触点引线端子；6，13—转动触点；9—挡块；10，16—固定触点；18—传感器轴；19—复位弹簧

当汽车遭受碰撞使偏心锤产生的惯性力矩大于复位弹簧的弹力力矩时，惯性力矩就会克服弹簧力矩使转子总成转动，从而带动转动触点臂转动，使转动触点与固定触点接触，如图7－16（b）所示，接通气囊点火器搭铁回路。

图7-16　偏心锤式碰撞传感器的工作原理

（a）静止状态；（b）工作状态
1—复位弹簧；2，6—偏心锤；3，7—挡块；4，8—固定触点；5，9—转动触点

2.安全气囊电控单元

安全气囊电控单元（SRS ECU）是安全气囊系统的控制核心，其安装位置依车型而异。当碰撞防护传感器与SRSECU组装在一起时，SRSECU必须安装在汽车纵向轴线上。不同车型SRSECU的结构各有不同，福特林肯·城市（Linco1n City）轿车SRSECU的内部结构如图7－17所示，其主要由专用CPU、备用电源电路、稳压保护电路、信号处理电路等组成。

（1）专用CPU。专用CPU由模／数（Ana1og／Digita1，A／D）转换器、数／模（Digita1 Ana1og，D／A）转换器、串行输入／输出（Input／Out，I／O）接口、只读存储器、随机存储器、电可擦除可编程只读存储器（E1ectric Erasab1e Programmab1e ROM，EEP ROM）和定时器等组成，其主要功能是监测汽车纵向和横向减速度是否达到设定阈值。

（2）信号处理电路。信号处理电路主要由放大器和滤波电路组成，其功能是对传感器检测的信号进行整形和滤波处理，以便SRSECU能够接收与识别。

图7-17　福特林肯·城市（Lincoln City）轿车SRSECU的内部结构

1—电容器；2—碰撞防护传感器；3—触点；4—滚轴；5—四端子插座；6—专用CPU；7—SRSECU插座(www.xing528.com)

（3）备用电源电路。SRS有两个电源：一个是汽车电源（蓄电池和交流发电机）；另一个是备用电源。

【特别提示】

备用电源又称为后备电源或紧急备用电源，由电源控制电路和若干个电容器组成，其功能是当汽车电源与SRSECU之间的电路被切断后，在一定时间（一般为6 s）内维持安全气囊系统供电，保持安全气囊系统的正常功能。当汽车遭受碰撞而导致蓄电池或交流发电机与SRSECU之间的电路被切断时，备用电源能在6 s之内向计算机供给电能，保证SRSECU测出碰撞和发出点火指令。备用电源能在6 s之内向点火器供给足够的点火能量引爆点火剂。当超过6 s之后，备用电源供电能力降低，SRSECU备用电源不能保证SRSECU测出碰撞和发出点火指令，备用电源不能供给最小点火能量，气囊将不能充气膨开。

（4）稳压保护电路。在汽车电气系统中，许多电气部件带有电感线圈，电气开关琳琅满目，电气负载变化频繁。当电感线圈电流接通或切断、开关接通或断开，或负载电流突然变化时，都会产生瞬时脉冲电压（过电压），如果这些瞬时脉冲电压加到安全气囊系统电路上，系统中的电子元件就可能因电压过高而损坏。为了防止安全气囊系统元件遭受损害，SRSECU中必须设置保护电路。同时，为了保证汽车电源电压变化时安全气囊系统能正常工作，SRSECU中还必须设置稳压电路。

3.气囊组件

按功能不同，气囊组件分为正面（保护面部与胸部）、侧面（保护颈部与腰部）、护膝和头部（气帘）4种类型。其中，正面气囊组件分为驾驶席、前排乘员席（副驾驶席）和后排乘员席3种。各种气囊组件都是由气囊、点火器和气体发生器等组成的，原理也相同，仅外形尺寸和形状有所不同。下面以驾驶席气囊组件为例进行说明。

驾驶席气囊组件的结构如图7－18所示，主要由气囊、饰盖、气体发生器和安装在气体发生器内部的点火器组成。

（1）气囊。气囊一般采用聚酰胺织物（如尼龙）制成，内层涂有聚氯丁二烯，用以密闭气体。早期气囊的背面制作有2～4个通气小孔，用以排气节流、吸收动能，目前气囊普遍采用透气性较好的织物制作，因此没有制作通气孔。

【知识链接】

气囊在静止状态时，像降落伞未打开时一样折叠成包，安放在气体发生器上部与气囊饰盖之间。气囊开口一侧固定在气囊安装支架上，将其先用金属垫圈与气囊支架座圈夹紧，然后用铆钉铆接。气囊饰盖表面模压有撕印（撕缝），以便气囊充气时撕裂饰盖，减小冲出饰盖的阻力。驾驶席气囊充满氮气时的体积为35 L左右。

（2）气体发生器。气体发生器又称为充气器，用专用螺栓与螺母固定在转向盘上的气囊支架上，其结构如图7－19所示，由气体发生器壳体（上盖和下盖）、金属滤网、充气剂、点火器和引药组成，其功能是在点火器引爆引药时，产生气体向气囊充气，使气囊膨开。

图7-18　驾驶席气囊组件的结构

1—撕印；2—饰盖；3—气囊；4—气体发生器；5—引线；6—下盖

图7-19　气体发生器的结构

1—下盖；2—金属滤网；3—充气剂；4—引药；5—点火器；6—上盖

气体发生器壳体由上盖和下盖两部分组成。上盖上制有若干个长方形或圆形充气孔。下盖上制有安装孔，以便将气体发生器安装到转向盘上的气囊支架上。上盖与下盖用冷压工艺压装成一体，壳体内装充气剂、金属滤网和点火器。金属滤网安放在气体发生器壳体的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧产生的渣粒。

充气剂普遍采用叠氮化钠（Sodium Azide）片状合剂。叠氮化钠的分子式为NaN3，是无色六方形晶体，有剧毒，密度为1.846 g／cm3，在温度约300℃时分解并放出氮气。

【知识链接】

叠氮化钠可由氨基钠与一氧化二氮作用制得。叠氮化钠与铅盐（如硝酸铅）作用可制备起爆药叠氮化铅［Pb（N3）2］。大多数气体发生器都是利用热效反应产生氮气而充入气囊的。在点火器引爆引药（点火剂）的瞬间，点火剂会产生大量热量，固态叠氮化钠受热立即分解并释放氮气，从充气孔充入气囊。虽然氮气是无毒气体，但是叠氮化钠反应后的副产品中有少量的氢氧化钠和碳酸氢钠（白色粉末）。这些物质是有害的，因此，在清洁气囊膨开后的车内空间时，应保证通风良好并采取防护措施。将充气剂制作成片状合剂的目的是便于填装到气体发生器壳体内部。

（3）点火器。气囊的点火器外包铝箔，安装在气体发生器内部中央位置，其结构如图7－20所示，主要由药筒、引药、电热丝、电极和引出导线等组成。

图7-20　驾驶席气囊点火器的结构

1—药筒；2—引药；3—电热丝；4—陶瓷片；5—磁铁；6—引出导线；7—瓷管；8—瓷片；9—电极；10—电热头；11—药托

点火器的功能：当SRS ECU发出点火指令而使电热丝电路接通时，电热丝迅速红热，引药瞬间爆炸产生热量，药筒内温度和压力急剧升高并冲破药筒，使充气剂（叠氮化钠）受热分解，释放氮气并充入气囊。

点火器的所有部件均装在药筒内。点火剂包括引爆炸药和引药。引出导线与气囊插接器插头连接，插接器（一般都为黄色）中设有短路片（铜质弹簧片）。当插接器插头拔下或插头与插座未完全结合时，短路片将两根引线短接，防止静电或误通电将电热丝电路接通使点火剂引爆而造成气囊误膨开。

4.SRS指示灯

SRS指示灯又称为SRS警告灯，安装在驾驶室仪表盘面膜下面，并在面膜表面相应位置制作有气囊动作图形或“SRS”“AIR BAG”“SRSAIR BAG”等指示。

SRS指示灯的功能：指示安全气囊系统功能是否正常。将点火开关拨到“ON”或“ACC”位置后，如果指示灯发亮或闪亮约6 s后自动熄灭，表示安全气囊系统功能正常。如果指示灯不亮、一直发亮或在汽车行驶途中突然发亮或闪亮，说明自诊断测试系统发现安全气囊系统故障，应及时排除。自诊断系统在控制SRS指示灯发亮或闪亮的同时，还会将所发现的故障编成代码存储在存储器中。