1、现代汽车新技术概论第9章 汽车安全技术简介第9章 汽车安全技术简介【教学目的】通过包括安全系统展望、安全气囊、预紧式安全带和轮胎压力监测系统TPMS，重点是安全气囊部分。通过本章系统的学习，可以对安全保护系统有一个全面地了解。【教学要求】上一页下一页【导入案例】汽车的安全性十分重要 汽车的安全、节能及环保始终是汽车产业发展的三大主题，其中汽车的安全性是汽车最重要的性能。汽车作为一种主要的现代交通工具，它在带给人们方便和快捷的同时，也给人类社会带来了巨大的危害，那就是具有惊人数字的交通事故。特别是随着汽车数量日益增多、高速公路和高等级公路不断延伸，车速愈来愈高，汽车交通事故随之增多。据世界卫生组
2、织统计，自20世纪50年代以来，全世界丧生于车祸的人数已经超过了 2000万人，目前全世界每年死于车祸的人数达到100万人之多，伤残人数达数千万。在我国，每年因车祸致死的人数已连续 3年超过 10万人(相当于平均每5min就有1 人死于车祸），致伤者每年有数百万人之多，每年直接经济损失高达30多亿元。交通事故不仅造成大量人员伤亡和巨额的经济损失，而且导致了诸多社会问题。图9.1发生交通事故的惨剧图9.2 汽车发生碰撞事故 随着汽车综合性能的提高，汽车的安全装置越来越重要，在汽车安全保护领域出现了大量的新技术。传统的安全气囊和安全带已经发展成为先进的智能保护系统，它可以在事故中更有效地保护乘客的
3、生命。汽车的安全装置分为主动安全和被动安全两种，主动安全装置(如ABS、ASR等)是指汽车防止发生事故的能力，被动安全装置是指汽车一旦发生事故，汽车保护乘员的能力。汽车发生事故时，对乘员的伤害是在瞬间发生的，例如，以车速50km/h进行正面撞车时，其发生时间只有十分之一秒左右。为了在这样短暂的时间中防止或减小对乘员的伤害，目前汽车主要装有安全带、防撞式车身和安全气囊防护系统(SRS是英文Supplemental Restraint System的缩写)等。汽车安全技术简介l 9.1 汽车安全保护系统的概述1 汽车的安全性能汽车的安全性能2 汽车的安全措施汽车的安全措施3 汽车的安全装置汽车的安
4、全装置l 9.2 安全气囊及电子控制系统1 汽车安全气囊发展汽车安全气囊发展2 安全气囊结构及工作原理安全气囊结构及工作原理3 汽车安全气囊的工作过程汽车安全气囊的工作过程4 气囊关键技术气囊关键技术l 9.3 预紧安全带1 安全带分类安全带分类l 9.4 客车座椅的安全要求l 9.5 轮胎压力监测系统1轮胎压力监测系统简介轮胎压力监测系统简介 2TPMS系统的特性系统的特性上一页下一页l 9.1汽车安全保护系统的概述阅读材料 9-1儿童安全座椅装置 据试验显示，一个20kg的儿童，在发生碰撞时，其体重可达2t，是根本抱不住的。正确使用儿童安全带和儿童座椅可使0-1岁的幼儿死亡率减少69%，1
5、-4岁的儿童死亡率减少47%，5岁以上的儿童死亡率减少45%，减少中到重伤50%。上一页下一页返 回图图9.3 9.3 专用的儿童安全座椅专用的儿童安全座椅 目前儿童安装座椅主要有两种安装固定方式，一种是借助车上的成人用安全带，主要采用带自锁式卷收器的安全带，这种安全带一旦带扣扣上织带就不会被拉出来，基本上可以保证儿童安全座椅在车辆行驶过程中保持固定，不会左右移动。另一种则是使用专用的儿童安全座椅固定系统及ISOFIX系统，如图9.3所示，这是近年来比较流行的儿童安全座椅固定装置，具有很多使用安全带固定的儿童安全座椅所无法比拟的优点。强制要求使用儿童汽车安全座椅的国家和地区主要有美国、加拿大、
6、欧盟国、日本、澳大利亚、新西兰等。1汽车的安全性能 汽车的安全性功能，包括主动安全性和被动安全性两个方面，前者包括制动性、操纵稳定性等，后者包括车身钣金、安全带、安全气囊、座椅、防火等安全措施。汽车要达到很高的安全性能，必须要有很好的安全技术作保障，随着安全技术的不断提高发展，应运而生了众多的汽车安全措施和安全装置，从而来保证驾乘人员的安全。2.汽车的安全措施1）汽车新的安全结构设计 现代汽车，在设计之初就充分考虑到提高汽车安全性能，因此创造了很多新型的安全结构。(1)碰撞缓冲区 碰撞缓冲区的概念是梅塞德斯奔驰在20 世纪60 年代首次提出来的。其设计为在该区发生撞击时车身发生逐渐变形，以吸附
7、事故中产生的绝大部分(如果不是全部)的撞击能量。车身改为这种可以变形的设计后，乘员所承受的强烈的撞击力就可以大大减小。现代的撞击缓冲区设计不仅仅可以吸附撞击能量，而且还可以使撞击能量发生偏转。比如某些车身前部的组件可以在发生前后撞击时乘客座舱下部向后移动，从而进一步减小乘员可能需要承受的撞击能量。(2)溃缩式转向柱 转向柱有一个特殊的装置，它可以让转向柱移离驾驶员以在撞击中吸附更多的能量。(3)悬浮发动机防撞保护装置 在车辆受到正面的剧烈撞击时使发动机自动下沉，整个发动机舱瞬间变成了大空间的前部吸能区吸收撞击能量，而且可以防止发动机自身受损或挤入驾驶舱伤及乘客。上一页下一页返 回2）汽车新工艺
8、、新材料的应用(1)液压冲压整体成型工艺 液压冲压整体成型工艺的应用，有效的增加车身的强度，减少车身焊接点，使车身更加牢固抗挤压，耐腐蚀，从而达到安全目的。(2)激光焊接工艺 激光焊接工艺的引入，是汽车安全技术的一个里程碑，它加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接，增加了车身的强度，使内部驾乘者得到有效保护。(3)高强度钢板和各种合金的大范围应用 现代汽车在钢板变薄的同时钢板的强度却在不断加大，这得益于新材料的发展和应用，同时各种铝合金、铝镁合金也开始应用在汽车的关键位置上，铝镁合金材质与普通钢板相
9、比，重量更轻，延展性更强，这些新材料，使车身更牢固，有效地保护驾乘人员免受伤害。上一页下一页返 回3汽车的安全装置1）主动安全装置主动安全装置就是在危险或事故发生预期前，通过汽车上的一些装置控制和预防动作发生，因此最大限度地支持驾车者一系列的驾驶操作，使车辆远离危险状况的装置。(1)ABS（制动防抱死系统）制止车轮滑动，作为主动安全装置，ABS 可在汽车制动过程中，对车轮的运动状态进行迅速、准确又有效的控制，使车轮尽可能地处于最佳运动状况，可以有效防止侧滑并能在刹车踩死的状况下，打方向避开障碍物，从而提高车辆行驶的安全性。(2)EBD（电子制动力分配系统）ABS的辅助系统，在ABS动作之前就已
10、经平衡了每一个车轮的有效抓地力，使4只轮胎的制动装置根据不同情况采用不同的方式和力量制动，从而保证车辆的平稳。(3)ESP（电子稳定程序）是当前汽车防滑装置的最高级形式，它不需要驾驶者进行操作，而是根据实际情况做出反应。ESP可以监控汽车行驶状态，并自动向一个或多个车轮施加制动力，以保持车子在正常的车道上运行。同时，它对过度转向或不足转向特别敏感，对汽车侧滑有很好的预防作用。上一页下一页返 回(4)TCS（牵引力控制系统）是在ABS基础上新发展起来的一种系统。ABS控制4个轮，TCS只控制驱动轮。没有TCS 的汽车加速时驱动轮容易打滑，如果是后驱车就可能甩尾，要是前驱车则容易方向失控。有了TC
11、S，汽车在加速时就能够减轻这种现象。(5)EBA（电子控制刹车辅助系统）对于正常情况下的刹车，EBA不会发生作用，但如果是紧急刹车，EBA 会马上自动指示刹车系统产生更高的油压，使ABS发挥作用，增大刹车效果。不仅如此，其施压的速度也远远快于驾驶者，这能大大地缩短刹车距离，增强安全性。(6)VSC（车辆稳定控制系统）VSC是控制车辆转弯过程的循迹稳定性。它能快速的将车辆在转弯过程中转向过度或转向不足的现象修正到原有正常路径的循迹行驶，避免车辆脱离正常行驶道路或发生侧翻，此套系统由方向盘转角感测器、减速度感测器、车身偏摆角速度感测器，刹车油压感测器以及轮速感测器所组成。上一页下一页返 回(7)A
12、CC（巡航控制系统）。ACC主要用于危险没有出现的阶段，帮助驾驶员安全驾驶，避免疲劳驾驶通过前段的雷达或者激光测距系统作为传感器来使得车辆与前车的距离控制在合理的范围之内，在城市拥堵的路段，可以低速自动跟随前车，减轻驾驶员的劳动强度。图9.4为装有ACC汽车的工作示意图。图9.4 装有ACC汽车的工作示意图(8)LDWS（车道偏离预警系统）LDWS提供智能的车道偏离预警，在驾驶员未打转向灯，车辆无意识偏离原车道时，能在偏离车道0.5秒之前发出警报，为驾驶员提供更多的反应时间，大大减少了因车道偏离引发的碰撞事故，此外，使用LDWS还能纠正驾驶员不打转向灯的习惯，该系统其主要功能是辅助过度疲劳或长
13、时间单调驾驶引发的注意力不集中等情况。(9)TPMS（轮胎压力监测系统）当车辆行驶时，TPMS系统接收车辆每个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而点亮LOW TIRE报警灯。驾驶者可以通过车内提示警告系统来判断轮胎胎压情况是否正常，首先避免了因轮胎亏气出现的行车跑偏，其次在高速行驶时也对乘坐者安全是一种保障。(10)AFS（大灯随动转向系统）通常汽车上安装的普通大灯具有固定的照射范围，当夜间汽车在弯道上转弯时，由于无法调节照明角度，常常会在弯道内侧出现“盲区”，极大地威胁了驾驶员夜间的安全驾车。一般的大
14、灯随动转向系统都包含了AFS前大灯智能随动系统和ALS光轴自动调整系统，在夜间转弯时，AFS能根据车速以及转向盘转向角度，自动调整近光灯的照射中心，自动指向入弯，确保弯道中的高能见度。在后排负载较重导致车身角度上扬时，ALS自动调整光轴倾角，避免光轴上扬对对面来车驾驶人员的干扰。图9.5为装有AFS汽车的大灯随动的汽车。图9.5 装有AFS汽车的大灯随动的汽车(11)倒车警告系统 倒车警告技术主要用于在驾驶期间以及驻车时，针对盲区中的轿车或物体向您发出警告。它可能会使后视镜内的一个警告标示进行闪烁，同时会发出声音警告，该系统是一个短程检测系统。上海通用别克君越车内后视镜就配备此功能，反光镜左边
15、会有一个车体形状的图标，前、后雷达在侦测障碍物时警告标示会给驾驶者以视觉和听觉上的警告。(12)夜视辅助系统 最新的夜视辅助系统让驾驶者在夜间提前看清近光灯照不到的交通标牌、弯道、行人、汽车、障碍物或者道路上其他可以造成危险的事物。夜视辅助系统中自动感应大灯随车辆周边环境光线影响，系统会自动识别判断。雨雾天气光线不够，大灯会自动亮起给驾驶者提供更安全的行车环境。更高级的系统会因方向而调节，此时车辆转向时要转动灯光。也可以是车速感应式车灯，可以改变光束的长度或高度，或者对环境光进行补偿。2）被动安全装置 所谓被动安全装置，就是在危险发生时和过程中，对乘员进行有效保护的装置。主要有安全带和安全气囊
16、两种。(1)安全带 安全带是所有的车辆安全系统中最基本的。根据一项调查表明高速公路上车祸的受害者有55%没有系安全带。安全带的作用就是把乘员固定在座位上，避免高速撞击时，乘员飞出车外，以保护乘员安全。安全带的技术进步包括预紧器、力道限制器以及三点式或四点式的组合等。在撞击的时候预紧器可以把安全带拉紧防止由于松懈而带来会造成身体伤害的位移。撞击结束后，力道限制器可以使安全带略微松弛以减轻对车内乘员的压力。(2)安全气囊 安全气囊是现代轿车上重要的技术装置。一旦车前端发生了强烈的碰撞，安全气囊就会瞬间从方向盘（或其他位置）内“蹦”出来垫在方向盘与驾驶者之间防止驾驶者的头部和胸部撞击到方向盘或仪表板
17、等硬物上安全气囊面世以来已经挽救了许多人的性命。除了驾驶员侧有安全气囊外有些轿车前排也安装了乘客用的安全气囊(即双安全气囊规格)，乘客用的与驾车者用的相似只是气囊的体积要大些所需的气体也多一些而已。另外，有些轿车还在座位侧面靠门一侧安装了侧面安全气囊。上一页下一页返 回 汽车发生碰撞事故时，在惯性的作用下，司机和乘客会高速撞向方向盘等车内部件，受到伤害。在汽车上安装安全带和安全气囊等保护系统，可以在撞车时把乘客约束在座椅上，限制乘客头部、胸部的移动距离，避免与车内部件发生剧烈碰撞，从而起到保护作用（如图9.6所示）。所以也把这种保护系统叫做乘员约束系统。上一页下一页返 回l9.2安全气囊及电子
18、控制系统图9.6 碰撞发生时气囊的作用1汽车安全气囊发展 安全气囊是1958年由美国人约翰赫缀克发明的。1973年日本本田汽车公司引进安全气囊技术进行实车应用。经过了30多年的漫长历程，直至1984年，汽车碰撞安全标准FMVSS208在美国经多次被废除后又重新被认可并开始实施，其中规定从1995年9月1日以后制造的轿车前排座前均应装备安全气囊，同时还要求1998年以后的新轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊，自此才确认了安全气囊的作用。从1970年到1990年的20年间，欧美关于安全气囊方面的专利只有106项，而从1990年到1994年4月，有专利464项。在美国，到1995年，前排乘员的气囊安
19、装率已超过60。法规规定在1997年9月1 日后出厂的轿车中100安装司机侧和前排乘员侧气囊。安全气囊的保护作用是十分显著的，安全气囊同时也有副作用。上一页下一页返 回2.安全气囊结构及工作原理 目前汽车采用的安全气囊系统普遍都是电子式安全气囊系统。电子式安全气囊系统主要由碰撞传感器、微处理器(SRS ECU)、辅助防护系统指示灯(SRS指示灯)、气体发生器和气囊等主要部件组成，汽车电子式安全气囊系统的组成如图9.7所示。碰撞传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号，气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀。气囊装在方向盘毂内紧靠缓冲垫处，其
20、容量约50至90升不等，做气囊的布料具有很高的抗拉强度，多以尼龙材质制成,折叠起来的表面附有干粉，以防安全气囊粘着在一起爆发时被冲破；为了防止气体泄漏，气囊内层涂有密封橡胶；同时气囊设有安全阀,当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤，气囊中所用的气体多为氮气。汽车安全气囊的充气原理如图9.8所示。上一页下一页返 回上一页下一页返 回图9.7 汽车安全气囊系统的组成图图9.8 9.8 汽车安全气囊的充气原理汽车安全气囊的充气原理1）传感器 目前主要有机械式、机电式、电子式等几种。其中电子集成式集成度高，其内部集成有加速度传感，低通滤波器，温度补偿等模块；接口简单，
21、可靠性高；具有自测试功能，可及时发现异常现象，是目前广泛应用的一种，如图9.9所示。上一页下一页返 回图9.9电子式传感器 传感方式有多点式和单点式。目前正在使用的多点传感式安全气囊系统的典型配置，共有三个传感器：一个机电式左档板传感器，一个机电式右档板传感器和诊断模块中的一个电子传感器。司机侧和乘客侧各有一个气囊。两个档板传感器中只要有一个闭合，诊断模块就对电子传感器送来的信号进行处理和判断，当认为有必要点火时，就发出点火信号使气囊充气。单点传感式安全气囊系统采用单个电子式传感器，并且传感器和点火控制模块以及诊断模块都集成在一起。目前，由于点爆控制算法越来越完善，单点传感式气囊系统正在逐步取
22、代多点传感式气囊系统。2）控制系统 控制系统是气囊系统的核心部件，其控制机理是各生产厂家严格保密的核心技术。气囊控制系统要能准确判断出正撞、偏撞、斜撞、撞树等各种复杂情况的碰撞强度，并准时点爆气囊。控制系统主要有机械式、模拟电子式、智能式几种。机械式控制系统主要用于低成本的气囊系统，应用正在减少。现在大部分都采用带微处理器的智能控制系统，对电子式传感器测量得到的信号进行处理，输出点爆信号。其原理框图如图9.10所示。图9.10 智能式控制系统原理框图3）气囊控制器 气囊控制器的基本要求：在不影响系统可靠性的前提下，尽量采用集成元件，元器件的个数应尽量少。元件及电路应为可在线测试的。减少耗电，使
23、系统在主电源掉电情况下可继续工作。储存故障代号，以备事后诊断。外形如图9.11所示。图9.11气囊控制器4）气囊 气囊的形式有两种：一种体积比较大，即使乘客不系安全带也能起到良好的保护作用，主要在美国市场，因为美国法规对安全带的佩戴没有强制性。一种体积较小，与安全带配合使用，是将安全气囊与三点式安全带共同组成一个乘员保护系统使之达到最佳的乘员保护效果。这种气囊主要在欧洲市场应用，因为欧洲对安全带的佩戴有强制性要求。气囊如图9.12所示。图9.12气囊5）气体发生器 气体发生器有压缩气体式(冷式)、燃烧式(热式)、混合式三种。压缩气体式。主要与机械式传感器及控制器连用。由于其产气量少、充气速度慢
24、等缺点，应用较少。燃烧式。通过燃烧剂燃烧产生大量气体，产气量大，容易控制，应用较多。燃烧剂有叠氮化钠等种类。叠氮化钠燃烧产生无害的氮气，但产生大量的热量和固体颗粒，所以要采取降温、过滤等相应措施。为防止火药产生的热量对乘员造成伤害，有些气囊内部涂有隔热涂层。叠氮化钠融于水后有毒，对环保不利。各气囊生产厂家都在发展新型的燃烧剂。可燃气体式是其中的一种，它将氢气和氧气按一定比例混合加压储存在储气瓶中。它燃烧后产生水，没有固体颗粒，燃烧前也没有害，是一种理想燃烧剂。混合式。是用少量的燃烧物质产生足够的热量，使得压缩气体迅速膨胀而充满气囊。其产气量大，而产生的热量少，是今后的发展方向。如图9.13所示
25、。图9.13 混合气体发生器3.汽车安全气囊的工作过程 汽车在行驶中发生一定强度碰撞后，传感器开关启动,控制线路即开始处于工作状态,并接通监测回路来判断是否真有碰撞发生。如果讯号是同时来自两个传感器的话才会使安全气囊开始作用。由于汽车的发电机及蓄电池通常都处于车头易受损的部位，因此，安全气囊的控制系统皆具有自备的电源以确保作用的发挥。在判定施放安全气囊的条件正确之后，控制回路便会将电流送至点火器，接着瞬时快速加热，将内含的氮化钠推进剂点燃。安全气囊组件工作过程如9.14。图9.14 气囊工作过程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”通电后着火，然后再点燃充气
26、器组件内的扩爆剂，扩爆剂又称为引爆管。3)扩爆剂点燃后,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,形成安全气囊雏形。6)充气器使充入安全气囊的气体压力增高，并开始推压安全气囊饰罩。7)安全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，为充气安全气囊的喷出提供最佳通路。9)气体压力继续增长，安全气囊张开至织物绷紧。10)乘员接触和压迫安全气囊，实现安全保护；通过气体的粘性阻尼作用，乘员前移能量被吸收和耗散，安全气囊中过压气体经
27、过安全气囊通气孔排出而不致伤害乘员。正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的0.01s内微处理器开始工作，0.03s内点火装置启动，0.05s内高压气体进入气囊，0.08s内气囊向外膨胀，0.11s内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。4.气囊关键技术1）碰撞判断准确 汽车的碰撞形式是各式各样的，其碰撞强度、减速度波形、车体变形等都是不一样的，但都要求气囊系统能准确地判断出强度如何，并能准确控制气囊点爆。目前气囊系统有两种形式，一种是与安全带配合使用，当低速碰撞时，主要是安全带对乘员起保护作用，当发生高速碰撞时，才启动气囊对人进行保护，此时气囊主要保护人的面部，又称之为“面袋”。第二种是单
28、独起保护作用，发生碰撞时，气囊要保护人的头部和胸部。第二种气囊的体积较大(对司机侧气囊为60升以上)，充气时间长，充气量大，启动气囊的碰撞车速较低，造价高。第一种气囊的体积较小，(对司机侧气囊为40升左右)，充气量小，充气时间短，启动气囊的碰撞车速高，造价低。就我国情况看，第一种气囊更适合我国国情。2）点火时刻准确 以司机侧气囊为例。气囊点爆后，气体发生器的充气时间约是30毫秒。对处于正常位置的50百分位假人，最佳情况下是发生碰撞时，气囊刚刚充满气体后，人的头部即与气囊接触，这样保护作用最好。如果人头部接触到气囊时，气囊尚未充气完毕(迟点火)，则气囊不仅不能起到缓冲吸能作用，巨大的爆炸力反而会
29、将人打伤。如果气囊充气完毕后很长时间人的头部才与气囊接触(早点火)，由于气囊节流小孔的排气作用，气囊中没有足够的气体压力，同样会影响对人的保护作用。如果乘员乘坐位置偏离了正常位置，如司机离方向盘过近或过远，称为离位乘员。气囊对离位乘员具有较强的伤害作用。以司机侧气囊为例，根据美国有关机构的尸体试验结果，如果气囊点爆时尸体胸部靠在方向盘上，气囊会将其肋骨打断；如果胳膊靠在方向盘上，气囊会使得胳膊骨折。气囊对离位儿童乘员的伤害尤为严重。因此美国在推行低能量气囊，即延长气囊的充气时间，减少气囊爆出时的侵略性。此时气囊的充气时间大于30ms，气囊的点爆时间要提前。3）抗粗糙路面干扰能力强 气囊系统是一
30、次性使用的安全防护系统，若意外点爆，除了会造成经济损失，由于气囊点爆时的巨大声响和体积，会对乘员造成惊吓，可能会引发不必要的事故。因此必须具有高的抗粗糙路面干扰能力。当汽车以2060km/h的速度通过下述路面时，气囊不应点爆：上下110毫米高的台阶、铁路铁轨、270毫米深的坑及国标路面，计有扭曲路面、坑洼路面、石块路面、搓板路面、卵石路面等。这些情况都会产生较大的汽车减速度，气囊系统必须能识别出此种状况，气囊不能点爆。4）高可靠性与工作稳定性 由于汽车的工作环境比较复杂，气囊必须有较高的工作可靠性和稳定性。如汽车在雨中工作；汽车在高温气候中行驶；汽车在寒冷的地区使用；汽车在高海拔的地区使用；汽
31、车在强电磁干扰环境中等。这些环境都不能引起气囊系统的失效。另外，某些时候汽车上的电瓶电压可能偏低；在发生碰撞时，可能在碰撞的最初时刻即将电瓶破坏，使气囊系统失去电源。因此气囊系统要有很宽的工作电源范围，并且当电源失掉后，应能有数百毫秒的持续工作能力。预紧式安全带是近年来发展的一种安全带。一般，为了乘员的舒适，安全带的预紧力不能太大，安全带与人体之间总有一定的间隙，当乘员衣服较厚时，此间隙会较大。在碰撞时，这个间隙将减小安全带的有效作用范围，降低安全带的效能。安全带使用预紧器后，可在碰撞达到一定强度时，启动预紧器，带动锁扣回缩或卷收器回转，使得安全带缩短一定距离，有效消除间隙，可以提高安全带的作
32、用。预紧式安全带是在普通安全带上增加预紧器构成的。预紧器可以与锁扣结合在一起(锁扣预紧器)，也可以与卷收器结合在一起(卷收器预紧器)。上一页下一页返 回l 9.3 预紧安全带1.安全带分类1）锁扣预紧器。使用火药作为动力。锁扣上面与织带相连，下面由钢丝绳与预紧器内的活塞相连。发生碰撞时，通过点火设备点爆安装在预紧器上的火药，火药燃烧产生气体充入气室内。活塞在气体的压力下向右移动，通过钢丝绳将锁扣向下拉回约80mm，消除安全带与乘员间的间隙。在活塞中安装有钢球，使得活塞只能向右移动，防止在安全带的拉力下活塞向左移动。如图9.15所示。图9.15 锁扣预紧器2）卷收器预紧器。安装在卷收器的侧面，使
33、用火药作为动力。发生事故时，点燃火药，推动齿条移动，从而带动卷收器回卷。如图9.16所示。图9.16 卷收器预紧器阅读材料安全带可以有效地减少事故伤害 安全带可以有效地控制发生事故时驾驶者的位置，避免与车体发生碰撞。汽车驾驶员使用安全带负伤率可降低43-52%，副驾驶员负伤率可降低37-45%，负伤率降低幅度大小还与车速有关。图9-17所示是车速为45km/h时，有、无安全带的驾驶员身体运动状态。从图中可以看出有安全带的约束作用，可以防止驾驶员头部与风窗玻璃碰撞和减轻胸部与方向盘碰撞，从而减轻伤害程度。在车速低于95km/h的情况下，驾驶员使用安全带，遇有交通事故，一般可避免死亡灾难。如不使用
34、安全带，即使车速低于25km/h，也有可能造成人员死亡事故。图9.17 有无安全带的比较9.4 客车座椅的安全要求 客车座椅安全性主要是指座椅能有效预防事故的发生，或是事故发生时可最大程度地减轻乘客所受伤害的能力。根据客车座椅在碰撞事故发生前后对减轻乘员伤害程度的不同功能，座椅安全性能分为主动、被动安全。1.客车座椅的主动安全性 客车座椅主动安全性能表征座椅预防交通事故发生的能力。客车座椅的布置和设计直接影响乘员视野，从而影响汽车操纵稳定性，最终影响客车的安全性能。驾驶员的视线由其眼点出发，驾驶员座椅为不同眼点的共同基点。即便是完全相同的车身结构，座椅的布置方式若是不同，驾驶员视野亦有较大差别
35、。因此，驾驶员座椅的布置是保证良好视野的重要环节。另外，舒适的座椅为驾驶员提供一个良好的工作工况，使其集中注意力、心情愉悦，从而有效地预防事故的发生，提高汽车的主动安全性。2.客车座椅的被动安全性 在各种交通事故中，客车座椅作为重要的安全装备。一方面，在事故中需保证乘员处在自身的空间内，防止其他乘员或是物体进入该空间；另一方面，它要使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，使约束部件(如安全带)能充分发挥其保护效用。客车碰撞事故类型大致可以下几类：正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞。为保证乘员的安全，在各种碰撞事故中因避免因座椅破坏而产生安全事故，因此座椅的设计必须要考虑紧固件与骨架、靠背之间的连接强度
36、。当客车发生正面碰撞时，安全带将乘员“束缚”与座椅上，最大程度的承担保护作用，使乘员的身体上部不至于向前冲击，避免二次碰撞的发生。如果座椅底部与地板连接强度不够，乘员将在惯性力的作用下与前方物件发生碰撞，此时安全带丧失作用。同时，若后排乘员受到约束较小，前排座椅靠垫强度较小，则后排乘员易因惯性作用击溃前排座椅，促成二次伤害。倘若座椅的前围轮廓设计存在缺陷，则汽车正面碰撞时会导致乘员座椅下滑，安全带易失效。相比正面碰撞，追尾事故伤害程度略低，但容易导致乘员颈部受损。大量研究表明，座椅靠枕对乘员颈部的保护起到关键作用。当发生碰撞时，由于靠背的瞬时冲量，人体胸部会产生向前的加速度，而头部所受加速度方
37、向刚好相反，此时颈椎部将产生较大剪切力。为减小剪切力以及颈部变形，须控制座椅靠枕与头部的初始距离。另外，若座椅靠枕强度不足，亦会产生靠枕断裂或是坍塌现象，甚至伤及后排乘员。20世纪60年代初，许多国家已经制定了行业内或国家关于汽车座椅安全性能的各种标准和法规，如美国实行的联邦机动车安全标准FMVSS202头枕、FMVSS207座椅系统、FMVSS208乘员碰撞保护等，用来规范座椅的研发设计和生产制造。我国的座椅安全性标准大多数参照国外法规制定而成。国外许多国家投入大量的精力和时间设计研发各种用途的汽车座椅，以提高座椅的安全性。随着现代汽车研发对安全、节能和环保的追求，在确保座椅安全性的基础上，
38、座椅的结构设计也逐渐向低成本、轻量化的方向发展，更多新的制造技术以及轻质材料开始大量应用于座椅的研发设计。阅读材料 座椅安全性仿真分析与试验 分别选取0ms(试验开始前车体配置和假人姿态）、60ms(加速度最大时刻）、100ms(速度最大时刻）和150ms(峰值过后，假人基本进入较平稳状态）时刻进行座椅安全性仿真分析与试验。1）客车座椅两点式安全带0 ms0 ms时刻姿态对比时刻姿态对比60 ms假人明显移动，安全带开始加载100 ms膝盖与前排座椅接触 由图9.18可以很直观的看到，两点式安全带的仿真结果与试验结果姿态基本一致。2）不系安全带运动学响应验证150 ms假人头部与前排座椅碰撞，
39、座椅上部变形图9.18 两点式安全带运动学响应对比图0 ms0 ms时刻姿态对比时刻姿态对比60 ms假人明显移动100 ms时刻膝盖与前排座椅接触，座椅略微变形由图9.19可以很直观的看到，不系安全带的仿真结果与试验结果姿态基本一致。150 ms假人头部与前排座椅接触，座椅大幅变形图9.19 不系安全带运动学响应对比图 近年来，车辆的爆胎事故骤然增多。轮胎气压是正确使用轮胎的最重要一环，气压过高或过低都会缩短轮胎使用寿命，甚至造成行驶中爆破而酿成大事故。只要我们能合理选用、正确使用轮胎，并采用相应的轮胎压力监测系统保护措施，相信爆胎事故一定会大大减少。TPMS由于能够保持标准的车胎气压行驶，
40、并及时发现轮胎漏气，因而能够防止爆胎，防止发生突发性、恶性安全事故。同时采用TPMS可延长轮胎使用寿命。实验表明，车轮气压比正常值下降10%，轮胎寿命将减少15%；轮胎气压低于标准气压值30%，油耗将上升10%。本文主要介绍TPMS系统组成及系统的压力传感器的技术参数和使用特性。上一页下一页返 回l 9.5轮胎压力监测系统TPMS1轮胎压力监测系统简介 当车辆行驶时，轮胎气压监视系统接收车辆每个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或
41、不足，从而点亮LOW TIRE报警灯。完整的TPMS包含以下3个部分：1）置于轮胎内的测量装置，即轮胎压力测量模块（TPMM）；2）显示轮胎状态的监视器（MON）；3）TPMM维护与配置用低频控制装置(LFctrl)。TPMS的传感器在车轮上的安装示意图如图9.20所示。图9.20 TPMS的传感器在车轮上的安装示意图 图9.21 轮胎压力监测系统的监视器 轮胎压力测量模块安置在汽车各个轮胎内部，是轮胎压力和温度适时监测的主要部件。它可以通过低频控制系统进行配置，系统运行所测到的结果数据由射频发送到监视器。系统的每个模块都有单独唯一的识别编号，可适时测量轮胎压力和温度，将实际测量结果射频发射到
42、监视器单元（MU）系统工作条件环境温度范围达-40125，电源装置寿命大约10年。监视器系统安装于汽车的仪表盘处，如图9.21所示。驾驶员可以清楚看到轮胎的工作状态。当轮胎的压力低于允许的最小值或大于允许的最大值时或轮胎压力异常骤降时，监视器发出警报。轮胎温度超过了一个极限的时候，监视器单元同样也会发出警报。低频控制装置系统即所谓的配置轮胎模块的手动控制装置，它通过一个低频磁力来调节轮胎模块。TPMM模块的结果通过射频传输回来。TPMM内的设置参数包括：1）轮胎位置（，）；2）运行中的压力最小最大值；3）运行中的温度最小最大值。2TPMS系统的特性 1)轮胎压力监测系统 轮胎压力监测系统中的关
43、键单元TPMM的电路原理如图9.22所示，其主要部分包括：带有数据传输用434MHz射频发射器的微控制器，转换温度压力测量结果的10位AD转换器，以及6个I/O插脚；连接压力传感器和带有LMV341运算放大器AD转换器的简单接口；电源电压检查BVS小功率二极管电路；用于校准和指令设置的低频感应器和晶体管。2)压力/温度测量法 压力和温度值均可以由压力传感器电桥直接测量得到，传感器输出电压的微小波动，并通过转换器放大，可测量轮胎的压力，图9.23为系统测量与传感器的非线性特性；传感器桥电路温度变化引起电阻改变，并电路将变化的信号转换后，可测量轮胎温度的改变量。为了节省电量耗费，传感器只在很短的时
44、间工作。当不测量的时候，所有IO端口都处在低电压输出状态，关闭传感器和放大器。压力测量过程中微控制器的IO插脚处在以下状态：压力测量过程中微控制器的IO插脚处在以下状态：GP1 输出插头把电桥连接到电源（电压Vdd）。同时把GP1作为AD转换参考。当GP1没有把电桥连到电源（电压Vdd），微控制器内部电阻就不会过多影响AD转换器的结果。GP2 输出插头，通过带有AD转换器的前置放大器来测量差别压力的电压。前置放大器的增益选择有一个最大极限，确保信号不会随着传感器处理变化（压力和温度变化）而达到饱和状态。GP4 插头用于断开温度测量电阻，避免电流通过R9，R9在压力测量时不工作。GP4插头还用于
45、激活LMV341运算放大器。图9.22 TPMM的电路原理图 温度测量过程中微控制器的IO插脚处于以下状态：图9.23 系统测量与传感器的非线性特性3)电源电压检查BVS电路 电源电压检查过程是由与ADC连接的微信号二极管转换其前端电压完成，这个二极管的前端电压受电流极化影响不大。由于AD转换器的参考电压是电源的电压，因此结果反映电源的电压。GP4 断开连接串联电阻R9的传感器。传感器电桥和R9组成一个阻抗，随着温度而变化，其温度系数相当大（3000ppm/）。GP1 作为AD转换器的模拟输入端。这时，电源电压Vdd等同为参考电压Vref。端口输出的串行电阻不取消，端口串行电阻大约取200欧姆
46、。因此为了减小端口串行电阻的影响，电阻R9必须选大点的，大概为10K 欧姆。MMBD1701A二极管要求前端电流是10uA，因此在压力和温度测量过程中，可能有数据偏差，所以在压力和温度数据发送到监视器前，需要检查测定电源电压。在数据处理所允许电压的波动范围内，二极管的前端电压的波动由模块首次通电时补偿，这时电源电压约3.45 0.2V（100uA负载）。AD转换器加上50 LSB输入BVS校准数据，电源电压低限约为2.5V0.1V。4)无线电（射频）发射机 如图4所示。微控制器提供调制功能：即调幅调制ASK或调频调制FSK。该设计中采用ASK，不过FSK也可以采用。为了达到最佳的发送效率，天线
47、的谐振频率必须处在发送频率为434MHz，其阻抗必须和微控制器内的发射器的输出阻抗相匹配，即在发射频率434MHz时，约300欧姆。为了匹配需要，在天线回路里面放置了两个电容：电容C1接发射器输出端并接地，该电容有效地影响天线的阻抗，实际应用中大约19 pF。电容C2接天线输出端并接地，该电容与天线自身的感应系数、阻抗一起决定天线的谐振频率，实际设计应用中大约4pF。由于接地线与电容器焊接过程中可能会产生裂缝，这样可能使其品质降低，有效传输能力也被降低，使用范围也缩小了。为了减少天线的品质因数的影响，在发射器输出端与电源电压Vdd之间放置一个电阻器，逐渐减小这个电阻值可以降低品质因素的影响。从
48、发射器的输出端到电源电压Vdd之间的电感是为了使天线产生直流偏振。5)低频连接装置 低频连接作为TPMM的接受装置。由于TPMM数据到达的时候，系统是处于待机模式，低频连接装置必须能够在电量不多耗费的前提下唤醒处理器。一种最简单的方法就是采用微控制器内的比较器。但是使这种比较器始终运行将会耗费太多的能量，因此没有采用。LC电感电容电路必须能够产生一个较大的电压，要求电压Vdd/2，这样通过GP3插头上的一个中断信号控制器才可以从待机状态中唤醒。理想的频率处于10kHz到200kHz之间，适当高一点的频率更适合快速的数据传输。【本章小结】本章学习世界汽车安全的要求与技术发展趋势，重点学习安全气囊装置和预紧安全带。【关键术语】汽车安全 安全气囊 预紧安全带 轮胎压力监测 发展趋势【综合练习】一、填空题1.汽车安全气囊 、组成。2.安全带包括 、。3.汽车安全技术发展的主要特征有 、。二、简答题1.谈谈安全气袋的组成及工作原理。2第三代的智能式气袋控制系统的由哪些部分组成，它们是如何工作的？3气袋系统在设计时应注意哪些问题？4预紧式安全带与普通安全带有何区别？说明其保护原理。5预紧式安全带有哪两种常见形式？6智能保护系统有哪些部分组成，比普通的保护系统有何优点？
