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安全气囊工作原理

2010-08-29

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。
相关法规规定,从1998年款开始,所有的新车都必须同时在驾驶员和乘客旁边安装安全气囊(轻型卡车则从1999年款开始执行此规定)。统计数据表明:迄今为止,安全气囊将从正面直接相撞致死的风险降低了大约30%。在方向盘或仪表板气囊之后还出现了座椅和车门侧气囊,但其应用仍不如前者那么广泛。有专家称在未来几年内,汽车的配置将从双气囊变为六气囊甚至八气囊。就像早期围绕安全带使用所产生的争议一样,安全气囊也激起了一些类似的争论,成为政府和行业着重研究和测试的对象。
在本文中,您将了解安全气囊背后的科学奥秘及其工作原理、当前存在的问题和未来技术的发展趋势。
在具体探讨安全气囊这个话题之前,我们先回顾一下有关运动定律的知识。首先,我们知道运动的物体具有动量(物体的质量与速度的乘积)。除非有外力作用,否则物体将继续按照当前的速度和方向运动。汽车由若干物体组成,包括汽车本身、汽车内堆放的物品,当然还包括乘客。如果这些物体不受到限制,那么即使汽车由于撞击而停止运动,它们也将按照汽车的行驶速度继续运动。
要阻止物体的运动惯性,就需要在一定时间内对物体施加作用力。汽车相撞时,汽车的动量在瞬间急剧改变,而乘客的动量却保持不变(因为乘客没有足够的时间来应对这种变化),因此需要很大的作用力才能阻止乘客的运动。任何辅助保护系统的设计宗旨都是让乘客停止运动,同时尽量减少对他/她造成的伤害。
安全气囊所要做的就是将乘客的速度降为零,同时确保乘客受到较少的损伤,甚至毫发无损。安全气囊的使用非常严格。安全气囊只能在乘客和方向盘或仪表板之间的有限空间内发挥作用,并且必须在几分之一秒的时间内完成使命。不过,如果安全气囊系统能够匀速降低乘客的速度,而不是让他的运动骤然而止,那么即便是如此有限的距离和时间也是很有价值的。
安全气囊有三个部件可以助其完成这项本领:
气囊自身由纤细的尼龙纤维制成,折叠后装入方向盘或仪表盘。近来还出现了装入座椅或车门的气囊。
传感器是通知气囊充气的设备。当撞击力相当于以16-24公里/小时的速度撞击砖墙时,气囊便会开始充气。当质量位移使电接触断开时,某个机械开关将会被触动,告知传感器已发生撞击。传感器从内置于微芯片中的加速计接收信号。
安全气囊充气系统中的叠氮化钠(NaN3)和硝酸钾(KNO3)发生反应,生成氮气。氮气形成的热流会让气囊迅速膨胀。
气囊充气系统与固体火箭助推器的原理相同(有关详细信息,请参见火箭发动机工作原理)。安全气囊系统点燃的是“固体推进剂”,后者的燃烧极为迅速,可产生大量气体为气囊充气。随后,气囊爆炸般地冲出原始安装位置,时速高达322公里,比眨一下眼睛还要快!1秒之后,气体通过气囊上的小孔迅速消散,气囊收缩,因此乘客又可以自由移动。
 
安装在方向盘中的安全气囊和充气系统。
 
 
充气系统使用固体推进剂和点火器
 
尽管整个过程只经历短短的1/25秒,但多出的这点时间已足以防止人员遭受重创。顺便介绍一下,气囊中释放出的粉状物质是普通的玉米淀粉或滑石粉,安全气囊制造商用它们来确保气囊在贮存时保持柔韧和润滑。
Scientific American网站报道:
早在美国交通运输部于20世纪80年代要求机动车安装快速充气垫之前,就有人提出了使用快速充气垫防止撞伤的构想。第一项用于飞机的可充气式紧急降落设备的专利在第二次世界大战时便已提出申请。 最初在汽车中应用安全气囊时,主要解决的是价格昂贵问题和技术上的难题(包括压缩气体的贮存和释放)。研究人员考虑的问题包括:
汽车中是否有足够的空间放置气罐
在汽车使用过程中,气体是否要一直保持高压状态
如何设计才能保证气囊在各种工作温度下迅速而可靠地膨胀,同时不会发出震耳欲聋的巨响
他们需要找到一种方法来引发化学反应,从而产生氮气来为气囊充气。20世纪70年代,小型固体推进剂充气系统的出现解决了这个难题。
在使用汽车安全气囊之初,专家提醒这种新设备应与安全带一起使用。由于安全气囊只有在速度高于16公里/小时的正面撞击中才能发挥作用,因此仍然需要使用安全带。只有安全带能够在侧面撞击(尽管现在侧气囊日益普及)、追尾以及二度撞击中起到一定的保护作用。虽然科学技术日新月异,但就目前来说,安全气囊仍需要结合膝式/肩式安全带使用才能发挥作用!
然而,不久之后,人们就发现安全气囊会对过于靠近它的人员会造成伤害。研究人员已经确认,驾驶员安全气囊的危险区域是在充气系统前方5到8厘米的范围内。因此,与驾驶员安全气囊保持25厘米的距离可以让自己处于绝对安全的区域。这个距离应按从方向盘中心到胸骨位置来测算。如果您目前的距离不足25厘米,请按以下方法调整驾驶位置:
在保证可以自如踩下踏板的前提下,尽可能向后移动座椅。
使座椅靠背稍稍后仰。尽管汽车的设计各不相同,但只要使座椅靠背稍稍后仰一些,即使驾驶座椅位于最前面,大多数驾驶员还是能够确保25厘米的距离。如果靠在椅背上难以看到路面,则可以使用汽车的座椅升降系统(并非所有的汽车都有这种系统)升高座椅,也可以在座位上放置牢固、不易滑动的坐垫来达到同样的目的。
向下倾斜方向盘(此操作仅在方向盘可以调节时才有效),让安全气囊朝向胸部,而不是朝向头部和颈部。
对于儿童,则要采用不同的方法。对于没有系安全带的儿童,如果离安全气囊太近或者在紧急刹车时被甩向仪表板,那么安全气囊可能会致其重伤乃至死亡。专家认为下列安全事项非常重要:
乘车时,12岁或以下的儿童应坐在汽车后排与其年龄相称的安全座椅上,同时系好安全带。
在配备乘客侧安全气囊的汽车中,婴儿(1岁以下,体重不到9公斤)应该坐在后向式儿童座椅上,切勿坐在前排座位中。
如果1岁以上的儿童需要坐在带有乘客侧安全气囊的前排座位上,那么他应该坐在前向式儿童安全座椅或增高座椅中,或者系好膝式/肩式安全带,且座椅应尽可能向后靠。
未来的安全气囊
旨在维护和改善安全气囊救生功能的计划正如火如荼地全面展开。NHTSA发起了新一轮的测试活动,根据相关领域的最新知识和研究成果,采用改进型假人的伤害标准来进行试验。
直到最近,汽车安全领域的大多数重大改进都是针对汽车前部和后部撞击来进行的,但所有汽车事故中有30%是侧面撞击引起的,并且汽车事故导致的所有严重伤亡中有40%是来自侧面撞击。许多汽车制造商已经针对这些统计数据(以及由此产生的新标准)做出回应,纷纷加固车门、车门框架、底板和车顶等部分。但当前,提供侧气囊的汽车则代表了乘员保护方面的新潮流。 工程人员表示,有效侧气囊的设计工作远比前部气囊的困难得多。 这是因为正面撞击产生的一部分能量可以被保险杠、发动机盖和发动机吸收,撞击能量大约需要30-40毫秒才能传递到车内乘员身上。而在侧面撞击中,把乘员和另一辆车隔开的只有相对较薄的车门和几厘米的空隙。这意味着车门气囊必须能够在短短的五六毫秒内做出反应!
      沃尔沃的工程师对几种不同安装方式的侧气囊进行了试验,最终选择了椅背安装方式。这是因为无论座椅位置如何,这种安装方式对各种身高的乘员皆有保护作用。这样,他们可以在驾驶员和前排乘客的坐垫侧面安放机械触发传感器,从而防止汽车未受损害的一侧的安全气囊发生充气膨胀。在椅背上安装整套安全气囊系统还可防止由于与行人或自行车相撞而导致不必要的气囊引爆行为。因为侧气囊在大约19公里/小时的撞击条件下才会打开。
 
 
宝马的工程师则选择了车门气囊。因为车门的空间更大,可以容纳更大的气囊,从而提供更大的保护面。
宝马所有的1999年款车型(敞篷跑车除外)中都配备了头部气囊或管状充气结构头部气囊(ITS)。 与其他气囊不同,头部气囊看上去有点像大香肠,可以保持膨胀状态5秒钟,以提供针对二度撞击或三度撞击的防护功能。ITS的设计宗旨是与侧气囊结合使用,以便在某些侧面撞击中提供更佳的保护作用。
所有这些无不清晰地昭示出安全气囊技术仍处在日新月异的飞速发展之中。随着设计人员不断从实际的撞击资料中总结经验并积极推陈出新,此领域必将涌现出众多的技术革新。
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来自:畅 想  > 汽修常识
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