浅谈被动安全系统对汽车安全性能的作用及未来发展趋势

谢伟平，穆国宝，何凯欣，董松梅

(广汽汽车集团乘用车有限公司，广东广州 511434 )

0 引言

随着人们安全意识的提升，汽车的安全性已受到越来越多的重视。对于汽车购买者而言，车辆的安全性是影响购买决策的最重要的考虑因素之一。为了提升汽车的安全性，汽车生产厂家联合零部件供应商，在车辆安全性能方面投入大量的精力和资金，用于提升车辆在发生碰撞时对乘员及行人的保护性能。

汽车被动安全性能可以分为车辆结构的耐撞性和约束系统在碰撞过程中对乘员的保护。通过车身结构和约束系统的配合，可以有效降低交通事故中碰撞对乘员的伤害程度或避免伤亡事故。

1 被动安全系统概述

汽车被动安全技术是汽车在发生碰撞事故时，通过缓冲吸能等方式有效保护乘员安全的技术。影响车辆被动安全性能的零部件主要包括车身结构、安全约束系统(安全带、安全气囊)、座椅、门锁等多个分系统，文中将主要从车身结构及安全约束系统两方面阐述被动安全系统的结构、工作原理以及在碰撞中分别所起的作用。

2 车身结构对车辆安全性的影响

车身结构与安全约束系统是两个相互关联、相互匹配的部分。车身结构设计决定了乘员和安全约束系统在碰撞时所处的环境，是保证乘员安全的重要基础。

车身结构的设计、钣金材料的选择等是影响车辆安全性能的关键因素。以下以某款车型结构为例，简要介绍车身结构对车身安全性能的影响。

2.1 前机舱结构

如图1所示：前机舱采用了较为典型的“木”字形碰撞吸能结构，采用较大截面尺寸的管梁，具有稳定的冲击承载能力，结合刚度适合的材料，可使结构在受到前部撞击时稳定有序地溃缩。根据CAE(Computer Aided Engineering)模拟分析，在发生碰撞的过程中，机舱结构吸能达到60%以上。

2.2 乘员舱结构

乘员舱的设计则以高强度、高耐撞性为目标。某款车型采用了“六纵五横”笼式结构(如图2所示)，可以兼顾多种碰撞形式；同时选用高刚性材料，显著降低乘员在碰撞过程中的伤害值。

2.3 侧面结构

汽车侧面的结构设计对于车身结构的安全性能同样重要。发生侧面撞击时，侧面受到碰撞的位置结构产生变形，同时，如果变形的零件不足以吸收所有的碰撞能量，其余的能量将由该零件引导连接在周围的其他关联零件发生变形吸能，不同零件结构的吸能方式、吸能效率差异较大。

为了保证车辆在侧面碰撞中乘员有足够的生存空间，同时降低侧面碰撞中侧面结构侵入对乘员造成的伤害，设计时应考虑降低车辆侧面碰撞中侧面结构的侵入量。

3 安全约束系统对车身安全性能的影响

汽车被动安全系统的作用是在碰撞过程中减少对乘员的伤害，而安全约束系统直接与乘员相接触，其性能直接决定了乘员的受伤害程度。基于整车结构耐撞性，提高安全约束系统结构参数的合理性是提高整车被动安全性能的关键。安全约束系统主要包括安全带和安全气囊。

3.1 安全带

汽车安全带是安全约束系统的重要组成部分之一，国内生产的车型安全气囊均是作为辅助系统配合安全带共同使用，起到保护乘员、降低伤害风险的作用。统计数据表明，佩戴安全带将使发生碰撞事故时乘员的伤亡概率大大降低。

安全带对乘员的保护原理如下：当发生碰撞事故时，安全带根据乘员的姿态收紧或束缚乘员在座椅上，避免乘员与座椅分离，保护乘员的头部、胸部不至于向前撞到方向盘、仪表板等零件上，避免乘员受到二次伤害。

3.1.1 零件构成

安全带主要由卷收器、织带、锁舌、锁扣组成，前排安全带通常带有导向环、高调器等零件。

3.1.2 工作原理

当车辆减速度达到0.45g(或者车辆倾斜角度大于27°)时，敏感钢球滚动顶起车感臂，车感臂尖与圆盘外齿接触，圆盘外齿停止转动而芯轴继续转动，棘爪沿圆盘外齿上孔的轨迹伸出，锁在支架齿上；当车辆倾斜角度小于12°时，敏感钢球不得滚动，卷收器不得锁止。

当在往织带拉出方向以大于等于2.0g的加速度拉出织带时，带感摆轮相对圆盘外齿转动，尖端卡在右端盖上，进而圆盘外齿停止转动，棘爪沿圆盘外齿上孔的轨迹伸出，锁在支架齿上，达到锁止目的；当以小于0.8g的加速度拉出织带时，带感摆轮不得摆起，卷收器不得锁止。

当卷收器锁止时在织带拉出方向加载，力值小于等于14 700 N，卷收器不得破坏而失去锁止功能。

3.1.3 种类

按照功能划分，安全带可分为普通三点式安全带、限力式安全带、单预紧安全带、双预紧安全带、主动式安全带等。

3.1.3.1 普通三点式安全带

普通三点式安全带是所有安全带当中最简单的一种，具备紧急锁止功能，多应用于乘用车的后排。普通三点式安全带卷收器示意图如图3所示。

图3 普通三点式安全带卷收器示意图

当发生碰撞时，安全带卷收器通过带感组件或车感组件的作用，使织带立即处于锁止状态，使乘员不至于与座椅分离。由于碰撞后的减速度较大，织带锁止后乘员在惯性的作用下仍有向前倾的趋势，致使胸部会受到较强的来自织带的压力，严重时将对胸部造成一定的伤害。鉴于以上原因，需要开发一种可以降低胸部伤害的安全带，最简单经济有效的方法是采用限力式安全带。

3.1.3.2 限力式安全带

相对于普通三点式安全带，限力式增加了限力杆。限力杆(如图4所示)的作用是：在紧急锁止后乘员前倾的过程中，由于限力杆的扭转，织带会慢慢被释放，而释放的速度取决于所选的限力杆的规格力值，需要匹配安全气囊的充气时间以及乘员胸部可以承受的压力等综合因素来平衡取舍。

限力杆的限力值通常需要根据CAE分析及实车碰撞的结果进行匹配调整。如果限力不稳定，当限力值发生突变低于预设的目标时，胸部的压缩量会随之增大。

3.1.3.3 单预紧式安全带

单预紧式安全带相对限力式多了一项预紧功能，通常为肩部预紧。在设计安全带时，为了保证乘员在正常行驶过程中的舒适性，通过设定适当的卷簧力，使织带佩戴在乘员身上时不会感觉到太强的束缚感，即预留了一定长度的活动空间。所谓预紧，是指当发生碰撞时，织带会迅速回卷一部分，消除安全带与乘员之间的间隙，以使乘客牢牢地被束缚在座椅上，后续再通过限力作用慢慢释放织带，以使胸压量维持在一个适当的力值。

预紧式安全带的原理。预紧主要通过安全带卷收器附带的一个预紧装置来实现。目前预紧装置的结构主要分为钢珠式和齿条式，工作原理都是将化学能转化为动能。以钢珠式(如图5所示)为例，根据安全气囊控制单元提供的碰撞信号，发生器爆破产生爆破力，推动钢球运动，钢球与传动齿啮合，带动传动轮转动；传动销受到挤压，使传动轮和芯轴总成连成一体，传动轮继续转动，带动芯轴反转使织带收紧，实现预紧功能。简单而言，即由火药燃烧产生的高压气体作为动力驱动安全带卷轴向回收紧织带。

图5 安全带预紧装置示意图

由于钢珠式预紧装置具备体积小、质量轻等优点，应用较为广泛。

双预紧安全带结构原理与单预紧安全带类似，除了肩部预紧外，另一个功能为腰部预紧。双预紧安全带不仅可以降低乘客在碰撞事故中胸部所承受的压力，同时通过预紧把腰带的余量回收，降低了乘客下沉的风险，另外，对于降低乘客臀部位移和大腿承受的压力也起到一定的积极作用。由于双预紧安全带价格较高，通常应用于中高端车型上。

3.1.4 未来发展趋势

随着科学技术的发展，安全带产品更加丰富，功能更加多样化。某款车型已搭载动态锁止锁舌，功能类似于双预紧安全带，在保证安全性的同时，由于取消了锚点预紧器，成本优势明显，未来有望大量应用于乘用车。

在舒适性方面，目前已开发出主动式安全带：在正常行驶过程中，安全带处于相对松弛的状态，减轻乘员束缚感；在车辆检测到危险情况后，通过信号传输，安全带启动预紧功能可调整人员到最接近设计位置的状态，使安全带及气囊的配合作用最大化。同时，在乘员打瞌睡、出现坐姿明显倾斜时，安全带同样可以通过预紧来提示乘员，在一定程度上起到避免事故发生的作用。

3.2 安全气囊

汽车安全气囊作为影响汽车被动安全性的重要组成部分，随着汽车被动安全性能的提升而逐步发展。气囊与安全带的密切配合可大大降低事故发生时乘员的伤害指数。

按照不同的保护区域，气囊可以分为驾驶员气囊、副驾驶气囊、侧气囊、侧气帘、膝部气囊等。正面气囊可以减轻驾驶员面部的伤害，侧面气囊则可以很好地保护乘员的头部和侧面，膝部气囊主要起保护乘员腿部的作用。根据目前市面车辆的统计情况，正面气囊及侧面气囊已基本普及，而膝部气囊则多数应用在较高端车型上。某款高端SUV(Sports Utility Vehicle)车型配备了前排双膝部气囊，这在国内的量产车型中不多见，大部分配备膝部气囊的车型均是主驾驶位置。

3.2.1 工作原理

在发生一次碰撞后、二次碰撞前，瞬间在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的气袋，乘员在惯性的情况下身体某个部位扑在气囊上，然后通过气袋的排气孔释放气体，在气体释放的过程中吸收乘员的动能，达到保护乘员的目的。

碰撞传感器接收到汽车碰撞强度信息并将其传给ECU(Electronic Control Unit)，ECU接收信息后进行判断。当判断需要打开气囊时，发出点火信号触发气体发生器，气体发生器点火后迅速产生大量气体，在乘员与汽车内部结构之间形成一个充满气体的气袋，使乘员在发生碰撞事故时，身体与柔软的气袋相接触，达到减少伤害、保护乘员安全的目的。

3.2.2 零件构成

安全气囊主要由气体发生器、气袋、碰撞传感器和控制单元(ECU)组成。

3.2.2.1 气体发生器

气体发生器有烟火式、压缩气体式和混合气体式3种。压缩气体式由于产气量少、充气速度慢等特点，应用较少。烟火式气体发生器(剖视图如图6所示)通过燃烧火药产生大量气体，充气迅速，应用较多。由于燃烧导致发生器壳体瞬间温度非常高(500～900 ℃)，高温将使气袋被熔融，设计时气袋与发生器接触的位置需要增加隔热布，根据发生器温度的高低确定需要隔热布的层数。火药材料通常为硝酸铵或硝酸胍。硝酸铵长时间放置受潮后易从药片变成粉末，导致燃烧时能量瞬间增大，存在发生器壳体被炸裂、金属飞溅物飞出导致伤人的危险，市场已有车型由于上述原因而召回。硝酸胍是通过硝酸铵和双氰胺反应而成，受潮后会发生结块，制作工艺比硝酸铵复杂，导致硝酸铵与硝酸胍价格差异较大。

图6 烟火式气体发生器剖视图

混合式发生器是用少量的燃烧剂产生热量，使压缩气体迅速膨胀产生大量气体充满气袋。相对而言，混合式发生器由于产生气体的主要成分为压缩气体，产生的热量较低，但发生器体积相对烟火式稍大。由于布置的原因，目前主要应用在侧气帘上。不同温度下气体发生器压力曲线如图7所示。

图7 不同温度下气体发生器压力曲线图

3.2.2.2 气袋

安全气囊的气袋是一个以化学纤维作为原材料进行织造、根据使用位置及保护区域确定尺寸后进行缝制的囊袋。由于尼龙具有耐高温、阻燃性好、拉伸强度高等特点，目前被广泛应用作为气袋的面料纤维。同时，由于PA66比PA6具有更优良的性能，PA6已逐渐被PA66取代。随着气囊研发技术的进步，新研发出来的PC、PET等成本相对较低的材料，也有应用在气袋上。根据气囊被冲开时气体的温度和展开时间，需要考虑是否在气袋上增加涂层，通常采用硅胶作为涂层的材料。增加涂层后，气袋的空气透过率将大大降低，需要根据系统匹配气袋的排气速度。

气袋通常具有2个或者多个排气孔，用于在囊袋展开到最大后，根据乘员的姿态，在适当的时间内排出囊袋内的气体，起到吸能和缓冲乘员的碰撞强度的作用。通过调整排气孔的大小调整气体排出的速度。通常而言，囊袋在展开到最大时，乘员的头部应刚好接触气囊，同时开始排气，排气过程中头部始终贴紧气袋。

3.2.2.3 碰撞传感器

电子式传感器主要有压电式、压阻式和电容式。压电式由质量块、弹簧及压电晶体组成，当晶体承受压力时，便输出电荷量。压阻式由在硅梁上制成的硅片电阻构成桥路，硅梁振动时，桥路中电阻变化而引起输出电压变化。电容式由硅栅组成的电容极板组成，硅栅振动时，引起电容变化。

3.2.2.4 控制单元

气囊控制单元是整个气囊系统的核心部件，它需要准确判断出正碰、偏置碰、侧碰、撞树等各种复杂情况的碰撞强度，收集信息并及时点爆气囊。

3.2.3 未来发展趋势

目前车辆已普遍配置正面双气囊，在发生正面碰撞时可起到降低乘员伤害的风险；随着C-NCAP(China-New Car Assessment Program)规则的不断升级，未来侧面气囊有望成为乘用车的标配；同时侧气帘的保护区域将进一步加大，往前延伸到A柱饰板，对于含有三排座椅的车型，气帘的保护区域将需要覆盖到最后一排乘客。

由于乘员体型各异、乘坐在不同的座椅位置，气囊在展开过程中，乘员接触到气袋的时间会存在细微的差异，不仅影响约束系统的保护效果，甚至存在伤害到乘员的风险。针对以上问题，采用双极气囊可有效解决不同距离的点爆时间及点爆数量。目前已在国外广泛应用，不久的将来可望在国内逐步导入。

4 结论和展望

被动安全系统是一套复杂的体系，在新车型的研发过程中，需要通过CAE分析、滑台试验、实车碰撞试验、标定等进行多个数据的采集、分析、整理，找出适合所开发车型的最优匹配方案。只有各个子系统协同工作，才能发挥最大的保护作用。

随着科学技术的不断进步，车辆的安全性能也将越来越高。除了汽车被动安全系统的性能提升，在主动安全系统方面，各主机厂和零部件厂商也在加紧进行研发和突破，包括ESC(Electronic Stability Controller)、主动刹车系统等，已越来越多地应用于新型乘用车上。