国内汽车市场气囊起爆条件检测技术分析

谷阳阳 牛增良 潘小龙

摘 要：文章研究了汽车安全气囊点火算法工作原理和安全气囊工作条件，并调研国内外安全气囊工作条件文献资料，结合汽车被动安全技术，研究制定安全气囊起爆条件检测鉴定技术条件，并应用到实际的司法鉴定工作中，对安全气囊鉴定工作起到了良好的指导作用。

关键词：安全气囊;起爆条件;司法鉴定

Abstract： This paper synthesized airbag ignition algorithm principle and airbag working conditions， as well as the domestic and foreign literature investigation data， researched and formulated airbag ignition condition authentication technology， and applied to actual forensic authentication work， it had played a good role in guiding.the airbag authenti -cation work.

1 引言

在交通事故中，最常见的碰撞形态就是正面碰撞。目前，汽车上基本都标配了驾驶位安全气囊和乘员位安全气囊，因此，在发生交通事故时，安全气囊为驾驶员和乘客提供了有力的保护，当安全气囊和安全带共同作用时，才能发挥最大的保护作用。但是，在实际的交通事故中，常常会出现安全气囊无法打开或者低速碰撞下安全气囊打开的情形，给消费者带来严重伤亡和巨大损失，从而造成消费者和车企之间产生纠纷。对交通事故中安全气囊是否具备起爆条件应该打开进行鉴定，對于明确事故责任，解决纠纷具有重要意义。

2 安全气囊概述

2.1 安全气囊组成

安全气囊系统各部分在汽车上的安装位置（见图1），主要由传感器、气体发生器、气囊和电控单元（ECU）等主要部件组成（见图1）。

2.2 安全气囊工作流程

当汽车受到前方一定角度内的高速碰撞时，车辆突然减速，左右纵梁前端的碰撞传感器和气囊电脑内的中央传感器会检测到强烈的加速度信号，迅速将次信号传送到气囊电脑内，这一过程仅在0.01秒之内，气囊电脑通过预先置入好的气囊点火算法，对此信号进行确认和计算，当加速度信号超过预先设定阈值时，气囊电脑会向气体发生器发送点火指令，点火指令接到信号后立即点火，这一过程一般只需0.05秒左右。气体发生器点爆之后，发生器内预装的固态氮粒会快速气化，形成大量的氮气，瞬间充满气袋，并形成巨大的向上的冲击力，冲开方向盘和仪表板手套箱上的盖板，迅速安全展开，为乘员和车体之间形成保护层。

2.3 安全气囊点火算法

2.3.1 加速度峰值法

加速度峰值算法是安全气囊控制电脑（ECU）通过对加速度传感器收集的加速度信号进行判断，最终决定是否起爆安全气囊，此种算法中，会设置一个加速度值作为阈值，当加速度传感器采集的加速度信号超过次阈值后，气囊电脑会向执行器发出点火指令，起爆安全气囊。

加速度传感器一般安装在车辆左右纵梁的前端，中央气囊传感器一般集成在气囊电脑（ECU）内，气囊电脑一般安装在仪表台中间部位下方或者变速器档杆位置下方。车辆正面碰撞时，左右纵梁是碰撞变形区域主要受力部件，因此在左右纵梁上的传感位于车辆碰撞时的变形位置，碰撞产生的噪声会对加速度传感器收集信号造成很大的干扰;安装在气囊电脑内部的加速度传感器位于车辆中间，离变形区域较远，一般碰撞时不会对其造成干扰，受到噪声的影响也就比较小，但是由于远离变形区域，中间会有弹性部件造成信号衰退，因此采集到的信号比真实的碰撞信号有一定差异。所以会结合左右纵梁的加速度传感器一起使用，如果中央传感器信号精确，也可以单独使用[1]-[3]。所以，使用加速度峰值算法时，需要优化算法，能够对加速度信号进行比较好的滤波，最大限度减低干扰，目前，在国内汽车市场上的机械式安全气囊控制系统中应用较多。加速度峰值算法在以下方面进行了应用。

（1）“门限”作用：某些车辆安装的安全气囊系统中，设定安全气囊开始计算的方式是通过加速度信号是否超过门限值来判定碰撞是否发生。比如当加速度信号传感器采集的加速度值超过预先的阈值（如3g）时，认为此时车辆发生碰撞，此时，命令气囊电脑点火算法开始运算。

（2）碰撞速度较高时直接点爆气囊的作用：当车辆高速行驶过程中发生碰撞时，碰撞加速度传感器信号超过了预先设计的的高阈值时，气囊电脑会直接向气体发生器发出点火指令，从而省去了中间信号处理和运算过程，保证车辆发生高速碰撞时及时起爆安全气囊，保护乘员安全。

2.3.2 加速度梯度法

加速度梯度算法的判定指标是根据加速度变化率来计算和判断的，将加速度值进行滤波后，然后将加速度值对时间求导数，将计算的结果与预先设计的阈值进行比较，从而判定气囊是否可以进行点火。

加速度梯度法对噪声滤波的要求更高，当汽车行驶路况比较恶劣或者车辆发生紧急刹车制动时，或者与阶梯发生低速碰撞时，车辆会产生一定的减速度，此时可能会导致加速度梯度值超过预先设计的阈值，导致气囊电脑发出点火指令。当发生这种情况时，由于车速较低，不但不能保护乘员，反而对乘员产生伤害。因此加速度梯度算法对滤波要求很高，从而也就要求气囊电脑计算时间更长，延长碰撞检测时间，也就导致气囊控制系统开发成本的增加。不过，正如加速度梯度法的创造者美国ASL实验室的Tony Gioutsos提出，加速度梯度参数能很好地预测碰撞的发生，并预测车内乘员的位置变化，与其他的点火算法相比，对于气囊点火时刻有着无法比拟的优越性[4]-[5]。因此，设计人员可以将加速度梯度算法与其它算法，如与移动窗算法结合使用，此算法抗干扰能力较强，综合运用两种算法的优势，从而弥补了加速度梯度法对于抗干扰能力差的缺点。

2.3.3 移动窗积分算法

设t2=t1+T，T代表时间窗截取计算的宽度区间，移动窗积分算法对加速度信号进行实时采集和技术，为实时计算当前信号值，取t2时刻为当前时刻t，故：

目前，汽车安全气囊点火算法基本都采用的移动窗式积分算法。移动窗式积分算法是对当前时刻之前T时间段内的加速度数据进行积分，得到一个计算值S（t，T），当计算值S（t，T）超过预先设定的阈值Sth时，气囊电脑发出点火指令，如果未超过阈值，则继续进行计算处理。由于该算法时刻保持计算时间最近的时间窗T长度内的信号，对时间窗以外的信号实时舍弃，因此叫做移动窗式积分算法。

由移动窗积分算法得到的速度变化量曲线比较平滑，有一定的抗干扰能力，在汽车发生100%正面碰撞时，能够很容易判断车辆碰撞的严重程度，确定气囊是否需要点火。但是仅仅利用速度变化量参数?V，不能区分碰撞类型，当车辆发生柱碰撞、角度碰撞時，气囊会发生漏点火现象。

因此，在移动窗积分算法的基础上引入了另外一个参数，用加速度曲线的长度L来判断汽车的碰撞形式（a为加速度）。

因为高速柱碰撞的加速度比低速正面碰撞的加速度振荡幅度更大，振荡频率也更快， 即加速度曲线上的褶皱更加严重、密集，因此利用移动窗内加速度曲线的长度参数可以轻易地将高速柱碰撞从低速正面碰撞中区分出来，避免高速柱碰撞时由于安全气囊不展开而造成的乘员伤害。

2.4 安全气囊工作条件

汽车安全气囊系统并非在所有的碰撞情况下都能起作用。正面安全气囊系统在汽车从正前方或斜前方30°角范围内发生碰撞且纵向减速度达到某一值（通常称为减速度阈值）时，才能引爆气体发生器给气囊充气（见图2）。

当满足下列条件之一时，正面安全气囊系统电控单元（ECU）不会发出引爆指令，安全气囊不会展开：①汽车遭受侧面碰撞超过斜前方30°角时;②汽车遭受横向碰撞时;③汽车发生后方碰撞时;④汽车发生绕纵向轴线侧翻时;⑤纵向减速度未达到设定阈值时（减速度阈值由设计人员根据安全气囊系统的性能设定，不同车型安全气囊的减速度阈值可能有所不同。该速度与实际交通事故中根据车身变形量推算出的等效固定壁碰撞速度相当）;⑥汽车正常行驶、正常制动或在路面不平的道路上行驶时。

3 安全气囊鉴定技术条件

通过调研国内外有关安全气囊起爆条件相关文献，总结发现，由于碰撞过程中，减速度的采集比较困难，行业内多数采用速度变化量这一指标作为安全气囊起爆条件之一。通过对几十篇国内外文献的总结，安全气囊的起爆条件一般为：16km/h以下不起爆;16km/h-26km/h为点爆模糊区，26km/h以上必须起爆。

根据安全气囊点火算法工作原理和安全气囊工作条件，安全气囊打不打开主要影响因素是：①碰撞角度②碰撞减速度或者速度变化量。

因此，综合安全气囊点火算法工作原理和安全气囊工作条件，以及国内外文献调研资料，研究制定安全气囊起爆条件鉴定技术条件为：①碰撞角度：碰撞在汽车从正前方或斜前方30°角范围内;②碰撞速度变化量：16km/h以下不起爆;16km/h-26km/h为点爆模糊区，26km/h以上必须起爆。

4 案例应用

4.1 简要案情

2012年11月13日04时40分许，宋某驾驶津GQK***号某品牌小型轿车，在天津市津南区沿津歧公路由北向南行驶至39.4公里处时发生交通事故，车辆突然失控驶入对向车道，继而又驶入公路东侧路肩内，车前部撞上路肩内指示牌标杆，造成驾驶员当场死亡和车辆损毁的交通事故。

4.2 鉴定过程

4.2.1 碰撞形态检验

被鉴车辆的整体碰撞变形比较明显，车前部碰撞损坏变形，变形区域凹陷，呈现出“U”字型;左侧翼子板变形，左侧车门变形;车右侧翼子板变形，右侧车门变形;车后部无变形。通过被鉴车辆的碰撞变形部位、状态及程度，可以确定被鉴车辆的此次碰撞属于典型的柱撞形态（见图3）。

根据事故现场勘查，结合当地交警出具的《道路交通事故责任认定书》描述的情况，发现此次车辆碰撞事故中，被鉴车辆撞击的对象为路边坚固的钢制指示牌标杆。坚固的指示牌标杆通过螺栓固定在地面上，碰撞后指示牌标杆未发生明显变形和移动。因此，可以将指示牌标杆等同为固定柱状障碍物，此次碰撞事故基本符合汽车安全气囊控制系统标定试验中的柱撞试验形态。

4.2.2 计算碰撞瞬间的车速

根据三坐标测量仪测量数据，做出被鉴车辆和与其同型号的新车的前部最外缘包络线对比图以及车辆变形关键点的变形量（见图5）。

在上列整车坐标图中，整车坐标系y=-100mm处，被鉴车辆的碰撞变形达到最大值823mm。根据车辆的碰撞变形量可以看出此次事故碰撞强度较大。根据汽车与柱状坚固物体碰撞时，其变形量与碰撞速度的关系式为：

将测量数据代入公式计算得出，被鉴车辆变形区域在y=-100mm处，塑性变形量最大值L=0.823m。由此计算得出被鉴车辆撞柱时车速为：V=67 X 0.823≈55km/h。

4.3 鉴定意见

根据被鉴车辆碰撞形态可知，被鉴车辆的此次碰撞属于典型的柱撞形态，碰撞角度位于汽车从正前方或斜前方30°角范围内;被鉴车辆碰撞瞬时速度达到了55km/h，远高于26km/h。综合安全气囊鉴定技术条件，此次碰撞事故条件达到了安全气囊起爆条件，分析认定：被鉴车辆安全气囊应该打开。

5 总结

鉴于国内外还没有安全气囊起爆条件相关的标准法规，为满足国内汽车市场安全气囊检测鉴定工作的需要，本文综合分析国内汽车市场主流厂家的安全气囊点火算法工作原理和安全气囊工作条件，以及国内外文献调研资料，研究制定了安全气囊起爆条件检测鉴定技术条件。该检测鉴定技术条件符合安全气囊工作条件的要求，满足了司法鉴定工作中安全气囊起爆条件检测鉴定的要求，为安全气囊鉴定工作提供了参考标准，针对现阶段来说，为安全气囊鉴定工作提供了有力的指导，切实解决了消费者与车企之间的纠纷矛盾。

参考文献

[1] 石哲.新型进口汽车ABS.SRS 检修手册[M].福州：福建科学技术出版社，2000.

[2] 肖伟权.基于多传感器信息融合的安全气囊控制系统[D].合肥：中国科技大学，2007.

[3] 王轶闻.丰田花冠安全气囊的原理与检修[J].科技信息，2009（11）： 101-102.

[4] GIOUTSOS T.A Predietive Based Algorithm for Aetuation of an Airbag[C].SAE Paper 920479.

[5] GIOUTSOS T.Slant Transform/Signal Space Crash Discriminator： United States，6532408 BI [P].1997.5.29[2003.3.11].