3.4 汽车安全气囊防护系统的单片机控制

 3.4.1安全气囊的组成

 安全气囊系统主要由传感器、电控单元(ECU)、气囊组件、安全气囊警告灯等组成，其主要部件在车上的位置如图3-13所示。

 

图3-13安全气囊系统的组成和布置
1-左前碰撞传感器；2-安全气囊警告灯；3一安全气囊组件；4-右前碰撞传感器；
5一安全气囊ECUi6一螺旋电缆7-接线盒

    1.传感器

传感器是安全气囊系统主要的控制信号输人装置，其作用是检测、判断汽车发生事故时
的碰撞强度信号，并将此信号输人电控单元，电控单元根据传感器的输人信号来判断是否引
爆充气元件使气囊充气。

安全气囊传感器按功能的不同可分为碰撞传感器和安全传感器两种。碰撞传感器主要
用来检测碰撞强度，如果汽车以40km/h的速度与一辆正在停放的同样大小的汽车相碰撞，或以不低于22km/h的车速迎面撞到一个不可变形的固定障碍物时，碰撞传感器便会动作，
接通搭铁回路。安全传感器具有保护作用，用来防止因碰撞传感器短路而造成的气囊误打开。

传感器按结构形式不同又可分为机械式、机电式和电子式3种，其具体结构和原理如下。
    (1)机械式传感器

机械式传感器又称为偏心式传感器，其结构如图3-14所示，它主要由外壳、偏心转子、
偏心重块、固定触点、旋转触点和螺旋弹簧等组成。在机械式传感器外还固定有一个电阻器
R,对系统进行自检时，检测SRS ECU廿与中央传感器总成之间的线路是否断路或短路。

 

图3-14机械式传感器的结构
l-电阻；2-传感器；3-固定触点；4-旋转触点；
5-偏心转子；6-外壳；7-偏心重块；8-螺旋弹簧

机械式传感器(偏心式传感器)的工作原理如图3-15所示。在汽车正常行驶的情况下，偏心转子和偏心重块在螺旋弹簧弹力的作用下，顶靠在与外壳相连的止动器上。此时，旋转触点与固定触点不接触，开关OFF。当汽车发生碰撞时，偏心重块由于惯性力作用将带动偏心转子克服弹簧弹力产生偏转。当碰撞强度达到设定值时，偏心转子偏转角度将使旋转触点
与固定触点接触而闭合，此时碰撞传感器向SRS ECU输人一个ON信号。SRS ECU只有收
到碰撞传感器输人的0N信号时，电路接通，才能引爆充气元件。

 

图3-15偏心式传感器的工作原理
1-旋转触点；2-固定触点；3-止动器；4一偏心重块；5-螺旋弹簧力；6-偏心转子

 

    (2)机电式传感器
    机电式传感器的结构如图3-16所示，它主要由钢球、磁铁、触点和壳体等组成。当传感器处于静止状态时，在磁铁磁吸力的作用下，钢球被吸向磁铁，触点与钢球分离，传感器电路处于断开状态。当汽车发生碰撞且减速度达到设定值时，钢球所产生的惯性力将大于磁铁的磁吸力，在圆柱形钢套内，小钢球随之向前运动。一旦接触到前面的触点，则将局部电路接通，此时传感器将碰摊信号传送给安全气囊ECU.这种传感器的灵敏度由3个参数确定，即磁场大小、小钢球和圆柱形钢套之间的间隙以及小钢球与触点问的距离，目前，机电式传感器应用很广，可以用来检测各种捕击信号。

 

图3-16机电式传感器的结构

1-磁铁；2小钢球；3触点

   （3）电子式传感器

电子式中央气囊传感器是一种智能传感器，它将传感元件、信号适配器和滤波器等集成
在一块IC上，具有可靠性高、功能强等优点。电子式传感器原理如图3-17所示。传感器有一悬臂梁，悬臂梁的质量就是惯性质量，当传感器承受冲击时，悬臂梁会发生弯曲。这一弯曲变形可由其上的变形计测出，并转换成电信号，经前置放大、高通滤波、主放大器信号处理后，送出的减速度信号随减速率线性变化。阻抗电桥、前置放大、高通滤波及主放大器信号处理电路整体组装在双极集成电路上。这套电路还具有自我检查功能。在发动机起动前，点火开关接通后，ECU故障诊断电路发出检验信号(一系列矩形波)。矩形波电压加于阻抗桥上，如果一切正常，则主放大器输出微分波形如图3-17(c)所示。此外，车辆正常运行中，传感器内悬臂梁发生断裂时，电桥电路变异，主放大器输出停留在高电平。“Hi”或低电平“Lo”上。因此，可预先发现异常情况，引起驾驶员的注意。

电子式传感器将测量结果输送给安全气囊ECU,安全气囊ECU内有一套复杂的碰撞信
号处理程序，能够确定气囊是否需要充气膨胀。若需要气囊充气膨胀，ECU便会接通点火电
路，同时安全传感器也闭合，则充气剂受热分解，气囊充气膨胀。
    (4)安全传感器

安全传感器的功用是保证碰撞传感器的工作可靠。安全传感器的结构如图3-18所示，
它主要由电极、水银、盖和外壳等组成。安全传感器为水银常开式开关，它是为防止碰撞传感器因短路故障而引爆点火器而设置的。当汽车发生碰撞时，足够大的减速度力将水银抛上，
使两极接通，接通电爆管电路；反之，当碰撞以外的原因，即使前安全气囊传感器或中央安全气囊传感器有信号输出，由于安全传感器无信号输出，则可判定车辆没有发生正面碰撞，不输出点火信号。这样可以防止在不必要的情况下打开安全气囊。
    安全传感器一般比碰撞传感器所示的减速度力小，以保证碰撞传感器的工作可靠。

 

图3-17 电子式传感器原理

 

图3-18安全传感器的结构
1-盖；2-电极(接电源)；3-电极(接点火器)；4-O型圈；
5-水银(碰撞时位置)；6-外壳；7-水银(正常位置)

    2.电控单元(ECU)
    安全气囊ECU是安全气囊系统的核心部件，其内部结构如图3-19所示，它主要由安全
气囊逻辑模块、能量存储装置(电容)、连接器等组成。安全传感器一般与安全气囊ECU一起
被制作在安全气囊控制组件中，通常安装在驾驶室变速杆前、后的装饰板下面。

安全气囊ECU的电路图如图3-20所示，它主要由安全气囊逻辑模块、信号处理电路、备用电源电路、保护电路和稳压电路等组成。

 

 

图3-19 安全气囊ECU的内部结构

1-能量存储装置（电容）；2-安全传感器总成；3-传感器触点；4-传感器平衡块

5-4路插接器；6-逻辑模块；7-13路插接器

 

图3-20 安全气囊ECU的电路图

 

 

（1）安全气囊逻辑模块(微处理器)

安全气囊逻辑模块主要用于监测汽车纵向减速度或惯性力是否达到设定值，控制气囊
组件中的点火器引爆点火剂。

安全气囊逻辑模块由模/数转换器、串行输人/输出接口、只读存储器、随机存储器、可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和定时器等组成。

在汽车行驶过程中，安全气囊ECU不断接收到前碰撞传感器和安全传感器传来的车速
变化信号，经过数学计算和逻辑判断后，确定是否发生碰撞。当判断结果为发生碰撞时，立即运行控制点火的软件程序，并向点火电路发出点火指令引爆点火剂。点火剂引爆时产生大量热量，使充气剂受热分解释放大量气体给气囊充气。

除此之外，安全气囊ECU还要对控制组件中关键部件的电路不断进行诊断测试，并通
过安全气囊指示灯和存储在存储器中的故障码来显示测试结果。仪表板上的安全气囊指示
灯可以直接向驾驶员提供安全气囊系统的状态信息。逻辑存储器中的状态信息和故障码可
以用专用仪器或通过特定方式从串行通信接口调出，以供装配检查与设计参考。

（2）信号处理电路。

     信号处理电路主要由放大器和滤波器组成，用于对传感器检测的信号进行整形、放大和滤波，以便安全气囊ECU能够接收、识别和处理。
    (3)备用电源电路

安全气囊系统有两个电源一个是汽车电源，另一个是备用电源。备用电源又称为后备电源或紧急备用电源。备用电源电路由电源控制电路和若干个电容器组成。在单安全气囊系统的控制组件中，设有一个计算机备用电源和一个点火备用电源。在双安全气囊系统的控制模块中，设有一个计算机备用电源和两个点火备用电源，即两条点火电路各设二个备用电源。点火开关接通10s后，如果汽车电源电压高于安全气囊ECU的最低工作电压，郡么计算机备用电源和点火备用电源即可完成储能任务。

备用电源用于当汽车电源与安全气囊ECU之间的电路切断后，在一定时间内（一般为6s)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
和交流发电机与安全气囊ECU之间的电路切断时，计算机备用电源能在6s内向安全气囊ECU供给电能，保证安全气囊ECU能测出碰撞、发出点火指令等正常功能。点火备用电源能在6s内向点火器供给足够的点火能量引爆点火剂，使充气剂受热分解，气囊充气膨胀。超过
6s后，备用电源供电能力降低，ECU备用电源不能保证安全气囊ECU能测出碰撞和发出点
火指令，点火备用电源不能供给最小点火能量，安全气囊不能充气膨胀。
   （4）保护电路和稳压电路
    在汽车电器系统中，许多电器部件带有电感线圈，电器开关多，电器负荷变化频繁。当线圈电流接通或切断、开关接通或断开、负荷电流突然变化时，都会产生瞬时脉冲电压，即过电压。若过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导致损坏。为了防止安全气囊系统元件遭受损害，安全气囊ECU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够正常工作，还必须设置稳压电路。
   

 3.气囊组件

气囊组件主要由气体发生器、点火器和气囊等组成，其中，驾驶员侧气囊组件位于转向
盘中心处，前排乘员侧气囊组件位于仪表板右侧、杂物箱的上方，侧面气囊组件位于前排座椅的靠背里。
   （1）气体发生器

气体发生器又称充气器，用于在点火器引爆点火剂时产生气体向气囊充气，使气囊膨
开。气体发生器用专用螺栓和专用螺母固定在气囊支架上，只能用专用工具进行装配。

驾驶员侧气囊气体发生器的结构如图3-21所示，它主要由上盖、下盖、充气剂(片状氮
化钠)和金属滤网等组成。上盖上有若干个充气孔，充气孔有长方孔和圆孔两种。下盖上有安装孔，以便将气体发生器安装到气囊支架上。上盖与下盖用冷压工艺压装成一体，売体内装充气剂、滤网和点火器。金属滤网安放在气体发生器的内表面，用以过滤充气剂和点火剂燃烧后的渣粒。 

图3-21驾驶员侧气囊气体发生器的结构
1一上盖2一充气孔3一下盖4一充气剂
5一点火器药商6一金属滤网7一电热丝8一引爆炸药

    目前，大多数气体发生器都是利用热效反应产生氮气而充人气囊的。在点火器引爆点火
剂的瞬间，点火剂会产生大量热量，充气剂叠氮化钠受热立即分解释放氮气，并从充气孔充
人气囊，使气囊膨胀。

副驾驶员侧气囊气体发生器的结构如图3-22所示，它主要由密封端塞、自点火火药、
震荡管、主气发生器、辅气发生器、过滤器、成型过滤器、爆炸片、起爆药总成、充气器外壳、密封垫及排气喷嘴等组成。乘员侧安全气囊的气体发生器为长筒形，气体发生器用药质量一般为500g左右。主要由于乘员侧安全气囊距离乘员比驾驶席侧安全气囊距离驾驶员的距离大，因此，乘员侧气囊的体积比驾驶席侧气囊的体积要大。

混合型气体发生器的结构如图3-23所示，它主要由充气器壳体、端塞、点火器、检查
球、密封焊塞、点火火药、点火器、爆炸片、出气口等组成。点火器与内装氩气的容器合为
体，当汽车碰撞信号由碰撞传感器传到安全气囊计算机时，计算机立即向点火器发出点火指
令，点火器迅速引爆。点火器引爆点火剂后，一方面使冲击销击破爆炸片，使低温氩气冲出压缩简另一方面引燃加热燃料对低温氩气进行加热，加热的氩气从出气口冲人安全气囊，气
囊迅速膨胀展开。

点火后爆炸片炸开，气体从出气口排出。气体膨胀要吸收大量热量，需用燃料对气体加
热，以避免气体温度过低造成结霜现象，同时还可避免气体压力过低造成气压不足现象。该
种发生器尺寸与其他型发生器相比变化不大，但质量小，点火后无固体残留物，对环境无污染，回收性好，因此正在得到越来越广泛的采用。

 

 

图3-22  副驾驶员侧气囊气体发生器的结构

 

图3-23混合型气体发生器的结构

（2）点火器
点火器外包铝箔，安装在气体发生器内部中央位置。其作用是在气囊电路接通时引爆点火剂，产生热量使充气剂分解。点火后炸药爆炸，产生大量气体从出气口排出。气体膨胀要吸收大量热量，需用燃料对气体加热，以避免气体温度过低造成结霜现象，同时还可避免气体压力过低造成气压不足的现象。点火器的结构如图3-24所示。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，插接器中有短路片。当插接器插头拔下或插头与插接器未完全结合时，短路片将两根引线短接，防止静电或误导电将电热丝电路接通而造成气囊误膨胀展开。

图3-24点火器的结构
1-引爆炸药；2-药筒；3-引药；4-电热丝；5一陶瓷片；6一永久磁铁；7一引出导线；
8一绝缘套管；9-绝缘垫片；10一电极；11一电热头；12一药托

 

    当安全气囊ECU接收到传感器输人的碰撞信号，经过处理而发出点火指令时，电热丝电路接通，电热丝迅速加热引爆引药，引爆炸药瞬间产生热量，使药简内的温度和压力急剧升高并冲破药筒，充气剂受热分解释放氮气充人气囊。

   (3)气囊
   气囊一般由尼龙布制成，采用机器缝制，有些在缝制的同时还采用粘接技术。气囊充气
膨胀展开后，能吸收冲击能量，保护驾驶员和乘员的头部和胸部，减少受伤率及受伤程度，而气囊上的小孔在充气后就进行排气，使气囊逐渐变软，加强缓冲作用和不致影响车内人员适当活动。此种气囊一般采用密封性涂层。涂层材料主要有两种，一种是广泛采用的氯丁橡胶涂层，另一种主要用于载货汽车的硅酮涂层，其耐用性高。气囊也有采用具有一定透气性的不涂覆织物来控制其缓冲性，但对其透气性有严格的要求，要解决对人体的灼伤问题。德国奔驰汽车公司开发的不带涂层的气囊由两部分组成，即密封的外壳织物和具有确定空气流
量的两个侧向织物袋，后者起泄漏和滤清的作用。
   （4)安全气囊指示灯

安全气囊指示灯又称安全气囊警告灯或安全气囊警示灯。丰田汽车安全气囊指示灯的
位置处于驾驶室仪表板上，如图3-25所示。

安全气囊指示灯的功用是指示安全气囊系统功能是否处于正常状态。当点火开关接通
ON或ACC位置后，如果安全气囊指示灯点亮或闪亮6s后自动熄灭，表示安全气囊系统功能
正常。如果安全气囊指示灯不亮、一直点亮或在汽车行驶中突然点亮或闪亮，表示自诊断系
统发现安全气囊系统有故障，应及时排除。自诊断系统在控制安全气囊指示灯点亮或闪亮的
同时，还会将所发现的故障编成代码存储在存储器中。

 

 

 

 

图3-25丰田汽车安全气囊指示灯

   （5)螺旋电缆

安全气囊系统的所有线束都套装在黄色的波纹管内，并与车颈线束连成一体，以便于区
别。为了保证转向盘具有足够的转动角度而又不一致损伤驾驶员，气囊组件的连接线束，在
转向盘与转向柱管之间采用了螺旋电缆，即将线束安装在螺旋型弹簧内，再将螺旋弹簧放到
弹簧壳体内，如图3-26所示。

电喇叭线束也安装在螺旋弹簧内，螺旋弹簧安装在转向盘与转向柱之间，安装时应注意其安装的位置和方向，否则将导致螺旋线束和电喇叭线束折断、转向盘转向角度不足或转向沉重。
    如果点火开关转到ACC或ON位置时，螺旋电缆线盘断开，安全气囊ECU将判断为故
障，并记入故障码。

 

 

图3-26螺旋电缆的结构
1.3-线束插头；2螺旋弹簧；4-弹簧壳体；5-搭铁插头

    2.安全气囊的工作原理

安全气囊系统的工作原理如图3-27所示。当汽车受到前方一定角度范围内的高速碰
撞时，安装在汽车前端的碰撞传感器和与安全气囊ECU安装在一起的安全传感器就会检测
到汽车突然减速的信号，使传感器触点闭合，将减速信号传送到安全气囊ECU安全气囊ECU根据设定的程序对传感器所检测的信号进行数学计算和逻辑判断，当检测到的信号强度超过其设定值时，安全气囊ECU立即向气囊组件内的电爆管发出点火指令，引爆电爆管，点火剂受热爆炸，迅速产生大量热量，充气剂受热分解释放大量氮气充人气囊，气囊便冲开组件的装饰盖板鼓向驾驶员和乘员，使驾驶员和乘员的头部和胸部压在充满气体的气囊上，将人体与车内构件(如转向盘、仪表板和风窗玻璃等)之间的碰撞变为弹性碰撞，并通过气囊产生变形吸收人体碰撞时所产生的动能，从而达到保护人体的目的。

图3-27安全气囊系统的工作原理

 

   3.安全气囊使用注意事项
  （1)安全气囊的正确使用
   1)安全气囊必须和安全带配合使用
   安全气囊属于辅助性防撞装置，只有和安全带配合使用，才能获得满意的结果，因此驾
驶员和乘客在汽车运行时必须系好安全带。
   2）应及时排除安全气囊的故障
    驾驶员可通过指示灯来判断安全气囊系统是否有故障。如果发现安全气囊系统故障，则
必须及时排除，绝对不能带"病"运行，否则会产生两种严重后果一种是汽车发生重度碰撞时，需要安全气囊膨胀展开起安全保护作用，它却不能工作另一种则是在汽车正常运行安全气囊不应工作时，它却突然膨胀展开，给司机和乘客造成不应有的意外伤害，基至发生安全事故。
    3）不要人为碰撞安全气囊传感器

安全气囊传感器对碰撞冲击很敏感，因此在对汽车进行维修作业时，若有可能对传感器
造成碰撞冲击时，应先将传感器拆下，以免安全气囊不必要地突然展开，待维修竣工后再装
好传感器。

4)按规范保管好安全气囊系统元器件

    因为安全气囊系统中有火药、传爆管等易燃易爆物品，所以其运输保管必须严格按规范
进行，否则将会造成严重的后果。
   （2)安全操作规范
    1)安全气囊系统元器件要保证原厂包装，单独、恰当地运输，妥善保管。
    2)非安全气囊专业维修人员不得进行安全气囊的检查、维修工作。
    3)不能使安全气囊的元器件受85℃以上的高温。
    4)不能任意改动安全气囊系统的线路和元器件结构。
    5）不能在装有安全气囊的部位粘贴饰物、胶条及摆放任何物品。
    6)未成年儿童和身材短小的乘员，乘坐有安全气囊的车辆时要坐后排，因气囊对他们的保护效果不如成年人。
    7)对安全气囊进行所有的维修作业时都必须在断开蓄电池电源线3min后再进行，以免发生意外，使气囊展开。