揭秘汽車安全氣囊工作原理

牧云一葉

因?yàn)楣ぷ麝P(guān)系，我經(jīng)常接到電話抱怨汽車安全氣囊（以下簡稱“氣囊”）在車禍中沒有起爆展開，進(jìn)而懷疑自己車上安裝的氣囊質(zhì)量有問題，并詢問我所在的試驗(yàn)室是否能做質(zhì)量鑒定。對于這類問題，存在不少解釋，其中最典型的是，專業(yè)人員解釋說氣囊沒有起爆是由于“碰撞角度不對”，可有時被歪曲成“車禍時應(yīng)該找準(zhǔn)角度撞過去，氣囊才會起爆”?？梢姡簧偃藢饽业恼J(rèn)識存在誤區(qū)。

氣囊如何工作

氣囊的的核心部件是充氣裝置，專業(yè)的說法叫氣體發(fā)生器。充氣裝置里填裝著火藥，火藥起爆時快速產(chǎn)生大量氣體，使得氣囊沖開外層蒙皮、快速展開并迅速被氣體充滿。

氣囊并不是一個封閉的口袋，它的側(cè)面還留有泄氣口。氣囊彈出并膨脹充滿之后，緊接著就是泄氣收縮的過程；而由于泄氣口的存在，泄氣和充氣實(shí)際上幾乎是同時開始的。整個充氣只是一個很短暫的過程，當(dāng)泄氣流量大于充氣流量時氣囊就開始收縮了。

從設(shè)計的角度，最理想的狀態(tài)是，人體（一般指頭部）剛碰到氣囊的那一瞬間，氣囊正好由充滿轉(zhuǎn)為收縮。在這種情況下，氣囊能起到最好的緩沖作用，將車禍對人的傷害降到最小程度。但如何實(shí)現(xiàn)這個過程是一個系統(tǒng)設(shè)計，涉及到諸如精確控制氣囊起爆時間、火藥填充量、氣囊大小和形狀、泄氣口大小等很多相關(guān)因素。然而，這一理想狀態(tài)針對的是一種事先定義好的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，實(shí)際接觸時往往都是一種非理想狀態(tài)。因?yàn)槭褂谜叩捏w型、坐姿習(xí)慣、碰撞烈度等存在著諸多差異。如果頭部接觸氣囊的時刻相對較晚，氣囊已經(jīng)泄氣較多，對頭部的支撐力會不夠，起不到應(yīng)有的緩沖效果；如果頭部接觸氣囊的時刻相對較早，那么此時氣囊正在充氣并向人體方向膨脹，氣壓很大，且和頭部的接觸過程是一個相向的運(yùn)動，氣囊本身會對頭部造成較大的沖擊。

氣囊起爆時，對其作用范圍內(nèi)即展開行程內(nèi)的物體的沖擊力約相當(dāng)于成年男子狠狠擊出的一拳。有人做過這樣的試驗(yàn)：在氣囊前方擺放一個大西瓜，點(diǎn)爆氣囊，高速拍攝的影像顯示，彈開的氣囊瞬間將西瓜擊碎。所以，千萬不要以為安全氣囊像充滿空氣的氣球那么溫柔可愛。

氣囊何時該起爆

因?yàn)闅饽移鸨瑫r本身存在傷害性，加上更換氣囊的維修成本因素，我們希望氣囊在需要起爆時才展開，不該起爆時就安安靜靜地呆著別動。

氣囊分前氣囊和側(cè)氣囊（簾），前氣囊又分駕駛員氣囊和乘員氣囊。如果碰撞沖擊來自正面，那么側(cè)面氣囊起爆一般來說是多余的；如果碰撞沖擊來自側(cè)面（比如在十字路口），那么正面氣囊展開也起不到保護(hù)作用，只需要打開受沖擊的那一側(cè)氣囊（簾）就夠了。

注意，汽車前方遭遇碰撞有可能導(dǎo)致車輛滾翻，所以，有的汽車設(shè)計成前方?jīng)_擊值達(dá)到一定的程度，會在起爆前氣囊的同時也打開兩側(cè)氣囊；這是為了防止車輛滾翻時頭部直接磕碰到堅硬的車身上。當(dāng)碰撞速度比較低時，只要系好了安全帶，車內(nèi)的人一般不會磕碰或者磕碰不很嚴(yán)重，此時沒必要起爆氣囊。氣囊標(biāo)定試驗(yàn)的一個項(xiàng)目是這樣進(jìn)行的：汽車以15km/h的速度碰撞到靜止的剛性碰撞壁上，此時氣囊不能展開；汽車以23km/h的速度碰撞到同樣的碰撞壁上，此時氣囊必須展開；介于15km/h和23km/h這兩個速度之間便處于一個模糊地帶，展開和不展開都是容許的。氣囊試驗(yàn)還有很多內(nèi)容，包括各種不同速度、不同狀況的碰撞等等，不在此詳述。

這些試驗(yàn)都驗(yàn)證這一點(diǎn)：該汽車在受到足夠烈度的碰撞沖擊時，能自動打開相應(yīng)方向的氣囊來保護(hù)車內(nèi)的人；非碰撞或碰撞沖擊烈度不夠時，氣囊不可以起爆展開。也就是說，需要的時候提供保護(hù)，不必要時不可自行其是。

氣囊起爆怎樣控制

現(xiàn)在我們知道了，汽車正面受到足夠強(qiáng)的沖擊時，前方氣囊會起爆展開；側(cè)面受到足夠強(qiáng)的碰撞時，碰撞一側(cè)氣囊起爆展開；那么，斜著撞上的會怎么樣？

前面提到有人抱怨氣囊沒有起作用，他們所說的基本上是高速公路上擦碰路邊的防護(hù)欄，汽車失穩(wěn)后又經(jīng)過多次碰撞。車破壞得看上去很嚴(yán)重但氣囊沒展開，人受到的傷害據(jù)描述也不是很大。這就要具體情況具體分析了。如果行駛正前方向沒有其他障礙，汽車只是和護(hù)欄或隔離帶碰撞，那么碰撞一定會有一個切入角度。碰撞方向和護(hù)欄之間的夾角足夠大、沖擊足夠強(qiáng)，前氣囊會起爆展開；反之，角度較小或前方受沖擊強(qiáng)度不夠，前氣囊就不會展開。另外，如果不是飛出去橫撞電桿、大樹，不是被他車橫撞或自身翻滾，一般也不會受到大的側(cè)面沖擊，側(cè)氣囊也不會展開。這種不展開的情況就屬于專家所說的“碰撞角度不對”，此時氣囊是不應(yīng)該展開的。有媒體在報道中譏諷似的反問：“碰撞的時候難道還要選準(zhǔn)角度再撞上去嗎？”這顯然是對專家回答的誤解和嘩眾取寵。這里的“角度不對”并不是指事前的選擇，在剎那間駕駛者也沒有時間和能力去做出這樣的選擇?！敖嵌炔粚Α笔侵冈诋?dāng)時的速度下，以這個角度碰撞到護(hù)欄上產(chǎn)生的沖擊不足以引起氣囊起爆；或者說這個角度撞上去沒必要起爆氣囊。

汽車是怎么做出判斷和控制這一過程的呢？這就是汽車安全氣囊控制器的責(zé)任了。氣囊控制器裝有加速度傳感器及其他信號輸入接口，這些傳感器可以測定碰撞的嚴(yán)重程度，安全帶的使用情況，乘員的狀態(tài)、位置和重量，座椅位置及靠背傾斜度等。碰撞發(fā)生的瞬間，氣囊控制器根據(jù)加速度的大小、方向以及其他信號，來確定不同的碰撞類型；再通過觸發(fā)算法來判斷是否起爆；如果需要起爆，還要判斷起爆哪個或哪幾個氣囊，并輸出相應(yīng)的點(diǎn)火信號，同時觸發(fā)安全帶收緊器。從碰撞發(fā)生到氣囊破繭而出，這之間只有十幾毫秒，留給控制器的響應(yīng)時間是很短的，其中氣囊接到信號到破繭約需4毫秒。因?yàn)橐笈袛嗑珳?zhǔn)而且響應(yīng)迅速，所以每個算法或者說控制程序一般都是汽車生產(chǎn)企業(yè)的核心機(jī)密。在50km/h的碰撞中，氣囊完全充脹約需40ms，泄氣約80-100ms。整個過程也就0.1s多點(diǎn)，真的是眨眼的瞬間。執(zhí)行這一程序總的宗旨，就是將車禍中對使用者的人身傷害和造成的財產(chǎn)損失降到最低程度。

氣囊可能錯誤起爆

安全氣囊的設(shè)計目的是為了在車禍發(fā)生時保護(hù)車上的人，但如果不該起爆時起爆或者使用不當(dāng)，不但起不到保護(hù)作用，反而會造成不必要的傷害。endprint

每次車禍的碰撞都是一個復(fù)雜的過程，比如高速公路上的先擦碰后接連多次和護(hù)欄或隔離帶碰撞，如果駕駛員處理得好，擦碰時及時采取措施修正，未必會發(fā)生后繼的多次碰撞。如果在上述擦碰時氣囊就展開了，那么駕駛員幾乎不可能再采取修正措施控制好車輛。又比如，汽車駛過平交道會與鐵軌發(fā)生一點(diǎn)沖擊，如果此時駕駛員前氣囊突然展開，駕駛員被氣囊莫名其妙地打蒙，后續(xù)還會發(fā)生什么傷害就難說了。再比如上馬路牙子、沖路邊沙堆、被石頭刮底盤，這些都有可能產(chǎn)生較大沖擊，但這時候用戶顯然不希望氣囊起爆。

在給一個新車型匹配氣囊之前，都要按上述的情況做試驗(yàn)，專業(yè)上稱為“氣囊誤用試驗(yàn)”。這里的“誤用”不是指用戶錯誤地使用，而是指氣囊在一些特殊情況下錯誤地發(fā)生作用。

使用者的錯誤習(xí)慣

用戶也會錯誤地使用：

1.不少人開車不習(xí)慣系安全帶。從減少傷害的角度說，碰撞發(fā)生時安全帶起到的作用才是主要的，氣囊只能起到輔助作用；而且根據(jù)設(shè)計，氣囊的安全輔助作用只是在系有安全帶的情況下才能發(fā)揮得很好。如果不系安全帶，沒等到氣囊完全展開人就可能被甩出座位了，此時氣囊是起不到保護(hù)作用的。

2.有人喜歡把小孩子放在副駕駛座位上，或者由大人抱著坐在副駕駛座位上，這是比較普遍而又極其錯誤的壞習(xí)慣。姑且不說其他因素，光氣囊起爆的沖擊就能對小孩造成很大的傷害甚至足以致命！

所以，不要認(rèn)為氣囊只有保護(hù)乘員的一面，而忽視其可能造成的傷害。有些車裝配了失效開關(guān)，并有專門的指示燈，可以人為關(guān)掉氣囊功能。還有一種氣囊設(shè)計成兩級，在烈度不高的碰撞沖擊時只展開較小的氣囊，目的都是為了降低氣囊本身對成員的傷害。

正確認(rèn)識氣囊的起爆和不起爆

氣囊起爆時可能會對人體會造成沖擊傷害，發(fā)生車禍時因慣性直接碰撞也會造成傷害，兩害相權(quán)取其輕。發(fā)生車禍的瞬間，駕駛員是來不及也不可能做出任何判斷和操作的（事先關(guān)掉副駕駛前氣囊除外），如何取舍就只能交給氣囊控制器了?？刂破骼锏某绦驎鶕?jù)當(dāng)時傳感器采集到的參數(shù)按照特定的算法計算，并做出它認(rèn)為最佳的反應(yīng)。那么氣囊沒展開就絕對不是質(zhì)量問題嗎？在試驗(yàn)中確實(shí)出現(xiàn)過氣囊該起爆而沒起爆的情況，但事后檢查發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)樵囍栖囆偷脑囼?yàn)車，裝配時沒有正式生產(chǎn)線上那么嚴(yán)謹(jǐn)，氣囊起爆信號線根本就沒插上去，也可能是做別的試驗(yàn)有意拔掉后忘了再接上去。出廠的車輛一般不可能有這種情況。

一般試驗(yàn)都是按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行的（雖然也盡量模擬有代表性的車禍），但具體的每起車禍則千奇百怪，要對每起氣囊沒展開的事故做出準(zhǔn)確鑒定確實(shí)很難。如果做現(xiàn)場復(fù)原試驗(yàn)，一是成本高，二是技術(shù)難度大，實(shí)際不可行。不過有些典型的情況還是能判斷的，比如遭遇正前方車輛相對碰撞，受傷嚴(yán)重，對方車輛氣囊展開了而你的沒展開；相反，有些氣囊不該起爆而起爆了（像上文提到氣囊誤用試驗(yàn)的情況）。這種確認(rèn)為質(zhì)量問題相對來說要容易些。endprint