國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)氣囊起爆條件檢測(cè)技術(shù)分析

谷陽(yáng)陽(yáng) 牛增良 潘小龍

摘 要：文章研究了汽車安全氣囊點(diǎn)火算法工作原理和安全氣囊工作條件，并調(diào)研國(guó)內(nèi)外安全氣囊工作條件文獻(xiàn)資料，結(jié)合汽車被動(dòng)安全技術(shù)，研究制定安全氣囊起爆條件檢測(cè)鑒定技術(shù)條件，并應(yīng)用到實(shí)際的司法鑒定工作中，對(duì)安全氣囊鑒定工作起到了良好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：安全氣囊;起爆條件;司法鑒定

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，最常見(jiàn)的碰撞形態(tài)就是正面碰撞。目前，汽車上基本都標(biāo)配了駕駛位安全氣囊和乘員位安全氣囊，因此，在發(fā)生交通事故時(shí)，安全氣囊為駕駛員和乘客提供了有力的保護(hù)，當(dāng)安全氣囊和安全帶共同作用時(shí)，才能發(fā)揮最大的保護(hù)作用。但是，在實(shí)際的交通事故中，常常會(huì)出現(xiàn)安全氣囊無(wú)法打開(kāi)或者低速碰撞下安全氣囊打開(kāi)的情形，給消費(fèi)者帶來(lái)嚴(yán)重傷亡和巨大損失，從而造成消費(fèi)者和車企之間產(chǎn)生糾紛。對(duì)交通事故中安全氣囊是否具備起爆條件應(yīng)該打開(kāi)進(jìn)行鑒定，對(duì)于明確事故責(zé)任，解決糾紛具有重要意義。

2 安全氣囊概述

2.1 安全氣囊組成

安全氣囊系統(tǒng)各部分在汽車上的安裝位置（見(jiàn)圖1），主要由傳感器、氣體發(fā)生器、氣囊和電控單元（ECU）等主要部件組成（見(jiàn)圖1）。

2.2 安全氣囊工作流程

當(dāng)汽車受到前方一定角度內(nèi)的高速碰撞時(shí)，車輛突然減速，左右縱梁前端的碰撞傳感器和氣囊電腦內(nèi)的中央傳感器會(huì)檢測(cè)到強(qiáng)烈的加速度信號(hào)，迅速將次信號(hào)傳送到氣囊電腦內(nèi)，這一過(guò)程僅在0.01秒之內(nèi)，氣囊電腦通過(guò)預(yù)先置入好的氣囊點(diǎn)火算法，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)和計(jì)算，當(dāng)加速度信號(hào)超過(guò)預(yù)先設(shè)定閾值時(shí)，氣囊電腦會(huì)向氣體發(fā)生器發(fā)送點(diǎn)火指令，點(diǎn)火指令接到信號(hào)后立即點(diǎn)火，這一過(guò)程一般只需0.05秒左右。氣體發(fā)生器點(diǎn)爆之后，發(fā)生器內(nèi)預(yù)裝的固態(tài)氮粒會(huì)快速氣化，形成大量的氮?dú)?，瞬間充滿氣袋，并形成巨大的向上的沖擊力，沖開(kāi)方向盤和儀表板手套箱上的蓋板，迅速安全展開(kāi)，為乘員和車體之間形成保護(hù)層。

2.3 安全氣囊點(diǎn)火算法

2.3.1 加速度峰值法

加速度峰值算法是安全氣囊控制電腦（ECU）通過(guò)對(duì)加速度傳感器收集的加速度信號(hào)進(jìn)行判斷，最終決定是否起爆安全氣囊，此種算法中，會(huì)設(shè)置一個(gè)加速度值作為閾值，當(dāng)加速度傳感器采集的加速度信號(hào)超過(guò)次閾值后，氣囊電腦會(huì)向執(zhí)行器發(fā)出點(diǎn)火指令，起爆安全氣囊。

加速度傳感器一般安裝在車輛左右縱梁的前端，中央氣囊傳感器一般集成在氣囊電腦（ECU）內(nèi)，氣囊電腦一般安裝在儀表臺(tái)中間部位下方或者變速器檔桿位置下方。車輛正面碰撞時(shí)，左右縱梁是碰撞變形區(qū)域主要受力部件，因此在左右縱梁上的傳感位于車輛碰撞時(shí)的變形位置，碰撞產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)加速度傳感器收集信號(hào)造成很大的干擾;安裝在氣囊電腦內(nèi)部的加速度傳感器位于車輛中間，離變形區(qū)域較遠(yuǎn)，一般碰撞時(shí)不會(huì)對(duì)其造成干擾，受到噪聲的影響也就比較小，但是由于遠(yuǎn)離變形區(qū)域，中間會(huì)有彈性部件造成信號(hào)衰退，因此采集到的信號(hào)比真實(shí)的碰撞信號(hào)有一定差異。所以會(huì)結(jié)合左右縱梁的加速度傳感器一起使用，如果中央傳感器信號(hào)精確，也可以單獨(dú)使用[1]-[3]。所以，使用加速度峰值算法時(shí)，需要優(yōu)化算法，能夠?qū)铀俣刃盘?hào)進(jìn)行比較好的濾波，最大限度減低干擾，目前，在國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)上的機(jī)械式安全氣囊控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。加速度峰值算法在以下方面進(jìn)行了應(yīng)用。

（1）“門限”作用：某些車輛安裝的安全氣囊系統(tǒng)中，設(shè)定安全氣囊開(kāi)始計(jì)算的方式是通過(guò)加速度信號(hào)是否超過(guò)門限值來(lái)判定碰撞是否發(fā)生。比如當(dāng)加速度信號(hào)傳感器采集的加速度值超過(guò)預(yù)先的閾值（如3g）時(shí)，認(rèn)為此時(shí)車輛發(fā)生碰撞，此時(shí)，命令氣囊電腦點(diǎn)火算法開(kāi)始運(yùn)算。

（2）碰撞速度較高時(shí)直接點(diǎn)爆氣囊的作用：當(dāng)車輛高速行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞加速度傳感器信號(hào)超過(guò)了預(yù)先設(shè)計(jì)的的高閾值時(shí)，氣囊電腦會(huì)直接向氣體發(fā)生器發(fā)出點(diǎn)火指令，從而省去了中間信號(hào)處理和運(yùn)算過(guò)程，保證車輛發(fā)生高速碰撞時(shí)及時(shí)起爆安全氣囊，保護(hù)乘員安全。

2.3.2 加速度梯度法

加速度梯度算法的判定指標(biāo)是根據(jù)加速度變化率來(lái)計(jì)算和判斷的，將加速度值進(jìn)行濾波后，然后將加速度值對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，將計(jì)算的結(jié)果與預(yù)先設(shè)計(jì)的閾值進(jìn)行比較，從而判定氣囊是否可以進(jìn)行點(diǎn)火。

加速度梯度法對(duì)噪聲濾波的要求更高，當(dāng)汽車行駛路況比較惡劣或者車輛發(fā)生緊急剎車制動(dòng)時(shí)，或者與階梯發(fā)生低速碰撞時(shí)，車輛會(huì)產(chǎn)生一定的減速度，此時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致加速度梯度值超過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的閾值，導(dǎo)致氣囊電腦發(fā)出點(diǎn)火指令。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，由于車速較低，不但不能保護(hù)乘員，反而對(duì)乘員產(chǎn)生傷害。因此加速度梯度算法對(duì)濾波要求很高，從而也就要求氣囊電腦計(jì)算時(shí)間更長(zhǎng)，延長(zhǎng)碰撞檢測(cè)時(shí)間，也就導(dǎo)致氣囊控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本的增加。不過(guò)，正如加速度梯度法的創(chuàng)造者美國(guó)ASL實(shí)驗(yàn)室的Tony Gioutsos提出，加速度梯度參數(shù)能很好地預(yù)測(cè)碰撞的發(fā)生，并預(yù)測(cè)車內(nèi)乘員的位置變化，與其他的點(diǎn)火算法相比，對(duì)于氣囊點(diǎn)火時(shí)刻有著無(wú)法比擬的優(yōu)越性[4]-[5]。因此，設(shè)計(jì)人員可以將加速度梯度算法與其它算法，如與移動(dòng)窗算法結(jié)合使用，此算法抗干擾能力較強(qiáng)，綜合運(yùn)用兩種算法的優(yōu)勢(shì)，從而彌補(bǔ)了加速度梯度法對(duì)于抗干擾能力差的缺點(diǎn)。

2.3.3 移動(dòng)窗積分算法

設(shè)t2=t1+T，T代表時(shí)間窗截取計(jì)算的寬度區(qū)間，移動(dòng)窗積分算法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和技術(shù)，為實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前信號(hào)值，取t2時(shí)刻為當(dāng)前時(shí)刻t，故：

目前，汽車安全氣囊點(diǎn)火算法基本都采用的移動(dòng)窗式積分算法。移動(dòng)窗式積分算法是對(duì)當(dāng)前時(shí)刻之前T時(shí)間段內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，得到一個(gè)計(jì)算值S（t，T），當(dāng)計(jì)算值S（t，T）超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值Sth時(shí)，氣囊電腦發(fā)出點(diǎn)火指令，如果未超過(guò)閾值，則繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算處理。由于該算法時(shí)刻保持計(jì)算時(shí)間最近的時(shí)間窗T長(zhǎng)度內(nèi)的信號(hào)，對(duì)時(shí)間窗以外的信號(hào)實(shí)時(shí)舍棄，因此叫做移動(dòng)窗式積分算法。

由移動(dòng)窗積分算法得到的速度變化量曲線比較平滑，有一定的抗干擾能力，在汽車發(fā)生100%正面碰撞時(shí)，能夠很容易判斷車輛碰撞的嚴(yán)重程度，確定氣囊是否需要點(diǎn)火。但是僅僅利用速度變化量參數(shù)?V，不能區(qū)分碰撞類型，當(dāng)車輛發(fā)生柱碰撞、角度碰撞時(shí)，氣囊會(huì)發(fā)生漏點(diǎn)火現(xiàn)象。

因此，在移動(dòng)窗積分算法的基礎(chǔ)上引入了另外一個(gè)參數(shù)，用加速度曲線的長(zhǎng)度L來(lái)判斷汽車的碰撞形式（a為加速度）。

因?yàn)楦咚僦鲎驳募铀俣缺鹊退僬媾鲎驳募铀俣日袷幏雀螅袷庮l率也更快， 即加速度曲線上的褶皺更加嚴(yán)重、密集，因此利用移動(dòng)窗內(nèi)加速度曲線的長(zhǎng)度參數(shù)可以輕易地將高速柱碰撞從低速正面碰撞中區(qū)分出來(lái)，避免高速柱碰撞時(shí)由于安全氣囊不展開(kāi)而造成的乘員傷害。

2.4 安全氣囊工作條件

汽車安全氣囊系統(tǒng)并非在所有的碰撞情況下都能起作用。正面安全氣囊系統(tǒng)在汽車從正前方或斜前方30°角范圍內(nèi)發(fā)生碰撞且縱向減速度達(dá)到某一值（通常稱為減速度閾值）時(shí)，才能引爆氣體發(fā)生器給氣囊充氣（見(jiàn)圖2）。

當(dāng)滿足下列條件之一時(shí)，正面安全氣囊系統(tǒng)電控單元（ECU）不會(huì)發(fā)出引爆指令，安全氣囊不會(huì)展開(kāi)：①汽車遭受側(cè)面碰撞超過(guò)斜前方30°角時(shí);②汽車遭受橫向碰撞時(shí);③汽車發(fā)生后方碰撞時(shí);④汽車發(fā)生繞縱向軸線側(cè)翻時(shí);⑤縱向減速度未達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)（減速度閾值由設(shè)計(jì)人員根據(jù)安全氣囊系統(tǒng)的性能設(shè)定，不同車型安全氣囊的減速度閾值可能有所不同。該速度與實(shí)際交通事故中根據(jù)車身變形量推算出的等效固定壁碰撞速度相當(dāng)）;⑥汽車正常行駛、正常制動(dòng)或在路面不平的道路上行駛時(shí)。

3 安全氣囊鑒定技術(shù)條件

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外有關(guān)安全氣囊起爆條件相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，由于碰撞過(guò)程中，減速度的采集比較困難，行業(yè)內(nèi)多數(shù)采用速度變化量這一指標(biāo)作為安全氣囊起爆條件之一。通過(guò)對(duì)幾十篇國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的總結(jié)，安全氣囊的起爆條件一般為：16km/h以下不起爆;16km/h-26km/h為點(diǎn)爆模糊區(qū)，26km/h以上必須起爆。

根據(jù)安全氣囊點(diǎn)火算法工作原理和安全氣囊工作條件，安全氣囊打不打開(kāi)主要影響因素是：①碰撞角度②碰撞減速度或者速度變化量。

因此，綜合安全氣囊點(diǎn)火算法工作原理和安全氣囊工作條件，以及國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研資料，研究制定安全氣囊起爆條件鑒定技術(shù)條件為：①碰撞角度：碰撞在汽車從正前方或斜前方30°角范圍內(nèi);②碰撞速度變化量：16km/h以下不起爆;16km/h-26km/h為點(diǎn)爆模糊區(qū)，26km/h以上必須起爆。

4 案例應(yīng)用

4.1 簡(jiǎn)要案情

2012年11月13日04時(shí)40分許，宋某駕駛津GQK***號(hào)某品牌小型轎車，在天津市津南區(qū)沿津歧公路由北向南行駛至39.4公里處時(shí)發(fā)生交通事故，車輛突然失控駛?cè)雽?duì)向車道，繼而又駛?cè)牍窎|側(cè)路肩內(nèi)，車前部撞上路肩內(nèi)指示牌標(biāo)桿，造成駕駛員當(dāng)場(chǎng)死亡和車輛損毀的交通事故。

4.2 鑒定過(guò)程

4.2.1 碰撞形態(tài)檢驗(yàn)

被鑒車輛的整體碰撞變形比較明顯，車前部碰撞損壞變形，變形區(qū)域凹陷，呈現(xiàn)出“U”字型;左側(cè)翼子板變形，左側(cè)車門變形;車右側(cè)翼子板變形，右側(cè)車門變形;車后部無(wú)變形。通過(guò)被鑒車輛的碰撞變形部位、狀態(tài)及程度，可以確定被鑒車輛的此次碰撞屬于典型的柱撞形態(tài)（見(jiàn)圖3）。

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合當(dāng)?shù)亟痪鼍叩摹兜缆方煌ㄊ鹿守?zé)任認(rèn)定書(shū)》描述的情況，發(fā)現(xiàn)此次車輛碰撞事故中，被鑒車輛撞擊的對(duì)象為路邊堅(jiān)固的鋼制指示牌標(biāo)桿。堅(jiān)固的指示牌標(biāo)桿通過(guò)螺栓固定在地面上，碰撞后指示牌標(biāo)桿未發(fā)生明顯變形和移動(dòng)。因此，可以將指示牌標(biāo)桿等同為固定柱狀障礙物，此次碰撞事故基本符合汽車安全氣囊控制系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)中的柱撞試驗(yàn)形態(tài)。

4.2.2 計(jì)算碰撞瞬間的車速

根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)，做出被鑒車輛和與其同型號(hào)的新車的前部最外緣包絡(luò)線對(duì)比圖以及車輛變形關(guān)鍵點(diǎn)的變形量（見(jiàn)圖5）。

在上列整車坐標(biāo)圖中，整車坐標(biāo)系y=-100mm處，被鑒車輛的碰撞變形達(dá)到最大值823mm。根據(jù)車輛的碰撞變形量可以看出此次事故碰撞強(qiáng)度較大。根據(jù)汽車與柱狀堅(jiān)固物體碰撞時(shí)，其變形量與碰撞速度的關(guān)系式為：

將測(cè)量數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得出，被鑒車輛變形區(qū)域在y=-100mm處，塑性變形量最大值L=0.823m。由此計(jì)算得出被鑒車輛撞柱時(shí)車速為：V=67 X 0.823≈55km/h。

4.3 鑒定意見(jiàn)

根據(jù)被鑒車輛碰撞形態(tài)可知，被鑒車輛的此次碰撞屬于典型的柱撞形態(tài)，碰撞角度位于汽車從正前方或斜前方30°角范圍內(nèi);被鑒車輛碰撞瞬時(shí)速度達(dá)到了55km/h，遠(yuǎn)高于26km/h。綜合安全氣囊鑒定技術(shù)條件，此次碰撞事故條件達(dá)到了安全氣囊起爆條件，分析認(rèn)定：被鑒車輛安全氣囊應(yīng)該打開(kāi)。

5 總結(jié)

鑒于國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有安全氣囊起爆條件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，為滿足國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)安全氣囊檢測(cè)鑒定工作的需要，本文綜合分析國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)主流廠家的安全氣囊點(diǎn)火算法工作原理和安全氣囊工作條件，以及國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研資料，研究制定了安全氣囊起爆條件檢測(cè)鑒定技術(shù)條件。該檢測(cè)鑒定技術(shù)條件符合安全氣囊工作條件的要求，滿足了司法鑒定工作中安全氣囊起爆條件檢測(cè)鑒定的要求，為安全氣囊鑒定工作提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，為安全氣囊鑒定工作提供了有力的指導(dǎo)，切實(shí)解決了消費(fèi)者與車企之間的糾紛矛盾。

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