1.1.2 汽车安全气囊发展现状及趋势
汽车安全气囊发明于20世纪50年代。美国的John Hetrick(US2649311,1952年)及德国的Walter Lindne(r DE896312,1953年)相继发明了汽车安全气囊。但是,限于技术发展水平,安全气囊在发明时还只是一种想法,并未出现有效的实际物件。1966年,著名的汽车公司梅赛德斯-奔驰开始着手研发安全气囊装置,他们发明的安全气囊采用气体发生装置和碰撞传感器,从而使得安全气囊可以在30 ms的时间之内打开,同时他们采用的气囊材料是抗撕裂的织物材料,从而改善了膨胀特性,这种安全气囊最后成功地安装在了其公司的汽车方向盘中。之后,奔驰开始在公司旗下的汽车上大量装备安全气囊。而到了20世纪70年代,美国通用、日本丰田等许多著名公司与机构也陆续开始投入大量人力物力进行安全气囊的研制开发,这极大地推进了安全气囊技术的进步与应用推广。20世纪90年代,有近1/3的奔驰汽车都配备有安全气囊,而现在,全球范围配置有安全气囊的汽车多达1亿多辆。
鉴于汽车安全气囊对乘员安全的实际保护意义,世界上很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。例如,1984年,美国高速公路交通安全委员会(NHTSA)在著名的《联邦汽车安全标准》的208条款(Federal Motor Vehicle Safety Standard 208,FMVSS 208)中增加了安装气囊的要求,此后,欧洲也颁布了ECER94法规。1989年,美国又开始实施另一项关于安全气囊的法规,该法规不仅要求所有的新车必须安装安全气囊,甚至对气囊的尺寸也有规定。各国相关法规的出台实施极大地推动了汽车安全气囊的推广与使用。
随着安全气囊的广泛使用,汽车的被动安全性大大提高了。有关资料显示,在北美地区,得益于安全气囊的广泛使用,交通事故的死亡率降低了12%,与此同时安全气囊还有效减轻了事故对人体的伤害。然而,事物总是有两面性,安全气囊并不是完美的解决方案,安全气囊能在事故时对乘员进行有效保护,但是也可能对乘员造成伤害。主要有两个方面原因:一方面,安全气囊的点火准则设计是根据乘员常规乘坐姿态和位置,但是在实际的碰撞事故中,很多因素都会影响安全气囊对乘员的保护,比如碰撞的强烈程度、乘员与方向盘的位置、乘员的体重还有身高等;碰撞条件的不同以及特定碰撞过程中乘员在汽车中的位置都会影响安全气囊的保护效果,使乘员与安全气囊的接触时间不能达到设计要求,这样就不能达到对乘员的有效保护。另一方面,虽然安全气囊使用较为轻质的聚酯纤维布料或尼龙等材料而制成,但是在发生碰撞事故时,安全气囊瞬间展开的速度十分高,有时可以达到200 km/h以上,人体在这样的高速冲击下将会受到不小的伤害。有数据显示,在美国国内由于安全气囊的展开问题及乘员的坐姿问题所造成的乘员伤害数量比由安全气囊所挽救的乘员数量的一半还要多,比例大约为57∶100。
尽管安全存在着一些缺陷与问题,但是在未来的数年甚至数十年中,安全气囊仍然会在汽车安全设备中扮演重要的角色,同时,研究人员与工程师们也在努力寻求解决方案。
当前,在技术的发展方向上,安全气囊出现了两个迥异的方向。一种发展方向以美国和日本公司为代表,他们认为安全气囊的要点在于其尺寸,所以增加汽车安全气囊的尺寸可以达到更加有效的保护乘员的效果。另一种发展方向以西欧的公司为代表,他们认为要解决安全气囊的问题并提升安全气囊的保护效果,不能仅对安全气囊本身进行研究改进,问题的解决需要综合周边要素,全盘统筹考虑,于是他们提出了一个系统解决方案,即汽车被动安全系统。该系统综合考虑了车身结构,而附属装备不仅包括安全带,还包括座椅等其他部件。比如在奔驰公司研制的PRE-SAFE预警式安全系统中就附属有一个预警传感系统,该传感系统可以对将要发生的碰撞事故进行预测,让车辆控制系统对座椅和安全带进行预先动作,从而更好地保护乘员。
未来的安全气囊将朝着智能化的方向发展,变得越来越智能,越来越高效。为了达到这样的效果,未来的安全气囊将会集成先进的信息采集单元与处理单元,使得气囊能够在事故发生后的最短时间内及时地对环境信息进行处理,进而完成安全气囊的控制。为了能够更好地掌握汽车运行时的周边信息,信息采集单元会获取乘员的身高、体重、位置、是否佩戴安全带以及碰撞的形式与强度等信息。之后,安全气囊的控制系统根据探测到的信息,在信息处理单元对其进行处理分析,进而决定安全气囊何时及以何种程度展开,从而对乘员提供最优化的保护。比如,在安全气囊的信息采集与分析系统运用先进的蓝牙、红外等传感技术获取乘员的身高、体重、车内位置等关键信息,从而在信息处理单元处理之后进行点火判断与点火时刻控制。而有的安全气囊系统还可以决策起爆的形式,比如是单级点火还是多级点火。与此同时,更完善的解决方案中,安全气囊的信息采集系统可以对汽车的多处信息进行实时采集,进而能够在汽车发生碰撞事故时较为正确地判断出汽车的碰撞形式是正面碰撞、侧面碰撞还是将要翻滚,这样安全气囊的控制系统便可以对汽车的各处气囊进行合理控制,对乘员构成有效的保护。英国Jaguar公司研制的自适应约束技术系统(ARTS)就代表了安全气囊的这样一种智能化的发展趋势。该系统利用超声波技术对车内信息进行实时检测,包括乘员位置、乘员身高与体重等,同时还对车辆运行信息进行监测,比如检测碰撞所需的加速度信号。根据这些由各种传感器综合探测到的信息,ARTS就可以利用自身系统具有的灵活性,根据每个前排乘员的具体情况来确定安全气囊的触发时刻以及展开强度,实现最佳的乘员保护效果,大大减少与气囊相关的伤害。
未来的安全气囊将广泛使用多安全气囊以及安全气囊的多级控制。随着汽车技术的不断进步和汽车安全经验的不断积累,安全气囊的发展也是日新月异。按照装配气囊的数量分为单气囊系统(只装在驾驶员侧)、双气囊系统(正、副驾驶员侧各有一个安全气囊)和多气囊系统(前排安全气囊、后排安全气囊、侧面安全气囊及气帘);按照气囊爆破时的节奏可以分为一级迸发式气囊(爆发一次到位)、二级迸发式气囊(分两次有节奏地逐步爆发到位)。目前,多个二级迸发式安全气囊已经成为豪华轿车、高档轿车的标配。例如,奔腾B70配有的6个二级安全气囊如图1.1所示。
图1.1 奔腾B70的6个二级安全气囊
在汽车安全气囊系统的发展过程中,许多其他领域的技术也得到了借鉴与应用,比如网络与总线技术。Safe-by-Wire总线在汽车安全气囊中应用十分广泛,同时在其他的领域里它的应用十分少,可以说是安全气囊系统特有的、专门应用于安全气囊的网络与总线技术。为了完成对汽车安全气囊系统的有效细微的控制,Safe-by-Wire总线技术采用了诸多的控制器与传感器,而德尔福、飞利浦等汽车电子厂商更是推出了Safe-by-Wire Plus总线标准。不同于CAN、Flex Ray等整车系统常用的总线标准,这种总线标准是一种特定的、为安全气囊系统的开发而设计的LAN接口标准,这种标准具有十分优良的性能,其嵌入有多重保护功能使得系统即使是在发生事故的时候也不被破坏,比如在线路发生短路的情况下,采用此种总线技术的安全气囊系统不会出现错误的点爆。Safe-by-Wire总线这种先进技术由于其优良的性能会继续在安全气囊系统中发挥更大的作用。
首先,我国对汽车安全气囊的研究起步较晚,离世界先进水平还很远。比如我国的撞车实验系统在技术上就比较落后,如果按照美国FMVSS 208条款要求,我们的实验系统技术上是不过关的。其次,在一些关键技术方面,我们更是落后,缺乏这些方面的专利技术,没有自主知识产权;另外,我国在安全气囊的各项技术规范以及检测技术方面也还是较为落后的。最后,我国的安全气囊在价格上也并不具有市场竞争力,不能形成一个有效的汽车安全气囊产业。尽管相当落后,但国内也存在一些公司正在对安全气囊进行着积极而有意义的研究与探索,比如我国最早在这一领域进行研发的赫达公司。同时也有不少科研工作者进行着汽车安全气囊控制的研究工作,比如清华大学的黄世霖教授和湖南大学的尹武良教授等。