2.1.3 汽车安全气囊点火控制基础
汽车安全气囊的点火控制理论涉及很多方面,比如汽车机构及其碰撞特性、安全带的特性、试验假人的因素、座椅及其碰撞特性、实际碰撞中数据的采集以及数据的处理,除这些汽车相关因素外,还有生物力学因素等。所以,为了使安全气囊能够对乘员起到更好的保护作用,需要对碰撞伤害进行系统的科学评价。
1.乘员伤害评价指标
要研究安全气囊点火控制算法,首先要了解如何评价乘员的伤害。安全气囊是用来保护乘员的,其控制算法的研究就是要使得安全气囊能够发挥最大效能,为乘员提供最优保护,减少碰撞对乘员的伤害,所以设计与评价安全气囊控制算法都需要首先了解乘员伤害评价指标。乘员伤害指标要根据人体生物工程研究的成果来确定,目前主要以美国的FMVSS 208为标准进行评价。安全气囊具有自己的特殊性,需要评价的指标也比较多,包括乘员头部伤害指标(Head Injure Criteria,HIC)值、腿部力、胸部加速度以及事故造成的对乘员面部、胸部、颈部的伤害情况等。这里我们给出一些乘员主要部位的伤害指标。
(1)头部伤害指标(HPC)应不大于1 000,并且头部合成加速度大于80g的时间累积不应超过3 ms,但不包括头部反弹;
(2)胸部的挤压变形量应小于等于75 mm;
(3)大腿骨轴向载荷应小于或等于10 k N。
介绍完了安全气囊的相关指标,接下来介绍安全气囊的点火条件。
2.安全气囊点火条件
首先介绍安全气囊点火条件的含义。
(1)点火条件的含义
安全气囊点火条件就是说安全气囊在怎样的碰撞条件下必须点火,而不满足怎样的条件时不可以点火,或者说,确定点火阈值。一般情况下采用安全气囊的引爆速度来刻画安全气囊点火条件,即采用某种正面碰撞的等效初速度,而这种正面碰撞的强度与事故的强度等效,即按照碰撞强度将碰撞等效到正面碰撞,统一用速度衡量。
(2)点火条件的确定
由于汽车碰撞发生的形式各不相同,碰撞的强度大小各异、发生碰撞的车体变形及加速度变化各不相同,而且不同汽车厂家采用的点火系统的设计更是千差万别,所以对于汽车安全气囊的点火条件并不存在统一的、固定的指标。一般来讲,在安全气囊系统的开发上主要存在美国式与西欧式两种思想。在美国,要求安全气囊系统对没有佩带上安全带的乘员能够进行有效保护,所以点火条件要求车速为18～20 km/h时安全气囊系统就会发出点火信号进行起爆。比如,美国Ford公司的安全气囊点火条件是:高于22.4 km/h时必须点火,低于12.8 km/h正面撞击固定壁时不点火,在两者之间不作要求。在欧洲,安全气囊作为三点式安全带的扩充已作为法规要求强制安装。试验表明,三点式安全带在高于30 km/h车速的碰撞中,乘员头部有第二次碰撞的危险。所以,气囊点火条件是:大于30 km/h的速度碰撞时,必须点火;低于20 km/h正面撞击固定壁时,不应点火;而在两者之间不作要求。
3.安全气囊点火时刻
首先介绍一下最佳点火时刻(Required Time to Fire,RTTF)。
(1)最佳点火时刻的含义
最佳点火时刻简单来说就是能够使安全气囊发挥最好保护效果的时刻,也就是说能够保证在安全气囊完全展开时,车内乘员的头部正好与气囊相接触,从而达到最佳保护效果,而能够达到这样一种状态的安全气囊点火时刻就称为最佳点火时刻。根据这项点火准则,在碰撞过程中,安全气囊必须在乘员的头部位移达到最大允许位移量前就已经充分展开。这里的乘员最大允许位移量是指从汽车碰撞发生到乘员被约束系统有效作用这段时间乘员的位置之差。
(2)最佳点火时刻的确定
气囊和乘员接触后两者的作用是一个很复杂的随机过程。研究气囊系统的最佳点火时刻,需要解决以下几个问题。首先,我们要搞清楚在碰撞事故中,安全气囊从起爆到扩展到最大的整个过程中,各个内部因素之间的关系;其次,我们要研究乘员在受保护的过程中,其与安全气囊的相互作用;最后,我们需要了解相关伤害指标以量化分析保护效果。为了确定最佳点火时刻,国外进行了大量的探索试验和分析研究并提出了目前普遍采用的“127 mm—30 ms”准则。其含义是:在汽车碰撞过程中,乘员相对于车体向前移动127 mm时刻的前30 ms即为安全气囊的最佳点火时刻。这条准则的主要依据是,对于多数汽车而言,一方面,安全气囊从点火到充满气体所经历的时间为30 ms;另一方面,乘员和方向盘的间距为305 mm,而安全气囊完全充气后的厚度通常为178 mm,这样就把乘员向前的位移量达到127 mm的时刻之前30 ms的时刻作为安全气囊的最佳点火时刻。
通过前面的分析可知,汽车安全气囊点火系统应该从点火系统控制入手,提高点火能量,实现多点定向精准起爆和同步控制,提高气囊的准确性、可靠性。压电变换器能够大大提高点火能量,输入和输出端口的电气隔离性能好,结构紧凑,控制简单,以压电变换器为核心的汽车安全气囊是未来的一个发展方向。