揭秘汽车安全气囊工作原理

牧云一叶

因为工作关系，我经常接到电话抱怨汽车安全气囊（以下简称“气囊”）在车祸中没有起爆展开，进而怀疑自己车上安装的气囊质量有问题，并询问我所在的试验室是否能做质量鉴定。对于这类问题，存在不少解释，其中最典型的是，专业人员解释说气囊没有起爆是由于“碰撞角度不对”，可有时被歪曲成“车祸时应该找准角度撞过去，气囊才会起爆”。可见，不少人对气囊的认识存在误区。

气囊如何工作

气囊的的核心部件是充气装置，专业的说法叫气体发生器。充气装置里填装着火药，火药起爆时快速产生大量气体，使得气囊冲开外层蒙皮、快速展开并迅速被气体充满。

气囊并不是一个封闭的口袋，它的侧面还留有泄气口。气囊弹出并膨胀充满之后，紧接着就是泄气收缩的过程；而由于泄气口的存在，泄气和充气实际上几乎是同时开始的。整个充气只是一个很短暂的过程，当泄气流量大于充气流量时气囊就开始收缩了。

从设计的角度，最理想的状态是，人体（一般指头部）刚碰到气囊的那一瞬间，气囊正好由充满转为收缩。在这种情况下，气囊能起到最好的缓冲作用，将车祸对人的伤害降到最小程度。但如何实现这个过程是一个系统设计，涉及到诸如精确控制气囊起爆时间、火药填充量、气囊大小和形状、泄气口大小等很多相关因素。然而，这一理想状态针对的是一种事先定义好的标准状态，实际接触时往往都是一种非理想状态。因为使用者的体型、坐姿习惯、碰撞烈度等存在着诸多差异。如果头部接触气囊的时刻相对较晚，气囊已经泄气较多，对头部的支撑力会不够，起不到应有的缓冲效果；如果头部接触气囊的时刻相对较早，那么此时气囊正在充气并向人体方向膨胀，气压很大，且和头部的接触过程是一个相向的运动，气囊本身会对头部造成较大的冲击。

气囊起爆时，对其作用范围内即展开行程内的物体的冲击力约相当于成年男子狠狠击出的一拳。有人做过这样的试验：在气囊前方摆放一个大西瓜，点爆气囊，高速拍摄的影像显示，弹开的气囊瞬间将西瓜击碎。所以，千万不要以为安全气囊像充满空气的气球那么温柔可爱。

气囊何时该起爆

因为气囊起爆时本身存在伤害性，加上更换气囊的维修成本因素，我们希望气囊在需要起爆时才展开，不该起爆时就安安静静地呆着别动。

气囊分前气囊和侧气囊（帘），前气囊又分驾驶员气囊和乘员气囊。如果碰撞冲击来自正面，那么侧面气囊起爆一般来说是多余的；如果碰撞冲击来自侧面（比如在十字路口），那么正面气囊展开也起不到保护作用，只需要打开受冲击的那一侧气囊（帘）就够了。

注意，汽车前方遭遇碰撞有可能导致车辆滚翻，所以，有的汽车设计成前方冲击值达到一定的程度，会在起爆前气囊的同时也打开两侧气囊；这是为了防止车辆滚翻时头部直接磕碰到坚硬的车身上。当碰撞速度比较低时，只要系好了安全带，车内的人一般不会磕碰或者磕碰不很严重，此时没必要起爆气囊。气囊标定试验的一个项目是这样进行的：汽车以15km/h的速度碰撞到静止的刚性碰撞壁上，此时气囊不能展开；汽车以23km/h的速度碰撞到同样的碰撞壁上，此时气囊必须展开；介于15km/h和23km/h这两个速度之间便处于一个模糊地带，展开和不展开都是容许的。气囊试验还有很多内容，包括各种不同速度、不同状况的碰撞等等，不在此详述。

这些试验都验证这一点：该汽车在受到足够烈度的碰撞冲击时，能自动打开相应方向的气囊来保护车内的人；非碰撞或碰撞冲击烈度不够时，气囊不可以起爆展开。也就是说，需要的时候提供保护，不必要时不可自行其是。

气囊起爆怎样控制

现在我们知道了，汽车正面受到足够强的冲击时，前方气囊会起爆展开；侧面受到足够强的碰撞时，碰撞一侧气囊起爆展开；那么，斜着撞上的会怎么样？

前面提到有人抱怨气囊没有起作用，他们所说的基本上是高速公路上擦碰路边的防护栏，汽车失稳后又经过多次碰撞。车破坏得看上去很严重但气囊没展开，人受到的伤害据描述也不是很大。这就要具体情况具体分析了。如果行驶正前方向没有其他障碍，汽车只是和护栏或隔离带碰撞，那么碰撞一定会有一个切入角度。碰撞方向和护栏之间的夹角足够大、冲击足够强，前气囊会起爆展开；反之，角度较小或前方受冲击强度不够，前气囊就不会展开。另外，如果不是飞出去横撞电杆、大树，不是被他车横撞或自身翻滚，一般也不会受到大的侧面冲击，侧气囊也不会展开。这种不展开的情况就属于专家所说的“碰撞角度不对”，此时气囊是不应该展开的。有媒体在报道中讥讽似的反问：“碰撞的时候难道还要选准角度再撞上去吗？”这显然是对专家回答的误解和哗众取宠。这里的“角度不对”并不是指事前的选择，在刹那间驾驶者也没有时间和能力去做出这样的选择。“角度不对”是指在当时的速度下，以这个角度碰撞到护栏上产生的冲击不足以引起气囊起爆；或者说这个角度撞上去没必要起爆气囊。

汽车是怎么做出判断和控制这一过程的呢？这就是汽车安全气囊控制器的责任了。气囊控制器装有加速度传感器及其他信号输入接口，这些传感器可以测定碰撞的严重程度，安全带的使用情况，乘员的状态、位置和重量，座椅位置及靠背倾斜度等。碰撞发生的瞬间，气囊控制器根据加速度的大小、方向以及其他信号，来确定不同的碰撞类型；再通过触发算法来判断是否起爆；如果需要起爆，还要判断起爆哪个或哪几个气囊，并输出相应的点火信号，同时触发安全带收紧器。从碰撞发生到气囊破茧而出，这之间只有十几毫秒，留给控制器的响应时间是很短的，其中气囊接到信号到破茧约需4毫秒。因为要求判断精准而且响应迅速，所以每个算法或者说控制程序一般都是汽车生产企业的核心机密。在50km/h的碰撞中，气囊完全充胀约需40ms，泄气约80-100ms。整个过程也就0.1s多点，真的是眨眼的瞬间。执行这一程序总的宗旨，就是将车祸中对使用者的人身伤害和造成的财产损失降到最低程度。

气囊可能错误起爆

安全气囊的设计目的是为了在车祸发生时保护车上的人，但如果不该起爆时起爆或者使用不当，不但起不到保护作用，反而会造成不必要的伤害。endprint

每次车祸的碰撞都是一个复杂的过程，比如高速公路上的先擦碰后接连多次和护栏或隔离带碰撞，如果驾驶员处理得好，擦碰时及时采取措施修正，未必会发生后继的多次碰撞。如果在上述擦碰时气囊就展开了，那么驾驶员几乎不可能再采取修正措施控制好车辆。又比如，汽车驶过平交道会与铁轨发生一点冲击，如果此时驾驶员前气囊突然展开，驾驶员被气囊莫名其妙地打蒙，后续还会发生什么伤害就难说了。再比如上马路牙子、冲路边沙堆、被石头刮底盘，这些都有可能产生较大冲击，但这时候用户显然不希望气囊起爆。

在给一个新车型匹配气囊之前，都要按上述的情况做试验，专业上称为“气囊误用试验”。这里的“误用”不是指用户错误地使用，而是指气囊在一些特殊情况下错误地发生作用。

使用者的错误习惯

用户也会错误地使用：

1.不少人开车不习惯系安全带。从减少伤害的角度说，碰撞发生时安全带起到的作用才是主要的，气囊只能起到辅助作用；而且根据设计，气囊的安全辅助作用只是在系有安全带的情况下才能发挥得很好。如果不系安全带，没等到气囊完全展开人就可能被甩出座位了，此时气囊是起不到保护作用的。

2.有人喜欢把小孩子放在副驾驶座位上，或者由大人抱着坐在副驾驶座位上，这是比较普遍而又极其错误的坏习惯。姑且不说其他因素，光气囊起爆的冲击就能对小孩造成很大的伤害甚至足以致命！

所以，不要认为气囊只有保护乘员的一面，而忽视其可能造成的伤害。有些车装配了失效开关，并有专门的指示灯，可以人为关掉气囊功能。还有一种气囊设计成两级，在烈度不高的碰撞冲击时只展开较小的气囊，目的都是为了降低气囊本身对成员的伤害。

正确认识气囊的起爆和不起爆

气囊起爆时可能会对人体会造成冲击伤害，发生车祸时因惯性直接碰撞也会造成伤害，两害相权取其轻。发生车祸的瞬间，驾驶员是来不及也不可能做出任何判断和操作的（事先关掉副驾驶前气囊除外），如何取舍就只能交给气囊控制器了。控制器里的程序会根据当时传感器采集到的参数按照特定的算法计算，并做出它认为最佳的反应。那么气囊没展开就绝对不是质量问题吗？在试验中确实出现过气囊该起爆而没起爆的情况，但事后检查发现，这是因为试制车型的试验车，装配时没有正式生产线上那么严谨，气囊起爆信号线根本就没插上去，也可能是做别的试验有意拔掉后忘了再接上去。出厂的车辆一般不可能有这种情况。

一般试验都是按照设定的标准情况进行的（虽然也尽量模拟有代表性的车祸），但具体的每起车祸则千奇百怪，要对每起气囊没展开的事故做出准确鉴定确实很难。如果做现场复原试验，一是成本高，二是技术难度大，实际不可行。不过有些典型的情况还是能判断的，比如遭遇正前方车辆相对碰撞，受伤严重，对方车辆气囊展开了而你的没展开；相反，有些气囊不该起爆而起爆了（像上文提到气囊误用试验的情况）。这种确认为质量问题相对来说要容易些。endprint