摘要：概述国内外安全气囊的开发和应用过程中所开展的研究工作。论述的重点包括事故分析，与安全气囊相关的损伤，损伤生物力学，安全气囊防护有效性的评估方法以及新型安全气囊的研究动态和发展趋势。
关键词：安全气囊；汽车碰撞；损伤防护；损伤生物力学
随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，使得事故更为频繁，所以汽车的安全性就变得尤为重要。汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种，主动安全是指汽车防止发生事故的能力，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力。本文主要讨论的是汽车被动安全。
一、安全气囊的介绍
汽车被动性安全装置主要有安全带和安全气囊。实验表明安全带对乘员有良好的约束力，可以防止乘员被惯性力甩离座位，并且在汽车发生碰撞时能够吸收由惯性力所产生的大部分能量。但在汽车碰撞实验分析中，发现安全带对乘员，特别对驾驶员的头部、胸部以及膝部所能提供的保护是很薄弱的。而安全气囊则减轻了乘员的损伤程度。
安全气囊的防护效果与众多的因素有关。一方面是事故发生的客观情况，如碰撞强度，碰撞类型，乘员的身高、 体重，乘坐位置，车辆的类型和大小等。另一方面是车辆上安装的防护系统及其使用情况，例如是否使用了安全带和安全气囊及它们的尺寸、容量等。因而，要对安全气囊有效性做出客观准确的评价，找到影响其防护效果的主要因素难度很大，是安全气囊研究领域的重要问题。它涉及到工程学、交通事故损伤流行病学、损伤生物力学和统计学等多个学科，是综合性很强的研究领域。
安全气囊依据其作用的不同分为防止前碰撞损伤的驾驶员安全气囊、前座乘客安全气囊和侧面碰撞防护安全气囊等。安全气囊在防止重大损伤和减少事故死亡的同时，也可能由于它的快速展开而引发新的损伤，本文将此种损伤称为“气囊损伤”。如何保证安全气囊对各类汽车乘员在各种碰撞条件下提供最有效保护的同时，减少甚至避免气囊损伤，是目前汽车乘员约束系统研究的最主要问题之一。本文通过对安全气囊防护有效性、气囊损伤和相关技术发展的综述，剖析了这一领域涉及的范围广泛的问题。
二、安全气囊对乘员的防护效果
1998 年，美国农业互助机动车保险公司在调查该公司投保用户事故数据后发表的研究结果显示，安全气囊的展开频率为 27 次/161 万公里和每千次碰撞事有 95 次气囊展开；尽管气囊使损伤的发生率略有增加，但中等程度损伤和重伤下降了 35%。英、法、德、日学者也有很多类似研究。
在事故分析理论和损伤流行病学研究方面更具有参考价值的另一研究是 MalliariS 等人完成的。这项研究所使用的数据是 NASS/CDS1988 ~ 1994 和FARS1991 ~ 1994 事故数据。该项研究采用了EvanS配对比较法并使用统计学的方法分析数据的误差，在损伤和相关损失的评价中使用了HARM指标，并采用了等价死伤率（EFE-Eguivalent fatality eStimate）等新概念评价损伤程度。研究针对约束系统的防护效率，分析了各种约束装置的使用与范围广泛的参变量之间的关系。结论为：使用不同约束系统降低死亡的效率为，安全气囊 + 安全带：（56.3 1 3.2）%，只有安全气囊：（25.4 1 11.8）%，只有安全带：（48.5
15.5）%；在前碰撞中对应的三项防护效率分别为（76.3 1 11.8）%，（19.4 1 17.8）%，（51.6 1 7.5）%。1996 年 NHTSA 公布了各种汽车乘员碰撞安全约束系统防护效果的统计数据：安全气囊使正前碰撞事故中的死亡减少了31%，气囊和 3 点式安全带共同使用使中等程度的头部损伤减少了83%，严重头部损伤减少了 75%；中等程度胸部损伤减少了59%，严重胸部损伤减少了66%。
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三、安全气囊对乘员的损伤
1995年美国高速公路安全保险研究院报道了美国829辆安全气囊展开的交通事故，发现有 43%的事故中至少有一处是气囊损伤。这些损伤中，有96%是 AIS1，3%是AIS2，1%是AIS3，并有 4 例是气囊致死。气囊损伤对儿童来说常常是致命的。加拿大第一例气囊展开导致儿童死亡的事故发生在1996年5月［11］，在一次轻微的追尾碰撞事故中碰撞前的紧急刹车引起气囊展开，导致坐在前排右座的4 岁儿童严重的颈部损伤致死。美国早就有关于个子矮小的驾车人和儿童被气囊严重损伤甚至致死的报道，在美国国内引起了很大的反响。1996 年NHTSA 组织了特别碰撞事故调查（SCI），调查确认99例气囊造成的死亡事故，其中57例为儿童，42例为成人。死亡事故的受害者主要是离位的儿童和驾车人。德、英、澳等国也有类似的报道。
4.2 安全气囊的工作过程和气囊损伤产生的原因
通常，在汽车发生最初碰撞15 ~ 20 ms以后由传感器引发气囊展开的过程：以碰撞发生为计时起点，首先是在 18 ~ 23 ms 内传感器引爆烟火装置，并点燃气体发生器，在21 ~ 27 ms时气体充入气袋使其膨胀并展开，整个过程大约需要 20 ~ 40 ms。在这段时间内，乘员在惯性的作用下相对汽车车身向前运动大约 125 ~ 150 mm，在 45 ~ 50 ms 时接触到已完全展开的气袋。由于气袋的阻隔，避免了乘员与汽车内部结构发生直接碰撞，从而起到了防止损伤发生的作用。气囊展开的过程中同时也通过排气孔排气，约在 100 ms 左右整个防护过程完成。因而，目前气囊展开设计的准则简单说就是气袋30 ms完全充气时，乘员在惯性力的作用下前移了125 mm。显然，这一准则是与时间—速度和乘员的初始位置直接相关的，只要其中任何一个因素有变化，都将影响到损伤防护的效果。尤其值得注意的是，安全气囊防护本质上是一个瞬态动力学过程，要求气袋瞬时在一个有限的空间以一定的强度展开，必然要释放极大的能量。研究表明气囊展开速度的峰值可达到192 ~ 320 km/h 并可产生约9kN 的冲击力。安全气囊防护的这些特点，决定了它在完成防护过程的同时也存在引发新的损伤的潜在因素—乘员如果在气袋膨胀的开始阶段与之接触，可能会由于气袋展开力的“拍击”，而遭受由于安全气囊而导致的损伤。
根据文献分析，发生气囊损伤的主要原因可归纳如下：
（1）气囊在中、低碰撞强度的事故中以高强度方式展开，有安全带本来不会产生损伤，气囊的展开反而导致损伤甚至死亡。
（2）低的展开阈值（16 ~ 25 km/h）引起不必要的展开是造成气囊损伤的直接原因之一。
（3）偏置碰撞或与桩状障碍物碰撞时气囊延时展开，导致防护失败。
（4）乘员靠气囊太近，处于离位状况。离位的主要原因是没有使用安全带或使用不当，或由于碰撞前的紧急刹车造成的。
（5）儿童和婴儿离位或坐在向后的婴儿椅上靠近了气囊安装点。
（6）气囊展开过程中乘员身体与气囊接触或被展开力推动发生损伤。
（7）乘员与气囊排气过程喷出的气体接触而灼伤
我国在汽车安全性和安全气囊技术研究方面已开展了一些研究工作，但是与先进国家相比，无论是研究的深度和规模，还是汽车安全设备的推广应用，都还有很大的差距。我们认为对以下两方面必须予以高度重视并采取有力措施。
（1）国家交通管理部门和相关立法机构应与专家合作，尽快着手建立我国的事故损伤监测体系和事故损伤数据库，并完善相关法规，逐步形成我国科学的交通损伤防护研究和保障体系。
（2）交通事故损伤防护涉及到工程学、医学、交通管理、事故保险和立法，综合性很强。国家和企业要以交通损伤流行病学和损伤生物力学研究为基础，加强试验和仿真技术研究。在对车辆交通事故和损伤机理深入研究和了解的基础上，制定安全措施，开发先进的防护装置
论文作者:刘素奎,李新雷
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：损伤论文; 气囊论文; 安全气囊论文; 乘员论文; 防护论文; 汽车论文; 事故论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;