专利名称：具有生物力学灰色区域的气囊系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机动车辆安全约束系统，它具有限定约束系统操作的生物力学灰色区域。
充气机技术的发展实现了多级输出气囊充气机的使用。尽管这些新型的充气机在大范围的碰撞条件下显著提高了车辆乘客的安全性，但它们也大大增加了系统的设计和性能的复杂性。
在分析气囊系统性能时，将系统分成三个分离的体系是有用的1.信息获取有关碰撞和车辆乘客的信息；2.分析/决定分析所获取的信息，以确定碰撞的性质和前座乘客的状况，并决定如何相应地展开气囊系统；以及3.响应响应于决定而调节气囊(即充气机)的展开。
气囊系统通过传感器获取信息。所有的气囊系统都有某种碰撞传感器，它们表明碰撞的发生及其剧烈程度。这些系统用一种算法来处理来自碰撞传感器的信息，以决定如何展开气囊。这些系统还可具有提供有关座位安全带使用，儿童座位使用，车辆乘客重量、尺寸和位置，以及座位位置等的信息的传感器。电子控制单元使用传感器的信息来决定是否以及何时要展开气囊。使用这些先进技术的气囊系统使用所述信息来确定多级气囊的充气级别。
气囊系统的信息、分析/决定和响应这几个方面提供了提高车辆乘客保护的可能。例如，通过改善有关碰撞剧烈程度的信息，在碰撞中可以更早地决定是否要展开气囊。如果气囊系统具有提供有关车辆乘客重量和/或尺寸或位置的信息的传感器，则它可以设计成在有婴儿时抑制展开或者对个头较小成人和个头较大成人的展开程度不同。对这些先进的系统来说，关键的是是否能根据碰撞情况以不同的级别来启动多级充气机。在说明书和权利要求书中，适宜启动低级别或高级别输出的区域称作生物力学灰色区域。
通过使用特定车辆模型和碰撞情况的模拟研究来限定生物力学灰色区域。使用车辆乘客模拟模型来分析冲击速度和约束情况。在实例情况下，仅对在适当位置的、坐在中间的、50％(百分之五十)的车辆乘客行为进行了研究；当然可以想象，具有生物力学灰色区域的一实际约束系统的开发包括不同尺寸的车辆乘客。附图简述
图1是本发明的汽车安全约束系统的视图。
图2和3是用于开发本发明优选实施例的计算机模型的屏幕场景。
图4是表示驾驶员和乘员充气机的高级别和低级别输出的曲线图。
图5-7是表示系安全带和未系安全带的驾驶员和乘员的计算机模型的响应与滑板试验之间的相关性的曲线图。
图8表示生物力学灰色区域的限定。
图9表示具有一传感器灰色区域的生物力学灰色区域。
图10和11表示驾驶员的生物力学灰色区域的一个实例。
图12和13表示乘员的生物力学灰色区域的一个实例。
图14表示生物力学灰色区域。
图15表示驾驶员和乘员的生物力学灰色区域的重叠。
图16表示复合的驾驶员和乘员生物力学灰色区域。发明详述虽然下面大体是针对一车辆安全约束系统在向前碰撞的情况对本发明进行详细描述的，但本技术领域的技术人员可以理解，本发明明显不局限于向前检测碰撞，而可应用于其它各种碰撞情况，诸如侧向冲击或翻滚，如本文进一步讨论的。
图1是一通常的车辆乘员车厢26的视图，它按本发明的一优选实施例具有多个传感器，这些传感器可用来控制车辆的安全约束系统的操作特性。车辆安全约束系统包括一回缩器27，围绕该回缩器卷绕有一座位安全带29。一预张紧器或紧带器28与回缩器或一带扣相联。一预张紧器管31启动预张紧器。仪表板34中，或者方向盘或车辆侧部或车辆座位的侧部中安装有一气囊模块30。
先进的气囊系统使用一碰撞传感器25和车辆乘客传感器24来获得有关碰撞和车辆乘客的信息。该信息可用来使气囊的性能适应于碰撞的特性。如上面所提到的，它可用来决定是否应展开气囊38、应何时展开、以及充气的级别和速度(如果有多个充气级别的话)。
碰撞传感器25测量碰撞的剧烈程度，即车辆在撞击另一物体时的减速率。如果检测到剧烈程度相对较小的碰撞，则仅启动双级气囊充气机的低级别；如果检测到剧烈程度中等的碰撞，则启动双级气囊充气机的低级别和高级别，并使两个级别之间有一个特定的时间延迟；如果检测到更为剧烈的碰撞，则同时或者以两级别之间时间间隔非常小(5-10毫秒)的方式启动两个级别。
来自碰撞传感器的信息结合座位安全带使用传感器一起用于选择系安全带和未系安全带的车辆乘客的合适的碰撞剧烈程度阈级。例如，可设想多个用于气囊展开的速度阈值，本发明的课题就在于阈值速度的设定。例如，当车辆乘客未系安全带时，车辆可以具有约在19公里/时的较低的气囊展开阈值，而当车辆乘客已系安全带时，可使用约在29公里/时的较高阈值。带扣开关提供信息以供在这两个阈值之间进行选择。
气囊模块30具有一气囊38，它折叠并存放在一气囊壳体42内。展开门46盖住气囊，并构制成在气囊充气时打开。展开门可以是仪表板的一部分，也可以与其分离。
充气机具有安装在气囊壳体42背部的第一气源52和第二气源54，并可操作地连接于气囊38。第一和/或第二气源52、54为气囊提供气体，以使气囊充气。
气源52、54通常具有电动点火器48、50，它们称作引爆管。这些引爆管启动第一和/或第二气源52、54，以产生或释放充气气体。引爆管可以单独启动、同时启动或分级按序启动，以控制气囊展开的速度或程度。
除了将碰撞剧烈程度和座位安全带使用信息用于双阈值策略之外，通过使用多级气囊充气机，还可以利用该信息而对系安全带和未系安全带的车辆乘客采用不同的充气级别。例如，系安全带的车辆乘客仅需要小功率的充气级别，因为座位安全带也可提供约束，而未系安全带的乘客就可能需要满功率的气囊，以提供及时的充气和充分的气囊保护。同样，碰撞剧烈程度信息可以与多级充气机一起使用，以将低级别的气囊充气用于低剧烈程度的碰撞，或将满功率的充气用于高剧烈程度的碰撞，在高剧烈程度的碰撞中，需要额外的约束用于车辆乘客保护。
当检测到碰撞时，引爆管48、50、通风阀、回缩器27和/或带扣预张紧器28由一诸如微型计算机之类的控制器62电气启动。该控制器62提供必要的信号，以产生合适的气囊动态充气轮廓，并调节座位安全带以适应具体的碰撞条件和车辆乘客的姿态和/或位置。
另外，可以设有其它的传感器，它们在有儿童在场时抑制气囊以防不希望有的展开。为此，制造商正在改进座位重量或座位形式识别系统，用于检测车辆乘客的尺寸和/或位置。
设置在座垫72中或座位底部的重量检测系统70通过各种不同的测压元件技术估计车辆乘客的重量。当座位靠背向后倾斜到足以将车辆乘客的较显著的一部分重量从座垫传递座位靠背时，后一种方案可避免可能产生的问题。与这些器件相关的算法可以通过使用安全带张紧力测量器件来调节重量的估计，从而考虑和尽量减小安全带束紧力(例如来自儿童安全座位)的影响。
正在发展中的其它先进的车辆乘客检测系统采用诸如电容性、超声波和红外线传感器之类的技术来检测车辆乘客的尺寸和/或相对于气囊模块的位置。这些技术可用于开发动态和静态抑制策略。
静态车辆乘客检测系统的策略能够对特定尺寸和/或位置的车辆乘客确定气囊展开是否允许，或者什么级别的充气较合适。例如，车辆乘客是个头较小的儿童还是大个头的成人，或者车辆乘客是靠在座位靠背上还是坐在座位的边缘并靠近于气囊。这些技术可以结合座位重量检测/形式识别系统、或者座位安全带使用和碰撞剧烈程度检测一起使用，以改进车辆乘客的分类和位置估计。
使用诸如电容性、超声波和红外线装置24之类技术的动态抑制策略可以通过确定车辆乘客在碰撞过程中的位置来动态估计车辆乘客何时不在适当位置。这些技术具有快速检测能力和算法，以决定展开气囊或抑制展开，例如在冲击前的制动情况下。
气囊系统与确定车辆乘客是否使用了他或她的座位安全带的传感器以及车辆乘客将车辆座位沿座位导轨74(即向前或向后方向的所有或几乎所有位置)定位于何处。使用碰撞传感器25和双级充气机52、54的先进的气囊系统用座位安全带使用信息来调节展开阈值或充气级别。由于未系安全带的车辆乘客在不太剧烈的碰撞中比系安全带的车辆乘客更容易受伤害，因而未系安全带的车辆乘客需要气囊保护的碰撞剧烈程度要低于系安全带的车辆乘客。因此，对于未系安全带的车辆乘客来说，气囊会在较低的阈值下展开。
座位位置传感器76判定座位沿前后方向在其导轨74上调节成什么位置。先进的气囊系统72设计成，当座位始终处于靠前位置时双级气囊38的展开级别要低于座位处于靠后位置的情况。这对于始终将座位移得靠前的矮身材驾驶员或者将座位移得靠后的中等到高身材驾驶员来说是有益的。
双级充气机52、54的实施对本发明来说是重要的。充气机输出的灵活性能够根据冲击速度或其它标准来启动低级别、高级别或分级延迟级别。为便于说明以下实例，仅考虑高级别和低级别输出。限定生物力学灰色区域就是限定这些点燃阈值。在说明书和权利要求书中，适宜展开低级别或高级别输出的区域称作生物力学灰色区域。
由于系统的复杂性和系统要求，必须进行一组复杂的计算机碰撞模拟来对生物力学灰色区域进行确定和系统限定。这些模拟用来确定在什么情况下约束部件的启动可能会提高总的车辆乘客安全性，并用来确定因约束部件启动而造成伤害的可能性何时会增大。下面限定这种约束模拟的一个实例。
以下的实例表示如何限定一给定约束系统的生物力学灰色区域。图2和3表示一种普通的、在工业上有代表性的车辆的内部。驾驶员和乘员模拟模型相对于滑板试验相关。图2和3表示系安全带的驾驶员和未系安全带的乘员的运动。驾驶员气囊和乘员气囊模拟模型与一物理动态冲击塔架(drop-tower)试验相关，以使气囊能相关。
模拟中所使用的碰撞脉冲由单体车身式车辆的障壁碰撞试验产生，或用公知的算法从这些试验换算。表1表示脉冲、它们的点燃时间(TTF)及相应来源的一个列表。
用于这种研究的充气机是分别用于驾驶员和乘员的ARC混合双级ADH-SDO和APH-TFA040。图4表示ADH-SDO和APH-TFA040的高级别和低级别储罐压力时间关系曲线图。
普通模型初始在一系统和子系统级别相关联。对于驾驶员内部模型关联，使用48公里/时的系安全带和未系安全带的配置。图5和6表示模型与滑板试验之间的驾驶员关联。将驾驶杆行程和方向盘轮缘刚性与冲击塔架试验相关联。在仅系安全带的滑板试验条件下进行系安全带模型的关联。对于乘员内部模型的关联，使用AAMA未系安全带的配置。图7表示乘员关联。
在高级别和低级别输出下进行一系列储罐试验。对驾驶员充气机(ADH-SDO)和乘员充气机(APH-TFA040)进行这些试验。记录储罐试验压力时间关系曲线，然后在一车辆乘客模拟设计储罐试验中进行模拟。而后，在气囊验证中使用经关联的充气机输出。
在竖直冲击塔架中对该双级气囊进行试验，记录冲击物加速度和气囊压力。该数据用来使气囊相关联，然后输入系统级别模型。
通过在一子系统级别使模型相关联，模型的预测车辆乘客行为趋势的能力有较高的可信度。而后，这些模型与以下变量一起用于一全因子DOE(设计的实验)中冲击速度、充气机输出和安全带状况。
由于引入了双级气囊，车辆碰撞控制器检测必须决定何时点燃高级别和低级别充气机输出。对每个点燃级都必须产生一必须点燃阈值。由于传感系统的性质和车辆结构，将会有一个传感灰色区域80，其中系统可点燃低级别或高级别，并可启动不点燃或低级别点燃。为确保车辆乘客的安全性，约束系统必须具有一个等于或大于该传感灰色区域82的等价的灰色区域80。该约束系统灰色区域称作生物力学灰色区域。图8示出了充气机阈值和生物力学灰色区域80。图9表示传感灰色区域与生物力学灰色区域80之间的关系。使用生物力学灰色区域80对于未系安全带的车辆乘客尤为重要。
在该实例中，基于生物力学的不点燃高级别充气机输出阈值速度84限定为这样的速度，即低输出充气机产生的处于适当位置的车辆乘客行为值高于高输出充气机，但不超过伤害估计基准值(IARV)目标。这可限定何时可点燃高输出充气机。在某些情况下，由于没有超过IARV目标，因而可以将不点燃高级别阈值速度设定在一更低或更高的速度。
基于生物力学的必须点燃高级别充气机输出阈值速度86限定为这样的速度，即具有低级别充气机输出的车辆乘客行为超过IARV目标。在该点84，必须点燃高输出充气机。不点燃高级别与必须点燃高级别阈值速度之间的速度区域限定为生物力学灰色区域80。
曲线88是具有低级别输出的系统的性能曲线。曲线90代表一高输出充气机的给定IARV级别的性能。区域92限定了对于一给定碰撞，高级别输出提供的结果好于低级别充气机或不点燃充气机场合的区域。区域94限定了车辆乘客所看到的小于具有低级别充气机的IARV目标的区域。应予注意，这些区域由每个IARV级别限定。系统的生物力学区域是图14中所示的区域80的组合。
如图5-7所示，车辆乘客模拟模型在于预测颈部反应。为此，在该模拟研究中限定生物力学灰色区域时未使用这些值。如果要将该模拟用于估计颈部生物力学灰色区域，需要进一步的工作来改进颈部关联。
为便于说明该实例，IARV目标归一化于FMVSS 208值的100％，如美国国家公路交通安全管理局的1998年9月的“用于估计先进汽车约束系统的改进的伤害标准的发展”中所限定的。实际上，汽车制造商趋向于使用等于或小于规定的FMVSS值的80％，以提供柔性裕度。表2表示每个伤害值的IARV目标，如NHTSA所限定的。由于这些值容易被政府或汽车制造商改变，因而它们仅仅是示例性的。
从图10开始，附图表示每个充气机输出的相对于每个IARV目标而归一化的车辆乘客行为值，它是冲击速度的一个函数。生物力学灰色区域80的上、下限叠加于各曲线图上。这为每个车辆乘客行为值限定了生物力学灰色区域。而且，根据所有的车辆乘客行为值，还示出了一最小生物力学灰色区域80的曲线图。
图10表示一系安全带的驾驶员的结果。计算出的具有低级别的车辆乘客行为不穿过计算出的具有高级别的车辆乘客行为，因而生物力学灰色区域的低位端设定为估计的最小速度，即19公里/时。
具有低级别充气机输出的车辆乘客行为值不超过估计速度范围的IARV目标，因而生物力学灰色区域的高位端设定为估计的最大速度，即56公里/时。
对于高级别和低级别，可观察到最小的车辆乘客行为分离。这归因于座位安全带的作用。所得到的生物力学灰色区域的范围为19公里/时到56公里/时。具有低级别充气机输出的头部G’s在35公里/时处超过IARV目标；这限定了生物力学灰色区域的高位端。高级别充气机输出的头部G’s在44公里/时处超过IARV目标；所需的速度大于48公里/时，建议需要改善约束系统。所得到的生物力学灰色区域的范围为19公里/时到35公里/时。
图12表示系安全带的乘员的结果。计算出的具有低级别的头部G’s车辆乘客行为在37公里/时处穿过计算出的具有高级别的头部G’s车辆乘客行为；这限定了生物力学灰色区域的低位端。
具有低级别充气机输出的车辆乘客行为值不超过所估计的速度范围的IARV目标，因而生物力学灰色区域的高位端设定成估计的最大速度，即56公里/时。对于高输出和低输出级别，可观察到最小的车辆乘客行为分离。这归因于座位安全带。所得到的生物力学灰色区域的范围为37公里/时到56公里/时。
图13表示未系安全带的乘员的结果。计算出的具有低级别的胸部挠曲车辆乘客行为在45公里/时处穿过计算出的高级别的胸部挠曲车辆乘客行为，但有最小的分离，并且伤害值的大小低于IARV目标的30％。胸部挠曲交点被忽略，并且生物力学灰色区域的低位端可设定成估计的最小速度，即19公里/时。具有低级别充气机输出的头部G’s在30公里/时处超过IARV目标；这限定了生物力学灰色区域的高位端。
高级别充气机输出的头部G’s在41公里/时处超过IARV目标；所需的速度大于48公里/时，建议需要改善约束系统。所得到的生物力学灰色区域的范围为19公里/时到31公里/时。
对于每个约束条件，计算每个IARV的生物力学灰色区域80。然后，覆盖每个IARV的生物力学灰色区域80，以识别每个约束条件的最小灰色区域。图14表示因所有IARV而产生的最小灰色区域。
另外，图14表示关于IARV目标的约束性能。对于未系安全带的车辆乘客来说，在低于48公里/时的速度下，车辆乘客行为值不应超过IARV目标，而对于系安全带的车辆乘客，在低于56公里/时的速度下不应超过IARV目标值。
系安全带的驾驶员的生物力学灰色区域横跨所估计的整个速度范围，建议在所考虑的速度范围之外进行进一步研究后才可限定生物力学灰色区域的实际界限。在所估计的所有速度下，都满足IARV目标。
未系安全带的驾驶员的生物力学灰色区域的低位端是由最低估计冲击速度限定，而不是由低级别和高级别充气机输出车辆乘客反应曲线的交点来限定。这可能要求在给定速度范围以下进行进一步研究。头部G’s控制生物力学灰色区域的高位端。头部G’s在一低于所需最大速度的速度超过IARV目标。
头部G’s控制系安全带的乘员的生物力学灰色区域的低位端，而在所估计的速度范围之内，生物力学灰色区域的高位端不受任何控制。在所有的估计速度下，都满足IARV目标。
未系安全带的乘员的生物力学灰色区域的低位端由最低估计冲击速度设定，而不是由具有低级别和高级别充气机输出的车辆乘客行为曲线的交点来设定。在给定的速度范围以下，可能需要进行进一步研究。头部G’s IARV目标控制生物力学灰色区域的高位端。对于未系安全带的乘员，头部G’s在所估计的最大速度以下超过IARV目标。
可以对驾驶员和乘员计算单独的生物力学灰色区域。当将它们组合时，对车辆乘客行为可产生一总的复合图。图15表示生物力学灰色区域随冲击速度而变化的函数关系。驾驶员和乘员相重叠的区域限定了复合生物力学灰色区域，假定使用共同的驾驶员和乘员阈值。
图16表示各约束条件的复合驾驶员和乘员生物力学灰色区域。图16限定了对高输出或低输出充气机可产生可接受的生物力学灰色性能的速度范围。生物力学灰色区域可与碰撞算法所产生的传感灰色区域相重叠。理想的是，传感灰色区域应落在生物力学灰色区域之内。图16可用于识别传感器和约束系统性能之间的差异，并且对于实现一平衡的约束系统设计来说是至关重要的。
系安全带的驾驶员的生物力学灰色区域横跨所估计的整个速度范围。在所估计的速度范围之内，系安全带的驾驶员对于低级别或高级别充气机输出都满足所有的IARV目标。未系安全带的驾驶员的低位端生物力学灰色区域由最低估计冲击速度设定。未系安全带的驾驶员的高位端生物力学灰色区域由头部G’s控制。这看来是由头部与挡风玻璃的接触造成的。
未系安全带的驾驶员在最大估计速度以下的一个速度超过头部G’s目标。系安全带的乘员的低位端生物力学灰色区域由头部G’s控制，但高位端不受任何车辆乘客行为测量值控制，而是基于最高估计冲击速度。
未系安全带的乘员的低位端生物力学灰色区域由最低估计冲击速度设定。未系安全带的乘员的高位端生物力学灰色区域由头部G’s控制。未系安全带的乘员在低于最大估计速度的一个速度超过头部G’s IARV目标。
权利要求
1.一种用于控制车辆安全约束系统的操作特性的车辆乘客传感装置，包括一气囊模块(30)，它具有一能够产生低级别输出的充气机(52)和一能够产生高级别输出的充气机(54)；一碰撞传感器(25)，它在碰撞过程中产生表明车辆减速的第一信号；一接收第一信号的控制器(62)，所述控制器具有一第一下阈值，该第一下阈值用于表示应启动能产生低级别输出的充气机(52)的最小速度变化，并具有一第一必须点燃上阈值，该阈值用于表示一最小速度变化，并产生一用于控制车辆安全约束系统的操作特性的控制信号；其中，所述第一下阈值(84)限定为这样的速度，即能产生低级别输出的充气机(52)产生的在适当位置的车辆乘客的性能值高于能产生高级别输出的充气机(54)，而不超过脱离适当位置的伤害估计基准值(IARV)目标；并且必须点燃高级别充气机输出阈值限定为这样的速度，即具有低级别输出充气机的车辆乘客行为超过伤害估计基准值(IARV)目标。
2.如权利要求1所述的车辆乘客传感装置，其特征在于，IARV目标归一化于美国FMVSS 208值的100％。
3.如权利要求2所述的车辆乘客传感装置，其特征在于，伤害估计基准值(IARV)目标从以下的组中选择HIC(36毫米)、头部g’s、胸部g’s、胸部挠曲、CTI、颈部剪切、颈部张紧、颈部压缩、颈部伸长、及它们的组合。
4.如权利要求1所述的车辆乘客传感装置，其特征在于，IARV目标低于美国FMVSS 208值。
5.如权利要求4所述的车辆乘客传感装置，其特征在于，至少一个IARV目标位于美国FMVSS 208值的60％与80％之间。
6.如权利要求1所述的车辆乘客传感装置，其特征在于，它还包括一第一传感器(73)，该传感器提供车辆乘客的座位安全带是否正确接合的安全带信号。
7.如权利要求6所述的车辆乘客传感装置，其特征在于，它还具有一第二下阈值，该阈值表示当所述第一传感器(73)提供一个表明车辆乘客的座位安全带已正确接合的信号时，应启动能产生低级别输出的充气机(52)的最小速度变化。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，它还具有一第二必须点燃上阈值，该阈值表示当所述第一传感器(73)提供一个表明车辆乘客的座位安全带已正确接合的信号时，应启动能产生高级别输出(54)的充气机(54)的最小速度变化。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，控制器(62)限定不点燃高级别和必须点燃高级别阈值速度之间的一个速度区域，其中，既可启动能产生低级别输出的充气机(52)，也可启动能产生高级别输出的充气机(54)。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于，它还包括一用于确定车辆乘客在车厢(26)内的位置的传感器(24)。
全文摘要
一种双级充气机(52，54)具有能独立、同时或以延迟方式点燃的引爆管(48，50)。这种灵活性能够根据冲击速度或其它参数来启动一低级别、高级别或分级延迟级别。对于每个约束情况，都识别充气机输出阈值速度。根据车辆乘客行为，限定每个伤害估计基准值的生物力学灰色区域。每个生物力学灰色区域的上、下限与一种类型的车辆乘客、充气机输出、安全带约束和伤害参数相关。
文档编号B60R21/01GK1427782SQ01808895
公开日2003年7月2日 申请日期2001年3月9日 优先权日2000年5月1日
发明者J·库珀 申请人:勃利德汽车技术股份有限公司