图1  有/无配置膝部安全气囊的碰撞过程对比

研究表明，在正面碰撞中，膝部安全气囊能够有效保护乘员的膝部、小腿、脚踝和脚，从而提高乘员安全保护。膝部安全气囊通常安装在驾驶座的转向柱下或乘员座的储物箱下。低置模块（Low-Mounted Module）膝部安全气囊应用了下一代的膝部安全气囊技术，具有体积小、重量轻的优点，使得整车制造商能在设计上发挥更大灵活性，也更易实现系统集成。

膝部安全气囊的出现及功能

膝部挡板，即仪表板下的泡沫填充板，20世纪90年代最早应用于美国车上，这也是世界上最早的用于保护正面碰撞中乘员腿部和膝部的安全装置。

同时，另一种安全保护装置，即安全气囊，被证明了保护驾驶员和乘员的作用。然而，美国国家高速公路交通安全管理署（NHTSA）1997年发布的一份报告显示，尽管安全气囊有助于降低乘员在碰撞中的伤亡率，但是在这些事故中，仍然出现了多起乘员下肢受到严重伤害的案例。为此，NHTSA建立了一个生物力学模型，用于进行有关髋关节和膝关节受伤的损伤机理和人体耐受性分析。

图2  驾驶员膝部安全气囊位于转向柱下

2002年，NHTSA发布报告，解释了对膝部进行约束保护的作用和相关安全法规。“膝部约束系统的设计主要为满足美国联邦机动车辆安全标准第208条中‘未使用安全带’部分的要求，即股骨（即大腿骨）冲击力限值必须满足48 km/h、±30°壁障碰撞的要求。除此之外，膝部保护装置也会在车辆发生严重碰撞事故时，给那些系好安全带的乘员下躯体提供额外的保护。”

此后的研究证实，与膝部挡板的碰撞是引起髋关节受伤的根本原因。这一点非常重要，因为如果髋关节受伤，其危险程度远高于腿部或脚踝受伤。

膝部安全气囊的主要功能是通过改变乘员碰撞动力，使乘员上半身受到的冲击力最小化，即使乘员未系安全带，也可同时减小碰撞对大腿的冲击力，并且把乘员的脚和小腿约束在一个车厢地板和踏板之间的相对合适位置。美国高速公路安全保险协会（IIHS）认为，膝部安全气囊能够分散碰撞力，有效降低乘员腿部受伤的严重程度。

图1显示了在碰撞事故中，如何通过座椅安全带和膝部安全气囊的共同作用，使车内乘员保持在一个合适的位置。

这些研究结果得到了整车制造商的响应。在2008年的新车中，美国市场销售的40款新车和欧洲市场销售的45款新车都把膝部安全气囊作为标准或选装配置。

在美国和欧洲，膝部安全气囊尚未成为强制性法规，立法部门正进一步考察其性能。目前NHTSA进行的研究评估，考虑把膝部－大腿－髋关节（KTH）评估添加到美国NCAP评分程序中。

而欧盟市场的新车评价体系中，已经增加了膝盖损伤计算公式，对装配膝部安全气囊的车辆进行评分。欧洲NCAP已明确表示，在碰撞事故中，膝部安全气囊能够降低因集中冲击力而引起的膝部伤害风险。

图3  膝部安全气囊安装在仪表板的下后方

膝部安全气囊设计挑战

第一代膝部安全气囊的开发重点集中在气囊的快速展开和可调节的气囊压力上，以确保碰撞事故发生时，尽可能迅速地给乘员的下肢提供保护。

在测试中，多气室安全气囊很少被用于保护碰撞假人从股骨到骨盆的部位。安全气囊拉带是保证气囊展开时所需的水平稳定性的重要部件，可以根据车辆状况和乘员身体尺寸做出正确的调整。获专利认证的水平拉带技术，是TRW公司的早期创新成果。该技术赋予气袋一种特殊的充气方式，以提高模块的约束性能。

除模块化零部件，如气体发生器外，膝部安全气囊模块安装位置是确保膝部安全气囊尽早展开的最关键因素——而理想的位置是乘员膝部的正前方。

在驾驶席区域，由于转向柱及相关部件安装在此，因此早先的设计方案是将气囊模块安装在转向柱下方。实际上，当时有些膝部安全气囊甚至被设计成围绕转向柱安装。

起初，膝部安全气囊的展开，得从装在仪表板上的一个门后弹出。此后工程师们不断探索膝部安全气囊一体化的方法，包括减小模块的尺寸、尽可能把它安装在转向柱下方等。

后来，许多安全气囊模块采用隐藏在仪表板下方的设计方法，在气囊引爆时沿仪表板面板边缝裂开（见图2）。目前，该种设计依然是主流。对于设计师和工程技术人员来说，挑战在于如何把这个可见的面板设计得更稳定、轻质。气囊需要从裂缝面板弹出并展开，因此，面板的设计必须足够轻薄，以确保最小化所需的盖板开启力。与此同时，可见的缝线和面板必须满足整车制造商对于色彩、纹理和凹痕（sink marks）的要求。

未来解决方案的目标是实现轻质、隐性、成本经济且容易一体化，能提供相同程度的主动膝部保护。这意味着，在满足弹出时间要求以及保证与传统模块同等可靠性的前提下，膝部安全气囊的充气过程必须在仪表板底部边缘区域被引导进行（见图3）。来自设计方面的挑战还有，尽量减轻模块的重量，并确保它能与不同类型车辆的设计实现一体化。

TRW的设计方案

TRW已经推出了多种膝部安全气囊设计，以及一个能足以应对以上设计挑战的新方案。位于德国Alfdorf的TRW下属机构正着重研究展开过程中气囊的运动特性，进行多项工程研究。其突破性成果，是一个特殊的安全气囊控制系统，它具有精确定位、长度经精确调校的拉带，用于管理一个专用的折叠式气囊的展开。这就是低置型模块解决方案（Low-Mounted Module，以下简称“LMM”）（见图4）。

图5   LMM膝部安全气囊充气率

由于LMM是从下方安装到仪表板背后，因此模块只需要一个保护封盖即可。安装这个创新型的单元后，对汽车仪表板的表面毫无影响。集成化的简洁设计，不但使LMM格外高效，而且具有优秀的燃油经济性，其质量仅为1.2 kg，远低于目前市场上同类产品1.6 kg的平均水平。

内置的特殊气体控制系统实现了LMM气囊的快速展开（见图5）。LMM的充气由TRW专利技术——第二代侧面混合气体发生器（SHI-2）控制。侧面混合气体发生器技术使用一个烟火气体发生器来加热储存的气体，为气囊充气。第二代气体发生器SHI-2中，由于气体排出方向与电源连接方向相反，故可以进行简单的模块附加。

LMM扩展了TRW的安全气囊模块产品线（见图6）。这项新技术所具备的紧凑型设计、低模块布置和易于适用各种车型等特点，有望对提升现有行业标准起到一定的促进作用。该模块与任意车辆的匹配，通常只需要调节气袋即可，是一个全新的方法。装配LMM的车辆，其仪表板后的空间，也就是传统膝部安全气囊模块安装的位置，可用来装配其他零部件，仪表板的设计不受影响。

图6  TRW膝部安全气囊组合

展望

TRW推出的第二代低置型膝部安全气囊模块比上一代产品质量更轻、体积更小，而TRW的新技术研发并未止步——针对各国政府大幅减少道路交通死亡人数的目标，汽车上将装备更多、更先进的安全系统，在碰撞前相互通信，整合数据，分析应对，以尽量避免车祸。而一旦事故最终发生，膝部安全气囊则与其他安全气囊协同工作，将前排乘员身体约束在合适的位置，为其提供最大可能的安全保护。