高空坠落安全气囊设计研究

2024年3月20日发(作者：猎豹汽车报价及图片大全)

《装备维修技术》2023年第5期（总197期）

doi:10.16648/.1005-2917.2023.5.004

高空坠落安全气囊设计研究

王哲

1

，吴波

1

，张嵩

2

，王烨

1

，赵展浩

1

，梁婧

1

（1.长春工程学院机电工程学院，吉林 长春 130012；

2.吉林广播电视台卫视频道，吉林 长春 130119）

摘要：随着高空作业人员数量剧增，高空的作业安全成为用人单位和社会的棘手问题。为此，

提出了一种高空坠落安全气囊，专为这类人群量身定做，当高空作业人员不慎坠落时，可以自

动充气起到保护和防撞作用。该设计采用了一种五边形导气管分别连接至头部、双臂、前胸和

后背，气囊采用分块结构，减少了不必要的气囊面积并且大大缩短了气囊的充气时间。当人体

处于失衡状态时，叠氮化钠充气装置将气体放出，快速对头部、双臂、前胸和后背充气，腿部

气囊也是如此，上半身气囊和下半身气囊同时充气。气囊最内层还有缓冲层，对人体的各个关

键部位进行二次保护，大大提高了安全性。

关键词：高空作业；安全气囊；自动充气；人身安全

High Fall Airbag Design

Wang Zhe

1

, Wu Bo

1

, Zhang Song

2

, Wang Ye

1

, Zhao Zhanhao

1

, Liang Jing

1

(1? School of Mechatronic Engineering

,

Changchun Institute of Technology, Changchun

130012, China

;

2? Satellite Television Channel, Jilin Broadcasting and Television Station,

Changchun 130119, China)

Abstract:

With the progress of The Times, high-rise buildings rise from the ground, the number of

high-altitude working personnel surge? The safety of such workers has become a thorny issue for

employers and society? Therefore, this design proposes a high-altitude fall airbag, specially tailored

for this group of people, when the high-altitude workers accidentally fall, can automatically

inflate to protect and anti-collision effect? This design uses a pentagonal airway connected to

the head, arms, front chest and back respectively? The air bag adopts a block structure to reduce

the unnecessary air bag area and greatly shorten the air bag inflating time. When the body is out

of balance, the sodium azide inflator releases the gas quickly to the head, arms, front chest and

back, as well as the leg air bags, and the upper and lower body air bags inflate simultaneously.

The innermost layer of the air bag has a buffer layer, which also provides secondary protection

基金项目

：吉林省高等教育教学改革研究课题（JJY2）；吉林省高教科研课题（JGJX2022C88）；吉林省职业教研与成

人教育教学改革研究课题（2021ZY306）；吉林省教育厅科研课题 (JJKH20180982KJ)；2023年度吉林省教育科学规划课题；

2022年度大学生创新创业项目。

作者简介

：王哲（1999-），男，内蒙古通辽人，长春工程学院学生，研究方向：机械制造及自动化；吴波(1980-),女,吉林长春人,

博士研究生，副教授，研究方向：仿生工程与科学。通讯作者：吴波。

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高空坠落安全气囊设计研究

for various key parts of the human body, greatly improving the safety of the air bag and fully

protecting the human body?

Key Words:

High altitude operation; Airbag; Automatic inflation; Personal safety

0　引言

随着经济的发展，高楼大厦越来越多，高楼

外玻璃的清洁作业量也越来越大，于是人们对高

空作业安全问题的重视程度越来越高。目前普遍

的防护措施是防坠落安全气囊和安全带等。防坠

落安全气囊在使用时与人距离较远，只有气囊精

准接触人体时才可以起到应有的作用；而安全带

如果没有正确操作也无法起到应有的作用。因此

可穿戴的安全气囊更符合实际情况，起到更加安

全的作用。利用类似于汽车安全气囊快速充气的

原理使其具有可实现性。因为人体重，从高空坠

落时产生的动量较大，以及人的坠落姿势以及坠

落时的地面情况，会给人带来不同的损伤。市面

上的安全气囊只针对防摔等类似较低的高度，而

国外针对一定高度的安全气囊，大都是比较笨重

不方便。为此，本文提出了一种方便快捷可快速

充气的安全气囊。

1　国内外研究现状

安全气囊防护服是一种综合性的防护服，当使

用者从高处坠落时，这种防护服会迅速膨胀，起到

缓冲着陆的作用。全方位保护的防护服是为了提高

生存几率而设计的。如果一个工人从脚手架的边缘

滑下来并摔倒，全能防护服将检测到坠落的加速度

等于重力加速度，然后，它将压缩的气体从内部罐

释放，从而保护人体减少受到的伤害。

1952年美国工程师JohnwHetrick开始研究“安

全气囊”，1953 年8月18日终于取得了美国辅助乘

员保护系统的发明专利。

1971年福特公司率先试验将安全气囊装在

第一批车上，1974年美国通用汽车也将安全气囊

应用到主驾驶座上，之后又在副驾驶座也安装了

安全气囊。但是当时顾客所追求的是马力大并且

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车身大的汽车，他们对于是否配备安全气囊并不

关心，安全带也很少有人用，安全气囊与当时汽

车发展的大方向不同，所以慢慢地安全气囊也就

从市场上消失了。直到1980年12月，德国奔驰汽

车S级成为了在整个欧洲第一个销售带有安全气

囊的汽车，1988年克莱斯勒汽车公司认识到汽车

安全的重要性，责令旗下所有车系全部配备安全

气囊，并且在电视报纸等媒体报道安全气囊的效

用，真正开启了汽车在安全配备方面的竞争。

1984年美国高速公路安全管理局在《联邦汽车

安全标准》中明文规定汽车必须配备加装安全气囊

的要求。1995年美国国会正式通过法案，对此提出

指导和法则，要求1995 年以后的新车必须配备双

气囊，1997年要求货车也要配备安全气囊。

进入90年代以后，安全气囊的重要性和安全

性被人们普遍接受了，甚至当成高档次、现代化

的高品质装置。要想让安全气囊更好保护自己就

必须了解安全气囊的工作原理和注意事项。如今

国外的气囊已经发展到可以在任意方向的碰撞中

（包括侧向碰撞）起保护乘员头部、躯干和膝部

的作用。世界上很多国家都有要求在新车上必须

安装气囊。例如美国，相应的法规要求一定要安

装大尺寸的气囊，而欧洲的专家们则认为最好的

方案应该是安全带和小尺寸气囊的配合使用。

图1　安全气囊整体

图2　安全气囊位置展示

我国对汽车安全气囊的研究起步较晚。上个

世纪80 年代末我国的一些汽车碰撞安全和军工专

家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。随着

国外汽车技术的引进，我国的汽车工业迎来了前

所未有的发展契机。

在10多年的发展过程中，国内安全气囊研究

水平大幅度提高。清华大学的黄世霖等在汽车碰

撞实验中，系统地研究了多种国产汽车中安全气

囊的匹配技术对汽车安全气囊的点火控制模拟、

汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在

汽车安全气囊系统设计中的应用等，对国内的汽

车安全气囊研究具有重要的指导作用。

尽管我国安全气囊的研究与发展已初具基础

和规模，但是离世界先进水平还相距甚远，这些

差距主要包含安全气囊法规、撞车实验系统、安

全气囊的设计、制造和测试等。事实上，我国的

撞车实验系统还不能完全满足美国FMYSS208 条款

的技术要求；其次还缺少安全气囊关键技术的自

主知识产权；此外，传感器、气体发生器和气囊

的技术规范及检测还未达到令人满意的状态。

2　高空坠落安全气囊结构设计

本设计为一种快速充气高空坠落安全气囊。具

体结构设计详见图3-6：包括上半身气囊、头部气

囊、腿部气囊、导气管、失重传感器、点火装置、

叠氮化钠充气装置、外部衬套、内层缓冲层、魔术

贴、连接间囊、加厚区域、压缩气瓶槽。上半身气

囊的背部内部的五边形导气管用热熔胶附着，导

气管的4个出气口连接至双臂、头部和前胸及后背

《装备维修技术》2023年第5期（总197期）

4个身体部位。上导气管连接头部气囊，左上导气

管连接左臂气囊，右上导气管连接右臂气囊，左下

导气管连接后背气囊，右下导气管连接前胸气囊。

在导气管的中间有一个进气口，连接叠氮化钠充气

装置，点火装置位于叠氮化钠充气装置的左侧，其

电火花丝与叠氮化钠充气装置的压缩气瓶口相接。

点火装置向左延申出一根感应导线与失重传感器相

连，失重传感器、点火装置、叠氮化钠充气装置都

是用热熔胶附着在衣服内层，头部气囊与上半身气

囊是一体的，共用一个充气装置，上半身气囊与头

部气囊都缝合在衣服内层。

上半身气囊附着在衣服的内层缓冲层，其覆盖

胳膊及胸腔前后部位，充气后气囊呈现分块结构；

手臂气囊由肩部至手腕均布分布分块结构2~3个，

且形状设计为环绕手臂一周；胸部气囊和腿部气囊

也是如此，有利于叠氮化钠充气装置的快速充气。

每个分块结构为一个凸出气包，当充气时鼓起、非

充气时回缩。每两个气包之间为连接间囊，当充气

时稍有膨胀且膨胀体积约为分块结构的1/3～1/2，

非充气时回缩。点火装置安装在叠氮化钠充气装置

的气瓶口处，叠氮化钠充气装置与导气管连接，点

火装置、叠氮化钠充气装置以及导气管用热熔胶粘

合在衣服内层，导气管呈现放射状向5个方向延伸

并附着在衣服后背处，其中导气管的5个出气口连

接至双臂、头部和前胸及后背5个身体部位，上导

气管连接头部气囊，左上导气管连接左臂气囊，右

上导气管连接右臂气囊，左下导气管连接后背气

囊，右下导气管连接前胸气囊。上半身气囊和头部

气囊两者内部贯穿且气囊外壁相连。

1.上半身气囊、2.头部气囊、3.腿部气囊

图3　高空坠落安全气囊充气后的总体结构

23

高空坠落安全气囊设计研究

4.导气管、5.失重传感器、

6.点火装置、7.叠氮化钠充气装置

图4　气囊内部结构

外部衬套分为前胸和后背两片，在上半身两

侧和双臂上有魔术贴来使两面衬套相互粘合在一

起，外部衬套与衣服下部缝合在一起，气囊充气

后会将前后衬套撑开而不掉落。

8?

外部衬套、

10?

魔术贴

图5　外部衬套结构

内层缓冲层位于气囊所附着的衣服内层的

下面，与气囊是分开的，预留了较大的空间。该

层内聚合缓冲材料，在前胸和脊椎处会填充更多

的缓冲材料，脖子和头部处的缓冲材料比其他部

位的缓冲材料更柔软一些，材料也有一定的缓冲

作用。

9.内层缓冲层、12.加厚区域

图6　内部缓冲层及其加厚区域结构

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点火装置与失重传感器采用电性相互连接，

失重传感器的感应导线与点火装置的开关连接在

一起，点火装置的点火处与叠氮化钠装置的压缩

气瓶口相连，衣服上有压缩气瓶的气瓶槽，气瓶

槽位于导气管下方，形状与气瓶形状相同。压缩

气瓶卡在槽里，可任意更换与检查。

上半身气囊和头部气囊是一体的，两者之

间共用一个总体的气囊。上半身气囊总共有8块

气囊，头部气囊只有1块。腿部气囊有5块。点火

装置和失重传感器之间采用电性连接，叠氮化钠

充气装置和点火装置之间的感应部分采用电性连

接，叠氮化钠充气装置的压缩气瓶口处和点火装

置的电丝部分采用机械连接。

3　结语

本设计提出的快速充气高空坠落安全气囊，

使用时将外套和裤子直接套在身上，上半身气

囊、头部气囊和下半身气囊分别保护上半身的各

个关键部位、头部、颈部和腿部，在背部的失重

传感器在感应到人体失衡时，会给予点火装置一

个反应，使点火装置融化气瓶口让叠氮化钠充气

装置中的压缩气体释放出来，这时压缩气体由导

气管快速对上半身气囊、头部气囊和下半身气囊

充气，有效保护了登高作业人员的易发骨折部

位。另外，本设计也不会影响高空作业人员的手

脚灵活性。

参考文献

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