本发明涉及一种车辆乘员保护系统的气囊，该气囊具有用无涂层蒙皮布制成的蒙皮。本发明还涉及制造上述气囊的蒙皮布。 为了避免在常规气囊设计中由于采用在其内部涂敷丁基橡胶的聚酰胺蒙皮布而带来的困难，在欧洲专利EP0454213A1中提出了用无涂层蒙皮布来制造气囊。蒙皮布所需的低透气率可通过对蒙皮布进行固结的办法，具体说就是对蒙皮布进行收缩、热固和砑光的办法来达到。在气囊的下部用低缩率纱，而在其上部用高缩率纱，可以使气囊充气后其下部的透气率高于其上部的透气率，这样，就可以在车辆乘员与气囊碰撞时产生一个确定地从气囊往外的气流。然而，经验表明，在批生产中，无涂层蒙皮布的透气率有着很大的波动。因此，要求具有互不相同的透气率的气囊的各部分必须用不同类型的蒙皮布来制造，具体说来，就是采用具有不同纱线密度的不同复纱类型（收缩率有差异）的蒙皮布来制造。但是，用不同类型的蒙皮布来制造一种气囊是成问题的，因为不同类型的蒙皮布的缝合连接会降低其设计强度，而且在批生产中难以缝合。
本发明提供一种用具有恒定透气率的无涂层蒙皮布制成的气囊，其特征在于，要求透气率不相同的各蒙皮布件可以采用一种完全相同类型的蒙皮布来制造，具体说来，该蒙皮布织品至少具有大致相同的纱线密度并且至少由大致相同的复纱织成。本发明基于一种认识，即一种蒙皮布的透气率在很大的程度上取决于在胀开的气囊中其经纱方向和纬纱方向有着多高的拉力。透气率首先与一个方向或另一个方向的拉力绝对值有密切的关系，其次与经纱方向对纬纱方向的拉力也有明显的关系。根据上述的认识，本发明提出，对于制造气囊各部分的蒙皮布料建立透气率与经纱方向对纬纱方向的各种拉力比的关系。现有技术要求在恒定压差500巴下测量气囊蒙皮布的透气率，而本发明则进一步根据这样一种认识，即无涂层蒙皮布在类似于气囊保护系统发生动作的情况的动态条件下可具有极不同于在恒定压差下测量出的透气率。这就是为什么在确定气囊蒙皮布的透气率时最好模拟气囊保护系统致动时主要的动态条件的原因。根据由胀开的气囊的形状所造成的各部分蒙皮布中拉力分布的差异来选择胀开的气囊各部分蒙皮布中的经纱和纬纱的取向，使每部分蒙皮布在由实践中预测的压差条件下形成预定的透气率，虽然采用完全相同类型的蒙皮布，但是气囊的不同区域具有不相同的透气率，这些透气率的值十分恒定，而且有良好的再现性。
一个胀开的气囊的拉力分布状况与其几何形状有关。在气囊胀开时为球状这样一种极端的情况下，其经纱拉力与纬纱拉力之比为1∶1，因为其拉力分布是均匀的。因此，气囊上经纱和纬纱的取向可以是任意的。通过仔细选择所用织物的编织法，使织物的经纬密度或纱线密度至少大致相同，并采用大致相同类型的复纱，可调整蒙皮布各部分的透气率。就是说，经验已经表明，对于给定的蒙皮布类型和给定的经纱方向与纬纱方向的拉力比，织纹的性质密切地影响着其透气率，并且具有良好的再现性。对于所述的各类织纹，可由编织参数和织物整理参数系统地确定其透气率与经纱方向的拉力和纬纱方向的拉力的关系。
在气囊胀开后为圆筒形的另一种极端的情况下，蒙皮部件中圆周方向拉力与轴向方向拉力之比为2∶1，而在端件中为1∶1。在这种情况下，气囊的各部分也都能用同一种织品来制造。只要使其端件的透气率明显地高于蒙皮部件，那么蒙皮部件的经纱取向或者纬纱取向都可沿胀开气囊的圆周方向，而在端件中经纱和纬纱的取向则可以是任意的，因为其拉力比为1∶1。蒙皮部件的织品类型和经纬纱取向可以根据透气率与各种条件下经纱方向与纬纱方向上的拉力比的关系曲线来选择。
按照本发明的再一个特别优选的实施例，至少有一部分用来编织气囊蒙皮布的复纱含有空心纤维。采用这种空心纤维可以显著改变蒙皮布的透气率与拉力比的关系。空心纤维在压力下可以比实心纤维有更大程度的压扁。但是，在压力作用下压扁复纱是造成透气率随经纱方向或纬纱方向的拉力而变化的原因之一。由至少含部分空心纤维纺成的复纱织成的蒙皮布可以通过改变编织法来适应在透气率特性方面很不相同的使用条件，所以，尽管采用完全相同的蒙皮布，仍然可获得极不相同的透气率特性。
下面将参考附图叙述本发明的更多的特征和优点，附图中：
图1a、1b和1c是表示各种具有大致相同的密度并含有大致相同的复纱的蒙皮布的透气率在不同的经纱方向对纬纱方向的拉力比的条件下它与拉力的关系曲线图;
图2a和2b是一种胀开后大致成球状气囊的侧视图和从气体发生器一侧看的视图;
图3是一种胀开后大致成圆筒形的气囊的透视图;
图4是表明一种胀开的气囊蒙皮内拉力状态的双曝光干涉图;
图5是一种胀开后大致成软垫形气囊的透视示意图;
图6a和6b是一根空心纤维在未受力和受力状态下的示意透视图;
图7a和7b是一种蒙皮布织品的剖视图，说明一种用空心纤维纺成的复纱在压力作用下的变形情况，并与实心纤维制成的蒙皮布织品进行比较;
图8a和8b是说明两种蒙皮布的透气率与各种拉力状态和动态条件下的压差的关系曲线;和
图8c是说明一种理想的气囊在动态条件下的总透气量的曲线图。
图1a和1b示出了对两种蒙皮布样品的系统研究的结果，这两种样品都是无涂层的，采用同类复纱制成，但编织方法不同。
在图1a和1b示出了压差为500巴时透气率L与施加在蒙皮布上的拉力S在三种不同参数下的关系曲线，所述的三种不同参数就是经线方向拉力与纬线方向拉力的三种比值。显然，透气率L与该比值有密切关系，具体说来，对于各种拉力比，透气率L随拉力S的增大而提高的情况有明显差别。在第一种蒙皮布样品的试验中（图1a），当拉力比为1∶2时，透气率L只随拉力S增大而稍稍提高，在拉力S超过30千牛顿/米时，L值仍然保持在约30升/分米2·分以下。但是，在拉力比为1∶1的情况下，当拉力约为20千牛顿/米时，透气率就达到约60升/分米2·分。当经线方向拉力两倍于纬线方向的拉力时，透气率提高得更多。但是，总的说来，这种蒙皮布样品的透气率还是比较低的。
第二种蒙皮布样品的试验结果表明，当拉力比为1∶1和2∶1时，透气率显著增高，该值远远超过100升/分米2·分。相反地，当拉力比为1∶2时，透气率很难提高到约50升/分米2·分。
从图1b可以看出，代表透气率的曲线，不一定是连续上升的，通过适当地选择编织法和织缩率，可以调整该曲线的形状，使得在拉力S为中等值即10千牛顿/米左右时，透气率达最大值，然后下降。利用这种效应可使气囊的坚硬度适应于冲击力。在气囊的内压力高的情况下，（相当于被保护的乘员体重大或相当于严重撞击的情况），气囊的坚硬度就连续地提高;而在气囊内压低的情况下，气的排放较快，所以气囊很软，因此，制造气囊的蒙皮布可以起到控制元件的作用，通过这种控制作用可使气囊的硬度极好地适应于各种状态。
图1c的两条曲线示出了透气率与拉力的关系。同理通过这两条曲线，可更明显地调节气囊的功能。对于给定的纱线密度和类型，可通过选择经线和纬线的编织法和织缩率来调节所需的曲线形状。
图2a和2b所示的气囊在充气后大致为球状，它包含上部10和下部12，该下部12有一中央开口，用来同气体发生器14连接，当气囊成为这样的球状后，其拉力分布是大致均匀的，因此，对于用作制造上部10和下部12的蒙布件，其经线方向和纬线方向可以是任意的。面对着车辆乘员的上部10必须有低的透气率，以免气体粒子和热气伤害乘员。为此，下部12的透气率至少应当两倍于上部10的透气率，为了使气囊容易成批制造，重要的是制造其上部10和下部12的蒙布件要有大致相同的质量，特别是其密度和纱线类型至少是大致相同。所述蒙布件在它们的外边缝合在一起，由于两种蒙布件的密度和线型相同，所以容易缝合，而且接缝具有高的结构强度。
由于气囊是图2a和2b所示的球形，所以对应于图1a和1b中拉力比为1∶1的曲线。故气囊上部可选用第一种蒙皮布样品的纺织物（图1a），当拉力为5-20千牛顿/米时，其透气率为5-60升/分米2·分。对于气囊下部12按照第二种蒙皮布样品的曲线（图1b）可选用拉力比为1∶1、拉力范围为5-20千牛顿/米时透气率约为27-125升/分米2.分的织物。因此，在相当于实际状态的整个拉力范围内，气囊下部件12的透气率是上部件10的两倍以上。
图3示出一种在充气后大致为圆筒形的气囊，它是为前乘员位置上的气囊乘员保护系统设计的。该气囊含有一个蒙皮件16和两个端件20、22，在蒙皮件16上有一个与矩形气体发生器18连接的部分。由于该气囊是圆筒形的，其蒙皮件16的圆周方向上的拉力为其轴向的两倍，而在端件20、22内，拉力分布均匀。对着车辆乘员的蒙布件16，其透气率必须大大低于两端部件20、22，以避免乘员受气体粒子和热气的伤害。在该实施例中，气囊的蒙皮件16和两个端件20、22都用同种织物制造。如果采用第一种蒙皮布样品（图1a）的织物，则允许端件20、22的经纱和纬纱采取任意取向。由于其拉力比大约为1∶1，所以在拉力约为5-20千牛顿/米时，其透气率约为5-60升/分米2.分。在蒙皮件16中，经纱与纬纱之间的拉力比必须等于1∶2。对于该拉力比，从图中可以看出，在所述的拉力范围内其透气率约为3-20升/分米2.分。所以，为了使经纱方向相对于纬纱方向的拉力比约等于1∶2，蒙皮件的纬纱的取向必须沿圆周方向，而经线必须沿其轴向方向。
在选用蒙皮件16的织物时，如果经纱与纬纱之间的拉力比为2∶1时的透气率低于拉力比为1∶2时的透气率，则其经纱取向必须沿圆周方向，而纬纱取向必须沿轴向方向。
在几何形状简单的气囊中，其蒙皮布各部分的拉力分布很容易从几何原理加以确定，而对于形状复杂的气囊，最好采用光学影象设备来目视观察其拉力分布，具体说来，是采用一种全息照相的波纹或斑纹设备来观察。图4示出了一种充气的气囊表面的双曝光干涉图，图中的线状花纹指示出拉力分布状态。
图5所示实施例的气囊，在充气后大体上具有软垫状，与图2a和2b的情况相似，该气囊含有一个上部件10和一个缝合到该上部件之外边缘上的下部件12，在该下部件12的中央，有一个用来连接气体发生器的矩形开口24，按照一级近似，可以假设上部件10的拉力分布与下部件12的拉力分布相同。上部件10和下部件12中的经纱取向都沿软垫形的纵向，而纬纱取向则沿其横向，但是，由于拉力分布近乎均匀，所以取向可以是任意的。在各种情况下，经纱与纬纱间的拉力比均为1∶1左右。对于要求其透气率小于下部件的上部件来说，可选用第一蒙皮布样品（图1a）的织物，而下部件12则可选用第二蒙皮布样品（图16）的织物，它们的拉力比大致等于用2a和2b实施例的拉力比。
使用一种特殊的纤维即空心纤维，蒙皮布在透气率方面的特性可得到高度的控制。图6a是这种空心纤维的示意图，图中所示纤维是明显放大了的，并且是处于无涂层状态的。图6b示出了同种空心纤维，但处于受负荷状态，在该状态下，纤维被压扁，并因此而扩展。
图7a和7b示出使用这种纤维的效果。在图7a中，假设经纱30和纬纱32是普通的用圆截面实心纤维制成的复纱。假设经纱30具有比纬纱32更高的织缩率，并且也承受更高的拉伸应力，那么，沿经纱方向上的设计伸长量较大，因为在复纱材料拉长之前，经纱30的皱缩就已被拉直了。由于经线方向上的拉伸载荷较高使纬纱方向上的皱缩增大，从而减轻了经纱30的材料被拉长，由于经纱30的皱缩较大，使纬纱32受到侧向上的支撑，并因而被稍为压扁，也就是有所伸展，但是，纬纱的伸展减小了气体通道的有效横截面积。
在图7b中，假设纬纱32a至少含有一种如图，6a和6b象征性所示的空心纤维制成的复纱，这此空心纤维在载荷下具有比图7a所示的实心纤维更大的压扁和伸展的倾向性，因此，在其他条件相同的情况下，纬纱32a可产生较大的伸展。所以，通过织缩来控制蒙皮布的透气率要比图7a所示的情况有效得多。
图8a和8b示出两种蒙皮布（分别称为1＃蒙皮布和2＃蒙皮布）在不同的经纱方向拉力与纬纱方向之拉力比的情况下的透气率与内部压力高于大气压的值间的关系。气囊的动作过程，可分下列三个阶段：
a）初始阶段：气体发生器起动后，气囊的蒙皮展开并充气，直到它完全胀大为止;
b）主要阶段：气囊的蒙皮完全胀大后，车辆乘员的头部和身驱陷入到蒙皮内;
c）最后阶段：气体从气囊中漏出。
采用普通的气体发生器，初始阶段在大约20-60毫秒内完成。主要阶段的发展取决于许多参数，具体说，是碰撞状态、车辆的类型以及乘员的高矮和体重。在整个动作过程中，气囊的内压力连续地变化，在初始阶段，内压升至一个例如比大气压高10-20千巴的压力值，在随后的主要阶段，则由于乘员陷入气囊而使内压力大大提高，例如提高到比大气压高40千巴或更高。最后阶段对现有条件是很有意思的，只有尽量延长这个阶段，才能提供对乘员的长时间的保护。在初始阶段和主要阶段，与内部气压有关的透气率是相当重要的。图8a和8b描绘出了这种关系，其中，横坐标表示内部压力值，请勿与时间刻度混淆。气囊受到的是一种冲击压力，图中所示的这种冲击符合气囊保护系统致动时的主要情况，因为图中示出的在动态条件下的透气率值与静态下（即固定压力差为500巴）测出的值是大不相同的。因此，图8a和8b说明了蒙皮布在气囊充气状态下由几何形状确定的不同拉力状态下内部压力随透气率变化的动态特性。
上述两个图示出随着压力的增大（在初始阶段和主要阶段）通过蒙皮布材料的透气率的变化情况。在内压力降低的最后阶段，上述透气率大为降低，从而延长了有效保护期限。
对于1＃蒙皮布，当拉力比为1∶1时，随着内压力与大气压的正压差的增大，透气率只有少许提高，并保持在1000升/分米2.分以下。当上述内压力的压差为20千巴（此时乘员碰到或即将碰撞气囊）时，透气率只稍稍高于500升/分米2.分，换句话说，蒙皮布几乎是不透气的。在拉力比为2∶1和1∶2的条件下，当内压力高于大气压20千巴时，透气率也是那么低，故蒙皮布实际上可认为是不透气的。尤其是当内压力高于大气压10千巴以上时，透气率的下降更为明显，因此，1＃蒙皮布适用于制作气囊的对着乘员的部分和要求具有低透气率的部分，并且最好在1∶1的取向条件下使用。
当1＃蒙皮布不同，2＃蒙皮布在内压力增加到比大气压约高20千巴的区域内其透气率成超比例地提高，这种效应在拉力比为1∶1时的10-20千巴区间以及在拉力比为1∶2和2∶1时的0-10千巴区间特别明显。因此，可以说，2＃蒙皮布随内压力与大气压的正压差的增大是“开放”型的，而1＃蒙皮布则是随内压力与大气压的正压差的增大是“闭合”型的。所以2＃蒙皮布适合于制作气囊的背离车辆乘员的那些部分，这些部分要求具有较高的透气率。
对于由两个圆形蒙布部件组成的球形布囊来说，（如图2a和2b所示），对着车辆乘员的上部件用1＃蒙皮布来制造，而它的下部件则用2＃蒙皮布来制造。在两种部件的蒙皮布中拉力的分布是对称的，因为气囊的几何形状对称。
对于图3所示的大致为圆筒形的气囊来说，当拉力比为1∶2或2∶1时，其蒙皮件用1＃蒙皮布来制造，而它的端部件则用2＃蒙皮布来制造。
如果气囊是软垫形的（如图5所示），当拉力比值为1∶2或2∶1时，其面对着乘员的上部件用1＃蒙皮布来制造。而下部件则用2＃蒙皮布来制造。
图8c的曲线说明通过气囊的蒙皮的总气流量随内压力与大气压的正压差的变化情况。对于一个理想的气囊来说，它的透气率曲线应处于图8c的上曲线Gmax与下曲线Gmin之间。这两种曲线组成一条狭长地带，理想气囊的透气率曲线应位于该地带内。对图8c所示的曲线解释如下：当气囊张开并在其内形成压力（高于大气压并迅速增加）时，在若干毫秒内就可使气囊完全张开。这个所谓的充气时间取决于气囊的大小，大约等于20-35毫秒，当车辆乘员碰撞气囊时，内压力与大气压间的正压差达到最大值。气囊的有效硬度取决于各种情况下蒙皮的透气率与内压力与大气压的正压差的关系。在形成该内压力的初始阶段，气囊应当是软的，以便在轻轻碰撞的情况下，使伤害的危险性最小。当所述的内压力与大气压的正压差较高时，撞击就较严重，例如，在乘员未系上座椅安全带的情况就是这样。所以，要使乘员不穿入气囊，气囊的硬度就必须大。通过图8c所示的透气率与气囊的内部压力与大气压的正压差的关系曲线，可以达到所需的气囊自调节功能。对于在曲线Gmax与Gmin之间的最佳透气率曲线图形来说，有几个参数-特别是车辆类型、气体发生器、气囊尺寸和形状，以及环境温度-是决定的因素。
业已发现，采用一种令现有技术感到意外的无涂层织品蒙皮布来制造气囊的蒙皮可以大体上达到理想的气囊透气率曲线，在现有技术中，一种气囊的蒙皮布可否采用，取决于它在固定的预定压差500巴条件下静态测定的透气率，因此，可以预料，通过该蒙皮布的气流量是上述压差的线性函数。随压力而线性增大的透气率必将用图8c中通过0点的直线来表示，而处于图8c曲线Gmax与Gmin之间的理想透气率曲线可按如下原则确定：
a）内压力增到比大气压约高10千巴前，总透气率随压力增加而增大至大约0.5-1.0米3/秒;
b）在内压力比大气压约高10-20千巴时，透气率进一步增大到最大值，然后减小;
c）在内压力比大气压高20千巴以上时，至少在约40千巴范围内，透气率没有明显增大。
在比大气压高20千巴以上时，至少在大约40千巴的范围内最好有一个透气率是降低的趋向，另外还可看到，透气率曲线最好通过比大气压高大约20千巴以上的压力值的折点。最后，还可看到，透气率在压力线性增加到比大气压高10千巴之前最好提高得快些。
通过仔细地选择常规的编织参数，可以确定具有所需透气率的不带涂层的纺织蒙皮布。然而，重要的是，蒙皮布的透气率要动态地确定，并且要考虑到气囊张开时的拉伸状态。由于气囊的膨胀与压缩的进程是在大约100毫秒至150毫秒的时间间隔内完成的，所以，必须采用相当的时间间隔内能达到所定的与大气压的正压差值的压力脉冲来经验地确定蒙皮布的透气率。
由于气囊最好在其面对着车辆乘员的区域内具有低的透气率，所以按图8c形成的透气率曲线图形主要应由气囊的其它区域的蒙皮布来测定。当气囊由不同的蒙皮布块组成时，对着车辆乘员的部分必须具有比远离乘员的部分低的透气率。图8c同时示出了所用蒙皮布块的两种透气率曲线。面对着车辆乘员的蒙皮布块最好是“不透气”的，也就是说，在至少高于10千巴左右和至少低于40千巴的内压差下经受一侧压力约100毫秒时，它的透气率不会明显增大，最好是能明显地降低。在这些条件下，可以使用一种不带涂层的蒙皮布，它的透气率要高于12升/分米2.分，例如压差为500巴的静压时，透气率为15-18升/分米2.分。
在使用普通的不带涂层的由聚酰亚胺（PA）和聚脂（PES）纤维纺织的蒙皮布时，为了达到所需的透气率曲线图形，下列参数必须仔细选择：纱线的密率（set）、纱线的类型（聚合产物和缩水特性）、编织法、织缩率和织物整理。一种适用的由热空气缩率约为5%的聚酰亚胺纤维织成的普通蒙皮布，其纱线的密度为350分特。为了大大简化用不同的蒙皮布块制造气囊的过程，通常采用纱线密度和复纱类型都相同的蒙皮布，尽管各块蒙皮布具有完全不同的特性。