汽车安全气囊压力发生器测试装置说明书.docx

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汽车安全气囊压力发生器测试装置说明书

毕业设计说明书

安全气囊压力发生器测试装置结构设计

机械工程与自动化

01

张富军

学生姓名：

学号：

工业工程

学院：

李梦群

专业：

指导教师：

2013年6月

安全气囊压力发生器测试装置结构设计

摘要

随着高速公路和汽车的进展，人们对于安全要求越来越高，安全气囊作为汽车安全保证的最重要保证，目前尚未一套比较系统和全面的测试装置。

本设计的目的就是设计出一套测试安全气囊压力发生器的装置。

设计部份主要包括两个大的方面，第一，外部长方体框架，和其内部结构部份；第二，测试系统装支架提升的研究设计。

第一部份主要从以下方面进行研究和设计；1外部长方体框架的设计。

2固定在长方体框架上的导轨的设计。

3其他一些重要零件的设计，例如充气筒提升架，碰撞触头，缓冲垫片等。

4能将长方体框架内部结构提升上去的电磁铁的选择。

第二部份主如果；提升装置的设计，在动力方面选择微型电葫芦，在连接部份采用电磁铁吸合，提升装置选择电机提供动力。

测试方式和原理；将容器提高到必然的高度，然后将容器释放，落地后与下方的弹性缓冲物质发生撞击，产生预定的加速度，（90±10）g从而引发气体发生器，用相应的传感器及与之相匹配的信号收集和数据处置系统取得相关数据，完成对产品的检测。

关键词安全气囊，压力发生器，电磁铁，提升装置

Airbagpressuregeneratortestdevicestructuredesign

Abstract

Withthedevelopmentofthehighwayandcar,Securityrequirementishigherandhigher.Airbagsasautosafetyguaranteeisthemostimportantguarantee,itdoesnothaveamoresystematicandcomprehensivetestingdeviceatpresent.Thepurposeofthisdesignistodesignasetofdevicefortestairbagpressuregenerator.Thisdesignpartmainlyincludestwobigaspects.Firstly,Externalrectangleframes,aswellasitsinternalstructure.Secondly,Testsystemisinstalledstentsstudydesignofascension.Thefirstpartmainlyfromthefollowingaspectstostudyanddesign,1thedesignoftheexternalrectangleframework.2Fixedontheframeworkofcuboidsguidedesign.3Otherimportantpartsofthedesign,suchaspromotinginflatorpumprack,collisioncontact,cushionpads,etc.4TheoneCanpromoteofelectromagnetcuboidsframestructurechoice.Thesecondpartmainlyabout:

Liftingdevicedesign,chooseminielectrichoist,intermsofpowerintheconnectionpartadoptselectromagnetsuctionandliftingdeviceselectmotorpower.Testmethodandprinciple;Toincreasethecontainertoacertainheight,andthenreleasethecontainer,afterlandingcollidedwiththebelowelasticbuffermaterial,Producepredeterminedacceleration,（90±10）gcausinggasgenerator,andmatchingwithcorrespondingsensorsignalacquisitionanddataprocessingsystemtoachieverelevantdataandfinishtheproducttesting.

Keyword,supplementaryrestraintsystem,Pressuregenerator,magneticplug,bunt

第一章绪论

问题的提出及研究的目的和意义

随着高速公路的进展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度愈来愈快，专门是由于汽车拥有量的迅速增加，交通愈来愈拥堵，使得事故更为频繁，所以汽车的安全性显得特别重要。

安全气囊作为一种安全配置，以其较高的安全性已经逐渐在各类轿车上普及,并迅速进展成为一个全新的高科技产业。

因此,安全气囊的研究与进展对中国的汽车工业的现代化具有十分重要的意义，尤其是中国加入WTO以后，这种意义将加倍深刻。

目前，我国安全气囊的研究与进展已初具基础和规模，可是离世界先进水平还相差甚远，这些差距主要包括安全气囊法规、撞车实验系统、安全气囊的设计、制造和测试等方面。

在测试方面、传感器、气体发生器和气囊技术规范及检测还未达到一个令人满意的状态。

据资料表明，国内尚未一套完整的安全气囊性能测试系统，我国生产的安全气囊一般要到国外进行测试。

如此提高的费用，减弱了我国的安全气囊在市场上的竞争力。

随着我国汽车工业的迅速进展，国内一些大公司预备成立大规模安全气囊生产线。

所以，设计一套安全气囊性能测试系统，对我国汽车工业具有重要意义[1]。

汽车安全气囊及其性能测试国内外进展状况

汽车安全气囊作为汽车被动安全性研究的功效，是随着汽车被动安全性研究的深切而进展的。

美国通用汽车公司在1974～1976年间安装了大约一万套气囊系统，可是，由于技术上的原因又停止了生产。

其原因有以下几方面：

（1）20世纪70年代初，汽车工程师尚未足够的经验去解决汽车发生碰撞事故时对乘员保护的许多技术问题。

汽车本身设计也没有考虑安全气囊的问题。

虽然通过连年的实验，但始终存在许多难以解决的技术问题。

消耗的人力、物力和资金都超级大。

（2）对事故发生时人体的损伤研究还不完善，受伤机制还不清楚，因此在肯定人体最大允许损伤标准上有技术上的困难。

而且这也需要汽车生产厂和政府的合作。

需要做大量的动物实验，和用新鲜的尸身做撞击实验。

（3）安全气囊本身的技术还不完善。

由于技术复杂，汽车生产厂担忧一旦出现过失，将对汽车乘员造成伤亡，因此对安全气囊的安装采取谨慎态度。

（4）公众对于汽车的安全意识不强。

1979年美邦交通部进行民意考试，人们普遍认为下一年中每100辆汽车中只可能发生1次事故。

实际上，一年中，平均10辆车中就会发生一次事故。

这表明，对安全气囊是不是会被普遍同意还有疑问。

（5）20世纪70年代初，安全气囊的价钱被以为难以同意。

那时大部份汽车价钱低于10000美元，而一套安全气囊的价钱则需500～600美元，乃至1000美元。

由于上述原因，安全气囊一直未能迅速普及。

直到20世纪90年代后，由于碰撞实验技术、公众对于安全的要求、安全气囊系统需要的电子技术的提高，加上安全气囊对于人体的保护效果显著，因此取得推行和普及。

从1970--1990年的20年间，欧美关于安全气囊方面的专利只有106项，而从1990--1994年4月，有专利464项。

在美国，到1995年，前排乘员的气囊安装率已超过60％。

法规规定在1997年9月1往后出厂的轿车中100％安装司机侧和前排乘员侧气囊。

通过几十年的转变，安全气囊已经取得了全面的普及，是不是具有安全气囊已经成为现代汽车安全性的一个重要标志，而汽车安全气囊对人起到的保护作用也是超级显著的。

美国专家估量，若是安全气囊普及率接近100％的话，每一年可拯救1．5万人的生命。

若是全世界所有车辆都安装安全气囊，每一年能够拯救5万人。

安全气囊进展至今，技术上已经超级成熟，能够对乘员起到更好的保护作用。

同时为了降低安全气囊点爆进程中对于乘员的伤害，出现了更多更为智能化、低能化、多级化的安全气囊，在保护乘员的同时避免了对乘员的伤害作用。

同时，为了保证在不同的碰撞形式下都能够对乘员起到更好的保护作用，出现了侧面气囊、侧面气帘、膝部气囊、脚部气囊、顶部气囊、滚翻气囊等多种类型的气囊形，这些气囊的出现，大大扩大了气囊的适用范围，同时也使得乘坐环境更为安全。

汽车安全气囊系统结构原理

1．工作原理

汽车安全气囊的大体思想是：

在发生一次碰撞后、二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，让乘员扑在气囊上。

通过气囊的排气节流阻尼吸收乘员的动能，使猛烈的二次碰撞得以缓冲，以达到保护乘员的目的。

安全气囊系统主要由传感器、控制器、气体发生器和气囊等组成，如图所示。

图安全气囊工作大体原理

其工作原理为：

传感器感受汽车碰撞强度并将其传给控制器，控制器同意并处置传感器的信号，当控制器判断有必要打开气囊时，当即发出点火信号触发气体发生器，气体发生器点火后迅速产生大量气体，在驾驶员和汽车内部结构之间展开一个充满气体的气囊，使得在发生碰撞事故时，驾驶员能够与比较柔软的气囊相接触，而不是与坚硬的汽车结构猛烈碰撞，从而达到减少伤害、保护乘员生命安全的目的。

此刻美国、欧洲等先进国家除在方向盘、仪表板上安装前碰撞气囊外，还在后排座椅配备前碰撞安全气囊；在座椅侧面或车身上配备侧碰撞气囊；在汽车顶部配备滚翻气囊。

如此汽车一旦发生了碰撞事故，如正面碰撞、侧撞和汽车的翻腾等，能够全方位地起到保护乘员的作用。

2．气囊的组成

1）传感器

目前主要有机械式、机电式和电子式等几种。

（1）机械式与机电式传感器,机械式与机电式传感器是20世纪70年代GM公司采用的两种传感器，如图所示。

图机械式与机电式传感器

这两种传感器这两种传感器由弹簧、质量块组成，当它经受一按时刻及必然强度的加速度时，质量块由于惯性作用，触发机械开关，从而点爆气囊。

图所示的传感器由磁性底座代替弹簧，其原理与图相同，它对于加速度有一个阈值要求，抗干扰性更好。

图磁性传感器

（2）电子式传感器电子式传感器主要有压电式、压阻式和电容式。

压电式由质量块、弹簧及压电晶体组成，当晶体经受压力时，便输出电荷量。

压阻式由在硅梁上制成的硅片电阻组成桥路。

硅梁振动时，桥路中电阻转变而引发输出电压转变。

电容式由硅栅组成的电容极板组成。

硅栅振动时，引发电容转变。

电子式传感器输出持续量，而机械式传感器输出开关量。

（3）集成式传感器这种传感器多采用电容式和压阻式。

以Motorola的As409为例，它是电容式的集成传感器，其长处是：

集成度高，其内部集成有电容加速度传感、低通滤波器、温度补偿等模块；接口简单，靠得住性高；具有自测试功能，可及时发觉异样现象。

从目前应用来看，机械式应用愈来愈少。

2）传感方式

传感方式有多点式和单点式两种。

图所示为本田汽车公司安全气囊系统的布置是目前正在利用的多点传感汽车安全气囊系统的典型配置，共有三个传感器：

一个机电式左挡板传感器，一个机电式右挡板传感器和诊断模块中的一个电子传感器。

司机侧和乘客侧各有一个气囊。

两个挡板传感器中只要有一个闭合，诊断模块就对电子传感器送来的信号进行处置和判断，当以为有必要点火时，就发出点火信号使气囊充气。

单点传感式安全气囊系统采用单个电子式传感器，而且传感器和点火控制模块和诊断模块都集成在一路。

目前，由于点爆控制算法愈来愈完善，单点传感式气囊系统正在慢慢取代多点传感式气囊系统。

图汽车安全气囊系统的布置

3）控制系统

控制系统是气囊系统的核心部件，其控制机理是各生产厂家严格保密的核心技术。

气囊控制系统要能准确判断出正撞、偏撞、斜撞和撞树等各类复杂情形的碰撞强度，并准时点爆气囊。

控制系统主要有机械式、模拟电子式和智能式几种。

机械式控制系统主要用于低本钱的气囊系统，应用正在减少。

此刻大部份都采用带微处置器的智能控制系统，对电子式传感器测量取得的信号进行处置，输出点爆信号，其原理框图如图所示。

图控制器原理图

图中的安全传感器是机电式传感器，它在不低于39的加速度时闭合，主如果为了提高系统的抗干扰性。

气囊控制器一般具有如下特性：

（1）在不影响系统靠得住性的前提下，尽可能采用集成元件，元器件的个数应尽可能少。

（2）元件及电路应可在线测试。

（3）减少耗电，使系统在主电源掉电情形下继续工作。

（4）贮存故障代号，以备事后诊断。

4）气体发生器

气体发生器有紧缩气体式（冷式）、燃烧式（热式）和混合式三种。

紧缩气体式主要与机械式传感器及控制器连用。

由于其产气量少、充气速度慢等缺点，应用较少。

燃烧式是通过燃烧剂燃烧产生大量气体，产气量大，容易控制，应用较多。

燃烧剂有叠氮化钠等种类。

叠氮化钠燃烧产生无害的氮气，但产生大量的热量和固体颗粒，所以要采取降温、过滤等相应办法。

且叠氮化钠溶于水后有毒，对环保不利。

各气囊生产厂家都在进展新型的燃烧剂。

可燃气体式是其中的一种，它将氢气和氧气按必然比例混合加压贮存在储气瓶中。

它燃烧后产生水，没有固体颗粒。

燃烧前也无害，是一种理想的燃烧剂。

混合式是用少量的燃烧物质产生足够的热量，使得紧缩气体迅速膨胀而充满气囊。

其产气量大，而产生的热量少，是此后的进展方向。

为避免火药产生的热量对乘员造成伤害，有些气囊内部涂有隔热涂层。

混合式气体发生器性能上有以下优势：

（1）对温度的敏感性较低，低温条件下性能转变不大。

（2）通过调整，容易知足客户对峰值压力、压力上升曲线、溢出气体的速度等性能的要求。

（3）对环境有利，无毒性材料。

（4）气体发生器表面温度低。

在气体发生器作用后，其表面温度最多上升75℃，塑料件可与气体发生器接触。

（5）溢出的气体无害。

产生的少量非毒性颗粒，92％的颗粒是KCl，产出的颗粒浓度比采用叠氮化钠等燃烧剂的热式气体发生器低。

（6）优良的燃烧剂抗老化性能。

在车体中15年无转变，推动剂不会吸湿。

气体发生器有单级和两级两种。

单级气体发生器有一个产气部件。

两级气体发生器有两个彼此独立的产气部件，适当组合两个部件的工作时刻，即可取得不同的充气特性，适用于智能乘员保护系统。

3，气囊的分类

针对不同撞车方位，保护乘员的不同部位来分，有正面碰撞气囊、侧面碰撞气囊、膝部气囊和翻腾气囊等。

气囊的形式有两种，一种体积比较大，即便乘客不系安全带也能起到良好的保护作用，主要在美国市场，因为美国法规对安全带的佩带没有强制性要求；一种体积较小，与安全带配合利用，是将安全气囊与三点式安全带一路组成一个乘员保护系统，使之达到最佳的乘员保护效果。

这种气囊主要在欧洲市场应用，因为欧洲对安全带的佩带有强制性要求。

在国外汽车安全气囊系统中，气体发生器和气囊都已标准化，可按照不同的车型进行选购。

而其中的控制系统则为各生产厂家所保密。

这也正是安全气囊系统的关键技术。

它决定着气囊何时开始准确无误地址爆。

所以，咱们的工作重点应放在控制系统的硬件及控制算法的研究上。

从技术上讲，安全气囊综合了机械、电子、化工等方面的高新技术。

与其他汽车零部件相较，安全气囊的系统性超级强，开发进程十分复杂，利用靠得住性要求极高，在批量装车前必需做大量的实验。

国外著名汽车厂商，如通用、公共等在汽车测试设备的开发研制上投入了大量的人力、物力、财力[2][3]。

本论文所要进行的工作和要求

本毕业设计主要设计安全气囊气体发生器测试装置（除压力容器外）结构设计，设计测试装置结构主体，通过重力撞击地面产生（90±10）g的加速度，能上下沿滑轨运动，其主要参数；装置高2m,长度1m，宽度1m,可实现沿滑轨向上稳固提升压力容器，释放后能做自由落体，碰撞地面基础而且产生必然加速度，从而实现气体发生器的爆炸和进行相应压力和加速度测试。

要求；工作安全靠得住，知足强度要求，可实现反复工作安全靠得住，外形美观，与安全气囊压力发生器接口方便安装。

第二章安全气囊压力发生器测试装置及原理

压力发生器的测试原理

本测试系统为一多参数同步测试系统，能够同时测得多组参数，目前主要用于测量加速度，和密闭容器中的压力。

利用一个必然容积的，承压知足实验最大压力条件的充气筒,该筒从必然高度沿滑轨自由下掉队碰撞弹性缓冲物所产生的加速度引发气体发生器，用相应的传感器及与之相匹配的信号收集和数据处置系统取得相关数据，完成对产品的检测。

其中以加速度作为整个系统的触发信号，当该信号产生且被系统检测到后，系统开始收集数据。

随后，由特定的软件对所收集的数据进行处置，从而得出所需要的信息。

气体发生器的产气性能好坏是通过进行密闭充气筒内的压力测试来检测的,通过对压力的检测能够对气体发生剂的燃烧速度和气体生成量进行判定。

对压力的测试实验是在常温和低温情形下进行,以便保证气体发生器在严冬和盛夏均能够产生适量的气体而正常工作。

压力发生器测试系统的组成和其原理图

实验系统中利用的气体发生器为机械式气体发生器,其设计和制造是一个比较复杂的进程。

它主要由外壳、雷管（或火帽）、增压剂（或导爆药柱）、气体发生剂和过滤器等部份组成[4]。

气体发生器中的气体发生剂是一种火药,其单位时刻产气量是由气体发生剂的线性燃速和燃烧面积决定的,气体发生器单位时刻的气体流出量是由喷嘴面积的大小和燃烧室中的压力决定的[5]。

该套模拟整车撞击的系统主要由台架系统、密闭充气筒及其电磁控制机构、传感器、数据收集与处置系统组成。

台架系统由底座、导轨、充气筒提升架3个部份组成,充气筒的提升、释放及高度控制通过有关的电磁控制机构来实现。

利用充气筒从必然高度沿导轨下掉队与台架底座上的弹性缓冲垫发生碰撞来实现汽车碰撞进程的模拟,而充气筒从必然高度下落时产生的具有必然加速度（90±10）g和持续时刻为（10±5）ms的冲击信号时将触发引爆装在充气筒内的气体发生器,利用安装在充气筒内的压力传感器就可以够对气体发生器产气后的整个压力转变进程进行实验研究。

装置组成如图所示。

1—底座2—导轨3—充气筒提升架4—电磁机构5—压力传感器6—充气筒

7—药盒内传感器8—产气药盒9—加速度传感器10—碰撞触头11—弹性缓冲垫

图实验装置示用意

测试进程简述如下:

电磁控制机构将充气筒提升至必然的高度并释放,充气筒沿导轨落下,其上的触头10与弹性缓冲垫11发生碰撞,碰撞产生的冲击力的大小由加速度传感器9进行记录,当碰撞加速度知足必然的峰值（90±10）g及持续时刻10±5ms的阈值要求时,该碰撞进程就会引爆装在筒内的气体发生器,气体发生器将被点火信号引燃并迅速产气。

气体发生器引爆后刹时在密闭筒内产生大量高温高压气体,通过安装在筒内的压力传感器5对充气筒内压力转变进程进行记录,通过安装在药盒内的压力传感器7对药盒内压力转变进程进行记录,记录下的信号通过信号适配器转换并通过数据处置后,充气筒内和药盒内压强随时刻转变的p-t曲线将被记录下来,通过p-t曲线能够取得从撞击开始到压强达到最大值的时刻、压强上升速度等有关参数值,从而对气体发生器的产气性能及质量进行研究。

数据处置方面,本系统具有各参数同时显示、及时分析、随时打印、自动存盘等长处[6]。

第三章测试系统中重要部件的具体设计

固定导轨的外部长方体框架的结构设计和底座的选择

1.为了固定导轨使充气筒在上升或降落的时候能够沿着竖直的方向上运动，而不会左右摇动，和受到其他外力或外部因素的影响，在充气筒的外部设计一个长方体框架，按照要求，长方体的长为1米，宽为1米，高度2米。

2.长方体框架的材料选择，由于该长方体框架要经受起内部充气筒中爆药爆炸时产生的冲击波的反射压力和自由落体的冲击力，同时还要受高温、低温或侵蚀介质的作用，所以，长方体框架材料的选择必需考虑材料的机械性能、耐蚀性能等。

机械性能

性能高的材料，但材料强度的提高总会伴随着延塑性和冲击韧性（或断机械性能是材料抵抗外力作用而避免产生屈服和断裂破坏的能力，它是决定钢材许用应力值的依据，其常常利用指标有σb、σs、

一般选用强度较裂韧度）的下降，从而带来了制造工艺性的困难和避免脆性破坏性能的下降，而且高强度材料对应力集中比较敏感。

延塑性反映材料塑性变形的能力，其衡量指标是延伸率δ及断面收缩率ψ。

延塑性好的材料在断裂时一般表现出延性破坏的特征，即破坏前产生明显的塑性变形，破坏时呈剪切撕裂断口，不产生碎片，致使破坏所组成的危害较小。

同时，延塑性好的材料可使某些应力集中处产生的高应力因屈服而从头散布，是应力散布趋于均匀化，避免脆断的发生。

国际标准化组织推荐压力装置用碳钢的延伸率不小于16％。

韧性是反映材料延塑性和强度的综合指标，反映材料在断裂破坏前吸收能量的能力。

衡量指标是材料的冲击韧性αk和材料的断裂韧性KIC。

材料的应力、应变和应变率的关系十分复杂，设计中必需考虑材料的动态屈服应力。

Deribas（1981）在10-2～104s-1下做出几种钢材的动态屈服应力实验曲线，如下图。

图动态屈服应力σd与应变力ε的关系（图引自Deribas,1981）

动态屈服应力σd与应变率ε的关系服从对数关系

或

σT为静态屈服点（MPa），A为紧缩接触面积（ｍ2），指数ｍ如图所示，

由实验肯定。

从图可知，应变率对软钢特别明显，如纯铁、45号钢、A3（Q235A级钢）。

因此，选用软钢作为壳体的材料是有利的。

耐蚀性能

耐蚀性是材料抵抗介质的侵蚀能力，它直接关系到装置壳体的强度。

按照以上分析，长方体容器的壳体材料应具有较高的强度、良好的塑性、韧性和冷弯性能。

优质碳素结构钢，含磷、硫杂质少，延塑性好、抗冷脆性能高。

中高压容器大多选用优质碳素结构钢。

又按照优质碳素结构钢性能比较。

由表可得，35号钢的σb较45号钢的σb小，而延伸率δ10、断面收缩率ψ及冲击波αK均大于45号钢。

依照以上分析选用35号优质碳素结构钢来作为长方体的壳体材料。

为了提高壳体强度，壳体不宜采用钢板卷制或焊接（因为在焊接加热进程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺点，致使焊缝及其周围区域可能低于钢材本体的强度），而应采用无缝结构。

为此，选用优质碳素结构钢的无缝钢管[7]。

表35号和45号优质碳素钢成份及力学性能

3．底座的材料和大小的设计

由于底座是用来固定外部长方体框架的，同时底座还要经受庞大的撞击，因此尺寸上将底座设计为1500*1500*150大小，材料选择是必需要能有专门好的抗压力，查阅机械设计手册，选择碳钢ZG200-400来制造。

滑轨系统的设计

滑轨系统包括导轨的设计、提升板的设计、冲击块的设计、轴上连接块的设计。

1.导轨的设计

导轨的功用是导向和承载，在导轨系统中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。

2.导轨应该知足的要求

（1）导向精度

（2）精度维持性

（3）低速运动平稳性

（4）结构简单，工艺性好

3.导轨材料的选择

对导轨材料的主要要求是：

耐磨性高、工艺性好和本钱低。

在导轨副中，为了提高