汽车安全气囊实验台说明书(可编辑) .doc
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1、汽车安全气囊实验台说明书 第一章 绪论 课题的提出及意义 一、安全气囊的研究意义 从18世纪汽车诞生以来,汽车的安全问题就随之产生了。但在早期由于车速较低,车辆相对较少而未引起人们的重视。随着汽车行业的快速发展,汽车越来越多,车速越来越快,交通越来越拥挤,交通事故也越来越频繁,碰撞安全性问题变得越来越突出。汽车发生碰撞事故后,不仅给车辆本身造成损坏,更重要的是造成人员的伤亡。据统计,目前全世界每年死于车祸的人数达100万人,伤残的人数达数千万。在我国,每年车祸致死的人数超过8万,致伤者几十万。因此,汽车交通事故已成为当今威胁、残害人类生命的一大公害。汽车交通事故造成的大量人员伤亡自然带来一系列
2、社会和经济问题,严重影响了人们的生活和生产,不得不引起人们的高度重视。所以,汽车安全性问题成了各国竞相研究的一个极其重要的课题。 对于驾车人和乘车人,如何保护他们的安全?除了遵守交通规则、安全驾驶之外,车辆中安全系统将起到非常重要的作用。 汽车安全系统分为主动安全系统和被动安全系统,主动安全系统能提高车辆行驶的稳定性,能防范事故于未然,主动安全系统包括防抱死制动系统ABS、电子稳定系统ESP、越道辅助系统、牵引力控制TCS、 电子制动力分配EBD等;被动安全系统是事故发生后才开始起作用,以减缓事故严重程度,要求在发生碰撞时能够保护乘员,在碰撞事故中,要使车厢的变形减至最小,并且要使乘员在车厢内
3、移动发生第二次碰撞的机会最小。被动安全系统包括安全带、安全气囊等。从市场发展趋势看,安全气囊和防抱死制动系统有望成为标准配置,如何保证安全系统更准确、更可靠是消费者迫切关心的问题。 安全气囊作为车身被动安全系统的重要组成部分,日渐受到人们的重视。当汽车碰撞后,乘员与车内构件尚未发生“二次碰撞前”迅速在两者之间打开一个充满气体的气垫,使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”,从而缓和乘员受到的冲击并吸收大部分的碰撞能量,减轻乘员的伤害程度。据统计,全球每年都有约120万人死于交通事故,其中约20%的死亡是由于正面碰撞事故导致,安全气囊的发明,大大减少了这类事故的发生。随着汽车电子半导体技术的应用,安全
4、气囊产品进一步发展,出现了带诊断单元的安全气囊,它由传感器、计算机处理系统、气体发生器及气袋等部件组成。在撞车的瞬间,传感器采集撞车信号,计算机对信号识别、处理,点燃气体发生器,在乘员面前充起气囊,保护人的头部和胸部不受损伤或降低损伤程度。 有数据显示,安全气囊自面世以来,已经挽救了许多人的性命。据调查,有气囊装置的轿车发生正面碰撞,驾驶者的死亡率,大轿车降低了30%,中型轿车降低11%,小型轿车降低14%。通过这些数字表明:安全气囊能够有效的减少交通事故中人员的伤害。如今大部分的汽车都应用了安全气囊系统,但是因为在发生事故时安全气囊不起作用或者气囊本身造成的事故对人员的伤害也常有发生,这引起
5、了社会及汽车行业的高度重视。因此,研究汽车安全气囊如何真正起到安全防护作用成了一个非常重要的课题。 二、本课题的研究目的 我校汽车实验室新近配置了一台安全气囊实验台,在使用中发现存在很多的问题,针对其中存在的问题,经过研究讨论设立本课题。 本实验台的设计主要用于大中专院校汽车及相关专业实验室使用。目的是为了让学生对安全气囊的功能、原理、以及故障的发生和诊断有个初步的认识了解,为以后深入的学习打下基础。本课题从实际出发,参考大众、奥迪、现代等汽车的安全气囊装置,运用机械设计、电学、力学等相关知识,从实用化、专业化以及人性化考虑,使实验台在操作上更简洁,原理更清晰,并且能在实际应用当中考查学生的理
6、论知识的掌握程度、开拓学生的思考能力和创新能力。 第二节 安全气囊的使用现状及发展趋势 一、安全气囊的使用现状 由于安全带使乘员担心火灾后不易逃出驾驶室及佩戴不舒适,而使佩戴率不尽如人意,交通事故的伤害率又居高不下,安全气囊应运而生,其功用是当撞车刚刚发生时,为防止乘员碰撞转向盘和仪表板,利用气压膨胀气囊使两者隔开,并吸收乘员的动能,以减轻二次碰撞的冲击伤害。 安全气囊最早出现在美国,然后依次出现在欧洲、日本和韩国。在欧美国家,驾驶位的汽车安全气囊安装率已达100%。中国对安全气囊的研究是从20世纪90年代初开始的,目前中国安全气囊的生产已初具规模。2001年1月1日,中国颁布了关于正面碰撞乘
7、员保护的设计规则,这是我国第一个汽车技术安全法规,同时也促进了安全气囊产业的成长与发展。根据这个法规,2002年7月1日以后出厂的8座不含驾驶员以下的乘用车必须安装安全气囊。安全气囊在近几年得到了飞速的发展,价格大幅度下降,装备了安全气囊的轿车也从过去的中高级轿车向中低级轿车发展。同时,有些轿车前排安装了乘客用的安全气囊(即双安全气囊),乘客用的安全气囊与驾车者用的安全气囊相似,只是气囊的体积要大些,所需的气体也多一些而已。进入90年代以来,安全气囊的安全性能已被人们普遍接受,并被视为一种现代化和高档次的安全装置。 从汽车安全气囊作为一种设想被提出后到今天成为必需的安全装备在汽车上广泛应用已经
8、过去了整整半个世纪的历程。安全气囊有效地减小了在汽车碰撞事故中乘员的伤亡,它的保护效果在汽车安全研究领域得到广泛的认识和高度重视。随着汽车安全气囊的普遍推广应用,安全气囊系统的各关键技术环节均成为汽车安全研究领域的重点。 二、安全气囊的发展趋势 安全气囊发展的目的在于车辆发生碰撞时,能使驾驶者与乘客的头部、胸部、肩部所受的伤害降到最低,基本上主驾驶侧气囊已列为汽车标准配备。乘客侧安全气囊、侧边安全气囊、头部安全气囊(垂帘气囊)、后侧边安全气囊、后侧头部安全气囊(垂帘气囊)、护手气囊为标配或选配。当前安全气囊新技术的开发研究可以概括为向着气囊的智能化、小型化、多样化、无污染的方向发展。 正在研制
9、的新型保护气囊还有以下5种: (1)安装在方向盘下方膝垫部位的安全气囊,可保护脚在正碰撞中免受伤害。 (2)安装在制动踏板下的安全气囊,以保护脚和踝关节在正碰撞中免受伤害。 (3)安装在前座椅靠背上的安全气囊,以保护后座乘员。 (4)安装在汽车发动机罩下的安全气囊,保护行人。 (5)安装在前挡风玻璃边框的安全气囊,以减少行人在汽车碰撞事故中头部的损伤。 随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高,安全气囊技术近年来发展得很快,智能化、多安全气囊是今后整体安全气囊系统发展的必然趋势。新的技术可以更好地识别乘客类型,采取不同的保护措施。系统采用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重
10、量、身高等因素,进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用一级点火还是多级点火、点爆力有多大,并与安全带形成总体控制。通过传感器,气囊系统还可以判断出车辆当前经历的碰撞形式,是正面碰撞还是角度碰撞、侧面碰撞还是整车的翻滚运动,以便驱动车身不同位置的气囊,形成对乘客的最佳保护。 第三节 安全气囊组成及工作原理 一、安全气囊系统组成 安全气囊系统主要包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线路,气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。传感器和微处理器用以判断撞车程度,传递及发送信号;气体发生器根据信号指示产生点火动作,点燃固态燃料并产生气体向气囊充气,使气囊迅速膨胀。气囊装在方向盘毂内
11、紧靠缓冲垫处,其容量约50至90升不等,做气囊的布料具有很高的抗拉强度,多以尼龙材质制成,折叠起来的表面附有干粉,以防安全气囊粘着在一起在爆发时被冲破;气囊内层涂有密封橡胶以防止气体泄漏;同时气囊设有安全阀,当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体,避免将乘客挤压受伤;气囊中所用的气体一般情况下多是氮气。 气囊系统有两个电源,即汽车电源(蓄电池和发电机)和备用电源,备用电源电路由电源控制电路和若干电容器组成。当汽车发生碰撞导致蓄电池和发电机与气囊系统断开时,备用电源在一定时间内可以维持气囊系统供电。 气囊指示灯安装在仪表板上,用于指示气囊系统功能是否处于正常状态。正常情况下,打开点火
12、开关后,气囊指示灯应点亮几秒钟后熄灭。如果气囊指示灯不亮、一直亮或在行驶途中突然点亮,表示气囊系统有故障,应及时检修。 二、安全气囊工作原理 当汽车发生正面碰撞事故时,安全气囊控制系统检测到冲击力减速度超过设定值时,安全气囊电脑立即接通充气元件中的电爆管电路,点燃电爆管内的点火介质,火焰引燃点火药粉和气体发生剂,产生大量气体,在0.03秒钟的时间内即将气囊充气,使气囊急剧膨胀,冲破方向盘上装饰盖板鼓向驾驶员和乘员,使驾驶员和乘员的头部和胸部压在充满气体的气囊上,缓冲对驾驶员和乘员的冲击,随后又将气囊中的气体放出。 安全气囊可将撞击力均匀地分布在头部和胸部,防止脆弱的乘客肉体与车身产生直接碰撞,
13、大大减少受伤的可能性。安全气囊对于在遭受正面撞击时,的确能有效保护乘客,即使未系上安全带,防撞安全气囊仍足以有效降低伤害。此外,气囊爆发时的音量大约只有130分贝,在人体可忍受的范围;气囊中78%的气体是氮气,十分稳定且不含毒性,对人体无害;爆出时带出的粉末是维持气囊在折叠状态下不粘在一起的润滑粉末,对人体亦无害。 典型的气囊系统包括两个组成部分:探测碰撞点火装置或称传感器,气体发生器的气袋。当传感器开关启动后,控制线路即开始处于工作状态,并借着侦测回路来判断是否真有碰撞发生。如果讯号是同时来自两个传感器的话才会使安全气囊开始作用。由于汽车的发电机及蓄电池通常都处于车头易受损的部位,因此,安全
14、气囊的控制系统皆具有自备的电源以确保其发挥防护作用。在判定施放安全气囊的条件正确之后,控制回路便会将电流送至点火器,借着瞬时快速加热,将内含的氮化钠推进剂点燃。在近乎爆炸的化学反应快速发生的同时,会产生大量无害的以氮气为主的气体,将气囊充气至饱满的状态,并借着强大的冲击力,气囊能够冲开方向盘上的盖。而完全展开,以保护驾驶者头部不受伤害。同时在推进剂点燃的过程之中,点火器总成中的金属网罩可冷却快速膨胀的气体,随即气囊可由设计好的小排气口排气,以发挥逐渐缓冲功能,并避免在车身仍继续移动时阻碍碰撞后的视线。 需要特别说明的是,传感器只有在满足了一定的条件下才会正常工作。 第二章 实验台设计要求及方案
15、选择 实验台总体设计要求 实验台的设计要满足教学的需要,既要具有良好的示教效果,又要具有便捷的操控性能。同时,在设计时要保证实验台的美观大方,且又要保证实验台的制造成本不可过高,具体要求如下: 1.造型美观大方,整个实验台由车轮、车架、空气压缩机、控制面板等组成,简约大方,结构合理。车架构成采用矩形冷拔钢管焊接,控制面板、空气压缩机通过螺栓固定在车架上。气压表等其他零部件用螺钉固定在控制面板上。 2.服务教学,这是实验台的最重要的要求。设计要保证简约明了,使学生能在实验操作中理解所学的知识,增加学习的趣味性。控制面板上绘制安全气囊的工作原理,使学生在做实验时一目了然,轻松接受知识。 3.实验台
16、控制面板的布置简洁,电子元件布置均匀紧凑。为演示安全气囊的工作原理,控制面板上除安装电控单元、气压表、手动按钮等必要元件之外,还需增加螺旋线圈、点火引爆器等实物,便于演示实验。在实验台的控制面板上还需设计故障设置按钮,因此,整个控制面板的设计要求大方简洁,各元件位置布置合理。其他安装在控制面板上零件可在安装时在控制面板上攻孔,但要考虑整个控制面板的布置美观。 4.本实验台设计为传感器及手动按钮双控模式。可通过手动按钮触动安全气囊膨胀开关,触发安全气囊的膨胀。为演示车辆是在碰撞时发生安全气囊的膨胀,故设计传感器开关,通过给传感器一个力,引发安全气囊的膨胀。由于本实验台是在实验室中演示使用,故试验
17、设计传感器发生作用所需的力要远小于实际车辆碰撞引起安全气囊膨胀所需要的力。 5.实验台功能开发。预留外接端子连接其他设备的插接件, 为实验台的功能扩展和更新元件提供基础和应用平台。方向盘前增加座椅,放置假人,用来演示安全气囊膨胀时气袋与人的头部的碰撞模拟。 第二节 实验台方案选择 一、供选方案简述 方案一:本实验台由多功能电脑桌、实验演示控制面板、空气压缩机、碰撞传感器、方向盘及气囊组件、可移动台架等组成。 实验台电路布置在控制面板内部,控制面板显示其简易电路图;电脑桌可用于电脑等其他升级检测设备的摆放;可移动台架可使实验台方便的移动。气囊膨胀由手动开关控制。 可移动台架由矩形冷拔钢管焊接而成
18、,台架下安装四组可移动滚轮。多功能电脑桌采用刨花板制造。空气压缩机等其他零件采用螺栓安装在多功能电脑桌下方。控制面板安装在多功能电脑桌上方,与电脑桌垂直。 图2-1.多功能电脑桌效果图(正面) 图2-2.多功能电脑桌效果图(背面) 图2-3.电脑桌键盘抽屉效果图 方案二:本实验台由简易车架、实验演示控制面板、空气压缩机、碰撞传感器、方向盘及安全气囊、车轮等构成。 实验台电路布置在控制面板内部,控制面板显示其简易电路图;车架可以安装空气压缩机、控制面板、转向盘及安全气囊,气囊膨胀可由手动开关或力传感器分别控制。实验时可分别演示。 简易车架由矩形冷拔矩形钢管焊接而成,车架底部焊接钢板,车架安装车轮
19、可以移动。控制面板安装在车头前面,与车架平面呈30度角。空气压缩机安装在车架后部,采用螺栓连接。其他零件均采用螺栓连接。 图2-4.实验台车架立体图 二、方案分析选择 方案一直接用多功能电脑桌、控制面板、空气压缩机等零件组装而成,结构简单、制造方便,多功能电脑桌不仅可以用作本实验台的操作控制台,并且还可作其他的用途。 方案二采用冷拔矩形钢管、钢板等焊接而成。车架实验台高度低,重心稳定。方向盘及安全气囊实物及车架可以示意安全气囊在车中的位置。与方案一相比,方案二采用手控按钮和传感器控制,两种引爆演示方案可供选择。 考虑实验台进一步升级的要求,方案二的车架装置可以满足增加座椅及假人以演示气袋与人的
20、头部碰撞过程。并且方案二更形象化的特点,能在实验中提高学生的理解程度,让学生在潜意识当中轻松接受知识。 初步设计的实验台立体效果图如下: 图2-5.实验台效果图第三章 实验台基础部件设计 第一节 实验台车架的基本设计 一、 实验台车架材料选择 如图2-4及2-5所示,本实验台车架部分采用冷拔矩形钢管焊接而成,外形尺寸可参见装配图及零件图。 钢管是指两端开口并具有中空断面,其长度与周边之比较大的钢材,按生产方法可分为无缝钢管和焊接钢管,钢管的规格用外形尺寸(如外径或边长)及壁厚表示,其尺寸范围很广,从直径很小的毛细管直到直径达数米的大口径管。钢管可用于管道、热工设备、机械工业、石油地质勘探、容器
21、、化学工业和特殊用途。钢管分无缝钢管和焊接钢管(有缝管)两大类。按断面形状又可分为圆管和异形管,广泛应用的是圆形钢管,但也有一些方形、矩形、半圆形、六角形、等边三角形、八角形等异形钢管。 钢管与圆钢等实心钢材相比,在抗弯抗扭强度相同时,重量较轻,是一种经济截面钢材,广泛用于制造结构件和机械零件,如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。用钢管制造环形零件,可提高材料利用率,简化制造工序,节约材料和加工工时。基于以上优点分析,宜选用钢管作为车架构件的材料。经过对比分析,选用冷拔矩形钢管作为本实验台的车架构件材料。 二、 尺寸参数选择 图3-1.矩形钢管剖面尺寸 根据车架构造要
22、求,选择两种不同型号的冷拔矩形钢管。经参照对比,分别选择如下两种尺寸参数的矩形钢管: 参数一、A 90、B 50、S 5; 参数二、A 50、B 30、S 4; 图3-2.所需的各种参数钢管 以上车架采用两种尺寸参数的冷拔钢管焊接而成,其中纵梁4根,截面参数采用参数一,长度为2500 mm;横梁5根,截面参数也采用参数一,长度为900 mm;立柱8根,截面参数采用参数二,长度为300 mm。 图3-3.底板 底板与车架焊接在一起,底板上的孔分别安装方向盘总成及空气压缩机,连接螺栓为M20。底板材料为冷轧钢板,厚度为5 mm。 三、 冷拔钢管的焊接技术要求 从基层开始施焊,焊第一层时,要特别注意
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