安全气囊系统的设计与研究

安全气囊系统的设计与研究 【摘要】：在我国，随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤等诸多因素导致近年来汽车安全事故的损失逐年上升。所以，汽车的安全性就变得尤为重要。汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种。主动安全是指汽车防止发生事故的能力，主要有防抱死系统，制动力分配系统等。被动安全是指在万一发生事故的情况下汽车上的配置保护乘员的能力。目前主要有安全带、安全气垫、防撞式车身和安全气囊防护系统(AirbagRestraintSystem)等。（以下简称为：安全气囊。）安全气囊的作用即在碰撞的第一阶段和第二阶段之间，迅速在车内人员与汽车构件之间产生一个充满气体的气垫，在碰撞过程中通过气囊的阻尼排气等过程吸收乘员的动能，使碰撞的第二阶段得以减缓，以减轻碰撞对人员的伤害程度。安全气囊属于汽车乘员“被动安全性保护装置”。其中安全带在被动保护过程中起主要作用，而安全气囊属于辅助约束系统（SupplementalRestraintSystem），即SRS。本文主要研究安全气囊系统装置的结构和工作原理，同时提出一套可行的设计方案。 【关键字】：汽车、机械式、安全气囊、被动安全、辅助约束系统I Design and Research of Security Airbag System Abstract: In China, with the development of highway and the improvement of vehicle performance, the car runs faster and faster, especially because of the rapid increase in car ownership, traffic becomes more crowded, and many other factors have led in recent years, car safety accident losses increased year by year, so the safety car becomes particularly important. Cars safety includes active safety and passive safety. active safety refers to the ability of cars to prevent accidents, there are anti-lock system, brake force distribution system, etc. passive safety refers to the case of an accident in case the configuration of the cars ability to protect occupants present, there are safety belts, air, crash-type body and airbag protection system (Airbag Restraint System), etc. (hereinafter referred to as: airbag.) The role of the airbag is in the collision between the first and second phases, the car quickly produce a gas-filled cushion between the components inside the vehicle, the airbag during the collision damping through the process of absorption of the occupant exhaust kinetic energy, so that the second stage of the collision can be slowed to reduce the degree of injury to personnel collision. Airbags are car occupants passive safety protection device. Where the seat belt in the passive protection process plays a major role, while the airbag supplemental restraint system belonging to (Supplemental Restraint System), is SRS. This paper studies the airbag system device structure and working principle, and proposed a workable design. Keywords: automotive; mechanical; airbags; passive safety; supplemental restraint systemII 目 录1.前言.1 1.1汽车被动安全技术的研究现状.2 1.2汽车被动安全技术的研究内容.2 1.3安全气囊的发展前景.42.安全气囊系统的结构和工作原理.5 2.1系统组成.5 2.2传感器.62.3气体发生器.72.4安全气囊气袋.8 2.5中央控制器.93.安全气囊系统的设计.11 3.1汽车碰撞原理及安全气囊装置设计依据.113.2气体发生器结构设计.13 3.2.1总体结构确定.13 3.2.2壳体设计.14 3.2.3排气孔设计.18 3.2.4过滤系统设计.21 3.3传感器的选择.243.4气囊材料的选择.253.5点火药剂的选择.26 3.5.1药剂的选择.26 3.5.2药剂的设计计算.274.安全气囊碰撞分析.305.总结.33致谢.34参考文献.35III 1.前言 随着我国国民经济的快速发展，交通运输也获得了飞速发展，但是交通事故的急剧攀升也随之而来。我国交通事故连续多年每年死亡人数在近10万人的事实，以越来越引起国家的高度重视和社会的广泛关注。 据中国公安部统计，截至2012年6月底，全国机动车保有量达2.33亿辆。其中，汽车1.14亿辆，摩托车1.03亿辆。全国机动车驾驶人达2.47亿人，其中汽车驾驶人1.86亿人。据国务院发展研究中心的预测：在未来的10到15年时间里，中国将成为世界最大的汽车消费国和最大的汽车生产国。在20世纪70年代之前，汽车技术的发展，主要在于提高汽车的动力性、操纵稳定性、舒适性、制动性以及提高灯光、视野等方面，这些均可以被称作主动安全性，但是汽车交通事故仍然不断发生，研究如何在汽车碰撞事故发生之后，减少人员伤亡就成为一个主要的研究内容，这就是汽车碰撞被动安全性的研究内容。 发达国家在20世纪中后期，就开始制定和执行有关汽车碰撞被动安全性的技术法规，在此之后，这些法规迅速得到了改善和发展。由于执行了安全法规，有些国家每年汽车事故死亡人数下降了20%，而且出现了死亡人数不再增长的情况。而我国的交通事故的死亡人数则随汽车的保有量的增加呈现逐年增长的趋势，我国汽车保有量不到世界的3%，但交通事故死亡人数却占世界的16%左右。2011年，在严格禁止酒驾后，汽车保有量达到1.04亿辆的中国，有6.2万人死于车祸。而汽车保有量在7000多万辆的日本，车祸死亡人数只有区区4611人。汽车保有量2.85亿辆，大大超过我们的美国，车祸死亡人数只有4.2万人。汽车安全问题可以分为事故预防性能（主动安全）、碰撞时的安全性（被动安全）和事故后的脱出及救出这三个问题进行研究。我国汽车主动安全问题的研究开展较早，已基本形成研究体系。而我国汽车碰撞安全问题的研究严格说来是从20世纪90年代才开始展开，这比国外的研究完了三四十年。十多年来，虽然我国的汽车碰撞安全问题的研究已经取得一定的成果，初步形成汽车碰撞安全研究体系，但与外国的研究相比还有很大差距。本文主要研究和设计汽车碰撞时的被动安全技术，即安全气囊在发生碰撞事故中的应用。表1-1 2003年汽车大国死亡人数对比国别交通死亡人数汽车保有量万车死亡率（人/万辆）中国104372240043.5美国400002.36亿1.7日本77027000万1.1德国66004800万1.37 1.1汽车被动安全技术的研究现状被动安全性能测试手段，从20世纪90年代初才开始发展起来。19891992年，CATARC开发出一整套安全带、安全带固定点、座椅、门锁门铰链等实验设备，填补了国家空白，为日后有关零部件的安全性奠定了基础。清华大学汽车工程系于1992年制造了一套简易的模拟碰撞实验设备，采用橡皮绳作发射动力，加强的油桶作吸能器（后来采用液压吸能器），在此设备上完成了一些安全带和气囊等试验，为教学和提高企业铲平质量做出了贡献。1992-1995年，CATARC和东风汽车公司技术中心分别开发了模型碰撞试验台。目前，一汽集团、上汽集团等多家单位均开发了整车碰撞试验系统。清华大学汽车工程系于1990年之前开始酝酿汽车被动安全性的研究工作，并于1988年从国外购置了假人，之后建立了简易的碰撞试验系统，开展了图像分析、模拟计算以及事故调查与分析等研究工作。1992-1995年，CATARC执行了联合国开发计划署的援助项目汽车排放控制与被动安全。在此项目期间，CATARC先后派出10余名工程师到国外培训，邀请了美国、日本和法国专家来华讲学，使CATARC和汽车行业进一步了解了国外安全技术现状与发展趋势。1996年，湖南大学汽车工程学院成立了计算机仿真实验室，主要研究汽车碰撞模拟计算方法，由此我国进入被动安全技术研究的起步阶段。近年来，我国在乘员约束系统中开展了深入的研究，开发出具有自主品牌的安全气囊。1.2汽车被动安全技术研究的内容汽车安全性的研究作为国家支柱产业发展战略的重要组成部分，在汽车发达国家里已经制定了长期的发展规划，在国家政策的扶持下，正在进行产学研结合，并分步实施。美国在1968年首先实施了联邦机动车安全标准，20世纪70年代初期，美国、英国、法国、德国和日本开展了试验安全车（ESV）的研究，ESV计划的实施开始了汽车安全技术研究的新时代，ESV计划是以80km/h正面碰撞固定固定壁而能确保乘员生存安全为目标，开发具有高度安全性能的试验样车，其目的是：（1）弄清汽车安全性对环境的影响，碰撞时乘员生存性等技术进步的可能性；(2)掌握如何依靠不断改进安全系统设计来减少伤亡和经济损失的一般规律；（4）试验安全车评价试验所得的技术资料用于制定新的安全标准。ESV计划的实施开创了国际汽车安全技术研究的新尝试，在开发ESV的共同目标下，为了及时交流汽车安全研究的新成果，成立了ESV国际会议。ESV国际会议交流的内容涉及到预防安全、被动安全、碰撞安全、安全新技术等在内的广泛的领域，提出了更加完善的研究成果报告。后来又进一步发展了先进安全车(ASV)计划。20世纪90年代，日本制定了先进安全车(ASV)的计划。其中ASV一期(1991-1995)计划已经完成，内容涉及被动安全技术和防止撞车后火灾技术两大领域。按照交通事故发生的前后，汽车安全性分为事故前安全性和事故后安全性。事故前的汽车安全性是指在汽车将要发生事故时，操纵制动或者转向避免事故的能力，以及汽车正常行驶时保证其动力性、操稳性、制动性、驾驶舒适性、信息性等预防事故发生的性能。事故后的汽车安全性是指事故发生时保护乘员和行人，使直接损失降到最小的性能。另外，作为防止事故后出现的二次伤害的安全性，还应该考虑乘客迅速脱离事故车的性能。汽车交通事故的主要是各种形式的碰撞，在混合交通环境下，对汽车碰撞事故的研究有十分重要的地位。作为新的安全观念，对于汽车与汽车的碰撞安全，应同时综合考虑车辆的冲击性和相容性，进行对策优化分析和实施具体的安全措施。为了加速碰撞安全研究周期，许多国家采用评价工具的测量数据来评价乘员和行人受到伤害的程度。由于安全带及安全气囊在减轻乘员伤害时的巨大作用，因此，被动安全气囊系统的研究将是汽车安全技术研究的重点之一，其内容主要为：（1）研究更加可靠的安全气囊系统现代安全气囊的特点是：其充气展开特性能根据乘员体重、坐姿、碰撞条件等自动调节、更加有效的吸收乘员的冲击能量。同时，还需开发出防护侧面碰撞上海的侧面安全气囊。（2）智能安全带系统这种安全带符合人体工程学原理，协调配合安全气囊构成最有效的被动安全防护系统，能感知碰撞能量，及时调节其负荷特性。1.3安全气囊的发展趋势前景安全气囊的出现，给汽车工业带来了繁荣，安全气囊撞车的数量越来越多，1984年7月美国汽车安全标准正式宣布实施。该标准规定了碰撞中安全装置保护车辆乘员的性能要求，自此安全气囊的生产得到了快速发展。汽车安全气囊作为一种假想提出来后，到现在已经成为汽车上必需的安全装备，被广泛应用已经超过半个世纪。安全气囊有效的减少了汽车碰撞事故中的伤亡，已经在汽车安全领域得到了广泛的认识和高度重视。随着它的普遍推广使用，安全气囊的各个关键技术环节均得到了汽车安全领域的研究。目前安全气囊技术的开发研究主要倾向于气囊的智能化、小型化、多样化、无污染的研究。（1）安全气囊的智能化 传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规位置和气囊的理想点火时刻为原则设计的。但是在实际的汽车碰撞事故中，影响气囊保护性能的因素有很多，例如，乘员的身高和体重、乘员相对于方向盘或仪表盘的位置，碰撞的剧烈程度等。不同的碰撞条件及乘员的位置变化会导致成员不是在最佳时刻与气囊接触，从而降低了对乘员的保护效果。为了充分发挥安全气囊的保护效果，智能型安全气囊的概念也就应运而生。近年来，智能性安全气囊的研究致力于开发一种能够最大限度的保护乘员的安全气囊系统。这种气囊系统能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和成员状况来调节气囊的工作性能。智能型气囊的关键技术之一是先进的传感系统和电子运算系统，它们在事故发生的短暂时刻内能够提供可靠的碰撞环境信息。这些信息主要有：碰撞的强烈程度，碰撞的方位，乘员的身材、体重、位置，乘员是否系有安全带。智能安全气囊系统根据原有探测的信息作出判决怎样调节和控制气囊的工作特性，使气囊充分发挥保护作用。(2)安全气囊的小型化 缩小安全气囊总成的体积是当前发展的另一趋势。新型发生器工作时，压缩气体从气罐中喷出充满气袋。这种发生器气体生产率高，因而尺寸小，便于安装布置。（3）环境保护型安全气囊 采用压缩气体的气体发生器对人体无毒害，且已与回收处理，没有环境污染的问题。（4）安全气囊的多样化 驾驶员和前座乘员安全气囊已成为轿车生产中的标准设备作为正面碰撞事故中的安全措施。侧面碰撞气囊正在迅速发展。不同设计形式的侧面碰撞气囊可分别安装在座椅靠背外侧、车门中部、车身中立柱、车身顶部与车门交界部位。2.安全气囊系统的结构和工作原理2.1系统组成气囊从测出汽车碰撞开始到气囊完全膨开，整个过程只要30-65ms左右的时间即可完成，而人眨一次眼睛需要100ms时间。由此可见对安全气囊设计的要求之高。气囊系统装置如图2-1所示。其由碰撞传感器、点火控制器、气体发生器（点火器、充气机）、气囊等组成。碰撞传感器点火控制器气体发生器气囊图2-1安全气囊系统组成碰撞传感器安装在前保险杠或前轮罩处，或在点火器一侧安装另一碰撞传感器以便传递碰撞信息。碰撞传感器将碰撞信号传递给点火控制器，点火控制器判断碰撞传感器所传递的信号到预定的碰撞减速度限值（如本田气囊系统为12g、16km/h）以上时，向点火器输送电信号，点火器就会引发充气机，使氮气充入气袋，充起的气袋鼓破了聚氨酯制造的盖，瞬间产生一充气的气袋对驾驶员或乘员进行保护。而后由气袋背面的排气孔排气，以减轻气袋对脸、胸的冲击。 图2-2转向盘内藏气囊装置的结构1、转向盘 2、气囊 3、转向盘盖 4、转向盘骨架 5、气囊碰撞传感器 6、气体发生器图2-3安全气囊工作过程简图2.2安全气囊传感器碰撞传感器的功用是撞车时，向气囊系统发出信号，使该系统开始工作。安全气囊系统能否可靠地工作，碰撞传感器是第一个关键，同时碰撞传感器的成本高低也有很大影响。碰撞传感器从测出碰撞到接通电流只需1020ms左右。碰撞传感器安装在前保险杠或前轮罩处，或在点火器一侧安装另一碰撞传感器一边传递碰撞信息。碰撞传感器分为预知碰撞传感器和检测冲击碰撞传感器。而检测冲击碰撞传感器又分为：全机械式碰撞传感器、机电式碰撞传感器和电子式碰撞传感器。机电式碰撞传感器 利用机械构件的重力、弹性能等来检测汽车碰撞程度，利用电子电路对气体发生器发出起爆指令。典型的有偏心外向锤式机电碰撞传感器。其工作原理如下：汽车正常行驶时，扭力弹簧2将偏心锤3、动触头6、12、14定在止点位置，传感器没有触发信号给中央控制器。当汽车碰撞时，减速度力克服弹簧的扭力而使偏心锤产生运动，带动触桥5转动，使动静触头接合。此时，传感器向中央控制器发出“接通”的信号，同时安全传感器也接通，CPU发出引爆信号。如图所示为偏心外向锤式机电碰撞传感器的结构示意图。 图2-3机电式安全气囊传感器结构图 1芯轴；2扭力弹簧；3偏心锤；4转盘；5触桥；6、12、14动触头； 7、11、13静触头；8外壳；9、10、12插头；10止位块2.3安全气囊气体发生器气体发生器的作用是产生气体，并为气袋充气。气体发生器主要分为：（1） 气体式气体发生器；（2）固体式气体发生器；（3）混合式气体发生器；（4）吸入空气式气体发生器。2-4气体发生器结构示意图 1、过滤系统 2、点火系统 3、自动点充剂 4、气体发生剂 5、充气器壳 6、引发器7、中央控制器下面主要就常用的固体式气体发生器作以介绍：固体式气体发生器是利用火药等固体的气体发生剂燃烧所产生的燃气将气囊胀开。主要气体发生剂是片状的叠氮化钠火箭燃料NaN3及FeO2(或CuO2)等组成，其装量决定了气体发生器密封筒的最高输出压力。点火后发生如下反应 4NaN3+FeO2(CuO2)=6N2+Fe(Cu)+2Na2O Na2O+H2O=2NaOH 将气体发生剂制成片剂除了由于这种工艺比较成熟外，另一个原因是便于通过改变片剂的厚度来调节气体发生器特性。由于产生的燃气达到1000C以上的高温，必须设置冷却层以降低气体温度。此外，在气体发生剂燃烧后产生固体残渣时，还必须设置过滤层。图2-10是固体发生器的构造。其由三层构成：最内层是装有火药的燃烧室，中间层是冷却层，最外层是过滤层。这种固体式气体发生器体积较小，在车上容易安装，特别适合用作装入转向盘的驾驶员座位用的气体发生器。2.4安全气囊气袋安全气囊气袋的功用是当接收到气体发生器送到的气体时，立即冲开气袋外部的盖板，迅速膨胀，在乘员与方向盘或仪表盘之间形成气垫，同时吸收乘员的碰撞能量。气袋是采用一定物理力学特性的膜状材料制成，具有特定结构的袋子。袋子的进口和气体发生器的气体出口相连，以便气体发生器产生的气体全部进入袋子。气袋可以是单气室的，也可以是多气室的。对于多气室气袋而言，各气室之间有通道相连，以保证所有气室都能获得来自气体发生器的气体。到目前为止，安全气囊气袋的发展共经历了四代。第一代安全气囊气袋是以聚氯乙烯为涂层的缝制型织物气囊；第二代是以硅酮为涂层的缝制型织物气囊；第三代是非涂层织物气囊，利用植物自身的结构产生阻气性，但仍为缝制型；第四代是一次性成型气袋。它为非涂层全成型织物，这种气囊在织机上直接加工成袋状，无需缝制。它与涂层型安全气囊织物相比，有以下优点： （1）气囊系统工作过程中，气囊中灼热空气的排逸，采取织物过滤方式，这对减轻车厢污染、保护环境十分有利； （2）减少涂层加工，缩短了工艺流程，降低了成本； （3）气囊织物使用之后可以回收，符合环保要求。 随着现代工业的发展以及司乘人员对安全性和舒适性的要求，安全气囊的发展将向着更新型的智能化的方向发展。英国已研制出一种灵敏安全气囊装置，它可以根据乘客的体型、位置、坐姿及撞车的程度等，灵活的控制气囊展开的张力和速度，以达到最佳的保护效果。安全气囊要求其必须具备包装体积小，充气、放气迅速，长期不需维修，阻燃等特点。包装体积小，要求织物必须轻、薄，有良好的抗折皱性；快速充气和放气则要求织物有较高的持续抗撕裂性、可加工性，有较好的弹性以及较低的空气渗透性；长期不需要维修则要求织物必须具有抗微生物性、耐热性、抗化学降解性和尺寸稳定性。综上，安全气囊用纤维需要具有良好的强度、韧性、耐热性和抗老化性。2.5安全气囊中央控制器中央控制器是安全气囊系统的控制中心，其功用是接收碰撞传感器及其他传感器输入的信号，判断是否点火引爆气囊充气，并对系统故障进行自行诊断。中央控制器由点火控制器、驱动电路、储存电路、诊断电路等组成。 2.5.1点火控制器 根据多个碰撞传感器的信息决定是否起爆。对于安全气囊来说，准确判断碰撞强度并在最佳时刻引爆安全气囊是安全气囊控制系统的主要目标。早期的安全气囊系统大都采用多点传感方式，由机械式和电子式碰撞传感器配合使用，对正碰、斜碰、偏碰、碰桩等能较好地进行识别。现在的安全气囊控制系统大都采用单点传感方式，即使用安装在控制器内的一个或多个碰撞传感器测量汽车碰撞加速度信号，通过高效的算法识别碰撞的形式、强度并引爆气囊。实际上，点火控制器是一个晶体开关电路。当碰撞传感器传来的信号电压足够大时，晶体管的发射极和集电极就导通，并将传来的信号与已经储存的信号（电阻、电压）相比较，确认时碰撞信号并达到预先设定值后，接通继电器，由驱动电路接通电源与电雷管的总开关电路，引爆气囊。 2.5.2诊断电路诊断电路的作用是经常检查全系统的工作可靠性，若发现异常情况，即发出警报。同时还有记录气囊爆破、不发气等故障电子回路。诊断项目有敏感元件的短路、断路等，如发现故障就点亮显示灯，发出警告。如果驾驶员无视警告继续行驶，在故障记录电路中记下它的时间，在发生撞车事故时，就可以判断事故在先，还是故障在先。如图2-11所示为某轿车用安全气囊电路：图2-11 某型轿车用安全气囊电路图 3.安全气囊系统的设计3.1汽车碰撞原理及安全气囊装置设计依据撞车现像是一种发生在极短时间(0.10.25s)内，汽车与汽车相接触并在接触中进行动量交换的过程，同时伴随着能量的损失。通过事故调查可以证明，汽车相撞的时间小于人的反应时间(人的反应时间约为0.25s)，待人明白撞车事故时，撞车就已经结束了。这样人在撞车事故中不可能本能地保护自己，只能靠被动安全装置减少这种伤害。人体伤害与汽车相撞时产生的减速度有很大关系，汽车碰撞后车体产生的减速度以汽车碰撞相接触的时刻为起点，随着碰撞发生的时间而增大。通常驾驶员在未使用任何被动保护装置时，在惯性力的作用下，人体会迅速向前移动。美国在标准轿车上用假人试验，人体相对车辆的移动量如图1所示。汽车以48km/h的速度对固定壁碰撞时，从30ms开始，人体急剧地向前移动，在5560ms时，人体撞到转向盘上。为了在碰撞时保证驾驶员的安全，一方面利用高速碰撞时车体的压扁变形来吸收人体的能量;另一方面使转向盘内藏安全气囊在短时间内打开，阻止人体撞向转向盘。 图3.1 撞车时人体相对车辆的向前位移量汽车碰撞主要有如下三种形式:正面碰撞、追尾碰撞和侧面碰撞。假设正面碰撞是两辆汽车相向行驶并沿汽车纵向发生完全非弹性碰撞，在此过程中忽略回弹，则两车碰撞后合为一体，以同一速度V运动而不分开，其运动速度式中、分别为1车和2车的质量; 、。分别为1车和2车碰撞前的速度。此时碰撞前、后两车的总动能并不相等。碰撞前两车的总动能:碰撞后两车的总动能:在碰撞过程中能量损失为:这部分能量消耗于汽车碰撞部位压扁的永久变形的过程中。追尾碰撞是两辆汽车同向行驶时沿汽车纵向发生碰撞的过程，即一辆车的前部碰到另一辆汽车的后部，这时两辆车首尾连在一起，以相同的速度沿前进方向作直线运动。两车的侧面碰撞过程是比较复杂的。当l车朝2车的侧面相撞时，由于动量交换两车产生回转运动，在动量交换完毕之后，又各自分开，边滑移边回转。滑移动能与回转动能均消耗在轮胎与路面的摩擦上，直至停车。侧面碰撞过程中能量损失为:式中、分别为碰撞前1车和2车的速度；、分别为碰撞后1车和2车的质心移动速度；、分别为1车和2车围绕质心的转动惯量；、分别为1车和2车碰撞结束时的回转速度。从上述分析可知，为了确保撞车时驾驶员和乘员的安全，一方面利用撞车时车体的压扁特性(即汽车碰撞时的永久变形)吸收乘员的能量;另一方面利用安全气囊充气后膨胀的缓冲功能保护乘员(见图2)。 图3.2安全气囊的保护作用 1转向盘 2驾驶员处气囊 3乘员气囊3.2气体发生器结构设计 3.2.1总体结构确定气体发生器结构主要包括外壳体(含排气孔)、过滤系统和传火机构。因此结构设计也围绕这三个方面进行，壳体设计包括壳体形状/尺寸设计、壳体材料选择和排气孔设计;过滤系统设计包括过滤系统机理设计和材料选用;点传火机构则包括点传火药的选用、药型设计和传火孔形状及尺寸设计。气体发生器结构设计的原则:一是保证气体发生器本身的性能，二是提供足够的强度，三是尽可能降低成本。图3-3安全气囊充气设备 3.2.2壳体设计气体发生器壳体的作用主要是提供适当的燃烧室环境，保证产气药剂被可靠点燃，并按预定的反应方式保持稳定的燃烧。壳体设计包含材料的选择、厚度设计和排气孔的设计。在气体发生器设计中，首选要考虑减少气体发生器的质量。为此，需要选用强度/质量比大的材料，如经过热处理的合金钢材料和高强度的铝合金等。考虑到金属性能与环境的温度有关，尤其在高温条件下，温度对金属的力学性能影响较大，所以，要充分注意到温度对气体发生器性能的影响。从气体发生器发展历史来看，气体发生器壳体从机械加工件发展到冷挤压件和温挤压件，现在大多使用拉伸件以提高质量一致性同时降低成本。壳体设计和气体发生器内部结构与所用产气药剂有着紧密的联系，有的产气药剂燃烧压力指数低，壳体可以设计得稍薄，有的产气药剂压力指数高，则需要将壳体强度设计得较高。为降低成本，在论文中的气体发生器设计时，尽量考虑使用钢材拉伸件作为壳体，材料选用适合拉伸工艺且价格相对较低的材料。经查普通低碳钢抗拉强度如表3.1所示，由表中数据可见，钢牌号越高，其抗拉强度也越高，但随着牌号的增加，拉伸工艺性也降低，本论文拟选用20号以内的钢材(由于锰钢价格较贵，此处不采用)。如图3.3所示，假定气体发生器壳体内径为D，根据气体发生器的小型化要求，将气体发生器壳体内径确定为60mm，壳体厚度为d.对于承受内压的装置，在其内壁上有一个最大的压应力，同时还产生最大的切应力和周向应力。屈服应力与这些应力的关系式可用下式表明: (3.1)式中最小屈服应力，=Y径向应力，=-p切向应力轴向应力 对于切向应力:式中: 壁厚比； 内直径； D外直径；对于轴向应力：式中F一作用力；A一-断面积。将、和代入上式得： （3.4）所以 , 整理得如前所述，本论文气体发生器内压设计为25MPa左右，此处按25MPa计算。即P=25MPa。若选用20号钢，则Y=400Mpa， ,Y=400MPa，查与对应表，当 0.062时，=1.0662；当；采用插入法得；即若选用20号钢，至少壳体厚度应为，所以，若选用08号钢，至少壳体厚度为：，即，所以为减轻气体发生器重量，拟选用20号钢作为材料。以下对当d=2.5mm时的情况进行力学计算。 气体发生器壳体横向截面积: (3.6) 气体发生器壳体承受的最大总拉力为: (3.7) 若选用20号钢，则=410MPa，d=2.5mm，D=60mm代入有关资料得:F=4103.142.062=155744N 气体发生器内面积为: 气体发生器壳体工作时承受的总拉力为: (3.8)式中D一一气体发生器壳体内径(mm)；D一一壳体厚度(mm)；一壳体材料抗拉强度()；F一一.壳体承受总拉力(N)P内压()。因此从理论分析，气体发生器作用时能承受的最大内部压力为55MPa，满足25MPa的工作内压要求。不同标准对气体发生器壳体强度的要求也有差异，譬如AK一LV03标准70对气体发生器壳体的强度系数要求为1.7，而USCAR标准对壳体强度系数要求为1.5，此处按USCAR标准规定的方法对气体发生器壳体强度进行实验研究，USCAR标准规定按如下方法进行计算:第1步，测定气体发生器壳体的静压破坏压力。将气体发生器壳体按正常装配方式进行装配，留一个对外接口，通过液压的方法测试气体发生器壳体的破坏强度为p，计算多次试验结果平均值万和标准偏差S . 第2步，确定最大预计工作压力MEOP。分别在-40、25和85时，测试气体发生器作用时内压龙按上面的计算方法计算平均值和标准偏差So 式中选择上述MEOP中最大的数值用于计算安全系数。安全系数式中MEOP最大预计工作压力;壳体破坏时液体静压力平均值;壳体破坏时液体压力的标准偏差。因此，气体发生器壳体强度设计是一个综合性问题，首先应考虑产气药剂的影响，然后应兼顾气体发生器壳体连接方式和壳体排气孔设计。由前面药剂研究部分可知，论文中产气药剂在20MPa30MPa之间能持续稳定燃烧，并按预定的主反应方程式进行。分别在一40、+25、+85下对气体发生器内压进行了测试，试验结果见表3.2。 表3-1气体发生器内压测试结果试验温度/C序号内压/平均值/标准偏差/-40121.521.510.52221.4321.8422.1520.7+25122.522.740.56222.9322.4423.8523.1+85124.524.860.46224.8325.1425.5524.6显然，由计算得+85时，气体发生器内压最高，此时 对气体发生器进行破坏强度试验，测得数据见表3-2。序号12345678910压力/55.556.555.956.156.856.756.257.056.056.6平均压力/56.23标准偏差0.48根据以上资料，计算强度系数为:.满足设计强度系数大于1.5的要求。 3.2.3排气孔设计气体发生器排气孔对气体发生器的作用效果有着至关重要的影响，一方面它影响产气药剂的燃速，另一方面影响气体从气体发生器排出的速度，以下分别就两个方面的影响加以探讨。气体发生器中的产气药类似一种火药，其燃烧速度可用火药的燃烧特性来描述。当气体发生器工作时，燃烧室中的压力是由产气药单位时间的产气量和该时间内气体从壳体内向壳体外的流动来共同决定的，单位时间内的产气量是由产气药的线性燃速和燃烧面积共同决定的。(1)气体发生器的产气速度产气药的线性燃速为:b燃速系数;p燃烧压力(Pa);r产气药的线性燃速(m/s)。产气药的产气质量速度为: A产气药药片的总表面积();p产气药的密度(kg/);和气体发生器产气效率有关的产气药产物中气体成分的百分数;一产气药的产气质量速度(kg/s)。 2）气体从气体发生器喷出的速度经过节流小孔的气体交换率可由下式算出: 式中一一气体交换品质(kg)节流小孔面积()一一气体释放系数()工作压力(Pa);一接受器压力(Pa)。流动因子是工作压力和接受器压力的函数。气体发生器单位时间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。可用下式表达: 式中a一气体输出系数，即为气体特征速度的倒数，常取值A喷嘴的总面积();P一一气体发生器中燃烧室的压力(Pa)。从以上两式可见，产气速率随着排气孔面积的增加而降低(燃烧压力降低)，而排气速度随着气孔面积的增加而增加，三者关系可简单地用图3.3来表达。 图3.4产气速率与排气速率及排气孔面积的关系示意图 1-产气速率与排气孔面积的关系曲线 2-排气速率与排气孔的面积关系曲线 当排气孔面积小于时，产气量大于排气量，气体发生器内的压力会持续升高，气体发生器曲线斜率大，药剂燃速快且不稳定，以至出现结构破坏;当气孔面积大于时，气体发生器内的燃烧压力不稳定，造成气体发生器作用时间长;当排气孔面积等于时，处于气体发生器作用最理想状态，产气药剂燃烧稳定，性能一致。因此，如何寻找成为气体发生器设计的关键，也是开发工作的难点。为顺利解决这一问题，本论文采取了一种先进的设计理念，将气体发生器排气孔设计成大小不一的一组孔，当产气药剂开始燃烧后达到一定的压力时，部分孔(大直径孔)密封膜先冲破;当气体发生器内压力达到一定值后，若压力持续升高，小孔膜被冲破，从而降低气体发生器内的压力，保证药剂以一定的速率稳定燃烧，表3.4是不同排气孔面积气体发生器试验结果。 表3.4不同排气孔试验结果表序号123试验状态小孔小孔+大孔大孔点火时间2.53.03.05ms压力/0.040.0050.00610ms压力/0.120.030.0321