汽车安全气囊实验台说明书

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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

23、不能烧穿,不能将碳钢基层金属沉积在复层上。为了减少焊接变形,可先焊一部分基层,然后焊复层,待复层一侧焊完后,再焊完全部基层。焊完后特别要注意进行探伤检查。复层一侧,先进行碳弧气刨清根,彻底清除过渡层熔渣及其表面附着层,并用砂轮进行修磨。过渡层及复层施焊,均采用焊条和小参数,焊接道间温度应控制在100以内。施焊时禁止在复层上引弧。选用的焊条型号应与钢管管材力学性能相适应。 装配前所有的管子应去除管端飞边、毛刺并倒角。用压缩空气或其他方法清楚管子内壁附着的杂物和浮锈。所有钢管都要进行脱脂、酸洗、中和、水洗及防锈处理。 要求焊接件的强度要不低于原材料强度。 第二节 车轮总成设计 一、车轮总成的整体设

24、计 为方便本实验台的移动,需给本实验台配套设计车轮。本实验台不需要经常移动,且在移动中速度很小。 车轮总成由支架轴、支架、车轮、车轮轴、螺母、垫片、及轴套,轴承等零部件组成。支架轴与支架的配合方式为间隙配合,以保证实验台有适当的转向能力,支架轴的小端有销,用于防止支架与支架轴的脱落。车轮总成与车架的连接方式为焊接。 车轮总成的设计效果图如下: 图 3-4.车轮总成 图3-5.车轮总成装配图 二、车轮轴的材料选择 轴的材料主要是碳钢和合金钢。因为碳钢比合金钢价廉,对应力的敏感性较低,同时可以用热处理或化学热处理的办法来提高其耐磨性和抗疲劳强度,因而选择碳钢材料制造车轮轴及支架轴。其次,低碳钢的强

25、度、硬度低,塑性、韧性高,焊接性能好,可锻可冲压性好,同时碳含量低也带来了较好的抗腐蚀性。 选择碳钢还有以下原因:在一般工作温度下(通常指200以下),各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不大,因才在综合考虑价格的条件下,选择45号碳钢。调质处理。弯曲许用应力275Mpa。 三、车轮轴的尺寸设计 预设实验台车轮为四个,故设计车轮轴为四根。设计长度120 mm,因为实验台基本上处于静态,并且即使移动其速度也很低,因此可以认为这四根轴只受弯矩作用。 因为其加工面短,故将轴设计为光轴,轴两端各18 mm加工粗螺纹。 假设本实验台总质量为100Kg,其重量 GMg1009.8980N 则每根轴的受力 G1

26、G/4145N, 为了方便计算,取G1为200N。轴的受力如下图 图3-6.轴的受力简图 图3-7.轴的弯矩图 根据弯矩方程计算 MGL/220070/27000N?mm 车轮轴的危险面在中间。初选车轮轴的直径d 20 mm。轴的抗弯截面系数 公式(3-1)经计算得 W 785 其弯曲强度条件 公式(3-2) 8.92275Mpa 经验算,选择直径d 20 mm的轴可以满足要求。轴与轮用键连接,相关尺寸见图纸。 图3-8.车轮轴零件图 四、轴承的选择及寿命计算 初步选择滚动轴承,根据实验台的受力特点,选择6系列的深沟球轴承。根据轴的尺寸确定轴承代号6004。 深沟球轴承主要承受径向载荷,同时可

27、以承受小的径向载荷。当量摩擦系数小,标准件大量生产,价格相对其他系列最低。 根据滚动轴承寿命计算公式 公式(3-3)式中为轴承寿命,单位为h; n为轴承的转速,单位为r/min,本实验台假设车轮转速为100r/min; 为温度系数,在本实验台中,轴承的工作温度小于120,故温度系数设为1; 为轴承的载荷,在本实验台中,假设每个轴承的载荷为0.1KN; C为轴承的基本额定动载荷,根据所选轴承,C9.38 KN; 为指数,对于球轴承,3。 经计算137548945h,约合1.6万年,即可以认为所选轴承符合要求,可以使用。 轴承的润滑方式为脂润滑,一次润滑可以维持相当长的时间,适合实验室环境。 五、

28、滚轮的设计 初步选择车轮的材料为尼龙6 。 1.材料简介:聚酰胺俗称尼龙(Nylon),英文名称Polyamide(简称PA),是分子主链上含有重复酰胺基团?NHCO?的热塑性树脂总称,是最重要的工程塑料。尼龙中的主要品种是尼龙6和尼龙66,占绝对主导地位,其次是尼龙11,尼龙12,尼龙610,尼龙612,另外还有尼龙 1010,尼龙46,尼龙7,尼龙9,尼龙13,新品种有尼龙6I,尼龙9T和特殊尼龙MXD6(阻隔性树脂)等,尼龙的改性品种数量繁多,如增强尼龙,单体浇铸尼龙(MC尼龙),反应注射成型(RIM)尼龙,芳香族尼龙,透明尼龙,高抗冲(超韧)尼龙,电镀尼龙,导电尼龙,阻燃尼龙,尼龙与其

29、他聚合物共混物和合金等,满足不同特殊要求,广泛用作金属、木材等传统材料代用品。 2.性能介绍:尼龙为韧性角状半透明或乳白色结晶性树脂,作为工程塑料的尼龙分子量一般为1.5-3万。尼龙具有很高的机械强度,软化点高,耐热,磨擦系数低,耐磨损,自润滑性,吸震性和消音性,耐油,耐弱酸,耐碱和一般溶剂,电绝缘性好,有自熄性,无毒,无臭,耐候性好,染色性差。缺点是吸水性大,影响尺寸稳定性和电性能,纤维增强可降低树脂吸水率,使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。常用于制作梳子、牙刷、衣钩、扇骨、网袋绳、水果外包装袋等等。无毒性,但不可长期与酸碱接触。值得注意的是,加入玻纤后,尼龙的抗拉强度

30、可提高两倍左右,耐温能力也相应得到提高。尼龙的收缩率为1%-2%。 3.滚轮的效果图及工程图如下: 图3-9.车轮 图3-10.车轮工程图 六、车轮支架设计 车轮支架由两部分构成,一部分为连接车架的阶梯轴,另一部分为连接车轮轴的支架。二者之间用销过盈连接。两者的材料均为45号碳钢。经过调质处理,二者结合面有足够的硬度和耐磨强度。 销的材料为35钢,热处理硬度要求达到28-38HRC,表面氧化处理。标记为销GB 119-86 A1030 。 支架轴的小端与支架上短的孔配合,二者为间隙配合。这样设计可以使实验台实现转向。 图3-11.支架轴 图3-12.支架 七、车轮总成的其他零件设计 轴承套筒用

31、于车轮和和轴承的轴向定位,内径为20 mm,外径为25 mm,轴向长度为5 mm的两个,轴向长度为3 mm的两个。 平键用于连接轴与车轮,其尺寸标记为键1625 GB1096-79。 第三节 方向盘的设计 一、 方向盘简介 方向盘是汽车、轮船、飞机等的操纵行驶方向的轮状装置。 起初的汽车是用舵来控制驾驶的。但是舵会把汽车行驶中产生的剧烈振动传导给驾驶者,增加其控制方向的难度。当发动机被改为安装在车头部位之后,由于重量的增加,驾驶员根本没有办法再用车舵来驾驶汽车了。方向盘这种新设计便应运而生,它在驾驶员与车轮之间引入的齿轮系统操作灵活,很好地隔绝了来自道路的剧烈振动。不仅如此,好的方向盘系统还能

32、为驾驶者带来一种与道路亲密无间的感受。 图3-13.车辆上的方向盘 但是最初设计方向盘的人没有能够预见到在汽车车速越来越快的今天,一旦发生车祸,方向盘却成了造成驾驶员丧命的罪魁祸首。在许多车祸中,方向盘夺去了乘员的生命,这让业内很多人士对方向盘提出了问号。五十年代,不带方向盘的概念型汽车相继问世,但是消费者对这种汽车一点不感兴趣。毕竟,没有方向盘的汽车根本就不成其为汽车。 本实验台中方向盘分为两个部分。一是方向盘安装基座,用于连接方向盘和实验台架,二是方向盘。 二、方向盘基座的设计 本实验台中不考虑方向盘控制实验台的转向,因此,设计方向盘通过方向盘基座与实验台架刚性联结。 图3-14.方向盘基

33、座 方向盘基座采用钢板与钢管焊接而成。底部用M20螺栓与实验台架连接,顶部用M10螺栓与方向盘连接。中间两节钢管成150度角。其他各尺寸参数见零件图标注。 三、方向盘的制作材料介绍及材料选择 方向盘表面材料有合成塑料、皮革、真皮、木制和铝合金等。他们都有各自的特点。 1.合成塑料:为大多数经济型轿车所采用,因为材料成本较低。合成塑料制造的方向盘手感和美观性都不是很理想,尤其是当夏天手上有汗的时候会比较滑,但是可以加装方向盘把套,不但增加了实用性,而且更加美观。 2.皮革: 手感和外观类似真皮,材料成本教真皮低廉。该种材料的方向盘表面手感教好,摩擦系数适合一般情况驾驶。但是此类材料的寿命和真皮的

34、差距比较大,阳光曝晒和低温都可能引起材料的老化。 3.真皮:真皮方向盘为现在大多数的中高挡汽车所采用,体现环保、摩擦系数适中、外表美观、价格适中等因素使得汽车厂家使用它的频率很多,而且消费者对此类材料也比较满意。 4.木制材料:该种材料一般应用于高档车。木质材料的成本较高,但是能体现环保,而且外表非常美观。铝合金:该类材料一般应用于赛车,具有重量轻,强度高的特点。 在本实验台中,选用材料成本较低的合成塑料制作,这样可以在不影响实验台的实验效果的情况下,适当降低实验台的成本。 四、方向盘的设计 如下图为本实验台设计的方向盘,采用合成塑料成型制作。底部有四组M10螺孔,可与方向盘基座相联。中间抽壳

35、,用来安放安全气囊系统的期待设备。空气压缩机提供的气体通过管道,从方向盘的中间偏孔导入。其他链接孔可在安装时攻出。具体参数见零件图。 图3-15.方向盘 第四节 控制面板的设计 一、材料选择及介绍 1.材料选择:根据设计,控制面板不承重,仅在控制面板上安装气压表、电控单元等轻质量的小零件,并且需要在控制面板上打孔,用于固定零件。因此初步选择材料为刨花板。 2.材料简介:刨花板又叫微粒板、蔗渣板,由木材或其他木质纤维素材料制成的碎料,施加胶粘剂后在热力和压力作用下胶合成的人造板。又称碎料板。主要用于家具和建筑工业及火车、汽车车厢制造。刨花板按产品密度分:低密度(0.250.45克/立方厘米)、中

36、密度(0.550.70克/立方厘米)和高密度(0.751.3克/立方厘米)三种,通常生产 0.650.75 克/立方厘米密度的刨花板。按板坯结构分单层、三层(包括多层)和渐变结构。按耐水性分室内耐水类和室外耐水类。按刨花在板坯内的排列有定向型和随机型两种。此外,还有非木材材料如棉秆、麻秆、蔗渣、稻壳等所制成的刨花板,以及用无机胶粘材料制成的水泥木丝板、水泥刨花板等。刨花板的规格较多,厚度从 1.675毫米,以19毫米为标准厚度,常用厚度为13、16、19毫米三种。 作为评定刨花板质量的依据及使用时考虑的主要性能 ,在物理性质方面有密度 、含水率、吸水性 、厚度膨胀率等;在力学性质方面有静力弯曲

37、强度、垂直板面抗拉强度(内胶结强度)、握钉力、弹性模量和刚性模量等;在工艺性质方面有可切削性、可胶合性、油漆涂饰性等。对特殊用途的刨花板还要按不同的用途,分别考虑它的电学、声学、热学和防腐、防火和阻燃等性能。刨花板的生产方法按其板坯成型及热压工艺设备不同,分为平压法、挤压法和辊压法。平压法为间歇性生产,挤压法和辊压法是连续性生产。实际生产中以平压法为主。刨花板是用木材碎料为主要原料,再渗加胶水,添加剂经压制而成的薄型板材。按压制方法可分为挤压刨花板、平压刨花板二类。此类板材主要优点是价格极其便宜。其缺点也很明显:强度极差。 二、尺寸参数的确定 图3-16.控制面板效果图 根据以上材料的介绍,我

38、们知道刨花板的标准厚度为19毫米,常用厚度为13、16、19毫米。方案选择16毫米。 方案设计尺寸如下:轮廓尺寸106060013。控制面板左上角为5的三个通孔,用于安装气压表。左下角为四组10的通孔,安装点火引爆器。右上角四组10的通孔安装电控单元,右下角5025的方孔安装诊断接口。中间20通孔安装点火开关,两组10的通孔。其他定位尺寸见图纸,加工精度IT12。 三、控制面板支架设计 控制面板通过支架固定在车架上。支架与车架焊接在一起,支架上端焊接钢板,钢板与车架水平方向成30度。支架采用冷拔举行钢管与钢板焊接而成。举行钢管的尺寸参数如下: 参数三、A 50、B 30、S 2.6 钢板厚度为

39、5 mm。 图3-17.控制面板支架 由于四根支架位置不同,但尺寸参数不同。前支架高度设计为117.3mm,后支架高度为388mm,其他尺寸参见图纸。 四、其他设计要求 由于控制面板作为本实验台的演示操作部件,因此设计时要绘制安全气囊的工作原理图,与空气压力表、电控单元、钥匙孔、点火引爆器等一同布置在控制面板上。学生在做实验时可以对照控制面板上的原理图,加深理解课堂、课本上学到的知识。 其他零件可以通过螺钉固定在刨花板控制面板上。 第四章 实验台辅助部件设计及选择 第一节 空气压缩机的选择 车辆中装载的安全气囊一般只能使用一次,在气囊膨胀之后就不可以二次使用了。在车辆中,安全气囊工作的化学原理

40、:汽车的安全气囊内有叠氮化钠(NaN3)或硝酸铵(NH4NO3)等物质。当汽车在高速行驶中受到猛烈撞击时,这些物质会迅速发生分解反应,产生大量气体,充满气囊。叠氮化钠分解产生氮气和固态钠;硝酸铵分解产生大量的一氧化二氮(N2O)气体和水蒸气。在碰撞发生后,这些物质不能二次使用。 本实验台中,为了循环演示安全气囊的膨胀过程,选择微型空气压缩机替代化学物质对气囊进行充气,并利用电控单元控制空气压缩机气罐的充气、安全气囊的膨胀过程。 一、初选参数 1.初步选用微型往复活塞空气压缩机,其基本参数如下: 压缩级数:单极 额定功率:1.5 KW 额定排气压力:2.5 Mpa(绝对压力) 公称排气量:0.2

41、4m3/min 储气罐容积:25 L 2.选择型号 根据以上参数要求,本实验台选择浙江鑫磊机电股份有限公司生产的型号为ZB-0.1/8代号为30BM的美式系列空气压缩机,具体参数如下: 功率:1.5 KW 排气量:0.25 m3/min 工作压力:0.8 Mpa(压力表示数) 汽缸数:1 储气罐容积:30 L 装置净重:31 Kg 3.储气罐充气时间计算 假设气罐每次排气后,储气罐内压力等于大气压,压气源温度为60,充气管道截面积300mm2,空气假定为理想气体,则充气时间可由下式计算: 公式(4-1) 式中t-充气时间(s) C-经验系数(取C1.5) V-储气罐容积(m3) A-进气口有效

42、截面积(m2) k-空气绝热指数(取k 1.40) M-空气摩尔质量(取M 29 kg/kmol) RC-普适气体常数(取RC 8314 J/mol?K) T-供气源的气体温度(K) Pb-储气罐初始压力,假设为大气压 P0-供气源的气体压力(kPa,表压力+大气压) P-储气罐充气过程压力 假设充气结束后罐内气压等于供气源的气体压力,则以上公式可简化为: 公式(4-2) 经计算,t 270s。即大约四分钟安全气囊就可循环膨胀一次。 上式计算结果是在假设理想条件下获得的,因此不能严格表示空气压缩机储气罐的充气时间,设计时可以据此大概估计安全气囊的膨胀间隔时间,实验时可参考这个时间 作为两次膨胀

43、实验的间隔。 空气压缩机采用四组螺栓固定在车架上,螺栓标准为M20。 第二节 压力表的选择 一、量程选择 压力表量程的选择不仅要根据被侧压力的大小,而且还要考虑被侧压力变化的速度,其量程需留有足够的余地。测量稳定压力时,最大工作压力不能超过量程的三分之二;测量脉动压力时,最大工作压力不能超过量程的一半;测量高压时,最大工作压力不能超过量程的五分之三;为了保证测量准确度,最小工作压力不能低于量程的三分之一。按此原则,根据被测最大压力进行计算,选择的测量范围应须稍大于计算结果。 在本实验台的空气压缩机中,工作压力是0.8Mpa,根据测量稳定压力时最大工作压力不超过量程的三分之二原则,得: 0.8

44、(2/3)0.12 Mpa量程的压力表较合适。故基此可选择量程为0-1.6 Mpa的压力表。 二、精度选择 压力表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定。由于本实验台仅要求对储气罐粗略示数,故可适当降低精度要求。 设计要求测量值的绝对误差不大于0.05 Mpa,则所选用压力表的允许误差应不大于(0.05100%)/1.53.33%。根据压力表的允许误差范围选择2.5级精度、1.6Mpa测量范围的压力表。经计算,其测量误差不大于0.04 Mpa,因此可满足生产对测量精度的要求。 三、压力表参数确定 根据以上分析,选择无锡市特种压力表有限公司生产的YN-60ZQ型压力表。结构形式轴向带前边,公称直

45、径60,精度等级为2.5级,测量范围0-1.6 Mpa,连接螺纹M141.5。 第三节 传感器的设计 本实验台在设计手动触动按钮的同时,设计了传感器开关,用以触发安全气囊的膨胀。 一、安全气囊碰撞传感器 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 安全气囊传感器是指碰撞传感器,其作用是在汽

46、车发生碰撞或将要发生碰撞时,向安全气囊发出信号,以期起到对车内成员的保护作用。碰撞传感器可分为预置撞车传感器和检测冲击撞车传感器。 预知装车传感器就是预先感知碰撞的危险,并马上输出相应的行动信号,以避免碰撞或展开约束来保护乘员的安全。其保护过程可以分为两个阶段。第一阶段是通过检测发现碰撞的目标,第二个过程就发出相应的指令实施对策。 检测冲击碰撞传感器可分为碰撞信号传感器和碰撞保护传感器。碰撞信号传感器又称碰撞激烈程度传感器,它的功用是将车辆碰撞时的减速度输入安全气囊ECU,用以判断是否发生了碰撞。碰撞防护传感器简称防护传感器,又称安全传感器,一般安装在安全气囊ECU内部,用以控制安全气囊点火电

47、源电路。 本实验台选用的传感器指的是压力传感器。在实验台电控单元中预先设定力的界限,当压力传感器受到的压力超过界限值时,电控单元通过对比压力传感器传过来的信号,对安全气囊是否膨胀发出指令。学生在做实验时可应通过不同值的力来体验不同的膨胀结果(膨胀或不膨胀)。由于本实验台仅用于实验室演示实验,因此该临界力的大小要远小于实际车辆碰撞时传感器起作用的力的大小。 二、实验台传感器的设计 为便于实验,本实验台选用握力传感器替代上文中提到的压力传感器,实验者可以通过加力,使传感器获得不同的值。实验台电控单元根据监测到的数据与设定的数据比较,判断安全气囊是否发生膨胀。 选择握力传感器的原因如下: 一、在实验

48、原理上可以替代以上提到的压力传感器,可以通过力的大小向电控单元传递信号。 二、握力传感器价格适中,结构简单,符合本实验台有关要求。 三、实验时实验者方便操作,对传感器需要的力容易获得。 实验台设计握力传感器不固定在实验台上,只需通过电路连接在实验台电控单元,握力器在不使用时可平放在实验台上。 图4-1.握力传感器图4-2.握力传感器演示 第四节 安全气囊气袋的选用 一、安全气囊气袋材料 安全气囊气袋的作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,在成员与方向盘或仪表盘之间形成气垫,同时吸收乘员撞击能量。 气袋织物的主要性能与指标有机械性能、透气性能、耐热性、耐老化性、

49、轻薄柔软性、耐压性、阻燃热性、摩擦性等要求。其中机械性能和透气性能是气袋的最主要性能。气袋在充气的过程中要承受较高的膨胀力,因此要求气袋织物不但要求较高的强度,同时还要有良好的伸长性能、较高的弹性和恢复能量吸收性,以保证气袋膨胀后即有弹性又不破裂。织物的透气性主要由透气量反映,资料表明,从撞车到气袋完全展开,并保持一定的形状,这一工作时间在50毫秒内,否则安全气囊的作用将减弱或失效。在如此短的时间内,要使其充满气体,则其透气量必须小。另一方面,在乘员向前撞击时,要求冲入气袋的气体必须在短时间泄出,防止身体反弹受挤压,因此要求气袋要具有一定的透气量。 根据安全气囊气袋的性能要求,用于制作气袋的纤

50、维原料主要是聚氨酯、聚酯。此外,聚烯烃、聚丙烯腈纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维甚至是经过处理的天然纤维。对于综合性能要求较高的织物,可采用多组分原料。 二、安全气囊气袋的选用 实验台在选用安全气囊气袋时,需充分考虑以上所提到的机械性能、透气性能、耐热性、耐老化性、轻薄柔软性、耐压性、阻燃热性、摩擦性等各种条件,选用合适的气袋。本实验台在选用时可选小型气袋,为达到良好的示教效果,还可以将气袋上做出上当数量的小孔,便于安全气囊膨胀之后,气体迅速从气袋中泄出。 第五章 实验台电路设计 第一节 实验台的电路设计 本实验台依据安全气囊电路原理进行改进,除使用传感器电路之外,还将并联直接启动安全气囊膨胀

51、电路。两条电路并联,在实验中可选择使用,二者不相互影响。具体电路如下: 图5-1.安全气囊电路组成框图 图中各数字所代表的元件:点火开关蓄电池ECU碰撞传感器气囊气袋螺旋线束TDCL检修插头安全气囊指示灯第六章 总结 本实验台的设计参照了天津科技大学汽车实验室的安全气囊实验台及相关文献,参考国内外同类汽车相关实验台的特点,结合本实验室的现有条件,详细分析了汽车安全气囊的工作原理,提出了两种汽车模拟安全气囊实验台的总体设计方案,并分析了两种方案的优点,选择了其中一种方案。针对此方案设计了安全气囊实验台,并绘制了实验台的装配图及部分零件的零件图。安全气囊的设计运用了大学中所学的汽车、机械、电学等相

52、关知识。 实验台除了可以演示气袋的膨胀之外,还可以在方向盘前放置假人,以演示人的头部与气袋的碰撞过程。这可以在本实验台的升级产品中完成。 安全气囊实验台是基于汽车安全气囊工作原理设计的,但是与实际的汽车安全气囊相比,实验台演示的只是车辆碰撞的一种特殊情况,并不能完全表达实际安全气囊的工作状态。 在目前,安全气囊并不能完全保证事故中乘员的安全,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伤害也常有发生,因而安全气囊的研究仍是今后非常重要的课题。 安全气囊系统在国内外已经得到了广泛使用,它可以减轻事故过程中乘员的伤害程度。随着科学技术水平的发展,各种新型气囊将会逐步装备到汽车上,使得汽车

53、的安全性得到进一步的完善。尽管安全气囊是保护汽车乘员免受伤害的重要措施之一,但是还必须牢牢记住乘员的安全是由汽车的整体安全性能决定的,也是由乘员的安全意识来决定的。因此汽车乘员即使在装有安全气囊的汽车上也要应用其他的安全措施,并且要有良好的驾驶习惯,遵守交通规则,以使乘员得到最佳的保护效果。 参考文献1钟志华,杨济匡.汽车安全气囊技术及其应用J.中国机械工程,2000,1(11-2): 234-238.2陈娜,何文.汽车安全气囊控制核心?SRS ECUJ.汽车电器,2004,9:5-8.3汪学方,杨俊波,张鸿海.汽车安全气囊智能控制系统设计J.机械与电子,2000,11:18-19.4鲍宇,孙

54、中平,徐本财.捷达汽车电器实验台设计J.交通科技与经济,2007,9:34-36.5张真忠.桑塔纳2000GSiAJR 型电控发动机故障诊断实验台的设计J.中国现代教育装备,2007,7:66-67.6胡慧涛, 宋仲康.汽车电系环境模拟实验台的设计J.控制工程,2003,10:104-111.7孙仁云,付百学.汽车电器与电子技术M.北京:机械工业出版社,2007.8唐新蓬等.现代汽车电子系统的原理与维修M.北京:科学出版社,1998.9葛如海,刘志强,陈晓东.汽车安全工程M.北京:化学工业出版社,2005.10孟国强,杨宗田,王彦启.汽车发动机点火系仿真实验台的设计J.郑州工业高等专科学校学报,2002,18(2):8-9.11秦思南,汽车模拟碰撞试验台设计及动力学分析D.成都,四川大学,2005.12 李志强.任鑫,高炉加料罐充气时间的计算J.工业炉,2007,296:30-33.13G.Matthes,U.Schmucker,/.s the frontal airbag avoid thoracic injury,Arch Orthop Trauma SurgJ,Arch Orthop Trauma Surg,2006,126:541?5