1、中北大学毕业设计说明书第 1 页 共 1 页安全气囊压力发生器结构设计目录第一章 绪论 .11.1 问题的提出及研究的目的和意义 .11.2 汽车安全气囊及其性能测试国内外发展状况 .11.3 汽车安全气囊系统结构原理 .21.4 测试装置及原理 .41.5 本论文所要进行的工作 .5第二章 安全气囊气体发生器压力容器结构设计 .52.1 压力容器的分类 4 .62.2 压力容器的结构 .72.3 压力容器设计准则 .82.4 压力容器壳体形状选择 .17第三章 压力容器基本参数设计 .173.1 压力容器壳体材料的选择 .173.2 筒体设计参数的确定 .203.3 压力容器封头设计 .23
2、3.4 封头与圆筒的连接设计 .293.5 压力容器底部设计 .303.6 密封圈的选择 .31第四章 压力容器与测试装置接口设计 .31第五章 开孔补强设计 .315.1 开孔的形状 .325.2 开孔后的补强 .325.3 等截面积补强法 .33总结 .36参考文献 .37中北大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 39 页致谢 .39中北大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 39 页第一章 绪论1.1 问题的提出及研究的目的和意义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，使得事故更为频繁，所以汽车的安全性
3、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,并迅速发展成为一个全新的高科技产业。因此,安全气囊的研究与发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 之后，这种意义将更加深刻。目前，我国安全气囊的研究与发展已初具基础和规模，但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，国内还没有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。这样提高的费用，削弱了我国的安全气
4、囊在市场上的竞争力。随着我国汽车工业的迅速发展，国内一些大公司准备建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。1.2 汽车安全气囊及其性能测试国内外发展状况汽车安全气囊的初步想法产生于美国。1952 年 ,美国汽车生产者联合会在理论上阐述了这样一种汽车安全系统的必要性,1953 年 8 月 18 日,J.W.HETRICK 取得了第一个美国安全气囊的专利权,但是,当时由于技术水平的限制,还不能把这种想法或专利付诸实现, 直至 1984 年，汽车碰撞安全标准（ FMVSS208）在美国经多次被废除后又重新被认可并开始实施，其中规定从 1995 年
5、 9 月 1 日以后制造的轿车前排座前均应装备安全气囊，同时还要求 1998 年以后的轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊，自此才确认了安全气囊的作用。 目前，世界上很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。例如在美国，相应的法规已从 1989 年起实施该法规要求一定要安装大尺寸的气囊。而欧洲的专家们则认为最好的方案应该是：安全带和小尺寸气囊的配合使用。所以，欧洲的公司只生产小尺寸气囊。现在，在汽车上，一个气囊安装在驾驶盘上，一个安装在驾驶员旁前排乘员的前面。侧面气囊或者装在车门上，或者装在座椅靠背上，气囊用尼龙制成，材料厚度中北大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 39 页为 0.45m
6、m。为了保证气囊的气密性，在其内表面涂复薄薄一层合成橡胶或硅橡胶。在气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体。这点十分重要的，否则，人就会被气囊推向后面或被一个气囊或几个气囊挤住而受伤。为避免气囊因长期叠置而成硬块，在气囊内部覆盖一层特殊的材料，它可使气囊的有效使用期达到 15 年。在 20 世纪 80 年代末，我国一批从事汽车碰撞安全和军工研究的专家与学者开始关注汽车安全气囊的研究与发展 。1992 年 9 月，我国自行设计与研制的 FS-01 型安全气囊，通过了撞车实验与设计定型。在“九五” 规划和“十五”规划
7、中，国家经贸委和汽车行业将安全气囊列为我国汽车零配件三个重大发明之一（电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统）。在十多年的研究与发展过程中，国内许多大学与公司的安全气囊的研究与产品已初具基础，其中部分研究与技术已接近国际水平 2。例如清华大学的黄世霖等人在汽车碰撞实验中，系统的研究了多种国产汽车中安全气囊的匹配技术，对汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用方面作了大量工作。还有南京理工大学在传感器、气体发生器和气囊设计方面具有雄厚的基础，他们的机电一体式传感器、叠氮化钠气体发生器、分步式气囊的研究与产品曾受国外著名公司邀请在德国做
8、过数次评估，得到极大关注。但是，国内对安全气囊性能测试系统方面的研究比较少 3，尚没有一套完整的测试系统。目前国内仅航天系统某所对汽车安全气囊性能能够进行简单测试，且采用弹簧式，受到多种条件限制，稳定性不是很好。 自由落体式测试装置系统在国内尚属空白 。我国生产的安全气囊性能大部分要到国外测试，例如，锦恒汽车安全系统公司生产的 SR40 安全气囊在国内无法测试需要到国外进行匹配装置实验。随着我国汽车工业的发展，安全气囊及测试系统研究方面有所创新并拥有自己的关键技术的知识产权才是安全气囊发展的立足之本。国外对汽车安全气囊性能测试装置设计主要为弹簧式、自由落体式等。1.3 汽车安全气囊系统结构原理
9、现代安全气囊系统由碰撞传感器、缓冲气囊、气体发生器及控制块（电脑）等组成。1.传感器：碰撞传感器、电子式传感器、机电式传感器。中北大学 2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 39 页碰撞传感器。安全气囊系统中的重要部件，其功能是检测、判断汽车发生碰撞后的撞击信号，以便决定是否展开缓冲气囊。碰撞传感器主要有三种类机械式传感器在早期的安全气囊中使用较多，主要应用惯性原理，利用传感器中元件的惯性力克服弹簧力来触发气体发生器。机械式在加速度较低时保证不启动气囊，可靠性较高；但只能单点传感，对机械部件的品质、精度和耐磨性要求极高。电子式传感器是一种应用最早的碰撞传感器，根据电子原理，利用电信号来反映
10、车身减速度，而后根据电信号来判别是否展开缓冲气囊。机电式传感器采用机电结合的方式，将机械信号转化为电子信号，再利用电子信号点爆安全气囊。即具有机械式的优点，又能克服机械式传感器本身存在的缺陷，安装在车身上任何位置，以便得到较好的减速信号，而且能够在同一位置安装多个传感器。2.缓冲气囊。气囊一般由防裂性能好的聚酞胺织物制成，它是一种半硬的泡沫塑料，能承受较大的压力；经过硫化处理，可减少气囊冲气膨胀时的惯性力；为使气体密封，气囊里面涂有涂层材料。气囊的大小、形状、漏气性能是确定安全气囊保护效果的重要因素，必须根据不同汽车的实际情况来确定。3.气体发生器。安全气囊系统要求气体发生器能够在较短的时间内
11、（30 ms 左右）产生大量的气体充满气囊，产生的气体必须对人体无害，且不能温度太高，同时要求气体发生器有很高的可靠性和稳定性。气体发生器主要有：压缩气体式、烟火式和混合式三种型式。混合式气体发生器是压缩气体式和烟火式相结合的发生器，也是目前广泛应用一种气体发生器。4.控制装置。一般集成在微计算机中。当汽车发生碰撞事故时，电控装置接收多个传感器传来的车身不同位置的减速信号，经过反复不断的分析、比较、计算，决定是否发出点火信号。要求控制装置能够在复杂的碰撞情况下作出非常准确的判断，点火时刻也必须精确控制。虽然安全气囊在结构上会有所不同，但其工作原理基本一致。汽车行驶过程中，传感器系统不断向控制装
12、置发送速度变化（或加速度）信息，由控制装置（中央控制器）对这些信息加以分析判断，如果所测的加速度、速度变化量或其它指标超过预定值（即真正发生了碰撞），则控制装置向气体发体发生器发出点火命令或传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生 N2 或将储气罐中压缩氢气释放出来充满碰撞气袋。中北大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 39 页乘员与气袋接触时，通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量，达到保护乘员的目的。安全气囊根据安装的位置及保护对象不同，主要分为：对驾驶员进行保护的气囊，装在方向盘内，防止驾驶员与转向盘、仪表板及前挡风玻璃发生碰撞；对前排乘员进行保护的气囊，装在仪表板内，防止乘员
13、与仪表板、前挡风玻璃发生碰撞；对后排乘员进行保护的气囊，一般安装在前排座椅的靠背上后部或头枕内部，防止乘员与前排座椅发生碰撞。由于后排乘员受到的伤害程度较轻，后座椅安全气囊一般只在高级轿车上使用。安全气囊对人体保护工作原理如图 1。图 1 安全气囊工作基本原理1.4 测试装置及原理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, 通过对压力的检测可以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可以产生适量的气体而正常工作。实验系统中使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过程
14、。它主要由外壳、雷管( 或火帽)、增压剂( 或导爆药柱) 、气体发生剂以及过滤器等部分组成 19 。气体发生器中的气体发生剂是一种火药, 其单位时间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的 2021。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、数据采集与处理系统组成。台架系统由底座、导轨、充气筒提升架3 个部分组成, 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。利用充气筒从一定高度沿导轨下落后与台架底座上的弹性缓冲垫发生碰撞来实现汽车碰撞过程的模拟, 而充气筒从一定高度下
15、落时产生的具有一定强度90 10 g 和持续时间为10 5ms 的冲中北大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 39 页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对气体发生器产气后的整个压力变化过程进行实验研究。装置组成如图 2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 2 实验装置示意图测试原理简述如下:电磁控制机构将充气筒提升至一定的高度并释放,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进
16、行记录,当碰撞加速度满足一定的峰值90 10 g及持续时间105ms的阈值要求时,该碰撞过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。气体发生器引爆后瞬间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对充气筒内压力变化过程进行记录,通过安装在药盒内的压力传感器7对药盒内压力变化过程进行记录,记录下的信号通过信号适配器转换并经过数据处理后,充气筒内以及药盒内压强随时间变化的p - t曲线将被记录下来 ,通过p - t曲线可以得到从撞击开始到压强达到最大值的时间、压强上升速率等有关参数值,从而对气体发生器的产气性能及质量进行研究。数据处理方面,本系统具备各参
17、数同时显示、及时分析、随时打印、自动存盘等优点 22。1.5 本论文所要进行的工作安全气囊压力发生器结构设计，筒体设计基本参数设计、端盖基本参数设计、压中北大学 2012 届毕业设计说明书第 6 页 共 39 页力容器与测试装置接口设计等。第二章 安全气囊气体发生器压力容器结构设计2.1 压力容器的分类 4（1） 按容器的作用原理分换热容器、反应容器、分离容器、贮运容器。（2） 按容器承受的介质压力来分a.常压容器对于圆筒形容器，-0.02MPap1.2）。（4） 压力容器的综合分类国家劳动部门为了便于安全技术管理和监督检查，根据容器承受压力的高低，压力与容积乘积大小、介质的危害程度，及容器在
18、生产过程中的作用的综合分类方法。压力容器安全技术监察规程将容器分为三类：一类容器：低压容器（二、三类容器中的低压容器除外）。二类容器：属下列情况之一者为二类容器。 中压容器（三类容器中的中压容器除外）； 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； 易燃或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和贮存容器；中北大学 2012 届毕业设计说明书第 7 页 共 39 页 搪玻璃压力容器； 低压管壳式余热锅炉。三类容器：属下列情况之一者为三类容器。 高压容器； 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和 pV0.2MPam 3的低压容器； 易燃或毒性程度为中度危害介质且 pV0.5MPam 3的中压反应容器和
19、 pV10MPam 3的中压储存容器； 高压、中压管壳式余热锅炉。2.2 压力容器的结构压力容器的结构形式是多种多样的，它是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定的。如下图所示分别是常见的圆筒形容器和球形容器。图 3 圆筒形容器1-主螺栓 2-主螺母 3-端盖 4-筒体端部 5-内筒 6-层板层 7-环焊缝 8-纵焊缝9-管法兰 10-接管 11-球形封头 12-管道螺栓 13-管道螺母 14-平封头中北大学 2012 届毕业设计说明书第 8 页 共 39 页图 4 球形容器1-支柱 2-中部平台 3-顶部操作平台 4-北极板 5-北温带6-赤道带 7-南温带 8-南极板 9-
20、拉杆从圆筒形容器图可知，容器的结构是由压力容器的壳体、密封元件和支座等主要部件组成的。此外，作为一种生产工艺设备，有些压力容器，如用于化学反应、传热、分离等工艺过程的压力容器，其壳体内部还装有工艺所要求的内件。对此，本毕业设计不作专门介绍，而只介绍压力容器的其他部件。2.3 压力容器设计准则（1） 应力分类ASME2 规范要求进行精确的弹性应力分析，把应力分析报告作为设计的基本依据，所以，把这种设计方法称为“分析设计”，而把传统规范进行的设计称为“规则设计”或“常规设计”。分析设计认为：有弹性计算求得的各类应力对结构破坏所起的作用是不同的，因而，他们的重要性即导致结构破坏的危险性也不同。通过应力强度评价，给出设计依据，必要时，还要进行疲劳分析。按性质不同，应力分为两大类：一次应力、二次应力；按影响范围的大小分为三类：总体应力、局部应力、峰值应力；按分布规律不同，应力又可分为：沿断面均匀分布的均布应力，如薄膜应力，沿断面线性分布的线性应力，如弯曲应力，沿断面非
