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汽车安全气囊应用研究学
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- 汽车安全气囊应用研究学
摘 要
摘要：汽车安全气囊作为一种辅助的乘员约束条件，在汽车发生碰撞时保护乘员的效用已越来越得到肯定，当今社会对安全气囊的要求也越来越高，尤其是对智能安全气囊的需求也越来越广泛，当汽车发生碰撞时汽车与汽车或汽车障碍物之间的碰撞称为第一次碰撞，第一次碰撞导致了汽车速度的急剧变化。由于惯性的作用，车上的乘员向前运动，于是发生了车内乘员与车内结构件之间的第二次碰撞，事故中造成乘员伤害的主要原因就是第二次碰撞。为了减轻和避免驾乘人员在第二次碰撞中受到伤害，乘员保护系统的设计目标是在碰撞中利用约束系统（包括座椅、安全带、安全气囊等）避免或减缓乘员与车内结构件碰撞造成的伤害。汽车安全气囊的基本思想是：在发生第一次碰撞后，第二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部构件之间插入一个充满气体的气囊，让乘员“扑”在气囊上，通过气囊上的排气节流阻力吸收乘员的动能，使猛烈的第二次碰撞得以减缓，以达到保护乘员的目的。所以安全气囊作为一种防护措施已经是必不可少了。我在此设计中主要进行了安全气囊的设计工作，对安全气囊的工作过程进行研究，为使乘员安全而设计一个合适的安全气囊。
介绍自行研制的智能式汽车安全气袋控制系统，该系统主要由单片机、传感器、点火电路等组成，使用点火控制算法对汽车加速度信号进行判断，输出点火脉冲。本系统具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强、可进行自诊断等特点。
故设计的主要工作是对气囊电路中的CPU、加速度传感器的选择、继电器的选择及与电路有关的器件，如为防止错点火而要设计一个点火电路、为防止信号干扰我们要加光隔离等一些措施。所以我设计所做的主要工作就是对安全气囊的硬件电路实行操作并对其的工作原理进行分析，对其应用进行研究。
关键词：智能型安全气囊、防护、安全传感器、汽车碰撞。
Abstract
Abstract：The auto safety aerocyst took one kind of auxiliary crew memberrestrains the condition，Has the collision when the automobile protects crew member'seffectiveness more and more to obtain the affirmation，Now the society also more and more is high to the security aerocystrequest。Also more and more is in particular widespread to the intelligentsecurity aerocyst demand，When the automobile has the collision the automobile and theautomobile or between the automobile obstacle collision is called thefirst collision，The first collision has caused the automobile speed rapid change。As a result of inertia function，On vehicle crew member to front movement，Thereupon has had in the vehicle in the crew member and the vehiclebetween the structural element second collision，In the accident creates the main reason which the crew member injures is the second collision。In order to reduce and avoids harnessing while the personnel receivesthe injury in the second collision，The crew protective system design goal is avoids or slows down the injury in the collision using the restraint system which in the crewmember and the vehicle the structural element collision creates。The auto safety aerocyst basic thought is：After has the first collision，Before second collision，Rapidly inserts in the crew member and between the automobile interior component to fill the gas the aerocyst，Let the crew member "throw oneself" on the aerocyst, absorbs crewmember's kinetic energy through the aerocyst on exhaust throttleresistance, enables the violent second collision to slow down,achieved protects crew member's goal. Therefore the security aerocyst
took one kind of protective measure already was essential. I havemainly carried on the security aerocyst design work in this design,conducts the research to the security aerocyst work process, forcauses the crew member safety to design an appropriate securityaerocyst。
The introduction independently develops the intelligent type autosafety air pocket control system, this system mainly by the monolithicintegrated circuit, the sensor, the electric firing circuit and so onis composed, the use ignition control algorithm carries on thejudgement to the automobile acceleration signal, the output ignitionpulse. This system has the volume slightly, the reliability high, theantijamming ability is strong, may carry on from characteristic and so
on diagnosis。
Therefore designs the main work is to in aerocyst electric circuitCPU, the acceleration instrument choice, the relay choice and the andcircuit related component, like for prevents the wrong ignition but tohave to design a electric firing circuit, for prevented the meaconingwe must add the light isolation and so on some measures. Therefore Idesign the main work which does am to the security aerocyst hardwareelectric circuit implementation operation and to its principle of workcarry on the analysis, conducts the research to its application.
Key word: Intelligence security aerocyst,；protection；security sensor； automobile collision.………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
目录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
第二章 安全气囊简介 3
2.1 安全气囊的作用与分类 3
2.1.1 安全气囊的作用 3
2.1.2 安全气囊的分类 3
2.2 安全气囊系统的组成： 3
2.3 安全气囊的工作原理： 5
2.4 安全气囊的工作过程 6
2.5 使用安全气囊注意事项 7
2.5.1 安全操作规范： 7
2.5.2 启爆后安全气囊的处理： 8
2.5.3 安全气囊的拆卸： 8
2.5.4 安全气囊的安装： 9
第三章 CAN总线在汽车内部的网络研究 10
3.1 CAN简介： 10
3.1.1 CAN 总线的概念 10
3.1.2 CAN 总线的特点 11
3.2 CAN总线的结构特点 13
3.2.1 CAN节点概述 13
3.2.2 CAN总线的分层结构 14
3.2.3 CAN总线的位数值表示 15
3.2.4 CAN总线的通信距离 15
3.3 CAN报文的帧格式 16
3.4 CAN总线高层协议介绍 20
3.5 CAN总线在汽车内的应用 23
3.5.1 汽车内部CAN网络设计 23
第四章 汽车安全气囊电路设计 26
4.1 控制系统的设计 26
4.1.1 气袋控制系统的要求 26
4.1.2 控制系统总体方案 26
4.2 控制系统硬件 27
4.2.1 总体方案 28
4.3 器件的选择 29
4.3.1 CPU及CAN收发器件的选择 29
4.3.2 加速度传感器的选择 36
4.3.3 电源 42
4.3.4 点火电路及气袋检测电路 43
第五章 论文结论 50
第一章绪论
随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车行驶速度越来越快，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，主要有操纵稳定性、制动性能、平顺性等，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力，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(Airbag RestraintSystem，以下简称安全气囊)等。由于现实的复杂性，有些事故是难以避免的，因此被动安全性也非常重要，安全气囊作为被动安全性的研究成果，由于使用方便、效果显著、造价不高，所以得到迅速发展和普及。
汽车发生碰撞事故时，若主要冲撞力是作用在汽车的前部，并在汽车中心轴线30度范围以内上十，可称为前碰撞事故。全世界的交通事故分析研究表明，前碰撞事故发生最频繁，损伤最惨重的交通事故。例如，在导致严重损伤和死亡事故中，前碰撞分别占了70%和50%，事故数目中前碰撞占55——60%，各交通发达国家对前碰撞事故的研究和防护都高度重视我国也发布了MI类乘用车前碰撞试验技术法规。
前碰撞被动安全性的研究主要集中在两大方面，一方面是改进汽车的结构设计，使其更具有耐撞性，如采用各种新型材料和结构，合理地在汽车前部设计挤压吸能区，主要目的是用车身的结构吸收和分散碰撞产生的能量，减少车内乘员受到的冲击，同时控制车身变形，保护乘员的安全空间。另一方面是采用被动安全设备对乘员进行防护，其主要原理是发生在碰撞时，约束乘员因惯性而发生的与车体的相对运动，减少和防止乘员与车内发生碰撞（称为“二次碰撞），从而达到保护乘员、减少碰撞损伤的目的。用来约束乘员运动的装置称为乘员约束系统，常用的乘员约束系统有安全带、安全气囊和安全垫等。
安全气囊的防护效果与众多的因素有关，一方面是事故发生的客观条件，如碰撞强度、碰撞类型，乘员的身高、体重、乘员乘做的位置，车辆的类型和大小等。另一方面是车辆上安装的防护系统及其使用情况，例如是否使用了安全带，安全带的类型和参数。因而，要对安全气囊的防护有效性做出客观准确的评价，找到影响其防护效果的主要因素，是汽车被动安全性领域难度很大的科技问题，它涉及到工程学、交通事故损伤流行病学等多个学科，是一个综合性很强的研究领域。
汽车安全气囊依据其作用的不同分为防止前碰撞损伤的驾驶员安全气囊、前排座乘员安全气囊和侧面碰撞防护安全气囊等。本文主要讨论前碰撞安全气囊，汽车发生碰撞事故时，安全气囊是一种重要的防护装置，但是安全气囊在防止重大损伤和减少事故死亡的同时，也可能出现它的快速展开而引发新的损伤，本文将此种损伤称为“气囊引发损伤”。如何保证安全气囊对各类汽车乘员在各种碰撞条件下提供最有效防护的同时，减少甚至避免气囊损伤，是目前汽车乘员约束系统研究的主要问题之一。
本文所做的主要工作如下：
1．对汽车安全气囊防护有效、气囊损伤和相关技术发展进行全面综述，剖析了这一研究领域涉及的问题。
2．在汽车电路的设计中，我主要采用CAN总线对各个安全器件进行连接，即对CAN总线在汽车内部网络的研究
3．在安全气囊电路的设计当中，还要对安全传感器、继电器、CPU、等与之相关的器件进行选择，避免误点火和气囊损伤，以保护乘员的安全。
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第二章安全气囊简介
2.1安全气囊的作用与分类
2.1.1安全气囊的作用
安全气囊是最近发展起来的被动安全装置。它对驾驶员和乘员的头部、颈部安全起着明显的保护作用。特别是在汽车证明碰撞和前侧碰撞时，其保护作用尤为明显，而座椅安全带对人体胸部以上的保护作用十分有限。汽车发生事故时，人体胸部以上受伤的几率高达75%以上。安全气囊主要是针对乘员上体，特别是头部和颈部在撞车时的安全而设计的 ，而且一般汽车出厂时就已安装在车内，无须人们有意识地去完成佩带这一动作。因而它可随时随地保护人们的安全，更容易被人们接受。
2.1.2安全气囊的分类
汽车安全气囊按控制类型不同，可分为机械式和电子控制式两类。电子控制式又分为元件型、集成电路型、电脑控制型之分。电子控制式又分集中控制式，即一个电子控制器控制两个以上的气囊；分散控制式，即一个电子控制器只控制一个气囊。有的把传感器也放在气囊内，所以有内部和外部传感器式安全气囊之分。有的也叫整体式安全气囊。现代汽车大都采用电子控制式安全气囊。电子控制式可按以下分类：
2.2安全气囊系统的组成：
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。
（１）碰撞传感器对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不尽相同，而且碰撞传感器的名称也不统一，例如有些碰撞传感器按照工作原理也称为加速度传感器。
①按照用途的不同，碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞传感器也称为碰撞强度传感器，用于检测碰撞时的减速度或惯性，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号；防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器，它与触发碰撞传感器串联，用于防止气囊误爆。
②按照结构的不同，碰撞传感器分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。防护碰撞传感器一般采用电子式结构，触发碰撞传感器一般采用机电结合式结构或机械式结构。机电结合式碰撞传感器是利用机械的运动（滚动或转动）来控制电气触点动作，再由触点断开和闭合来控制气囊电路的接通和切断，常见的有滚球式和偏心锤式碰撞传感器。电子式碰撞传感器没有电气触点，目前常用的有电阻应变式和压电效应式2种。机械式碰撞传感器常见的有水银开关式，它是利用水银导电的特性来控制气囊电路的接通和切断。
③对于早期的汽车，一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部，例如车身两侧的翼子板内侧、前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧等部位。随着碰撞传感器制造技术的发展，有些汽车将触发碰撞传感器安装在气囊电脑内。防护碰撞传感器一般都与气囊电脑组装在一起，多数安装在驾驶舱内中央控制台下面。气囊电脑它是气囊系统的核心部件，大多安装在驾驶舱内中央控制台下面。气囊爆炸后，在气囊电脑中会存储碰撞数据和故障码，这些故障码用普通仪器无法清除。为了保证气囊工作的可靠性，很多汽车生产厂家建议气囊电脑一次性使用。但是气囊电脑的价格很高，因此很多具有气囊电脑数据修复功能的仪器被开发出来，通过读取并修复碰撞数据，可以实现气囊电脑的再次使用。需要注意的是，配件市场上存在将修复电脑作为新配件销售的情况，购买配件时应注意。
2.3安全气囊的工作原理：
准确判断出事故的碰撞强度，并点爆气袋。控制系统主要有机械式、模拟电子式、智能式几种1。第一、二代的机械式和模拟式控制系统，由于结构的局限，灵活性有很大限制，应用正在减少。现在大部分系统都采用第三代的带微处理器的智能控制系统。它使用单片机对电子式加速度传感器测得的信号进行计算，认为发生了碰撞并且达到一定强度时，输出点火脉冲引爆气体发生器，迅速产生大量气体充满气袋。智能控制系统的控制算法由软件实现，极大地提高了算法的灵活性，而且具有记录事故信息和与计算机通讯等前两代控制系统无法实现的功能。
汽车SRS气囊系统并非在所有碰撞情况下都起作用，正面SRS安全气囊系统在汽车从正前方或斜度在正前方的正负30度角范围内发生碰撞，且其纵向减速度达到某一值（通常成为减速阀值）才能引爆气体发生器给正面SRS气囊充气。减速阀值根据SRS气囊系统的性能设定，不同车型SRS气囊系统的减速阀值可能不同。当正面碰撞车速在20km/h以下时，气囊应该不启爆；当车速在20～40km/h之间时，这是一个过渡区，气囊可能启爆也可能不启爆；当车速在40km/h以上时，气囊应该启爆。
在下列条件之一情况下，SRS气囊系统不会启爆：
（1）汽车遭受斜前方碰撞斜角超过正前方正负30度角范围时；
（2）汽车遭受后方撞击时；
（3）汽车遭受横向撞击时；
（4）汽车发生侧翻时；
（5）纵向减速度没达到设定阀值时；
2.4安全气囊的工作过程
（1）将从碰撞传感器接收的电信号传给充气器的引爆剂；
（2）引爆剂像根“电火柴”通电後着火，然後再点燃充气器组件内的扩爆剂，扩爆剂又称为引爆管；
（3）扩爆剂点燃後，点燃主装药 －主推进剂。传统的主推进剂由氮化钠+氧化剂组成，也有些使用压缩氮气或氩气，还有两种混合应用；
（4）推进剂燃烧生成氮气流；
（5）迅速膨胀的气体经过过滤进入折囊垫，形成安全气囊雏形；
6）充气器使充入安全气囊的气体压力增高，并开始推压安全气囊饰罩；
（7）安全气囊饰罩上的压力不断上升，饰罩材料延伸变形和撕裂薄弱区的接缝；
（8）随着裂缝的出现，饰罩门开启，为充气安全气囊的喷出提供最佳通路；
（9）气体压力继续增长，安全气囊张开至织物绷紧；
（10）乘员接触和压迫安全气囊，实现安全保护；
（11）通过气体的粘性阻尼作用，乘员前移能量被吸收和耗散，安全气囊中过压气体经过安全气囊通气孔排出而不致伤害乘员。 ...
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