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汽車安全氣囊應(yīng)用研究學(xué)
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- 汽車安全氣囊應(yīng)用研究學(xué)
摘 要
摘要：汽車安全氣囊作為一種輔助的乘員約束條件，在汽車發(fā)生碰撞時保護(hù)乘員的效用已越來越得到肯定，當(dāng)今社會對安全氣囊的要求也越來越高，尤其是對智能安全氣囊的需求也越來越廣泛，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時汽車與汽車或汽車障礙物之間的碰撞稱為第一次碰撞，第一次碰撞導(dǎo)致了汽車速度的急劇變化。由于慣性的作用，車上的乘員向前運(yùn)動，于是發(fā)生了車內(nèi)乘員與車內(nèi)結(jié)構(gòu)件之間的第二次碰撞，事故中造成乘員傷害的主要原因就是第二次碰撞。為了減輕和避免駕乘人員在第二次碰撞中受到傷害，乘員保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在碰撞中利用約束系統(tǒng)（包括座椅、安全帶、安全氣囊等）避免或減緩乘員與車內(nèi)結(jié)構(gòu)件碰撞造成的傷害。汽車安全氣囊的基本思想是：在發(fā)生第一次碰撞后，第二次碰撞前，迅速在乘員和汽車內(nèi)部構(gòu)件之間插入一個充滿氣體的氣囊，讓乘員“撲”在氣囊上，通過氣囊上的排氣節(jié)流阻力吸收乘員的動能，使猛烈的第二次碰撞得以減緩，以達(dá)到保護(hù)乘員的目的。所以安全氣囊作為一種防護(hù)措施已經(jīng)是必不可少了。我在此設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了安全氣囊的設(shè)計(jì)工作，對安全氣囊的工作過程進(jìn)行研究，為使乘員安全而設(shè)計(jì)一個合適的安全氣囊。
介紹自行研制的智能式汽車安全氣袋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、傳感器、點(diǎn)火電路等組成，使用點(diǎn)火控制算法對汽車加速度信號進(jìn)行判斷，輸出點(diǎn)火脈沖。本系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可進(jìn)行自診斷等特點(diǎn)。
故設(shè)計(jì)的主要工作是對氣囊電路中的CPU、加速度傳感器的選擇、繼電器的選擇及與電路有關(guān)的器件，如為防止錯點(diǎn)火而要設(shè)計(jì)一個點(diǎn)火電路、為防止信號干擾我們要加光隔離等一些措施。所以我設(shè)計(jì)所做的主要工作就是對安全氣囊的硬件電路實(shí)行操作并對其的工作原理進(jìn)行分析，對其應(yīng)用進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞：智能型安全氣囊、防護(hù)、安全傳感器、汽車碰撞。
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.………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
目錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
第二章 安全氣囊簡介 3
2.1 安全氣囊的作用與分類 3
2.1.1 安全氣囊的作用 3
2.1.2 安全氣囊的分類 3
2.2 安全氣囊系統(tǒng)的組成： 3
2.3 安全氣囊的工作原理： 5
2.4 安全氣囊的工作過程 6
2.5 使用安全氣囊注意事項(xiàng) 7
2.5.1 安全操作規(guī)范： 7
2.5.2 啟爆后安全氣囊的處理： 8
2.5.3 安全氣囊的拆卸： 8
2.5.4 安全氣囊的安裝： 9
第三章 CAN總線在汽車內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)研究 10
3.1 CAN簡介： 10
3.1.1 CAN 總線的概念 10
3.1.2 CAN 總線的特點(diǎn) 11
3.2 CAN總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 13
3.2.1 CAN節(jié)點(diǎn)概述 13
3.2.2 CAN總線的分層結(jié)構(gòu) 14
3.2.3 CAN總線的位數(shù)值表示 15
3.2.4 CAN總線的通信距離 15
3.3 CAN報(bào)文的幀格式 16
3.4 CAN總線高層協(xié)議介紹 20
3.5 CAN總線在汽車內(nèi)的應(yīng)用 23
3.5.1 汽車內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 23
第四章 汽車安全氣囊電路設(shè)計(jì) 26
4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26
4.1.1 氣袋控制系統(tǒng)的要求 26
4.1.2 控制系統(tǒng)總體方案 26
4.2 控制系統(tǒng)硬件 27
4.2.1 總體方案 28
4.3 器件的選擇 29
4.3.1 CPU及CAN收發(fā)器件的選擇 29
4.3.2 加速度傳感器的選擇 36
4.3.3 電源 42
4.3.4 點(diǎn)火電路及氣袋檢測電路 43
第五章 論文結(jié)論 50
第一章緒論
隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車行駛速度越來越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車的安全性就變得尤為重要。汽車的安全性分為主動安全和被動安全兩種，主動安全是指汽車防止發(fā)生事故的能力，主要有操縱穩(wěn)定性、制動性能、平順性等，被動安全是指在萬一發(fā)生事故的情況下，汽車保護(hù)乘員的能力，目前主要有安全帶、安全氣墊、防撞式車身和安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)(Airbag RestraintSystem，以下簡稱安全氣囊)等。由于現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性，有些事故是難以避免的，因此被動安全性也非常重要，安全氣囊作為被動安全性的研究成果，由于使用方便、效果顯著、造價不高，所以得到迅速發(fā)展和普及。
汽車發(fā)生碰撞事故時，若主要沖撞力是作用在汽車的前部，并在汽車中心軸線30度范圍以內(nèi)上十，可稱為前碰撞事故。全世界的交通事故分析研究表明，前碰撞事故發(fā)生最頻繁，損傷最慘重的交通事故。例如，在導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷和死亡事故中，前碰撞分別占了70%和50%，事故數(shù)目中前碰撞占55——60%，各交通發(fā)達(dá)國家對前碰撞事故的研究和防護(hù)都高度重視我國也發(fā)布了MI類乘用車前碰撞試驗(yàn)技術(shù)法規(guī)。
前碰撞被動安全性的研究主要集中在兩大方面，一方面是改進(jìn)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其更具有耐撞性，如采用各種新型材料和結(jié)構(gòu)，合理地在汽車前部設(shè)計(jì)擠壓吸能區(qū)，主要目的是用車身的結(jié)構(gòu)吸收和分散碰撞產(chǎn)生的能量，減少車內(nèi)乘員受到的沖擊，同時控制車身變形，保護(hù)乘員的安全空間。另一方面是采用被動安全設(shè)備對乘員進(jìn)行防護(hù)，其主要原理是發(fā)生在碰撞時，約束乘員因慣性而發(fā)生的與車體的相對運(yùn)動，減少和防止乘員與車內(nèi)發(fā)生碰撞（稱為“二次碰撞），從而達(dá)到保護(hù)乘員、減少碰撞損傷的目的。用來約束乘員運(yùn)動的裝置稱為乘員約束系統(tǒng)，常用的乘員約束系統(tǒng)有安全帶、安全氣囊和安全墊等。
安全氣囊的防護(hù)效果與眾多的因素有關(guān)，一方面是事故發(fā)生的客觀條件，如碰撞強(qiáng)度、碰撞類型，乘員的身高、體重、乘員乘做的位置，車輛的類型和大小等。另一方面是車輛上安裝的防護(hù)系統(tǒng)及其使用情況，例如是否使用了安全帶，安全帶的類型和參數(shù)。因而，要對安全氣囊的防護(hù)有效性做出客觀準(zhǔn)確的評價，找到影響其防護(hù)效果的主要因素，是汽車被動安全性領(lǐng)域難度很大的科技問題，它涉及到工程學(xué)、交通事故損傷流行病學(xué)等多個學(xué)科，是一個綜合性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域。
汽車安全氣囊依據(jù)其作用的不同分為防止前碰撞損傷的駕駛員安全氣囊、前排座乘員安全氣囊和側(cè)面碰撞防護(hù)安全氣囊等。本文主要討論前碰撞安全氣囊，汽車發(fā)生碰撞事故時，安全氣囊是一種重要的防護(hù)裝置，但是安全氣囊在防止重大損傷和減少事故死亡的同時，也可能出現(xiàn)它的快速展開而引發(fā)新的損傷，本文將此種損傷稱為“氣囊引發(fā)損傷”。如何保證安全氣囊對各類汽車乘員在各種碰撞條件下提供最有效防護(hù)的同時，減少甚至避免氣囊損傷，是目前汽車乘員約束系統(tǒng)研究的主要問題之一。
本文所做的主要工作如下：
1．對汽車安全氣囊防護(hù)有效、氣囊損傷和相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行全面綜述，剖析了這一研究領(lǐng)域涉及的問題。
2．在汽車電路的設(shè)計(jì)中，我主要采用CAN總線對各個安全器件進(jìn)行連接，即對CAN總線在汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的研究
3．在安全氣囊電路的設(shè)計(jì)當(dāng)中，還要對安全傳感器、繼電器、CPU、等與之相關(guān)的器件進(jìn)行選擇，避免誤點(diǎn)火和氣囊損傷，以保護(hù)乘員的安全。
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第二章安全氣囊簡介
2.1安全氣囊的作用與分類
2.1.1安全氣囊的作用
安全氣囊是最近發(fā)展起來的被動安全裝置。它對駕駛員和乘員的頭部、頸部安全起著明顯的保護(hù)作用。特別是在汽車證明碰撞和前側(cè)碰撞時，其保護(hù)作用尤為明顯，而座椅安全帶對人體胸部以上的保護(hù)作用十分有限。汽車發(fā)生事故時，人體胸部以上受傷的幾率高達(dá)75%以上。安全氣囊主要是針對乘員上體，特別是頭部和頸部在撞車時的安全而設(shè)計(jì)的 ，而且一般汽車出廠時就已安裝在車內(nèi)，無須人們有意識地去完成佩帶這一動作。因而它可隨時隨地保護(hù)人們的安全，更容易被人們接受。
2.1.2安全氣囊的分類
汽車安全氣囊按控制類型不同，可分為機(jī)械式和電子控制式兩類。電子控制式又分為元件型、集成電路型、電腦控制型之分。電子控制式又分集中控制式，即一個電子控制器控制兩個以上的氣囊；分散控制式，即一個電子控制器只控制一個氣囊。有的把傳感器也放在氣囊內(nèi)，所以有內(nèi)部和外部傳感器式安全氣囊之分。有的也叫整體式安全氣囊。現(xiàn)代汽車大都采用電子控制式安全氣囊。電子控制式可按以下分類：
2.2安全氣囊系統(tǒng)的組成：
安全氣囊系統(tǒng)主要包括碰撞傳感器、氣囊電腦、系統(tǒng)指示燈、氣囊組件以及連接線路，氣囊組件主要包括氣囊、氣體發(fā)生器以及點(diǎn)火器等。
（１）碰撞傳感器對于各汽車制造廠生產(chǎn)的車輛，碰撞傳感器的安裝位置不盡相同，而且碰撞傳感器的名稱也不統(tǒng)一，例如有些碰撞傳感器按照工作原理也稱為加速度傳感器。
①按照用途的不同，碰撞傳感器分為觸發(fā)碰撞傳感器和防護(hù)碰撞傳感器。觸發(fā)碰撞傳感器也稱為碰撞強(qiáng)度傳感器，用于檢測碰撞時的減速度或慣性，并將碰撞信號傳給氣囊電腦，作為氣囊電腦的觸發(fā)信號；防護(hù)碰撞傳感器也稱為安全碰撞傳感器，它與觸發(fā)碰撞傳感器串聯(lián)，用于防止氣囊誤爆。
②按照結(jié)構(gòu)的不同，碰撞傳感器分為機(jī)電式碰撞傳感器、電子式碰撞傳感器以及機(jī)械式碰撞傳感器。防護(hù)碰撞傳感器一般采用電子式結(jié)構(gòu)，觸發(fā)碰撞傳感器一般采用機(jī)電結(jié)合式結(jié)構(gòu)或機(jī)械式結(jié)構(gòu)。機(jī)電結(jié)合式碰撞傳感器是利用機(jī)械的運(yùn)動（滾動或轉(zhuǎn)動）來控制電氣觸點(diǎn)動作，再由觸點(diǎn)斷開和閉合來控制氣囊電路的接通和切斷，常見的有滾球式和偏心錘式碰撞傳感器。電子式碰撞傳感器沒有電氣觸點(diǎn)，目前常用的有電阻應(yīng)變式和壓電效應(yīng)式2種。機(jī)械式碰撞傳感器常見的有水銀開關(guān)式，它是利用水銀導(dǎo)電的特性來控制氣囊電路的接通和切斷。
③對于早期的汽車，一般設(shè)有多個觸發(fā)碰撞傳感器，安裝位置一般在車身的前部和中部，例如車身兩側(cè)的翼子板內(nèi)側(cè)、前照燈支架下面以及發(fā)動機(jī)散熱器支架兩側(cè)等部位。隨著碰撞傳感器制造技術(shù)的發(fā)展，有些汽車將觸發(fā)碰撞傳感器安裝在氣囊電腦內(nèi)。防護(hù)碰撞傳感器一般都與氣囊電腦組裝在一起，多數(shù)安裝在駕駛艙內(nèi)中央控制臺下面。氣囊電腦它是氣囊系統(tǒng)的核心部件，大多安裝在駕駛艙內(nèi)中央控制臺下面。氣囊爆炸后，在氣囊電腦中會存儲碰撞數(shù)據(jù)和故障碼，這些故障碼用普通儀器無法清除。為了保證氣囊工作的可靠性，很多汽車生產(chǎn)廠家建議氣囊電腦一次性使用。但是氣囊電腦的價格很高，因此很多具有氣囊電腦數(shù)據(jù)修復(fù)功能的儀器被開發(fā)出來，通過讀取并修復(fù)碰撞數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)氣囊電腦的再次使用。需要注意的是，配件市場上存在將修復(fù)電腦作為新配件銷售的情況，購買配件時應(yīng)注意。
2.3安全氣囊的工作原理：
準(zhǔn)確判斷出事故的碰撞強(qiáng)度，并點(diǎn)爆氣袋。控制系統(tǒng)主要有機(jī)械式、模擬電子式、智能式幾種1。第一、二代的機(jī)械式和模擬式控制系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)的局限，靈活性有很大限制，應(yīng)用正在減少。現(xiàn)在大部分系統(tǒng)都采用第三代的帶微處理器的智能控制系統(tǒng)。它使用單片機(jī)對電子式加速度傳感器測得的信號進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為發(fā)生了碰撞并且達(dá)到一定強(qiáng)度時，輸出點(diǎn)火脈沖引爆氣體發(fā)生器，迅速產(chǎn)生大量氣體充滿氣袋。智能控制系統(tǒng)的控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，極大地提高了算法的靈活性，而且具有記錄事故信息和與計(jì)算機(jī)通訊等前兩代控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。
汽車SRS氣囊系統(tǒng)并非在所有碰撞情況下都起作用，正面SRS安全氣囊系統(tǒng)在汽車從正前方或斜度在正前方的正負(fù)30度角范圍內(nèi)發(fā)生碰撞，且其縱向減速度達(dá)到某一值（通常成為減速閥值）才能引爆氣體發(fā)生器給正面SRS氣囊充氣。減速閥值根據(jù)SRS氣囊系統(tǒng)的性能設(shè)定，不同車型SRS氣囊系統(tǒng)的減速閥值可能不同。當(dāng)正面碰撞車速在20km/h以下時，氣囊應(yīng)該不啟爆；當(dāng)車速在20～40km/h之間時，這是一個過渡區(qū)，氣囊可能啟爆也可能不啟爆；當(dāng)車速在40km/h以上時，氣囊應(yīng)該啟爆。
在下列條件之一情況下，SRS氣囊系統(tǒng)不會啟爆：
（1）汽車遭受斜前方碰撞斜角超過正前方正負(fù)30度角范圍時；
（2）汽車遭受后方撞擊時；
（3）汽車遭受橫向撞擊時；
（4）汽車發(fā)生側(cè)翻時；
（5）縱向減速度沒達(dá)到設(shè)定閥值時；
2.4安全氣囊的工作過程
（1）將從碰撞傳感器接收的電信號傳給充氣器的引爆劑；
（2）引爆劑像根“電火柴”通電後著火，然後再點(diǎn)燃充氣器組件內(nèi)的擴(kuò)爆劑，擴(kuò)爆劑又稱為引爆管；
（3）擴(kuò)爆劑點(diǎn)燃後，點(diǎn)燃主裝藥 －主推進(jìn)劑。傳統(tǒng)的主推進(jìn)劑由氮化鈉+氧化劑組成，也有些使用壓縮氮?dú)饣驓鍤猓�有兩種混合應(yīng)用；
（4）推進(jìn)劑燃燒生成氮?dú)饬鳎?br /> （5）迅速膨脹的氣體經(jīng)過過濾進(jìn)入折囊墊，形成安全氣囊雛形；
6）充氣器使充入安全氣囊的氣體壓力增高，并開始推壓安全氣囊飾罩；
（7）安全氣囊飾罩上的壓力不斷上升，飾罩材料延伸變形和撕裂薄弱區(qū)的接縫；
（8）隨著裂縫的出現(xiàn)，飾罩門開啟，為充氣安全氣囊的噴出提供最佳通路；
（9）氣體壓力繼續(xù)增長，安全氣囊張開至織物繃緊；
（10）乘員接觸和壓迫安全氣囊，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)；
（11）通過氣體的粘性阻尼作用，乘員前移能量被吸收和耗散，安全氣囊中過壓氣體經(jīng)過安全氣囊通氣孔排出而不致傷害乘員。 ...
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