安全气囊的设计经验

安全气囊的个人经验汽车正面碰撞是造成交通事故65伤亡的原因。安全气囊就是为了在汽车正面碰撞过程中最大限度的保护驾驶员及前排乘客。当驾驶员及乘客戴安全带时，安全气囊对人的保护效果应该最佳。但对很多装有安全气囊轿车的交通事故调查发现，安全气囊每保护20人，就有1人不能受其保护而死亡，而且死亡的人一般身体较矮，如儿童与妇女。 有汽车就有安全问题，随着汽车保有量的增加，安全问题日益突显。开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的；汽车安全气囊能有效地提高汽车安全性，因此安全气囊的研究也是十分有意义的。 转向盘内藏气囊装置的结构由传感器、气体发生器和气囊等主要部件组成。传感器判断撞车程度，传递信号;气体发生器根据信号产生一定量的气体，向气囊充气;气囊充气后膨胀，对驾驶员起保护作用 。（如下页图所示）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。 根据所选雷管（相当于引药的作用）特性，引爆雷管需要的热量是1.096J，假设点火销动能转化为热能的效率是80%，那么点火销撞击雷管的瞬时动能为1.37J，己知点火销的质量，根据动能定理和牛顿第二定理，可算出点火销压缩弹簧的载荷，从而设计点火销压缩弹簧。 对触发杆作受力分析，触发杆为杠杆机构，根据传感球的质量和碰撞减速可算出偏心弹簧的载荷情况，从而设计偏心弹簧。对问题的分析与解答：轿车是一个系统，安全气囊只是其中的子系统，该子系统简图如图82所示。汽车是气囊的超系统，碰撞物可能是另一辆汽车或其他物体。气囊装在气囊筒内，气囊简装在汽车方向盘前端。安装在汽车前端的传感器感受到汽车减速度信号，传给激发器并使气囊迅速膨胀并充满具有一定压力的气体，完全膨胀后，囊内压力要有所降低，气体的减振作用将保护碰撞到气囊上的司机或乘客。轿车安全气囊的功能是在汽车正面碰撞时保护司机与乘客，但目前的设计保护了身体高的司机与乘客，而有可能伤害身体矮的司机与乘客。其原因是身体矮的司机为了踩刹车及油门，身体较接近于方向盘，汽车碰撞时，气囊膨胀过程中，身体矮的司机可能碰上了气囊。膨胀过程中的气囊动能大，像是一个运动中的刚体，会伤害与其碰撞的司机。上身长、腿短的司机受伤害的可能性更大。妇女一般身体矮，儿童不仅身体矮而且经常不戴安全带，因此，容易受到伤害。设安全气囊与司机和乘客组成一个系统。安全气囊目前的设计保护大部分司机与前排乘客，但有可能伤害身体矮的司机与乘客。该设计可用如下的物质场模型描述：气囊S2在机械能FM的作用下迅速膨胀保护了司机与乘客S11，却伤害了司机与乘客S12。这说明，原设计存在技术冲突。图中：FM指机械能；S11指身体较高的司机与乘客；S12指身体矮的司机与乘客；S2指气囊。如果要进行创新设计，其标志是要彻底的克服现设计中存在的冲突，即新的安全气囊不仅要保护身体较高的司机与乘客，又要保护身体较矮的司机与乘客。改进设计后的最终模型应该如图84所示。832 技术冲突及消除美国政府有关部门曾建议减少安全气囊功率的方法解决该问题。所谓的功率定义为气囊的膨胀力与膨胀速度之积。减少该功率使气囊膨胀速度减慢，可以保护身体矮的司机与乘客，但汽车在高速运行时如果发生碰撞，所有身材的司机与乘客均高速前倾，可能要碰撞到方向盘、仪表盘或挡风玻璃上，从而受到伤害，膨胀速度慢的气囊并不能有效的保护他(她)们。如果按该方法进行设计，设计中的技术冲突：减少气囊功率可以减少其膨胀速度，减少司机、乘客与气囊碰撞所造成的伤害；但汽车高速行驶过程的碰撞，由于气囊未能及时膨胀将会带来更多的伤害。如图85所示。图中S3是指方向盘、仪表盘或挡风玻璃等。无论是原始设计还是改进建议，都存在技术冲突。现将技术冲突标准化并应用冲突矩阵确定可用的发明原理，通过这些发明原理去发现消除冲突的基本思路。冲突的一方是要改变气囊的膨胀速度，以保护一部分司机与乘客；另一方是速度的改变使另一部分司机与乘客受到伤害。这一技术冲突可用39个标准工程参数中的第15及第31个参数描述。No15运动物体作用时间：物体完成规定动作的时间及服务期。两次误动作之间的时间也是作用时间的一种度量。No3l物体产生的有害因素：有害因素将降低物体或系统的效率或完成功能的质量。这些有害因素是由物体或系统操作的一部分而产生的。由冲突矩阵可以查出，可用发明原理序号为：21、39、16和22。1)No21紧急行动：以最快的速度完成有害的操作。加快而不是减小气囊的膨胀速度，当完全膨胀后才出现身体矮的司机或乘客与其碰撞的可能，则能保护所有的司机或前排乘客。2)No39惰性环境：用惰性环境代替通常环境。在汽车碰撞过程中对人的伤害是由于膨胀过程中的气囊动能的作用，使其像一个刚体，如果某种物质能够软化气囊表面，使碰撞处于惰性的环境，就可保护司机与乘客。3)No16未达到或超过的作用：如果1m达到所希望的效果是困难的，稍微未达到或稍微超过预期的效果将大大简化问题。气囊体积减少，功率增加，使其迅速膨胀，可以保护司机与乘客。4)NoX变有害为有益a)利用有害因素，特别是对环境有害的因素，获得有益的结果；b)通过与另一种有害因素结合消除一种有害因素；c)加大一有害因素的程度使其不再有害。增加气囊的膨胀速度，当其完全膨胀后司机或乘客才可能与气囊碰撞。表81是采用发明原理消除技术冲突的一个总结。表81所示的消除技术冲突的方法已给出了安全气囊改进设计基本思路，或已完成了概念设计的初步内容。根据这些思路，领域专家(安全气囊设计人员)可根据本企业设计与生产安全气囊的实际或根据可实现的能力进一步完善已提出的概念，画出工作原理简图及实现简图，完成概念设计。发明原理序号与名称消除技术冲突的方法No21紧急行动 加快而不是减小气囊的膨胀速度，当完全膨胀后才出现身体矮的司机或乘客与其碰撞的可能，则能保护所有的司机或前排乘客No39惰性环境 在汽车碰撞过程中对人的伤害是由于膨胀过程