【《安全气囊气体发生器的结构设计案例》4500字】

安全气囊气体发生器的结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23555安全气囊气体发生器的结构设计案例 1156641.1总体结构确定 1327211.2气体发生器壳体设计 2162901.3气体发生器排气孔设计 7313611.4过滤系统设计 101.1总体结构确定空气发生器构造上主要分为外壳结构(含排气孔)、空气过滤体系、点火机构和传火机构。因此结构设计也围绕着这四方面展开,壳体设计分为壳体外形、厚度设计、壳体材质选择以及排洞设计；过滤系统设计主要包括过滤系统的机理设计和材质选择等；点火机构设计则涉及到点火药的选择、药型设置；传火机构设计涉及到传火孔形和厚度，以及传火通道的设置。气体发生器结构设计的基本原则为:一是提高气体发生器自身的特性,二是提高适当的结构刚度,三是尽量降低成本，四是还要能保证其功能的稳定性确保遇到情况可以按照设计理念触发。如图1.1.图1.3安全气囊充气设备1.2气体发生器壳体设计气体发生器壳体的功能首先是为了创造适宜的点燃室环境,以确保产气药剂被安全点燃,并按照所预期的化学反应方法安全的爆炸。壳体工程设计一般包括了材质的选用、厚度工程设计,以及排水孔的工程设计。在气体发生器设计时,首先要考虑减少气体发生器的质量。因此,材料必须采用硬度、质量都比较大的材质,如经热处理的合金钢材质和较高强度的铝合金等。同时考虑到金属材料特性也和周围环境的高热相关,特别在高热环境下,高热对金属材料的热力学性能危害很大,所以,首先要充分注意到高热对气体发生器特性的危害。就气体发生器发展历程来说,气体发生器壳产品设计由机械加工部件逐渐发展到冷挤压件和温挤压部件,现在则主要采用材料拉伸部件以提高质量一致性的同时降低成本。壳的产品设计也和气体发生器内部结构以及各种产气制剂之间存在着密切地联络,有的燃烧后产生的气体压力指数较低,壳就可以设计得稍薄,有的燃烧后产生的气体压力指数较高,则必须把壳的硬度设定得相当高。因此为了降低设计成本,在论文中的气体发生器设计时,要考虑采用材料的抗拉强度,而材料选择为符合拉伸工艺且价格也比较低廉的材质。经查普通低合金钢的最大抗拉强度如表1.1所示,从表中数据可以看出,钢材牌号越高,其最大抗拉强度也就越高,但由于牌号的提高,以及拉伸加工工艺的降低,本论文将采用二十号以内的钢材(由于含锰的钢价格较贵,这里不采用)。如图1.3所示，设想废气产生器壳体内径为d,则按照废气产生器的小型化需要,将废气产生器壳内径设定为60mm,壳厚为D.对承受内压力的设备来说,在其内壁上会有一处较大的内压应力,同时还会产生较大的内切应力和周向应力。屈则服应力和这些应力之间的关系式,可以用如下方式表明:（3-7）式中—最小屈服应力，=Y—径向应力，=-p—切向应力—轴向应力对于切向应力：（3-8）式中：—壁厚；；—内直径；D—外直径；对于轴向应力：（3-9）式中F一作用力；A—断面积。将、和代入上式得：（3-10）（3-11）所以,整理得如前所述，本论文气体发生器内压设计为28MPa左右，此处按28MPa计算。即P=28MPa。若选用20号钢，则Y=400Mpa，P/Y=28/400=0.07,Y=400MPa，查P/Y与对应表，当P/Y=0.07时，=1.0664；当P/Y=0.062时,=1.0673；采用插入法得P/Y=0.0626时，=1.0667；即若选用20号钢，至少壳体厚度应为，所以，若选用08号钢，至少壳体厚度为：，即，所以。为降低气体发生器重量,拟采用二十号钢为主要材质。以下对在d=3mm时的情况进行了力学计算。气体发生器壳体的横向截面积:（3-12）气体发生器壳体所承受的最大总拉力是:（3-13）如果使用二十号钢，则=410MPa，d=3mm，D=60mm再代入相关资料而得:F=4101.142.062=159637.6N气体发生器内面积为:（3-14）气体发生器壳体在工作时受到的总推动力是:（3-15）式中d—气体发生器的壳体内径(mm)；D—壳体厚度(mm)；—壳体材料抗拉强度()；F—壳体承受总拉力(N)P—内压()。因此P=4F/πD²=55MPa据理论分析,在气体发生器作用时可耐受的最大工作内压强约为60MPa,符合55MPa的最大工作内压条件。各种国家标准中对空气发生器壳硬度的要求亦有差异,例如AK一LV03国家标准中〔70〕对空气发生器壳的硬度关系要求为1.7,而USCAR国家标准要求中对壳体强度系数则要求为1.5,故此处按USCAR国家标准中要求的试验方式对空气发生器壳硬度进行了试验研究,而USCAR国家标准则按以下方式进行了计算:第一步骤,计算气体发生器外壳的静压破坏情况。将空气发生器外壳按正常安装方法进行组装,留一条对外连接,然后采用液压的方式试验空气发生器外壳的最大破坏强度值p,并计算多次测试的平均值万和标准偏差S.（3-16）（3-17）第二步骤,设定最佳的预计压力MEOP。先后在-40℃、25℃和85℃时,测量了气体发生器影响下的内压龙按上述的方法的平均数和标准偏差So。（3-18）式中选择上述MEOP中最大的数值用于计算安全系数。安全系数式中MEOP—最大预计工作压力;—壳体破裂时,液体静压的强平均值;—壳体破裂时,液体内部压强的标准偏差。所以,气体发生器壳体强度设计是一项综合型提问,首先应该充分考虑对产气药剂的危害,其次还应该充分考虑气体发生器外壳的联接方法以及壳体排吻突设置。根据前面的药物研究部分可以得出,论文中产气药物在二十MPa至三十MPa之间都能连续地平稳燃烧,并按所预期的主化学反应方程式完成。另外在-40℃、+25℃、+85℃下对气产生器的内压做出了测定,具体实验结论见表1.2。显然,由计算可以得到+85℃时,气体发生器的内压最高,此时对气体发生器的破坏强度实验中，测得数据见表3-2。参照上述资料，计算强度系数为:.符合设计抗拉强度系数大于1.5的条件。1.3气体发生器排气孔设计气体发生器排放孔对气体发生器的利用效率产生了重要的作用,方面它直接影响了产气药剂的燃速,同时直接影响废气向气体发生器中排放的速率,下面将分别从二方面的作用因素进行论述。气体发生器中的产生气体的药类与一种火药相似，其点燃速率也可以用火药的点燃特点来说明。在气体发生器正常工作时,燃料室中的气压是根据产气药单位时刻的产气力,以及在该时刻内废气由壳体内向壳体外部的流向来联合确定的,而单位时刻内的产气力则是根据产气药的线性燃速,以及引燃面积共同确定的。(1)气体发生器的产气速度产气药的线性燃速为:（3-19）b——燃速系数;p——燃烧压力(Pa);R——药产气的线性燃速(m/s)。产气药的产气质量速度为:（3-20）A——产气药药片的总表面积();p——产气药的密度(kg/);——与气发生器产气效果相关的产气药产物中气成分的百分数;——产气药的产气质量速率(kg/s)。(2)气体从气体发生器喷出的速度通过节流小孔的空气交换量可由下式计算:（3-21）式中——气体交换品质(kg)——节流小孔面积()——气体释放系数()—工作压力(Pa);接收器器压力(Pa)。流动因子是工作压力接收器器压力的函数。空气发生器单位时间的气流出量主要根据喷嘴容积的多少,以及燃烧室中的气压确定。可用下式表达:（3-22）式中a为一废气输出系数,即是废气特征速率的倒数，常取值A——喷嘴的总面积();P——气体发生器对燃烧室产生的压力(Pa)。由上述二式可以看出,产气速度随着排气孔体积的增大而减小(燃烧压力降低),而排出速率则随着气孔体积的增大而提高,三者关系可以很简明的用图1.4来表示。图1.4产气速率与排气速率及排气孔面积的关系示意图1-产气速度与总排气孔体积的关系曲线,2-排出速度与总排气孔的体积关系曲线。当排出孔建筑面积小于时，产生气量高于排气量,则废气控制器内的气压就会不断增大,废气控制器曲线坡度大,产生药物燃速过快而不平衡,以至发生结构损伤;当气孔建筑面积大于时，则废气控制器内的产生气压也不平衡,从而导致废气控制器功能的持续时间延长;当排出孔建筑面积等于时，则达到了废气控制器功能的最理想状况,产气药物点燃平衡,特性基本一致。所以,怎样寻找作为废气控制器设计工作中的关键问题,也是当前研究工作的难题。为了成功破解这一实际问题,本研究论文采用了一个比较超前的设计方法,把气体发生器内排气孔设计为大小不同的排列小孔,在产气药物进行点燃后超过相应的气体压强时,将部分小孔(大直径孔)的封膜先破;当气体发生器内压强超过规定值后,若压强继续增大,则小孔膜被突破,因而减小了气体发生器内的压强,从而保持药物在规定的速度下稳定点燃,表1.4为不同的排气孔面积气体发生器实验结果。从实验结果可以看出,相同的放药方法和相同结构(排气孔不同或者排列方式不同)所测出来的数据有所不同。通常孔径的气体发生器在实际工作时最高气压为0.180MPa,百分之九十峰值气压所相应的实际工作持续时间为40ms,以满足气囊模块对毒气控制器的需求;小口径气体发生器工作时的最高气压为0.215MPa,百分之九十峰值气压相应的持续时间为28ms;而大口径气体发生器工作气压为0.162MPa,百分之九十峰值气压相应的持续时间为60ms,但后二种情况都无法达到气囊系统对气体发生器的要求,也无法发挥很好地防护功能。1.4过滤系统设计TC"4.1.3过滤系统设计"\fC为了得到相对较低的气体温度,使用低产气药虽然关键,但是在气出口通道设定必需的制冷物质还是十分关键的,气体冷却一般包括了物理制冷和化学制冷二类。物理制冷主要是指利用凝结物体的升温、融化和挥发等吸热过程,来减少燃气温度。在以往已有不少关于钢铁碎屑、铝屑、硬脂酸和石蜡等化学物作制冷剂的研究。滤网控制系统最重要的功用就是滤除残渣,所以残渣过滤器是否完善也是滤网控制系统设计优劣的关键指标。各种种类的产气药对滤网控制系统的需求也不相同,含有碱金属盐类的废气控制器通常对滤网控制系统的需求较高,但由于碱金属盐类溶解后所产生的碱金属氧化物温度通常较低,在高温下为液体,极易在滤网控制系统空隙中把高压气体刮出,从而产生大量固体粒子,对司乘人员健康产生危害。而以RDX和AN为主体的产气药对滤波体系的需要一般较低,由于RDX和AN溶解后的物质大多是气态产物,所以这种产气药一般被叫做无残渣的产气药,虽然此类产气药对滤波体系的需要一般不高但对壳体质量需求却很高。第一类筛选体系如图1.5、图1.6所示,图中筛选体系用了三个不同型号的筛网卷制成,在筛选网中衬上一层玻璃纤维毡以增加筛选效果。而第一级筛选网钢丝更细,用于筛选绝对多数的固态残留;第二级过滤网十分密集,可对燃烧过程中产生的液态气体加以筛选,而第三层网主要是为一、二级提供支持,以提高整个滤网体系的强度。这种过滤器的好处是滤网效率较好,但缺点是工艺比较繁琐,且过滤网一致性很难保持,同时在空气发生器工作内压力大、高燃烧温温时易被空气穿透。第二类筛选体系如图1.7所示，该筛选体系用网状钢丝挤压而成,好处是工序简便,成本小,但缺陷是筛选效率较差，因此不宜应用于碱性盐或用作抗氧化剂的高产气药筛选。图1.7压制网图片图1.5冲制网图片图1.6过滤网图片第三类过滤器则是钢板网,如图1.8所示,也就是可以在同一片金属材料上冲出许多小孔,这种过滤器生产成本极低,可以进行无渣产气的过滤器。本论文中提及的高产气药还包括了一些强碱土金属硝酸盐—硝酸铭,这些盐在溶解后有一定量的残留,但由于这些残留的温度很高,在焚