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            侧面安全气帘的设计与开发技术

            文档作者: 陈钟洲 周大永 刘卫国 赵福全        文档来源: 浙江吉利汽车研究院有限公司
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            更新时间: 2021年01月07日
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            2011年第7期 (总第240期) 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING No.7 2011 (Totally 240) doi:10.3969/j.issn.1673—3142.2011.07.008 侧面安全气帘的设计与开发技术 陈钟洲,周大永,刘卫国,赵福全 (浙江吉利汽车研究院有限公司,浙江杭州31 1228) 摘要:侧面碰撞事故中头部的撞击往往会造成致命的伤害。安全气帘是专门针对头部?;さ陌踩爸?,在侧 面碰撞事故中能有效地避免乘员头部受伤或减小其受伤的程度,安全气帘的设计与研发是十分必要的。本文 总结了侧面安全气帘的设计与开发技术,其中包括:安全气囊的结构和工作原理、重点介绍了安全气帘的设 计内容和安全气帘系统的匹配方法。总结了一套安全气帘设计开发的流程。对于同类型安全气帘的开发具有 指导意义。 关键词:安全气帘;开发流程;匹配方法;侧面碰撞 中图分类号:U491.6+1 文献标识码:A 文章编号:1673—3142(2011)07—0024-06 A Key Technology for Car Side Curtain Ajrb孵Development Chen Zhongzhou,Zhou Dayong,Liu Weigno,Zhao Fuquon (Zhejiang Geely Automobile Institute Co.Ltd.,Hangzhou 310000,China) Abstract:Side impact collisions in the head are often causing fatal injuries,SO a curtain airbag is designed for head protection. In side impact accidents,it con effectively prevent occupant%head injuries or reduce its level of injuries.It is necessary to design and develop curtain airbag.In the paper,technologies of the curtain airbag's design and development ale summarized, including:airbag structure and working principle,focusing on the design elements of curtain airbag and system's matching method,the design and development flow of curtain airbag is summed up,and it is a guide for the development of the sflne type of curtain airbags. Keywords:side curtainairbag;development process;matching method;side impact 0引言 在近几年公安部公布的全国道路交通事故统 计年报中,侧面碰撞事故占有相当比例。以2005 年为例,侧面碰撞事故总数为177844起,占到所有 事故数的40%。侧面碰撞事故引起伤亡人数为 212422人,占到总伤亡人数的37%。如图l、图2 所示。 从图中可以看出,侧面碰撞是在我国道路上 最易发生的事故形态,也是造成人员伤亡最大的 事故形态。所以针对侧面碰撞乘员?;さ姆治黾?研究是十分必要的。安全气帘当发生侧碰或者翻 滚事故时从顶棚内饰中展开形成像幕帘一样形态 的气袋覆盖住前后排侧围窗户,防止头部直接与 车窗框或者外部侵入物接触、撞击,在翻滚事故中 甚至可以有效防止乘员头部或身体整个越出车体 而受伤。美国的车辆事故统计表明,配备侧气帘后 收稿日期:2011-02—11 作者简介:陈钟洲(1975一),男,工程师,主要从事汽车整车安全性 能设计工作。 一24一 侧面碰撞的死亡率降低了45%,可见侧气帘在保 护侧面碰撞乘员头部伤害方面具有显著的功效。 圈1 各种形态的事故比例 图2各种形态的死亡人数比例 1侧气帘的结构与工作原理 安全气帘约束系统包括气帘???、侧碰撞传 感器及ECU控制器。侧气帘??榈慕峁谷缤?所 示,主要包括:气袋、气体发生器、气体扩散管、线 束、固定片。侧碰及翻滚传感器感知事故信号。并 万方数据 陈钟洲等:侧面安全气帘的设计与开发技术2011年7月 传递给电子控制单元。电子控制单元(rcu)与其 它约束系统零部件共用ECU,增加侧面碰撞功能, 对侧面事故分析、判断、引爆气帘???。 图3气帘??樽槌?普通侧碰事故中,一般冲击车身的位置在乘 员肩部以下,对头部的伤害不是很大,一般都会小 于法规的指标,所有?;ね凡康陌踩毙Ч?不会很明显,而在侧面柱形碰撞试验中,刚性柱会 贯穿到头部以上,对侧边顶梁和窗玻璃有很大的 入侵,此时头部需要安全气帘?;さ谋匾院芡?出,相比较头胸一体的侧气囊来说,安全气帘有以 下优势:侧气囊一般装在座椅侧翼骨架上.需要向 上展开到达头部,需要避开胳膊、安全带的影响, 要求很好地控制气袋展开方向及形态,而安全气 帘从顶梁处向下展开,且展开路径中的空间很容 易到达头部和车侧围之间,所以安全气帘展开快 捷、顺利;安全气帘?;し段Ц哺乔昂笈?,甚至第 三排,即一个??橥北;じ髋懦嗽?,利用率较 高。由于覆盖在几乎整个坐舱侧面上部,加上拉带 的作用,对于柱撞时,不会存在象侧气囊那样有可 能气袋偏离头部与刚性柱而失效的风险,且这种 结构会有效“兜”住乘员,而不至于头部越过车窗, ?;じ哺乔蚬?。不会发生?;て?。 具有翻滚?;すδ艿钠?带翻滚传感器、气 袋有7s的保压能力)在翻滚事故中会提供持续的 ?;?,保证人不与外物直接接触,甚至防止人越出 车体,独特的翻滚?;すδ?。安全气帘特别在柱撞 和翻滚时对头部的?;ず苡杏攀?。 2安全气帘的设计内容 2.1 安全气帘布置要求 圈4安全气帘安装图 安全气帘总成从布置位置来讲不比气帘的多 样化。其只有一种布置方式:顶棚与车身钣金间, 就像内藏式的侧气囊一样,在不爆出情况下是不 可见的(见图4)。 2,2安全气帘的固定点的设计要求 安全气帘由于长度长、?;し段Ч?,如果固定 点失效.瞬间产生巨大的冲击力使得安全气帘不 仅?;げ涣顺嗽?。有可能对乘员造成更大的伤害, 所以对安全气帘的安装可靠性要求要特别严格, 气帘大致固定点如图5。 圈5安全气帘固定点要求 2.3安全气帘的覆盖面积设计 设计气帘时对座椅的考虑项主要是考察其滑 轨位置,将假人放到座椅上,再调节滑轨至最前,中 间,最后,由此来确定乘员(各假^)头部位置。一般 布置气帘会优先考虑在假人头部位置设计凸起的 形状,这样有利于对乘员头部的?;??;挂刈⑶?后排中间不需要?;さ目占溆卸啻?。这部分空间是 不充气的,这样可以节省成本(参见图6、图7)。 图6乘员头部位置确定 圈7乘员头部位置凸起设计 2.4安全气帘对内饰件的设计要求 内饰板除了装饰车内外,还起到缓冲人体二 次冲击的作用,因此对内饰造型设计的同时也应 一25— 万方数据 2011年第7期农业装备与车辆工程 考虑强度设计。在设计安装有侧气帘的内饰板强 度时,需要兼顾气帘的展开,重点是刖B/C柱内饰 板的加强筋设计和与顶棚的重叠面设计(重叠面 的深度及宽度)。上述两个因素会影响到气帘的展 开,如果设计不当,可能会造成气帘被内饰板卡住 而无法顺利下落,或者造成内饰板脱落。内饰件不 能有尖锐的尖。以防安全气帘气袋展开时被刺破。 (见图8、图9、图10、图11)。 圈8内饰件和车身的间隙 图9内饰件加强筋的设计 图10内饰件加强筋的设计 图11内饰件加界的设计 B柱、C柱内饰与顶棚要搭接在一起,搭接长 度最多不能超过lOmm;搭界线位置不能高也不能 太低,搭界线的位置应该在导向支架下边缘的下 方lO-20mm处。顶篷内饰板做成弱化线以便于安 全气帘能顺利起爆,以防气袋展开后无法展开。 一26— 2.5安全气帘对导向件的设计要求 导向结构的角度应控制在8=100—1350范围 内,能够保证气囊起爆过程中顺利展开(图12)。 图12导向件的角度 2.6安全气帘??榈纳杓?根据安全气帘的结构,各个部分设计要求不 同。发生器:可以瞬间产生大量气体的装置,用于 气袋的充气;气袋:由高强度、可耐高温的尼龙材 料制成,充气后形成对人的缓冲;气体导管:在气 袋内部连接发生器端头。将气体快速引向气袋不 同位置;拉带:在气袋展开过程中,拉紧气帘,使 其稳定地向下展开。且展开后袋体保持一定的拉 力;固定片:不同位置的气帘与车身连接固定件。 安全气帘性能参数设计要求.气袋充满时间: 侧面需要气帘能快速反应.充满时间越短则气帘 适应不同事故情况的能力就越强。在其他参数设 计选取时更加灵活。影响充满时间的因素:发生器 压力曲线、气袋体积、发生器布置形式,导气管形 式、叠袋方式、车身分离结构的分离强度等众多因 素。气袋从开始充气到全充满(没有褶皱)的时间, 一般充满时间16~26ms;充满时的厚度:气袋充满 时各?;で暮穸?,前排是120—200mm,后排80。 150mm;气袋刚度:描述气袋软硬度在?;な奔淅?程内的表现;展开时间:指气袋从开始充气到完全 展平所需要的时间,一般为12。20ms。 气袋展开的平稳性:指各?;で?、各气室充 气展开的保持均匀、同步不发生晃动的能力。气袋 缝纫布置原则:缝纫线的设置用来控制气帘的厚 度,形成不同的气室,甚至是溢流通道。(图13为 一种气室布局设计)。需要考虑50%假人头部(图 圈1 3安全气帘气袋气室的设计 万方数据 陈钟洲等:侧面安全气帘的设计与开发技术2011年7月 13中圆圈所示)应该尽量避开缝纫线。而应处于 图中所示位置上。所说的气帘充满厚度也是指对 应假人头部位置的气袋厚度。 展开方向及展开平稳性的要求:对于相对正 面的气帘来说厚度较薄面积较大的安全气帘需在 必须的时间内以正确的姿态展开到人与车身内侧 较狭小的空间内以达到?;と说男Ч?,这就对安 全气帘的展开方向以及展开时的稳定性提出较高 的要求。展开时应该贴紧B柱垂直向下展开。各保 护区域、各气室展开时要保持同步均匀的充气、不 发生晃动。影响到气袋展开方向的因素有叠袋方 式、拉袋、车身分离导向结构等。叠袋的基本形式 有两种:Z形折和卷形叠袋方式(图14、图15)。z 形折展开阻力较小,易于展开,展开方向也较容易 控制;卷式阻力稍大,但方向性强,稳定性强,两种 可以组合成其他的十几种叠袋方式。 圈14气袋“Z”形叠袋方式 图15气袋卷形叠袋方式 拉带的设置非常有助于控制展开方向。拉带 的存在使气帘有一定的张力,对于保持住乘员,防 止乘员越过车窗也很有效。拉带的拉紧需要借助 于气袋的收缩。 2.7安全气帘的设计流程 随着CAE技术的发展,传统的基于试验的设计 开发流程已逐渐被基于CAE技术的设计开发流程 所取代,图16为基于CAE的设计开发流程。从气 袋的草图设计开始,采用CAE技术对气袋进行详细 分析和优化设计’包括:气袋容积的评估,气袋覆盖面 积的校核,气袋收缩和张力的检查展开时间的检查, 缝线形状及位置的检查。在完成优化设计后,须通过 试验对设计结果进行检验和确认,包括:气袋静态 展开试验,头部模型自由冲击试验(台架),侧面移 动壁障和侧面柱碰撞试验(实车+假人)。 气袋设计草图 建立仿真模型 ●气袋体积评估 ●气袋面积校棱 ●收缩力和张力校核 ●展开时问校棱 ●气袋缝线形状和位置校核 是 设计优 ]巨 改进设计建议 静态展开试验 29km/h侧面柱撞实车 碰撞试验(设计验证) 50km/h侧面移动壁障实 车碰撞试验(设计验证) 头型冲击试验 (设计验证) 选择气体发生器 头型冲击模拟和 气袋进一步优化 头型冲击试验 (设计确认) 圈16基于CAE技术的开发流程 3安全气帘系统的匹配方法 侧气帘系统匹配主要是检查:(1)不同温度条 件下气帘的展开时间及展开状况;(2)侧面加速度 传感器的抗干扰能力;(3)ECU控制算法;(4)系统 对乘员的?;ばЧ?。针对上述开发目标,通常需要 进行以下匹配试验。 3.1 安全气帘静态展开试验 安全气帘静态展开试验分两类:(1)单独考核 气袋的静态试验,采用头型冲击方式,见图17,可 以模拟汽车侧面撞柱环气袋置于刚性柱前,气袋 用压缩气体充气并维持不同的恒压,用自由的头 部模型以不同的速度撞击气袋,这不仅能检查气 袋的工艺,如包型、缝线强度等,而且还能测量不同 速度,不用撞击位置头部的伤害值,从而对气袋的 设计提供改进依据。(2)考核气帘??樾阅艿木蔡?展开试验,包括气体发生器的性能、气袋展开时 间、气帘与内饰配合情况等。这类考核的静态试验 方法见图18,气帘??楸匦氚沧霸诔瞪砟?,试验状 态应与实际装车时状态一致,通过高速摄像机记 录整个展开过程,用于发现和分析静态展开过程 中可能存在的问题。在设计阶段,试验通常需要考 察85℃、23‘C和一35℃3种温度状态下的静态展开 情况,到样品验收阶段,则试验样件必须先通过要 求的环境试验后,才能进行静态展开试验。 一27— 万方数据 2011年第7期农业装备与车辆工程 图17安全气帘静态展开示意图 图18气帘??榫蔡箍匝?3.2误用试验. 误用试验是通过一系列的坏路面道路试验, 有目的地复现可能的极端路面及汽车的野蛮操作 环境,验证汽车在各种坏路面行驶时气帘系统的 可靠性,要求控制器不允许发出点火信号,防止气 帘在上述环境下误爆。误用试验分静态误用试验 和动态误用试验两种,安全气帘误用试验矩阵见 表1、表2,全部试验过程中不允许安全气帘点爆。 表1静态误用试验矩阵 试验号试验项目说明 1 落球击打 分别从150mm和250ram高落 球击打ACU . 锤击牵引钩&amp;amp;保分别锤敲前后牵引钩和前后保 。险杠险杠的左、中、右部位 4秽然蒸燃 。锤击车身 。 (车身内部敲击) , 锤击车身 ” (车身侧围外部) .锤击车身 。(前机舱部) 。安全鞋脚踢或 。锤击 9 猛力关门 用锤击打车向柱及ACU中央通 道、手闸、座椅滑轨等部位 用锤击B、C柱『丁锁扣及侧碰传 感器周边位置。 用锤击发动机顶部、安装支架及 正面传感器附近位置。 用脚踢保险杠、车门及地板等各 个部位。 用力关闭“四门两盖” .,、猛力调整座位在座椅上有人和无人两种状态 ? (向后移) 下向前、后猛力调整座椅 11落重 分别用铅球从0.5ram自由跌落 驾驶员底板和乘员底板。 一28一 表2动态误用试验项目及路面特征 试囊蠹弓试验项百说明 3.3实车碰撞试验 实车侧面碰撞试验是对气帘约束系统的最终 验证和考核试验。试验内容主要为ECER95侧面 移动变形壁障50km/h(.见,图19)碰撞和EuroNCAP 侧面29km/h撞柱试验(见图20),试验采用ES2侧 万方数据 陈钟洲等:侧面安全气帘的设计与开发技术2011年7月 面碰撞假人,针对侧面气帘:首先要求在试验过程 中气帘能够正常展开,不发生内饰件脱落或将气 帘悬挂等现象;其次,从碰撞发生到气帘展开的时 间要求在5—10ms,气帘充气时间要求在20~ 30ms;最后,假人头部的伤害要控制在HIC小于 800(法规要求是HIC≤1000)。 图19侧面移动变形壁障50I(m,h 图20 EuroNCAP侧面29km/h撞柱试验 4总结 侧气帘在汽车发生侧面碰撞(撞车或撞柱)时 能够非常有效地?;こ嗽蓖凡坎皇苌撕?,基于 CAE技术的侧气帘开发设计流程能够提高气帘开 发的效率和可靠性并缩短开发周期。侧气帘设计 的关键技术问题可归纳为:气帘?;で?、缝线、 拉带、内饰板、气体发生器充气管道等的设计和气 帘的匹配技术。文中所介绍的设计方法及经验可 作为参考,可以移植到新车型安全气帘产品的设 计和开发中。 参考文献 【1】王煊,李宏光,赵航.现代汽车安全【M】北京,人民交通出版社 1997.1[1】:256-272. 【2】葛如海,刘志强,陈晓东.汽车安全工程【M】.北京:化学工业出版 社.2005.9 247之80. 【3】3 GB/T 19949.2-2005道路车辆安全气囊部件【s】.中国标准化 委员会,2∞5. 【4】Narayanasamy Nirmal,Hamid Mohamed,Ma Deren,et a1.An Integrated Testing and CAE Application Methodology forCurtain 娥Deve—lopment【c】.SAE Paper 2∞5—01--0289. 闭任水银,侧面碰撞安全气囊的模拟设计过程,世界汽车,2001 年第l期. 【6】陈晓东、朱西产、吏广奎等,汽车侧面碰撞安全性的评价与改 善,中国汽车工程学会2003学术年会,2003. 【7】赵桂范等.汽车侧面碰撞响应与秉员?;し治觯瞪杓朴胫?造.2008. 【8】李发宗、李传志.汽车侧面碰撞假人应用分析.汽车技术,2007 (5). 【9】刘晖.代理模型方法在轿车秉员约束系统仿真优化中的应用研 究f^I].湖南大学,2008. (上接第23页) 此模糊PID复合控制优于PID控制。所以,模糊 PID控制器具有良好的控制效果。 5结论 从总体看,采用PID控制、模糊PID控制的半 主动悬架系统的性能均优于被动悬架性能:采用 模糊PID控制相比于采用PID控制,车辆行驶平 顺性以及操纵稳定性都得到了提高。因此半主动 悬架系统采用模糊PID控制有更好的控制效果。 另一方面,由于非线性的存在,难以运用传动 理论进行分析,并解释为何模糊PID控制器可以 实现更好的性能。因此探索模糊PID控制器的非 线性控制特性,并找出合适的设计方法提高闭环 控制性能,是下一步的重点研究工作之一。 参考文献 【1】曾洁如,谷正气,李伟平,等.基于遗传算法的半主动悬架模糊 PID控制研究阴.汽车工程,2010(5). 【2】郑灿,赵云,陈乐生.车辆主动悬架的模糊PID控制器仿真分析 叨.福州大学学报(自然科学版),2008(2). 【3】昊九山.车辆半主动悬架模糊PID控削仿真及实验研究IV].南 京:南京林业大学。2008. 【4】韩宝江,张伟,康尔良.基于MATLAB的模糊参数自整定PID 控制器的仿真研究田.黑龙江水专学报,2009(1). 【5】丁能根,余贵珍.汽车动力学及其控制【M】.哈尔滨工程大学出 版社.2009. 一29— 万方数据
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