安全氣囊氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23555安全氣囊氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例 1156641.1總體結(jié)構(gòu)確定 1327211.2氣體發(fā)生器殼體設(shè)計 2162901.3氣體發(fā)生器排氣孔設(shè)計 7313611.4過濾系統(tǒng)設(shè)計 101.1總體結(jié)構(gòu)確定空氣發(fā)生器構(gòu)造上主要分為外殼結(jié)構(gòu)(含排氣孔)、空氣過濾體系、點火機構(gòu)和傳火機構(gòu)。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計也圍繞著這四方面展開,殼體設(shè)計分為殼體外形、厚度設(shè)計、殼體材質(zhì)選擇以及排洞設(shè)計；過濾系統(tǒng)設(shè)計主要包括過濾系統(tǒng)的機理設(shè)計和材質(zhì)選擇等；點火機構(gòu)設(shè)計則涉及到點火藥的選擇、藥型設(shè)置；傳火機構(gòu)設(shè)計涉及到傳火孔形和厚度，以及傳火通道的設(shè)置。氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則為:一是提高氣體發(fā)生器自身的特性,二是提高適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)剛度,三是盡量降低成本，四是還要能保證其功能的穩(wěn)定性確保遇到情況可以按照設(shè)計理念觸發(fā)。如圖1.1.圖1.3安全氣囊充氣設(shè)備1.2氣體發(fā)生器殼體設(shè)計氣體發(fā)生器殼體的功能首先是為了創(chuàng)造適宜的點燃室環(huán)境,以確保產(chǎn)氣藥劑被安全點燃,并按照所預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)方法安全的爆炸。殼體工程設(shè)計一般包括了材質(zhì)的選用、厚度工程設(shè)計,以及排水孔的工程設(shè)計。在氣體發(fā)生器設(shè)計時,首先要考慮減少氣體發(fā)生器的質(zhì)量。因此,材料必須采用硬度、質(zhì)量都比較大的材質(zhì),如經(jīng)熱處理的合金鋼材質(zhì)和較高強度的鋁合金等。同時考慮到金屬材料特性也和周圍環(huán)境的高熱相關(guān),特別在高熱環(huán)境下,高熱對金屬材料的熱力學(xué)性能危害很大,所以,首先要充分注意到高熱對氣體發(fā)生器特性的危害。就氣體發(fā)生器發(fā)展歷程來說,氣體發(fā)生器殼產(chǎn)品設(shè)計由機械加工部件逐漸發(fā)展到冷擠壓件和溫擠壓部件,現(xiàn)在則主要采用材料拉伸部件以提高質(zhì)量一致性的同時降低成本。殼的產(chǎn)品設(shè)計也和氣體發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各種產(chǎn)氣制劑之間存在著密切地聯(lián)絡(luò),有的燃燒后產(chǎn)生的氣體壓力指數(shù)較低,殼就可以設(shè)計得稍薄,有的燃燒后產(chǎn)生的氣體壓力指數(shù)較高,則必須把殼的硬度設(shè)定得相當(dāng)高。因此為了降低設(shè)計成本,在論文中的氣體發(fā)生器設(shè)計時,要考慮采用材料的抗拉強度,而材料選擇為符合拉伸工藝且價格也比較低廉的材質(zhì)。經(jīng)查普通低合金鋼的最大抗拉強度如表1.1所示,從表中數(shù)據(jù)可以看出,鋼材牌號越高,其最大抗拉強度也就越高,但由于牌號的提高,以及拉伸加工工藝的降低,本論文將采用二十號以內(nèi)的鋼材(由于含錳的鋼價格較貴,這里不采用)。如圖1.3所示，設(shè)想廢氣產(chǎn)生器殼體內(nèi)徑為d,則按照廢氣產(chǎn)生器的小型化需要,將廢氣產(chǎn)生器殼內(nèi)徑設(shè)定為60mm,殼厚為D.對承受內(nèi)壓力的設(shè)備來說,在其內(nèi)壁上會有一處較大的內(nèi)壓應(yīng)力,同時還會產(chǎn)生較大的內(nèi)切應(yīng)力和周向應(yīng)力。屈則服應(yīng)力和這些應(yīng)力之間的關(guān)系式,可以用如下方式表明:（3-7）式中—最小屈服應(yīng)力，=Y—徑向應(yīng)力，=-p—切向應(yīng)力—軸向應(yīng)力對于切向應(yīng)力：（3-8）式中：—壁厚；；—內(nèi)直徑；D—外直徑；對于軸向應(yīng)力：（3-9）式中F一作用力；A—斷面積。將、和代入上式得：（3-10）（3-11）所以,整理得如前所述，本論文氣體發(fā)生器內(nèi)壓設(shè)計為28MPa左右，此處按28MPa計算。即P=28MPa。若選用20號鋼，則Y=400Mpa，P/Y=28/400=0.07,Y=400MPa，查P/Y與對應(yīng)表，當(dāng)P/Y=0.07時，=1.0664；當(dāng)P/Y=0.062時,=1.0673；采用插入法得P/Y=0.0626時，=1.0667；即若選用20號鋼，至少殼體厚度應(yīng)為，所以，若選用08號鋼，至少殼體厚度為：，即，所以。為降低氣體發(fā)生器重量,擬采用二十號鋼為主要材質(zhì)。以下對在d=3mm時的情況進行了力學(xué)計算。氣體發(fā)生器殼體的橫向截面積:（3-12）氣體發(fā)生器殼體所承受的最大總拉力是:（3-13）如果使用二十號鋼，則=410MPa，d=3mm，D=60mm再代入相關(guān)資料而得:F=4101.142.062=159637.6N氣體發(fā)生器內(nèi)面積為:（3-14）氣體發(fā)生器殼體在工作時受到的總推動力是:（3-15）式中d—氣體發(fā)生器的殼體內(nèi)徑(mm)；D—殼體厚度(mm)；—殼體材料抗拉強度()；F—殼體承受總拉力(N)P—內(nèi)壓()。因此P=4F/πD2=55MPa據(jù)理論分析,在氣體發(fā)生器作用時可耐受的最大工作內(nèi)壓強約為60MPa,符合55MPa的最大工作內(nèi)壓條件。各種國家標(biāo)準(zhǔn)中對空氣發(fā)生器殼硬度的要求亦有差異,例如AK一LV03國家標(biāo)準(zhǔn)中〔70〕對空氣發(fā)生器殼的硬度關(guān)系要求為1.7,而USCAR國家標(biāo)準(zhǔn)要求中對殼體強度系數(shù)則要求為1.5,故此處按USCAR國家標(biāo)準(zhǔn)中要求的試驗方式對空氣發(fā)生器殼硬度進行了試驗研究,而USCAR國家標(biāo)準(zhǔn)則按以下方式進行了計算:第一步驟,計算氣體發(fā)生器外殼的靜壓破壞情況。將空氣發(fā)生器外殼按正常安裝方法進行組裝,留一條對外連接,然后采用液壓的方式試驗空氣發(fā)生器外殼的最大破壞強度值p,并計算多次測試的平均值萬和標(biāo)準(zhǔn)偏差S.（3-16）（3-17）第二步驟,設(shè)定最佳的預(yù)計壓力MEOP。先后在-40℃、25℃和85℃時,測量了氣體發(fā)生器影響下的內(nèi)壓龍按上述的方法的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差So。（3-18）式中選擇上述MEOP中最大的數(shù)值用于計算安全系數(shù)。安全系數(shù)式中MEOP—最大預(yù)計工作壓力;—殼體破裂時,液體靜壓的強平均值;—殼體破裂時,液體內(nèi)部壓強的標(biāo)準(zhǔn)偏差。所以,氣體發(fā)生器殼體強度設(shè)計是一項綜合型提問,首先應(yīng)該充分考慮對產(chǎn)氣藥劑的危害,其次還應(yīng)該充分考慮氣體發(fā)生器外殼的聯(lián)接方法以及殼體排吻突設(shè)置。根據(jù)前面的藥物研究部分可以得出,論文中產(chǎn)氣藥物在二十MPa至三十MPa之間都能連續(xù)地平穩(wěn)燃燒,并按所預(yù)期的主化學(xué)反應(yīng)方程式完成。另外在-40℃、+25℃、+85℃下對氣產(chǎn)生器的內(nèi)壓做出了測定,具體實驗結(jié)論見表1.2。顯然,由計算可以得到+85℃時,氣體發(fā)生器的內(nèi)壓最高,此時對氣體發(fā)生器的破壞強度實驗中，測得數(shù)據(jù)見表3-2。參照上述資料，計算強度系數(shù)為:.符合設(shè)計抗拉強度系數(shù)大于1.5的條件。1.3氣體發(fā)生器排氣孔設(shè)計氣體發(fā)生器排放孔對氣體發(fā)生器的利用效率產(chǎn)生了重要的作用,方面它直接影響了產(chǎn)氣藥劑的燃速,同時直接影響廢氣向氣體發(fā)生器中排放的速率,下面將分別從二方面的作用因素進行論述。氣體發(fā)生器中的產(chǎn)生氣體的藥類與一種火藥相似，其點燃速率也可以用火藥的點燃特點來說明。在氣體發(fā)生器正常工作時,燃料室中的氣壓是根據(jù)產(chǎn)氣藥單位時刻的產(chǎn)氣力,以及在該時刻內(nèi)廢氣由殼體內(nèi)向殼體外部的流向來聯(lián)合確定的,而單位時刻內(nèi)的產(chǎn)氣力則是根據(jù)產(chǎn)氣藥的線性燃速,以及引燃面積共同確定的。(1)氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣速度產(chǎn)氣藥的線性燃速為:（3-19）b——燃速系數(shù);p——燃燒壓力(Pa);R——藥產(chǎn)氣的線性燃速(m/s)。產(chǎn)氣藥的產(chǎn)氣質(zhì)量速度為:（3-20）A——產(chǎn)氣藥藥片的總表面積();p——產(chǎn)氣藥的密度(kg/);——與氣發(fā)生器產(chǎn)氣效果相關(guān)的產(chǎn)氣藥產(chǎn)物中氣成分的百分?jǐn)?shù);——產(chǎn)氣藥的產(chǎn)氣質(zhì)量速率(kg/s)。(2)氣體從氣體發(fā)生器噴出的速度通過節(jié)流小孔的空氣交換量可由下式計算:（3-21）式中——氣體交換品質(zhì)(kg)——節(jié)流小孔面積()——氣體釋放系數(shù)()—工作壓力(Pa);接收器器壓力(Pa)。流動因子是工作壓力接收器器壓力的函數(shù)?？諝獍l(fā)生器單位時間的氣流出量主要根據(jù)噴嘴容積的多少,以及燃燒室中的氣壓確定?？捎孟率奖磉_:（3-22）式中a為一廢氣輸出系數(shù),即是廢氣特征速率的倒數(shù)，常取值A(chǔ)——噴嘴的總面積();P——氣體發(fā)生器對燃燒室產(chǎn)生的壓力(Pa)。由上述二式可以看出,產(chǎn)氣速度隨著排氣孔體積的增大而減小(燃燒壓力降低),而排出速率則隨著氣孔體積的增大而提高,三者關(guān)系可以很簡明的用圖1.4來表示。圖1.4產(chǎn)氣速率與排氣速率及排氣孔面積的關(guān)系示意圖1-產(chǎn)氣速度與總排氣孔體積的關(guān)系曲線,2-排出速度與總排氣孔的體積關(guān)系曲線。當(dāng)排出孔建筑面積小于時，產(chǎn)生氣量高于排氣量,則廢氣控制器內(nèi)的氣壓就會不斷增大,廢氣控制器曲線坡度大,產(chǎn)生藥物燃速過快而不平衡,以至發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷;當(dāng)氣孔建筑面積大于時，則廢氣控制器內(nèi)的產(chǎn)生氣壓也不平衡,從而導(dǎo)致廢氣控制器功能的持續(xù)時間延長;當(dāng)排出孔建筑面積等于時，則達到了廢氣控制器功能的最理想狀況,產(chǎn)氣藥物點燃平衡,特性基本一致。所以,怎樣尋找作為廢氣控制器設(shè)計工作中的關(guān)鍵問題,也是當(dāng)前研究工作的難題。為了成功破解這一實際問題,本研究論文采用了一個比較超前的設(shè)計方法,把氣體發(fā)生器內(nèi)排氣孔設(shè)計為大小不同的排列小孔,在產(chǎn)氣藥物進行點燃后超過相應(yīng)的氣體壓強時,將部分小孔(大直徑孔)的封膜先破;當(dāng)氣體發(fā)生器內(nèi)壓強超過規(guī)定值后,若壓強繼續(xù)增大,則小孔膜被突破,因而減小了氣體發(fā)生器內(nèi)的壓強,從而保持藥物在規(guī)定的速度下穩(wěn)定點燃,表1.4為不同的排氣孔面積氣體發(fā)生器實驗結(jié)果。從實驗結(jié)果可以看出,相同的放藥方法和相同結(jié)構(gòu)(排氣孔不同或者排列方式不同)所測出來的數(shù)據(jù)有所不同。通?？讖降臍怏w發(fā)生器在實際工作時最高氣壓為0.180MPa,百分之九十峰值氣壓所相應(yīng)的實際工作持續(xù)時間為40ms,以滿足氣囊模塊對毒氣控制器的需求;小口徑氣體發(fā)生器工作時的最高氣壓為0.215MPa,百分之九十峰值氣壓相應(yīng)的持續(xù)時間為28ms;而大口徑氣體發(fā)生器工作氣壓為0.162MPa,百分之九十峰值氣壓相應(yīng)的持續(xù)時間為60ms,但后二種情況都無法達到氣囊系統(tǒng)對氣體發(fā)生器的要求,也無法發(fā)揮很好地防護功能。1.4過濾系統(tǒng)設(shè)計TC"4.1.3過濾系統(tǒng)設(shè)計"\fC為了得到相對較低的氣體溫度,使用低產(chǎn)氣藥雖然關(guān)鍵,但是在氣出口通道設(shè)定必需的制冷物質(zhì)還是十分關(guān)鍵的,氣體冷卻一般包括了物理制冷和化學(xué)制冷二類。物理制冷主要是指利用凝結(jié)物體的升溫、融化和揮發(fā)等吸熱過程,來減少燃?xì)鉁囟取Ｔ谝酝延胁簧訇P(guān)于鋼鐵碎屑、鋁屑、硬脂酸和石蠟等化學(xué)物作制冷劑的研究。濾網(wǎng)控制系統(tǒng)最重要的功用就是濾除殘渣,所以殘渣過濾器是否完善也是濾網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。各種種類的產(chǎn)氣藥對濾網(wǎng)控制系統(tǒng)的需求也不相同,含有堿金屬鹽類的廢氣控制器通常對濾網(wǎng)控制系統(tǒng)的需求較高,但由于堿金屬鹽類溶解后所產(chǎn)生的堿金屬氧化物溫度通常較低,在高溫下為液體,極易在濾網(wǎng)控制系統(tǒng)空隙中把高壓氣體刮出,從而產(chǎn)生大量固體粒子,對司乘人員健康產(chǎn)生危害。而以RDX和AN為主體的產(chǎn)氣藥對濾波體系的需要一般較低,由于RDX和AN溶解后的物質(zhì)大多是氣態(tài)產(chǎn)物,所以這種產(chǎn)氣藥一般被叫做無殘渣的產(chǎn)氣藥,雖然此類產(chǎn)氣藥對濾波體系的需要一般不高但對殼體質(zhì)量需求卻很高。第一類篩選體系如圖1.5、圖1.6所示,圖中篩選體系用了三個不同型號的篩網(wǎng)卷制成,在篩選網(wǎng)中襯上一層玻璃纖維氈以增加篩選效果。而第一級篩選網(wǎng)鋼絲更細(xì),用于篩選絕對多數(shù)的固態(tài)殘留;第二級過濾網(wǎng)十分密集,可對燃燒過程中產(chǎn)生的液態(tài)氣體加以篩選,而第三層網(wǎng)主要是為一、二級提供支持,以提高整個濾網(wǎng)體系的強度。這種過濾器的好處是濾網(wǎng)效率較好,但缺點是工藝比較繁瑣,且過濾網(wǎng)一致性很難保持,同時在空氣發(fā)生器工作內(nèi)壓力大、高燃燒溫溫時易被空氣穿透。第二類篩選體系如圖1.7所示，該篩選體系用網(wǎng)狀鋼絲擠壓而成,好處是工序簡便,成本小,但缺陷是篩選效率較差，因此不宜應(yīng)用于堿性鹽或用作抗氧化劑的高產(chǎn)氣藥篩選。圖1.7壓制網(wǎng)圖片圖1.5沖制網(wǎng)圖片圖1.6過濾網(wǎng)圖片第三類過濾器則是鋼板網(wǎng),如圖1.8所示,也就是可以在同一片金屬材料上沖出許多小孔,這種過濾器生產(chǎn)成本極低,可以進行無渣產(chǎn)氣的過濾器。本論文中提及的高產(chǎn)氣藥還包括了一些強堿土金屬硝酸鹽—硝酸銘,這些鹽在溶解后有一定量的殘留,但由于這些殘留的溫度很高,在焚