绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着汽车数量的激增和车速的提高，交通事故变得日益频繁和严重，用户对汽车安全性的要求也随之提高。为获得市场，汽车制造商根据用户的要求不断更新安全气囊，并期望利用新技术来提供更好的性能。安全气囊作为轿车安全性的主要组成部分，日益受到汽车生产商和汽车消费者的重视。对于汽车安全性能方面的定义，现在一般有两方面的含义：主动安全与被动安全。所谓的主动安全是指未发生事故之前汽车有能力防止事故发生，如倒车雷达、人眼检测系统、esp、防碰撞预警系统等；另一方面，在事故已不可避免的发生后，汽车内部安全设备保护乘员不受伤害的能力称为被动安全，如安全带和气囊的使用。据国际权威部门统计的数据显示，汽车在时速 50 Km/h与其他物体发生正面撞击时，汽车从运动到静止的时间只有 0.1 m左右，这种情况下，人体由于受到碰撞而损伤的几率高达 70 %。
因此为了汽车发生事故时，保护驾驶员及乘员的生命安全，汽车上必须配备安全系统，如三点式安全带、安全气囊防护系统（简称 SRS)等[1]。安全气囊保护乘员安全的原理是当汽车发生碰撞后迅速展开，在乘员和汽车构件之间形成一个充满气体的气垫，使乘员因惯性而移动时扑在这个气垫上，从而吸收碰撞能量，以减轻乘员的伤害程度。因此，对安全气囊展开时性能的测试成为气囊设计和生产过程中的关键。同时，对于测试系统，其受电磁干扰的影响问题一直备受关注。
我国在 1992 年就制定了抑制电磁干扰的强制性国家标准。电磁兼容性包括两个方面的要求：一方面是指运行的测试设备不能对环境产生超过限值的电磁干扰；另一方面，测试设备对环境中的电磁干扰要有一定的免疫能力，即电磁敏感性[2]。电磁干扰主要由传导和辐射两种方式传输。其中，传导耦合必须通过干扰源和敏感器件之间的完整电路传递才能形成干扰，如果两者之间电路具有不完整性，即可消除传导干扰；而感应耦合不需要完整的电路传递能量，而是干扰能量按照电磁场的规律向周围空间发射电磁波形成干扰，如常见的天线对天线的传输方式就属于感应耦合。
对于所研究的测试设备来说，其内部各带电元件之间在工作时相互干扰，如工作电源通过电路的分布电容和绝缘电阻产生的干扰就构成内部干扰，而测试设备以外的其他 因素在工作时对测量设备形成的干扰，如外部的高电压通过高电压漏电对设备的干扰就构成外部干扰[3][4]。综合各方面因素，本课题提出了轿车气囊展开性能测试方案，开发出一种能够测试气囊展开性能的系统；考虑到气囊性能测试对测试系统可靠性和准确性的要求，本课题同时对开发的系统进行电磁兼容的研究。气囊性能的测试项目包括气囊的启动时间、展开时间、展开反作用力、展开加速度、展开角速度，并以测试数据评判气囊展开性能是否符合要求，并同时为汽车安全气囊、车身骨架、座椅、仪表板的设计提供重要的数据依据。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外轿车安全气囊研究现状
国外在轿车气囊的研究方面起步较早。1952 年，Hetrick 发明了一种纯机械气囊：在压力容器中贮存压缩空气，用来使气囊袋展开，而汽车减速度的感应装置是一块连着弹簧的质量块，当汽车发生事故，如正面碰撞时，质量块由于惯性而发生位移，从而打开气体阀门，压缩空气使气囊袋膨胀。这种纯机械式的气囊可以安装在驾驶方向盘中央、副驾驶前面的仪表板上及座椅的靠背上。六十年代，美国高速公路交通安全委员会制定了一个鼓励汽车生产商发展汽车安全气囊的法则。到了七十年代，有更多的汽车生产企业，如通用汽车公司、 奔驰汽车公司，丰田汽车公司都注意到了安全气囊对于保护人体安全的重要性，以及装备气囊的汽车的广阔市场前景，为了抢占市场份额，他们投入了大量资金和人力用于安全气囊的研究与开发, 其中，最有突破性的是在1971年，位于德国的一个研究机构将成熟的火箭推进技术成功应用于轿车安全气囊研发中，这使得气囊技术摆脱了纯机械式的模式，气囊充气技术趋于成熟。
由于多个国家和研发结构的共同研发和技术成果的共享，安全气囊的研究与发展得以迅速发展，1984 年, NHTSA 在联邦汽车安全标准中添加了安装气囊的要求，使得汽车配置安全气囊的成为了一个强制性要求。其他气囊发展的重要里程碑是 FMVSS208 条款的制定和欧洲 ECER94 法规的颁布。随后，其他具有国际竞争力的汽车企业也不甘落后，纷纷制定出了自己的安全气囊标准，并且把安全气囊做为所生产汽车的标准配置。九十年代末, 双气囊成为气囊研发的主流，双气囊技术的成熟和在保护乘员方面的绝对优势，使得双气囊成为主流汽车生产商的标准配件。
第 2 章 气囊展开性能测试系统机械结构设计................7
2.1 轿车安全气囊展开速度及加速度测试模块................7
2.2 轿车安全气囊反作用力测试模块..............10
2.3 轿车安全气囊静态展开升降模块...............17
第 3 章 气囊展开性能测试电气结构与软件结构设计...................23
3.1 气囊展开性能测试电气结构设计...............23
3.2 气囊展开性能测试系统控制软件设计................27
3.3 数值换算和信号降噪................. 32
第 4 章 安全气囊测试系统电磁兼容性测试................37
4.1 电磁干扰传输方式和解决措施...............37
4.2 有限元法及电磁仿真软件 ANSYS 简介..................41
4.3 基于 ANSYS 的电磁场数值模拟.................44
总结
近年来汽车数量的激增、车速的提高，导致交通事故变得频繁和严重，乘车人员对轿车安全性的要求也随之提高。对于汽车制造商而言，轿车安全气囊是提升其产品安全性能的主要途径之一。由于气囊在汽车发生碰撞等事故中的重要作用，对其展开性能的测试问题就显得特别突出。而且由于电磁干扰在测试系统中的存在，既影响测试系统的精确性和可靠性，又可能使测试设备不能符合国家相关电磁兼容标准。本文在前人开发的测试方法和相关安全气囊测试标准的基础上，开发了轿车安全气囊展开性能测试系统，并提出了系统电磁兼容测试及电磁兼容性改善方法。本文的主要研究内容及成果如下：
（1）设计轿车安全气囊展开速度及加速度测试缓冲模块并介绍其设计原理。测量气囊展开的初始角速度及初始加速度，测试结果评估气囊袋的折叠方法和气体发生器对气囊展开的影响，设计汽车安全气囊的机械结构以及汽车车身骨架、座椅、仪表板等的重要参数。
（2）设计轿车安全气囊展开反作用力测试模块。反作用力测试模块是基于考虑汽车安全气囊静态展开时，通过其向后作用的效果来反映其向前充气的特性的原理设计的，通过力传感器直接测量汽车安全气囊静态展开的反作用力，来评估汽车安全气囊的各项性能。并且分析了压力传感器分布时的动态特性。
（3）设计轿车安全气囊展开升降模块及设计原理。升降模块是一种可以实现轿车安全气囊展开速度及加速度测试模块模块升降、并在轿车安全气囊展开过程所产生的冲击震动下保持稳定的专用的轿车安全气囊静态展开升降装置。
参考文献
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