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《汽车安全气囊的发展与应用》毕业论文正文


河南机电高等专科学校毕业论文
第一章汽车安全气囊的发展
1.1国外汽车安全气囊的发展
安全气囊的雏形足美国人Jhon.W.Hetrick发明的安全气垫。1952年
Hetrick发明了他自己之称为“汽车安全气垫”的装霞,用来减轻急刹车
或正面碰撞带来的严重伤害。这是…种纯机械装置。用-丁-使气囊膨胀的
压缩空气贮存在一个胍力容器中,连接着弹簧的质量块用来感应汽车的
减速度。当质量块产生位移时,能打丌一个阀使压力空气从胍力容器巾
冲出来,以使气囊膨胀。气囊可装在方向盘中、手套箱门上、仪表板上
部以及前排庸椅的靠背。
早期的空气囊主要用丁.与其它安全装置一起防止飞机着陆时与地面
的碰撞。19 60年,安全气囊技术丌始在原有的基础.卜研制并转为民用。
60年代术,美国高速公路交通安全委员会(NHTSA)开始建议制定…个
‘I1J‘选择的安全气囊法则,鼓励汽车厂商去发展安全气囊。
7 0年代,美国通用、福特,德国奔驰, Fl本丰Il1等汽车公司以及美国
MORTON公司、TRW公司、德国TEMIC公司、ICT研究院、口本DAICEL公
司、瑞典AUTOLIV公司等均开始投入大量资金和人力研究与发展安全气
囊,其中1 9 7 1年5月德国酌一个研究小组成功地将火箭推进技术应用_丁.
汽车安全气囊。这些综合力量使安全气囊的研究与发展进入了…个全新
的发展阶段。
1 9 8 4年,美国高速公路交通安全委员会(NHTSA)在著名的“联邦汽车
安全标准”中的2 08条款《乘员碰撞保护》(Federal MotorVehicl Safety
Standard208,简称FMVSS208)中增加了安装气囊的要求,这为安全气囊的
发展和使用提供了一个明确的法则及指导方向。FMVSS208条款是汽车安
全气囊发展史上的一个重要的里程碑。此后,欧洲也颁布了ECER94法规,
紧接着日本丰田、本田,美国福特、克莱斯勒,德国宝马,瑞典寓豪等汽车
公司纷纷丌始销售配有安全气囊的汽车。
2 0世纪9 0年代后期,美国、欧共体、日本已正式立法在汽车上配置
安全气囊,双气囊已成为绝大多数主流轿车的标准件。
安全气囊南美国人约翰·赫特里特( John.Ilotrich)发明。他是一
位自学成才的阿宾夕法尼亚州T程师。1 9 5 2年,在遭遇。‘次事故后,他
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萌发了设计撞车安全装罱的想法。在这次事故中,约翰为躲避一个障碍
物而猛打方向盘进行制动,他和妻子都用于臂本能地保护坐在前座中问
位置上的女儿。这次事故后他意识到必须要有一个良好的方法来保护乘
员,两周之后他绘好了设计图纸交给了代理人,这份图纸确定了今天安
全气囊的雏型。1953年8月1 8日,他狭得了”汽车缓冲安全装置”的美国
专利。
安全气囊从1952年就取得了专利,但在应用推广中经历了几上几’卜.
的波折,足足走过了3 0多年的漫长路途。直至1 9 8 4年,汽车碰撞安全
标准(FYIVSS208)在美国经多次被废除后又重新被认町并丌始实施,其中
规定从1 9 9 5年9月1日以后制造的轿车前排座前均应装备安全气囊,刚
时还要求1998年以后的新轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊, 白此
才确认了安全气囊的作用。如今,这个在当年颇具创意性的发明已转为
干百万个产品,种类也发展为j卜面气囊、侧面气囊、安全气帘等等。符
国生产的中高级轿车,大多数都装有安全气囊,有些轿车已将安全气囊
列入必装件。在国内,随着CMVDR294碰撞安全法规的)I:始实施,国内消
费者对汽车被动安全性能的要求也越来越高,但同前陈了极少数高级车
装备丁侧面气囊之外,大部分车型还只是安装'J,正面气囊。
安全气囊在近几年得到了飞速的发展,价格大幅度下降,装备了安全
气囊的轿车也从过去的中高级轿车向中低级轿车发展。同时,有些轿车
前排安装了乘客用的安全气囊(即双安全气囊规格),乘客用的安全气
囊与驾车者用的安全气囊相似,只是气囊的体积要大些,所需的气体也
多一些而已。进入9 0年代以来,安全气囊的安全性能已被人们普遍接受,
并被视为一种现代化和高档次的安全装置。了解安全气囊的T作原理及
注意事宜对我们更好的保护自己有很重要的作用,但对于驾驶员来说,
安全驾驶才是第一位的,这是任何先进的安全装罱都无法替代的。
1.2国内汽车安全气囊的发展
我国对汽车安全气囊的研究起步较晚。.卜个世纪8 0年代末我国的一
些汽车碰撞安令和军T专家才开始关注汽车安全气囊的研究和发展。
随着世界汽车进军我国,我国的汽车T业迎来丁前所未有的发展契
机。1992年,我过自行研制的FS-01安全气囊通过撞车试验。我国的政
策法规也对我国汽车T业的发展提供了良好的发展空间。
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在我国“九五”规划期间和“十五”规划中,国家经贸委和汽车行
业将安全气囊列为我国汽车零配件三大重点发展项日(电子喷油系统、防
抱死制动系统和安全气囊系统)之一,尤其是在1 9 9 9年1 0月2 8口,国家
机械T业局发布《关'T.正面碰撞乘员保护的设计规则>(CMVDR294)。这
个设计规则明确提出对汽车乘员在发生汽车碰撞时的安全标准。所述的
安全要求。CMVDR294的发布问接地对汽车配置安全气囊提出了新的要求,
这无疑是中国安全气囊发展史,卜的一个进步,同时也对安全气囊的研究
与发展指明了正确的方向和注入了新的活力。
在十多年的研究与发展过程中,国内许多大学与事业公司的研究与
产品已初具基础,其中部分研究与技术已接近国际水甲。清华人学的黄世
霖等人在汽车碰撞实验研究巾,系统地研究丫多种国产汽车中安全气囊
的匹配技术对汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实
验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用等方面作了大量
T作,对国内的汽车安全气囊研究具有重要的指导作用。
坐落在锦州经济技术开发区的锦恒公司是国内唯一一家具有自主知
识产权的汽车安全气囊生产食业,其生产能力和所^.甫场份额在国内最
大。锦恒公司建有国内一流的研发中心,实验聿通过丫国家CNAL认证,
具有正面碰撞、角度碰撞、柱撞、侧面撞等实车碰撞试验能力和台车试
验能力。公司的主要碰撞、检测设备和组装生产线均出国外引进,技术
装备水平国内领先。他们通过引进美国公司的安全气囊生产技术,丌发
出填补国内空n的机械式安全气囊产品;与一汽汽研所共同承担了国家
“九五”汽车fU予产品攻关计划,丌发出具有独立知识产权的rU二r式安
全气囊产品。闷前,该公司共为国内2 0多个汽车生产厂家的3 0多个车
型研发、配套安全气囊,已形成单班年产2 0万套安全气囊总成、120万
只气囊、15万只饰盖的生产能力,足国内同行业中首家实现为整车配套
的食业。近年,他们还与国际著名的安全气囊供应商签订加-安全气囊
零部件的协议,产品将走向欧洲、北美等国家。
2 000年以来,我国安全气囊市场需求平均每年都有超过200%的速度
在增长,到2 0 0 4年我国安伞气囊市场总配套量接近40 0万套。日前,国
内生产安全气囊企业有近2 0家,2 0 04年产量超过2 0 0万套,安全气囊的
国产化率超过50%。国内安全企业的生产和配套市场基本上分外资氽业和
国产氽业两大阵营。外资仓业主要以Autoliv,Plast、Takawa、Mobis
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等为代表,国内80%以上的安全气囊由他们生产,外资企业占据着我国安
全气囊的中高端配套市场。国产氽jIk主要是以锦州锦·陋、东方久乐、一卜
海比Ⅱ迪等为代表,他们国内安全气囊的产量只11- 15%左右,土要在一些
国产化的经济型乘用车有所配套。我国安全气囊在经历安全气囊的进口
高峰后,进口安全气囊的高速增长是势头已经跌落,2 0 0 5年上半年已经
出现进U负增长。 日前,进U安伞气囊在国内配套‘II场所占比重彳‘到一
半。2 0 0 4年底)I:始,跨国安全气囊氽\Ik相继在中国投资气囊组件的生产,
加强了安全气囊.卜游零部件本地化供应配套的能力。到2 00 7年,我国80%
以上的安全气囊组件将实现本地化生产。R前,我同安全气囊零部件ECU、
气体发生器、气袋、布料的国内采购率只有5%左右,气囊组件配套还有
很大的发展空间。
1.3国内安全气囊的评价
尽管我国安全气囊的研究与发展已初具基础和规模,但是离世界先
进水平还相距甚远,这些差距土要包含安全气囊法规、撞车实验系统、安
全气囊的设计、制造和测试等方面。事实,卜,我国的撞车实验系统还不能
完全满足美同FMVSS208条款的技术要求:其次在安全气囊方坷,我们还缺
少关键技术的自jli知识产权:此外,传感器、气体发生器和气囊的技术规
范及检测还未达到一个令人满意的状态。冈此,我们业内人-1:还要付出
艰辛的努力1
1 .4汽车安全气囊的发展趋势
汽车安全系统是汽下电子领域增长最快的一部分。汽车的安全设计在
整车设计中所占的比例也越来越人。汽车安全性分为jl:动安全和被动安
伞两种,主动安伞系统旨在提高车辆行驶的稳定性,防范事故‘丁.未然。
被动安全系统是事故发生后丌始起作用,以减缓事故严重程度。汽车安
全气囊属。.J二被动安全系统。我国2 0 0 0年实施了CMVDR 294《关。‘J:j卜而碰
撞乘员保护的设计规则>,该法规等效丁.欧洲ECER94法规。最近,我国
的侧面碰撞法规已经,1:始实施,这将对我国rF辆的碰撞安全性能和驾乘
人员保护系统提出更高的要求。汽车安全法规体系的不断完善,将带动
中同汽车IU jr市场的发展。据预测,2 00 9年前排乘客侧面保护气囊的安
装率将会是2 0 06年的2倍,侧气帘的安装率将是2 0 0 6年的4倍。
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随着科技的发展和人们对汽车安全重视程度的提高,汽车安全技术
中的安全气囊技术近年来也发展得很快,智能化、多安全气囊是今后整
体安全气囊系统发展的必然趋势。
新的技术口J.以更好地识别乘客类型,采取不同的保护措施。系统采
用重量、红外、超声波等传感器来判断乘客与仪表板远近、重量、身高
等冈素,进而在碰撞时判断是否点爆气囊、采用l级点火还是多级点火、
点爆力有多大,并与安全带形成总体控制。通过传感器,气囊系统还.日J’
以判断出车辆当前经历的碰撞形式,是正面碰撞还是角度碰撞,侧面碰
撞还是整车的翻滚运动,以便驱动车身不同位置的气囊,形成对乘客的
最件保护。网络技术的应用也是安全气囊系统的发展方向。在汽车网络
中,有一种应用面比较窄,但是非常重要的网络即Safe-By-Wire。
Safe-By-Wire是专门用于汽车安全气囊系统的总线,Safe-By-Wire技
术旨在通过综合运用多个传感器和控制器来实现安全气囊系统的细微控
制。
Safe-By-Wire Plus总线标准是由汽车电子供应商和部件供应商如
飞利浦、德尔福等公司提出。与整车系统常用的CAN、FlexRay等总线相
比,Safe-By-Wire酌优势在于它是专门面向安全气囊系统的汽车LAN接
口标准。为了保证系统在汽车出事故时也不受破坏,Safe-By-Wire中嵌
入有多重保护功能。比如说,即使线路发生短路,安全气囊系统也不会
冈出错而起动。Saf'e-By-Wi-e技术将会在汽车安全气囊系统中获得广泛
的应用。
汽车安全气囊作为…种设想提出来后到今天成为必需的安全装备在
汽车上广泛应用已经过了整整半个世纪的历程。安全气囊有效地减小了
在汽车碰撞事故中乘员的伤11:,它的保护效果在汽车安全研究领域得到
广泛的认识和高度重视。随着汽车安全气囊的普遍推广应用,安全气囊
系统的符关键技术环节均成为汽车安全研究领域的重点。
当前安全气囊新技术的开发研究_口J‘以概括为向着气囊的智能化、小
型化、多样化、无污染的方向发展。
(1)安全气囊的智能化
传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规乘座位置和气
囊的理想点火时刻为原则设计的。但是在实际的汽车碰撞事故中,影响
气囊保护性能的冈素很多,例如乘员的身高和体重、乘员相对jJi方向盘
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或仪表板的位置、碰撞的剧烈程度等等。不同的碰撞条件及乘员和乘员
的位置的变化会导致乘员不是在最佳时刻与气囊接触,从而降低对乘员
的保护效果。为了充分发挥安全气囊的保护效果, 自适应式或称为智能
型安全气囊的概念也就应运而生。 近年来,智能型安全气囊的研究致力
于开发一种能够最大限度地保护乘员的安全气囊系统。 这种气囊系统
能够在汽车碰撞的一瞬间根据碰撞条件和乘员状况来调节气囊的丁作性
能。智能型气囊的关键技术之一是先进的传感系统和电子运算系统,它
们在事故发生的短暂时刻内能够提供.口J.靠的碰撞环境的信息。这些信息
包括汽车碰撞的剧烈程度,碰撞的方位,乘员的身材、体重、位置,乘
员是否系有安全带。智能气囊系统根据原有探测的信息作出判决怎样调
:肖和控制气囊的T作性能,使气囊能充分发挥其保护效果。
(2)安全气囊的小型化
缩小安全气囊总成的体积足当前发展的趋势之一。 新型发生器T
作时,压缩气体从气罐中喷出充满气袋。这种发生器气体产生率高,冈
而尺.、J.小,便丁.安装布置。
(3)环境保护型安全气囊
采用压缩气体的气体发生器对人体无毒寄 ,且易‘丁.回收处理,没有
环境污染的问题。
(4)安全气囊的多祥化
驾驶员和前座乘员安全气囊已成为轿车生产中的标准设备,作为
正碰撞事故中的安全措施。侧面碰撞气囊正在迅速发展。不同设计形式
的侧碰撞气囊‘口J1分别安装在坐椅靠背外侧、车门中部、车身中立柱、车
身顶部与车门交界部位。这些安装在刁≮同部位的侧碰撞气囊可分别起到
保护乘员头部、胸部和臀部的作用。
正在研制的新型保护气囊还有以下5种:
①安装在转向盘下方膝垫部位的安全气囊可保护下脚正碰撞中免受
伤害。
②安装在制动踏板下的安全气囊以保护脚和踝关节在正碰撞中免受
伤害。
③安装在前座椅靠背上的安全气囊以保护后座乘员。
④安装在汽车发动机革下的安全气囊,保护行人。
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⑤安装在前挡风玻璃边框的安全气囊以减少行人在汽车碰撞事故中
头部的损伤。
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第二章汽车安全气囊的结构与工作原理
2,1汽车安全气囊的组成
驾驶员处的安全气囊是存放在方向盘衬垫内,冈此,当您看见方向
盘上标有”SRS”或”Airbag”字样,就-口J.知此车装有安全气囊。安全气囊系
统jj!要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等:1i要部件组成。传感
器和微处理器用以判断撞车程度,传递及发送信号;气体发生器根据信
号指示产生点火动作,点燃同态燃料并产生气体向气囊充气,使气囊迅
速膨胀。气囊装在方向盘毂内紧靠缓冲垫处,其容量约5 0至9 0升不等,
做气囊的布料具有很高的抗拉强度,多以尼龙材质制成,折叠起来的表
面附有十粉,以防安全气囊粘着在一起在爆发时被冲破;为了防止气体
泄漏,气囊内层涂有密封橡胶;同时气囊设有安全阀,当充气过量或囊
内压力超过…定值时会自动泄放部分气体,避免将乘客挤压受伤;气囊
中所用的气体多是氮气。
Srs中电控系统中的传感器,按其功能.日J-分为碰撞强度传感器和防护
碰撞传感器;而碰撞强度传感器按其安置位置又‘口J’分为包括左前碰撞传
感器,右前碰撞传感器和中央碰撞传感器的前碰撞传感器和中心碰撞传
感器两种。
碰撞传感器和防护碰撞传感器串连在…超,其功能都足检测车辆发
生碰撞时的惯性力或减速度值,并把信号传输给srs的ecu。所不同的是,
碰撞强度传感器是用来检测车辆发生碰撞时所受碰撞的激烈程度,其信
号足供系统的控制单元判断是否引爆点火剂而使气体发生剂给气囊充
气;而防护碰撞传感器则是防治碰撞强度传感器短路而导致安全气囊误
膨丌,其信号是供控制单元判断是否发生碰撞。
Ecu为一独立安装的控制系统,它不与其他系统的控制单元合用,其
功能是接受个传感器发来的信号并判断是否引爆使气囊膨开。
2.2安全气囊系统的分类
1.按引爆方式分类
按引爆方式分类,安全气囊系统-口J‘分为机械控制式和电子控制式两
类。
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机械控制足安全气囊系统 机械控制是安全气囊系统不需要电源,电子
电路和电路配线,其全部零件都组装在转向盘装饰盖板的+F面,检测碰
撞动作和引爆点火剂都是利用机械装置的动作来完成的。日前,这种类
型的安全气囊很少使用。
(1)电了控制是安全气囊系统 }Ll二r控制式安全气囊系统是Fl前普
遍采用的一种安全气囊系统。这种类型的传感器是利用碰撞传感器来检
测碰撞信号并把信号发送到安全气囊系统的控制单元,控制单元根据碰
撞传感器发送来的信号由在其内部预先设置的程序不断不得进行数学计
算和逻辑判断,当判断结果是发生碰撞时,srs的ecu便立即发出点火指
令引爆点火剂,点火剂引爆时所产生的火量热量使叠氮化钠药片的气体
发生剂分解,产生大量的氮气使气囊膨丌。
(2)日前日本的本Ⅲ公司的雅阁,市民,丰Ⅲ公司的凌志,皇冠,佳
美,日产公司的尼桑星球,瑞十沃尔沃公司的8 5 0,9 60,美国福特公司的
林肯城市,通用公司的凯迪拉克,国产轿车的红旗世纪星,奥迪a6,帕
萨特b5,捷达王以及高尔夫等轿车采用的都是I乜予控制式安全气囊系
统。
2.按安全气囊数量分类
按安全气囊数量分类可分为单安全系统,双安全气囊系统和多安仝气
囊系统。
(1)单安全气囊系统
单安全气囊系统,只是在驾驶员侧的转向盘中安装拉一个安全气囊。
(2)双安全气囊系统
近几年生产的轿车火多都采用拉双安全气囊系统,即在驾驶员侧和前
座乘员侧各安装了一个安全气囊,如本田雅阁,市民,丰田件美,马白
达6 2 6,92 9,福特林肯城市及国产的奥迪a6等轿车均采用的是双安全气
囊系统。由丁.前座乘员在汽车发生碰撞时的危险性比驾驶员的要大,所
以前座乘员侧的安全气囊的尺寸通常比较人,并与驾驶员侧的安全气囊
同时起作用。
(3)多安全气囊系统
多安全系统是指在车上安装了3个或3个以上的安全气囊。例如,瑞
典沃尔沃8 5 0,960,通用的别克,上海大众帕萨特轿车等。
3.按保护类型分类
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按保护类型分类,安全气囊系统.口J.分为驾驶员用安全气囊,前排成
员安全气囊,防侧撞安全气囊和后座成员用安全气囊。
(1)驾驶员用安全气囊
驾驶员用安全气囊是汽车最广泛采用的安全气囊,他在车辆发生碰
撞时对驾驶员起保护作用。这种气囊分为美式和欧式两种,并安装存转
向盘巾。
美式安全气囊的设计原则是嘉定驾驶员未系座椅安全带时车辆发生
碰撞,为了更好的保护驾驶员,所以气囊体积较大,约6 0升。欧式安全
气囊则是假定驾驶员系上安全带时车辆发生碰撞,这时由于安全带已起
保护作用,所以其体积较小,通常约为40升。
(2)前排成员用安全气囊
前排成员用安全气囊也分为欧式,美式两种。由丁前排成员在车内
的位罱不川定,所以设计的安全气囊的体积也较大, 以保证在发生撞车
州‘成员免受伤害。通常美式前排成员用安全气囊体积约为160升,欧式
前排成员安全气囊设计约为7 5升。
(3)防侧撞安全气囊
根据使用要求的刁i同,防侧撞安伞气囊'以安装在车门上横梁rf1,
车门内板中或庳椅侧而。安装在车门上横梁中的防侧撞安全气囊,用以
保护乘员的头部,安装在车门板内的防侧撞安全气囊和安装在庵椅侧面
的防侧撞安全气囊,用以保护乘员的朐部和心,肺脏等重要器官。由丁.
空间的限制,通常防侧撞安全气囊的体积都较小,安装在车门板内的安
全气囊体积通常为3 5、4 0升,而安装在座椅侧面的安全气囊体积仅为12
升左右。
(4)后排座成员用安全气囊
近年米, 由一+J:对后排序成员的安全防护的重视,所以在后排座椅上
不仅安装啦安全带,而且还在前排座椅的后面安装拉保护后排座成员的
安全气囊。
后排座成员安全气囊在结构上州其他安全气囊基本相同,其体积通
常+I叮达1 0 0升。在车辆发生碰撞并引爆后,安伞气囊便在后排座乘员与
前排座椅问形成一个防护气垫,从而达到对后排座成员的保护作用。
2.3汽车安全气囊的工作原理
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当车辆发生碰撞时,安全气囊控树模块快速对信号做出处理,确认
发生碰撞的严重程度已超出安全带的保护能力,便迅速释放气囊,使乘
员的头、胸部直接与较为柔软有弹性的气囊接触,从而通过气囊的缓:
中作用减轻乘员的伤害。一般说来,轻微的碰撞不会打开安全气囊,只
有在车辆正面…定角度范陶内才是打开安全气囊的有效碰撞范围,后碰、
侧碰、翻转都不会引发安全气囊打丌。 需要强调的是,安全气囊只是辅
助,在不系安全带的状况下,安全气囊不但不能对乘员起到防护作用,
还会对乘员有严重的杀伤力。安全气囊的爆发力是惊人的,足以击断驾
驶者的颈椎。测此,系好安全带是安全气囊发挥保护作用的一’个重要条
件。
早期的安全气囊为机械式安全气囊系统,现在国内外气囊厂家土要
采用的是电子式安全气囊系统。基本型安全气囊系统包含了驾驶员、乘
员正面保护安全气囊及安全带预紧装胃。
电子式安全气囊系统特点是由传感器感知车辆运动情况,由MCU监
控并作出判断,判断当前的事件是否是严重碰撞事件,如果是严重碰撞
事件则驱动气囊展丌,保护驾乘人员的安全。安全气囊作用过程为:碰
撞发生后0~20ms内传感器将信号输送到中央电子控制器(ECU),ECU剡
断后确认足严重碰撞则引发气体发生器,在20~60ms内高温、高压气体
(氮气)经过滤冷却进入气袋,气袋张丌形成气垫,将乘员与车内装备
隔开,60~lOOms后气袋排气孔打开,气囊泄气并收缩。气体的阻尼作
用吸收了碰撞的能量,缓解了气囊对乘员头部和脸部的压力,乘员陷入
较柔软的气囊中,使得乘员得到保护。最后气体全部从排气孔排出,气
囊瘪下。为安全气囊系统基本装车形式,图中DAB是驾驶员气囊,PAB是
乘员气囊,PSB是安全带预紧装置。
由于安全气囊系统属一-Ji汽车安全部件,它所采用的电子器件均有较
高的特殊性能要求,需要精度高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。
常规安全气囊的电子控制系统包括加速度传感器和MCU等。当前国
内外气囊厂家常用的安全气囊传感器为微机I【l系统(MEMS)传感器,MEMS
传感器的感应范嗣比较宽,可以感应1G到100G值的加速度,感麻方向
i,J‘从单轴向到■轴向,在正面、侧面、垂直■个方向感应汽车碰撞过程
中的加速度变化,并输出模拟信号。
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安全气囊控制要求MCU运算能力强、1/0口充足等,从可靠性角度考
虑,需要使用汽车级的具有一些特殊功能模块的MCU。根据系统性能的不
同要求使用的MCU有8位、16位,对丁.更复杂的系统,许多气囊系统供
麻商已经采用了3 2位的高性能。
现代安全气囊系统由碰撞传感器,缓冲气囊,气体发生器及控制块
等组成。气体发生器。安全气囊系统要求气体发生器能够在较短的时间
内(30 ms左右)产生大量的气体充满气囊,产生的气体必须对人体无害,
且不能温度太高,同时要求气体发生器有很高的‘口J‘靠性和稳定性。气体
发生器土要有:压缩气体式、烟火式和混合式兰种型式。混合式气体发
生器是压缩气体式和烟火式相结合的发生器,也是R前广泛应用…种气
体发生器。控制装置。一般集成在微计算机中。当汽车发生碰撞事故
时, 电控装置接收多个传感器传来的车身不同位置的减速信号,经过
反复不断的分析、比较、计算,决定是否发出点火信号。要求控制装
嚣能够在复杂的碰撞情况下作出非常准确的判断,点火时刻也必须精
确控制。
虽然安全气囊在结构上会有所不同,但其T作原理基本一致。汽车
行驶过程中,传感器系统不断向控制装置发送速度变化(或加速庋)信
息,由控制装罱(中央控制器)对这些信息加以分析判断,如果所测的
加速度、速度变化量或其它指标超过预定值(即真正发生了碰撞),则
控制装置向气体发体发生器发出点火命令或传感器赢接控制点火,点火
后发生爆炸反应,产生N2或将储气罐中压缩氢气释放出来充满碰撞气袋。
乘员与气袋接触时,通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量,达到保护
乘员的日的。
安全气囊根据安装的位置及保护对象不同,主要分为:对驾驶员进行
保护的气囊,装在方向盘内,防止驾驶员与转向盘、仪表板及前挡风玻
璃发生碰撞;对前排乘员进行保护的气囊,装在仪表板内,防止乘员与
仪表板、前挡风玻璃发生碰撞;对后排乘员进行保护的气囊,一般安装
在前排座椅的靠背上后部或头枕内部,防止乘员与前排座椅发生碰撞。
由-T.后排乘员受到的伤害程度较轻,后座椅安全气囊一般只在高级轿车
上使用。
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汽车的安全气囊内有叠氮化钠、或硝酸铵等物质。当汽车在高速行驶
中受到猛烈撞击时,这些物质会迅速发生分解反应,产生大量气体,充
满气囊。
新型安全气囊加入了‘町分级充气或释放压力的装置,以防止‘1次突然
点爆产生的巨大压力对人头部产生的伤害,特别在乘客末佩戴安全带的
时候,jlJ‘导致生命危险。具体形式有:
①分级点爆装置,即气体发生器分两级点爆,第一级产生约40%的气
体容积,远低丁最大压力,对人头部移动产生缓冲作用,第二级点爆产
生剩余气体,并且达到最大压力。总的来说,两级点爆的最火压力小于
单级点爆。这种形式,压力逐步增加。
②分级释放胍力方式,囊袋上开有泄胍孔或川‘调节乐力的孔,分为
完全凭借气体压力顶开的方式或电脑控制的拉片Tether。这种方式,一
丌始压力达到设定极限,然后瞬时释放压力,以避免过大伤害。
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第三章汽车安全气囊的应用及展望
3,1汽车安全气囊打开的条件
为了保证安全气囊在适当的时候打丌,汽车生产J’家都规定了气囊
的起爆条件,只有满足了这些条件,气囊才会爆炸。虽然在一些交通事
故中,车内乘员碰得头破血流,甚至出现生命危险,车辆接近报废,但
是如果达小到安全气囊爆炸的条件,气囊还是刁i会打开。
安全气囊打丌需要合适的速度和碰撞角度。从理论上讲,II有车辆
的j卜前方左右大约6 0。之间位兄撞击在…定的物体上,速度高-.J二30KM/h,
这时安全气囊才-口J.能打丌。这里所说的速度不是我们通常意义上所理解
的车速,而是在试验室中车辆相对刚性同定障碍物碰撞的速度,实际碰
撞中汽车的速度高丁‘试验速度气囊才能打)I:。
汽车发生碰撞时的-1:要受力部位是保险杠和车身纵梁, 为了缓冲
碰撞时的冲击力,车身前部大都设计有碰撞缓冲K,而且车身的刚度
公布也是不均匀的。在一些事故中,例如当轿车与没有后部防护装罱
的卡车发生钻入性追尾事故,或轿车碰撞护栏后发生翻车事故,或发
生车身侧面碰撞等,这样的事故往往没有车身前部的直接撞击,土要
是车身上部和侧面发牛碰撞,碰撞车身部位的刚度很小,虽然车舱发
牛了很人的变形,造成了车内乘员受伤或死亡,但是由丁碰撞部位不
对,有时候气囊并不能打开。
3.2安全气囊的安全性
安全气囊可将撞击力均匀地分布在头部和胸部,防止脆弱的乘客肉
体与车身产生直接碰捕,大大减少受伤的-ⅡJ‘能性。安全气囊对丁.在遭受
正面搏击时,的确能有效保护乘客,即使未系,卜安全带,防撺安全气囊
仍足以有效减低伤害。据统计,配备安全气囊的车发牛正面碰撞时,‘口J.
降低乘客受伤的程度高达64%,甚至在其中有80%的乘客末系上安全
带!至丁米闩侧方及后座的碰撞,则仍有赖jJ:安全带的功能。
此外,气囊爆发时的音量大约只有130分贝,在人体可忍受的范|韦I;
气囊中7 8%的气体是氮气,十分安定且不含毒性,对人体无戎;爆m时
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带出的粉末足维持气囊在折叠状态下不粘在一起的润滑粉末,对人体亦
无戎。
万事都是一把双刃剑,安全气囊同样也有它不安全的一面。据计算,
若汽车以60km的时速行驶,突然的撞击会令车辆在0.2秒之内停下,而
气囊则会以人约300km/h的速度弹出,而由此所产生的撞击力约有18 0
公斤,这对于头部、颈部等人体较脆弱的部位就很难承。冈此,如果安
全气囊弹出的角度、力度稍有差错,就有’口J’能酿出一场”悲剧”。
3.3汽车安全气囊的使用
首先,驾驶者应将座位尽量向后移, 以便有足够空问使安全气
囊在发牛意外扩张后充分发挥其保护作用;
其次,驾驶者彳≮宜倾前控车,坐姿要正确及紧贴座位背椅,且
扣上安全带。
第三,12岁以下的小孩应坐在汽车的后排, 并扣上安全带。体
重不超过1 8公斤的幼儿应放在配有儿童座椅装置的后排座位,并扣
.卜安全带。一般说来,轻微的碰撞不会打开安全气囊,只有在车辆
正面‘‘定角度范荆内才是打丌安全气囊的有效碰撞范俐,后碰、侧
碰、翻转都彳i会引发安伞气囊打丌。尤其需要强调的是,安伞气囊只
起辅助作用,在彳i系安全带的状况下,安全气囊不但彳i能对乘员起到
有效防护作用,甚至还会对乘员有严晕的杀伤力。须记,安全气囊的
爆发力是惊人的,足以击断驾乘者的颈椎!所以,系好安全带是安全
气囊发挥保护作用的一个重要条件。
由-T‘气囊是通过爆发起作用,而设计者往往是从人多数、正常的碰
撞模拟试验巾寻找最佳方案,但生活巾,每一位乘驾者都有自己乘驾习
惯,这就造成'J-人与气囊会有刁<同的位置关系,也就决定.』’气囊T作的
不稳定性。冈此,要保证安全气囊真J F.起到安全的作用,驾乘人员一定
要养成良好的驾乘习惯,保证胸部与方向盘保持一定距离。InJ最有效的
措施就是系好安全带,安全气囊只是辅助安全系统,需与安全带配合使
用才能发挥最大的安伞保护效果。
彳i要在气囊的前方、上方或近处放置物品注意彳i要在气囊的前方、
上方或近处放贾物品,冈为在紧急时刻这些物品有tlJ.能防碍气囊充气或
被抛射出去,造成更大的危险。在车帘内安装收音机、CD机等附件时,
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要遵照汽车J’的规定,不要随意修改属‘-Ji安全气囊系统的零件及线路,
否则会影响气囊小作。
3.4汽车安全气囊的缺点
安全气囊作为提高汽车安全性的有效措施之‘。越来越受到人们的重
视。世界符同都投人人量的人力物力致力予安全气囊的开发,使得安全
气囊系统得到大力发展。在一些实际的碰撞事故巾证明安拿气囊确实具
有降低乘员伤+I’:的功效,但也发现.J,其存在的一些问题。安伞气囊在使
用中存在的问题有:
1.气囊_口J能在很低的车速时打)I:。汽车在很低车速行驶而发生碰撞
事故时,乘员和驾驶员系上安全带即口J‘,完全不需要安全气囊展开起保
护作用。如果这时展丌气囊反而会造成小必要的浪费,甚至还'i-J‘能冈安
全气囊的展开加重碰撞伤害。
2.气囊的启动会对乘员造成伤害。安全气囊系统启动时将冲丌气囊
盖板,并且在瞬问展,1:充气,很可能对乘员造成冲击;产生的灼热气体
也会灼伤乘员和驾驶员。 3.当乘客偏离座位或座位.卜无人或儿童乘坐
时,气囊系统的启动不仅起不到应有的保护作用,还’口J能会对乘员造
成‘‘定的伤害。
3.5对现有安全气囊的改进
1.磁电式传感器的采用
传感器的触发通常有:丌关式,纯机械武,单点电子式,侧撞式,
应变式等。F{前国际上对汽车上安全气囊的传感器触发方式也没有一个
统。‘标准。不仅是…为其种类繁多,而.H..是川为装-丁.车身上不M位置
的传感器触发方式也不川。为使传感器能够方便地安装在行个需要的感
应部位,使其能够正确、适时地感应碰撞,-lIJ‘选用磁电式传感器。
磁电式传感器’llJ‘以安装在车身上的任何位置,JI要稍微调整一下某
些参数值,使得je能够识别峰值为0588m/s:和时间脉冲为0-20ms的碰
撞加速度信号即一口J‘。只要碰撞加速度峰值和时问脉冲宽度同时满足条件,
就会向气囊发出触发信L‘,展)l:气囊,对人体进行保护。
传感器结构,它由外壳(非磁性材料)、磁性材料、惯性体(非磁
性材料)、连接在惯性体上‘的软铁、支持和调节位移幅值的弹簧、安
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装在与外壳连接的凸柱内的永久磁铁和绕制在软铁上的线圈及引线组
成。当传感器受到碰撞加速度时,.啖性体产生反向加速度,导致通过线
圈的磁通量发生变化,在线圈引线两端产生钟形脉冲信号,当调整弹簧
刚度时,可改变加速度信号的宽度。
传感器的信号判别}【i路由兰部分组成:信号幅度判别I乜路:信号宽
度判别电路:有用、无用信号判别电路。通过对碰撞信号进行多方位的
判别,刈’使控制装置获取的碰撞信号更全面,发出的点火控制更准确,
从而确保安全气囊在必要的情况下展开。
如何获得稳定的冲击加速度信号是研究:传感器的关键,也是保证
传感器准确获取碰撞信号的关键。磁I乜加速度传感器采用落锤冲击试验
装置来调整校正其感应敏感度。释放锤头,与橡胶面碰击时,安装在锤
头上面的加速度或磁电式传感器将感受到冲击加速度。不同落高对应不
同加速度;调整橡胶厚度,'口J.改变信号宽度;调整落锤高度,可改变信
号幅度。
磁电式传感器不仅电子判别电路出错率低,感应碰撞信号的-ⅡJ‘信度
高而准确:而.H.通过标锤落定实验‘口J.以调节它的感应范闱宽度,满足汽
车碰撞产生脉冲的再现,从而还j叮以安装于车身上任何部位。还有就是
它设讦简单,价格低廉,对绝大多数汽车使用者来说都不再是望而却步
的奢侈品。
2.智能化控制系统的采用
对安全气囊控制系统的要求是准确判断事故的碰撞强度,控制气囊
的展丌与否。针对安全气囊在使用中的缺陷,必须进一步提高控制系统
灵活性、准确性,为此我们可以采用智能式控制系统。
①碰撞传感器
安全气囊系统中的重要部件,其功能足检测、判断汽车发生碰撞后
的撞击信,号,以便决定是否展丌缓冲气囊。碰撞传感器主要有三种类机
械式传感器在早期的安全气囊中使用较多,主要应用惯性原理,利用传
感器中元件的惯性力克服弹簧力来触发气体发生器。机械式在加速度较
低时保证不启动气囊,可靠性较高;但只能单点传感,对机械部件的品
质、精度和耐磨性要求极高。
电子式传感器足一种应用最早的碰撞传感器,根据电子原理,利用
电信号来反映车身减速度,而后根据电信号来判别是否展丌缓冲气囊。
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机电式传感器采用机电结合的方式,将机械信号转化为电子信号,
再利用电子信号点爆安全气囊。即具有机械式的优点,又能克服机械式
传感器本身存在的缺陷,安装在车身上任何位置,以便得到较好的减速
信号,而.H能够在川…位置安装多个传感器。
②缓冲气囊
气囊一般由防裂性能好的聚酞胺织物制成,它是一种半硬的泡沫塑
料,能承受较大的压力;经过硫化处理,可减少气囊冲气膨胀时的惯性
力;为使气体密封,气囊里面涂有涂层材料。气囊的大小、形状、漏气
性能是确定安全气囊保护效果的重要闪索,必须根据不M汽车的实际情
况来确定。
日前,安全气囊系统开发人员正在根据神经网络原理丌发智能型气
囊系统。它土要是利用神经末梢(即荇种传感器)将各自探索到的周l韦I
环境的各种信息传输给中枢神经(即电脑或微机),并能将碰撞事故的
碰撞类型,碰撞事故严重程度以及碰撞时的车速等信息一起传递给电脑,
由电脑对这些信息进行加工处理分析,做出相应反应,并执行与这些信
息相对麻的、正确的气囊保护程序,即所谓的智能式控制系统。
智能式控制系统一般由两部分组成,软件部分和硬件部分。硬件部
分土要由车载部分的电子控制单元(包括单片机、传感器、点火也路等)
和地面部分(包括串行通讯电路、计算机系统等);软件部分主要由单、
片机部分和微机部分组成。控制系统框图如图2所示。气囊伤人、保护
效果不佳或者浪费等状况。
③乘员探测系统的选择
针对气囊未能对不同的乘员做出相麻的保护,我们+IJJ‘在乘员座位上
安装一个乘员探测系统,对车座上是否有人,乘员的体型大小,以及就
座时偏离j ]-中情况进行探测。相当一‘J:专门安装一个传感器,探测的乘员
乘坐信息,并传递给中央电脑控制中心。如果发生碰撞的话,控制中心
在对各种传感器传过来的信息进行判断的同时综合考虑乘员探测系统探
测所得的乘员乘坐信息。这样的话,安全气囊系统就+口J‘以针对驾驶员和
乘员的乘坐情况适时适量展丌气囊,完全避免
理想的安全气囊是'川‘以针对各种不同的特殊情况对汽车的使用者进
行保护。安全气囊廊尽可能多地收集和利用有关乘员形体位兄信息及撞
车类型和撞车速度的数据,建立数据库,对碰撞中乘员和车的有关信息
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进行识别判断,调整安全约束系统参数,使人体狭得最佳保护。要实现
这一理想, 以我们日前的研.究来说‘口J.能还有很长的一段差距,但我们
_口J’以逐步完成。以.L的探讨思考也只是向理想迈进的一个步伐而已,相
信今后随着科学技术研究的发展,我们的汽车安全措施会更加的完善。
⑤气体发生器的多元化发展
对-T.气体发生器,不仪要求其工作j1J‘靠,性能稳定,耐久性好,
符合环保要求,而且要求尽量减轻其质量和降低成本。尤其针对安全
气囊气体伤人的情况,更是要求对气体发生器加以改进。 日前汽车上
的气囊系统大量采用以叠氮化物作为气体发生物质的推进剂型气体发
生器,其它类型的气体发生器,包括混合气体型气体发生器、液体(液
态气)型气体发生器、I-i缩空气蓄能型气体发生器和硝化纤维型气体
发生器等也在积极研制。如摩尔顿公司生产的一种低密度、无毒的气
体型气体发生器,与现用的相比具有体积小、质量轻的优点;布雷德
公司丌发的一种新型无钠叠氮化物气体发生器,耗用量不到钠叠氮化
物发气剂的40%,而能产生等量的气体,从而使其体积减小,质量减
轻。
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致谢
通过刘庆老师的悉心指导和帮助,我对汽车安全气囊有了更深的认
识。写作过程中在图书馆参考了大量相关的文献和书籍,并得到了刘老
师及班级同学的热情指导和帮助,特别是刘老师严谨务实的■作态度,
对我论文的写作给予了很大的帮助。
导师渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的T作作风,诲
人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、'F易
近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术日标、掌握
了基本的研究方法,还使我明门了许多待人接物与为人处世的道理。本
论文从选题到完成,每.。步都是在导师的指导下完成的,倾注了导师人
量的心血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!
感谢老师们课上对我们的教导,你们丰富的授课内容拓宽了我的视
野,让我能更顺利的完成这篇文章:感谢我的同学们,你们不仪让我感受
到友情的力量,也让我感觉到了生活的愉悦,通过课堂讨论学到的思维方
式将使我受益终生:还要感谢河南机电高等专科学校汽车T程系教研事
的各位领导,没有你们的帮助,这篇论文是无法完成的。
最后,我要向我的家人表示深深的谢意。你们的理解、支持、鼓励和
鞭策催我更加上进,我竭尽全力的努为,更希望的是能够让你们高兴和满
意。
由_.Ji我的经验和水下有限,难免有遗漏及不足,敬请符位专家老师批
评指正。
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参考文献
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