側(cè)氣簾系統(tǒng)試驗(yàn)中的開(kāi)發(fā)研究

馮 靜

（北汽股份汽車(chē)工程研究院，北京 101300）

0 引 言

隨著汽車(chē)被動(dòng)安全系統(tǒng)的發(fā)展，車(chē)內(nèi)安全氣囊的種類(lèi)和數(shù)量都逐漸增加[1]。側(cè)氣簾[2]，也稱作簾式氣囊、頭部氣囊或頂梁氣囊，漸漸成為高檔轎車(chē)和高配中小型轎車(chē)的必要配置。側(cè)氣簾布置在車(chē)身上邊梁內(nèi)板和頂蓬之間[3]。在車(chē)輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)碰傳感器感知到外部撞擊，向氣囊控制器發(fā)布信號(hào)，控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和判斷，若撞擊達(dá)到了起爆要求，控制器會(huì)控制點(diǎn)火機(jī)構(gòu)觸發(fā)氣體發(fā)生器，使氣袋充氣形成柔軟的氣墊，起到緩沖和吸能作用，從而保護(hù)各排外側(cè)乘員的頭部和頸部[4]。

側(cè)氣簾與周?chē)能?chē)身鈑金和內(nèi)飾件（如頂蓬及其附件、立柱飾板等）共同構(gòu)成側(cè)氣簾系統(tǒng)。側(cè)氣簾展開(kāi)速度非?？欤ǔＴ谑畮缀撩肷踔翈缀撩胍詢?nèi)完成充氣并迅速膨脹，占據(jù)周?chē)臻g[5]。對(duì)于中小型轎車(chē)來(lái)說(shuō)，車(chē)內(nèi)空間較局促，側(cè)氣簾附近的零件布置得較緊湊，側(cè)氣簾的展開(kāi)空間受到周邊零件的限制，側(cè)氣簾也會(huì)對(duì)這些零件產(chǎn)生一定沖擊。若此沖擊力過(guò)大會(huì)造成周邊零件失效，主要失效形式有：頂蓬大面積撕裂甚至脫落、頂蓬扶手松脫飛出、A柱飾板局部碎裂等。失效零件上快速飛濺出的碎片會(huì)在發(fā)生碰撞時(shí)直接對(duì)乘員造成傷害或?qū)?chē)內(nèi)設(shè)備造成破壞，進(jìn)而導(dǎo)致乘員受傷甚至身亡。同時(shí)，國(guó)標(biāo)中規(guī)定碰撞時(shí)和碰撞后，“所有內(nèi)部構(gòu)件在脫落時(shí)均不得產(chǎn)生鋒利的凸出物或鋸齒邊，以防止增加傷害乘員的可能性”[6]。為避免零件失效傷害乘員，保證車(chē)輛零部件滿足國(guó)標(biāo)，需要在車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，讓側(cè)氣簾在實(shí)車(chē)環(huán)境中展開(kāi)，以評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)零件的結(jié)構(gòu)完整性和系統(tǒng)總體性能，預(yù)防零件缺陷。

由于實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、試驗(yàn)環(huán)境不易調(diào)控等弊端，在車(chē)型開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，為了驗(yàn)證側(cè)氣簾系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)內(nèi)零件結(jié)構(gòu)的完整性，國(guó)際上各大主機(jī)廠（如通用[7]、大眾[8]）和國(guó)內(nèi)很多自主品牌車(chē)企都會(huì)進(jìn)行側(cè)氣簾在系統(tǒng)中的靜態(tài)展開(kāi)試驗(yàn)[9]（以下簡(jiǎn)稱“側(cè)氣簾系統(tǒng)試驗(yàn)”），用成本低、周期短的系統(tǒng)模擬試驗(yàn)代替實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)。同時(shí)，由于系統(tǒng)試驗(yàn)可以在高、低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，模擬極寒、極熱環(huán)境，可通過(guò)該試驗(yàn)驗(yàn)證側(cè)氣簾系統(tǒng)和系統(tǒng)中的零件在極端環(huán)境中的性能。

在一款自主品牌轎車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為考察側(cè)氣簾系統(tǒng)性能，做到缺陷預(yù)防，組織供應(yīng)商進(jìn)行了側(cè)氣簾系統(tǒng)試驗(yàn)。試驗(yàn)在代表整車(chē)狀態(tài)的白車(chē)身上進(jìn)行，同時(shí)按實(shí)際裝車(chē)狀態(tài)裝配頂蓬、扶手、眼鏡盒、遮陽(yáng)板、ABC柱飾板等零件。試驗(yàn)在常溫（+23℃）、低溫（-35℃）和高溫（+85℃）的環(huán)境中分別進(jìn)行，需要使用環(huán)境倉(cāng)。為使白車(chē)身大小適應(yīng)環(huán)境倉(cāng)的尺寸，試驗(yàn)前需對(duì)白車(chē)身進(jìn)行切割和加固。以下對(duì)試驗(yàn)中頂蓬、頂蓬扶手和A柱飾板的失效情況和整改措施的形成、實(shí)施與驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。

1 頂蓬失效問(wèn)題的整改研究

在常溫試驗(yàn)中，頂蓬發(fā)生前部大面積撕裂（圖1）、側(cè)氣簾發(fā)生器附近形成大鼓包（圖2）、整體掀起脫落（圖3）等失效。同時(shí)，頂蓬掀起位置高于固定在頂蓬上的扶手、眼鏡盒等附件，給了附件很大的沖擊，導(dǎo)致附件被頂蓬帶下（如圖 1、圖 3）。

側(cè)氣簾充氣從頂蓬與門(mén)框密封條和立柱飾板之間沖出的同時(shí)，頂蓬也會(huì)從密封條與立柱飾板中脫出，頂蓬邊緣會(huì)向車(chē)輛內(nèi)側(cè)翻折，給側(cè)氣簾留出一定的展出空間。為了控制頂蓬的翻折位置，需要在頂蓬內(nèi)表面設(shè)計(jì)弱化線，弱化線通過(guò)將厚度減薄到原來(lái)的 1/3到 1/2來(lái)實(shí)現(xiàn)。弱化線處強(qiáng)度相對(duì)周?chē)酰芰?，易于屈服，使頂蓬沿此線翻折。整改前頂蓬弱化線如圖4所示。

通過(guò)仔細(xì)觀察試驗(yàn)錄像，可以發(fā)現(xiàn)頂蓬在側(cè)氣簾展開(kāi)時(shí)并沒(méi)有按設(shè)計(jì)的弱化線翻折，而是根據(jù)頂蓬型面隨意翻折（如圖 1～圖3）。由圖 4可見(jiàn)，由于弱化線在安裝扶手的凹坑處被打斷，沒(méi)有形成連續(xù)線條；且凹坑在一定程度上起到了“加強(qiáng)筋”的作用，使弱化線被打斷處強(qiáng)度加大，因此頂蓬完全無(wú)法按設(shè)計(jì)意圖翻折，阻礙了側(cè)氣簾的正常展出，側(cè)氣簾充氣后只能從頂蓬邊緣硬擠出來(lái)，給頂蓬外側(cè)很大壓力。在膨脹氣袋的作用下，頂蓬在凹坑以上任意翻折，有時(shí)翻折線甚至延伸到天窗邊緣（如圖 2），造成頂蓬各種形式的失效。

針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)與頂蓬工程師進(jìn)行交流，降低弱化線的位置，避開(kāi)扶手凹坑，使弱化線連續(xù)。整改后的頂蓬弱化線數(shù)據(jù)狀態(tài)和實(shí)物狀態(tài)分別如圖5和圖6所示。弱化線中部曲線是為在裝配時(shí)避開(kāi)B柱飾板而設(shè)。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，整改后的頂蓬可沿弱化線翻折，在側(cè)氣簾展出的位置按設(shè)計(jì)脫出，側(cè)氣簾完全展開(kāi)后，頂蓬整體保持原有的姿態(tài)。同時(shí)，也改善了頂蓬扶手脫落問(wèn)題，配合扶手自身整改，解決了扶手失效問(wèn)題。試驗(yàn)后頂蓬狀態(tài)見(jiàn)圖7。隨后，進(jìn)行了高溫和低溫系統(tǒng)試驗(yàn)，頂蓬均未出現(xiàn)失效，說(shuō)明側(cè)氣簾系統(tǒng)中頂蓬失效問(wèn)題整改成功。

2 頂蓬扶手失效問(wèn)題的整改研究

在常溫試驗(yàn)中，頂蓬扶手脫落（如圖8所示），通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后頂蓬上扶手殘留物（圖9）和失效扶手樣件（圖10）的分析，可以看出扶手脫落是由于扶手底座撕裂造成的。

由圖10可見(jiàn)，扶手底座沿兩個(gè)相互垂直面的過(guò)渡處撕裂。由于折角位置壁厚不連續(xù)，導(dǎo)致應(yīng)力集中，強(qiáng)度變?nèi)?，受到?jīng)_擊時(shí)，發(fā)生失效。對(duì)于上述問(wèn)題，對(duì)扶手底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在底座外表面增加R1的圓角（如圖11），使壁厚過(guò)渡較為均勻，一定程度上減小了應(yīng)力集中，增強(qiáng)了扶手底座抗沖擊能力。

然而，在整改件驗(yàn)證試驗(yàn)中，扶手仍然脫落?？梢?jiàn)結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化并不能根治樣件缺陷。同時(shí)，通過(guò)與材料工程師溝通，得知扶手底座所用材料為增強(qiáng)尼龍PA6+GF30。該材料力學(xué)性能中等，且廣泛應(yīng)用在汽車(chē)頂蓬扶手的生產(chǎn)上。在目前的成本壓力下，以現(xiàn)供應(yīng)商的實(shí)力，已無(wú)法對(duì)材料本身的強(qiáng)度和韌性進(jìn)行提升。

因此，我們必須換個(gè)思路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。研究可能造成扶手底座碎裂的原因，可分為內(nèi)因和外因：內(nèi)因是底座材料力學(xué)性能差和結(jié)構(gòu)缺陷；外因是沖擊力大。如今內(nèi)部整改已不可行，只能從外部下手，通過(guò)減小扶手受力解決問(wèn)題。為保證側(cè)氣簾充氣時(shí)間和展開(kāi)形態(tài)，滿足乘員保護(hù)要求，氣袋充氣速度和發(fā)生器充氣孔尺寸和位置都不能變化，故側(cè)氣簾起爆產(chǎn)生的沖擊力的強(qiáng)度和方向都固定在一定范圍內(nèi)。如果要減小扶手底座所受的力，只能在底座與側(cè)氣簾氣袋之間增加導(dǎo)向和緩沖機(jī)構(gòu)，一方面可以限制氣袋的展開(kāi)方向，減少充氣早期氣袋 Y方向的膨脹，另一方面擋板的彈性變形可以吸收部分能量，起到緩沖作用。

通過(guò)與供應(yīng)商和頂蓬附件工程師的溝通，將擋板設(shè)計(jì)成一個(gè)鈑金折彎件，并通過(guò)焊接方式固定在原扶手支架上。第一版帶擋板的扶手支架見(jiàn)圖12。側(cè)氣簾與頂蓬和扶手支架的布置關(guān)系在圖13中表示。驗(yàn)證試驗(yàn)中，擋板對(duì)扶手的保護(hù)效果良好。但是，由于擋板為手工件，邊緣未處理到位，存在毛刺；在氣袋展開(kāi)時(shí)，將氣袋割破。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)擋板邊緣進(jìn)行了翻邊處理（如圖14）。翻邊方向與擋板接觸氣袋方向相反，使擋板與氣袋接觸的表面平滑，避免劃傷氣袋。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，翻邊效果良好。在常溫試驗(yàn)整改到位后，依次進(jìn)行了高溫試驗(yàn)和低溫試驗(yàn)。高溫試驗(yàn)中，高溫氣體膨脹會(huì)更加劇烈，使沖擊力變大。但令人欣喜的是，扶手支架擋板發(fā)揮了作用，扶手在高溫試驗(yàn)中并未發(fā)生失效。

然而，在低溫試驗(yàn)中，扶手再次脫落，失效形式與常溫時(shí)一致。通過(guò)分析和研究，得出失效原因?yàn)椋涸诘蜏貢r(shí)雖然發(fā)生器氣體膨脹程度會(huì)有所減弱，沖擊力減小，但塑料在低溫時(shí)會(huì)變脆，韌性和強(qiáng)度下降較大，使底座的抗沖擊能力下降，更易發(fā)生失效。

為提升扶手支架擋板對(duì)扶手底座的保護(hù)性能，進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)：1）在保證不與周邊件干涉的前提下，盡可能增大支架擋板的 X向和 Z向長(zhǎng)度，增加擋板的導(dǎo)向性并擴(kuò)大擋板的保護(hù)范圍。前排支架擋板X(qián)向增至238 mm，后排支架擋板X(qián)向增至255 mm，Z向均增至30 mm；2）在擋板鈑金上增加2條加強(qiáng)筋（如下圖15所示），提高擋板的強(qiáng)度，增強(qiáng)保護(hù)能力。由此形成第二版帶擋板的扶手支架。前后扶手支架手工件的裝車(chē)狀態(tài)如圖16。量產(chǎn)后，采用工裝和焊裝夾具生產(chǎn)的擋板可以保證邊緣質(zhì)量，確保無(wú)毛刺，因此去掉了翻邊設(shè)計(jì)。量產(chǎn)狀態(tài)的第二版帶擋板的扶手支架如圖15所示。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，第二版帶擋板支架對(duì)扶手的保護(hù)性能很好。試驗(yàn)完成后，扶手未脫落。試驗(yàn)后扶手狀態(tài)如圖17所示。底座處沒(méi)有任何裂痕，說(shuō)明底座基本沒(méi)受到?jīng)_擊。至此，通過(guò)整改頂蓬、扶手本身和增加扶手支架，頂蓬扶手失效問(wèn)題完全整改到位。

3 A柱飾板失效問(wèn)題的整改研究

A柱飾板在常溫試驗(yàn)和高溫試驗(yàn)中，均能保證性能和結(jié)構(gòu)完整，而在低溫試驗(yàn)中，因?yàn)椴牧闲阅軔夯?，上端下?cè)發(fā)生碎裂（如圖18）。

在側(cè)氣簾展開(kāi)時(shí)，為了確保氣袋的形狀和位置，側(cè)氣簾的前端需要設(shè)置拉帶。拉帶一端縫制在氣袋邊緣，另一端通過(guò)固定片用螺栓固定在 A柱上。通常情況下，拉帶位于A柱飾板內(nèi)。在側(cè)氣簾展開(kāi)時(shí)，拉帶從A柱飾板上端與門(mén)框密封條間擠出并拉直，拉出后狀態(tài)如圖19所示。

由圖19可見(jiàn)，拉帶展出的位置與A柱飾板碎裂的位置重合。因此可以推定，拉帶拉出時(shí)對(duì) A柱飾板上端造成沖擊。A柱飾板的材料為PP+EPDM-T20，常溫時(shí)力學(xué)性能十分優(yōu)異。但由于塑料件固有的缺陷，低溫時(shí)材料性能退化，較易破碎，導(dǎo)致零件失效。

要解決上述問(wèn)題，可以從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手。與扶手底座一樣，在成本壓力下，更改材料的路行不通，只能從優(yōu)化結(jié)構(gòu)下手。若在拉帶拉出的過(guò)程中，A柱前端在受到拉帶擠壓時(shí)可以產(chǎn)生彎曲變形，給拉帶讓出空間，就可以避免被拉帶打碎。A柱飾板背面為了防止樣件變形，設(shè)置了加強(qiáng)筋（如圖 20左側(cè)），這些加強(qiáng)筋直接導(dǎo)致飾板局部過(guò)硬，難于變形。手工削去該區(qū)域的加強(qiáng)筋（如圖20右側(cè)）后，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：在低溫試驗(yàn)時(shí)，拉帶在拉出過(guò)程中，飾板上端下側(cè)可以被拉帶彈開(kāi)，空出拉帶拉出空間。試驗(yàn)后，飾板保持完整。整改后試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖21。同時(shí)，A柱飾板去筋后樣件也無(wú)變形現(xiàn)象。A柱飾板失效問(wèn)題整改完畢。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某自主品牌轎車(chē)側(cè)氣簾系統(tǒng)中各零件的研究整改，保證了在-35℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，側(cè)氣簾展開(kāi)時(shí)和展開(kāi)后，系統(tǒng)中所有零件均保持性能良好、結(jié)構(gòu)完整。同時(shí)，在整改過(guò)程中，經(jīng)過(guò)研究分析得出了一般側(cè)氣簾系統(tǒng)零件設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些關(guān)注點(diǎn)。

首先，頂蓬弱化線的設(shè)計(jì)要考慮頂蓬上各種附件的位置，如扶手、眼鏡盒等。弱化線的高度務(wù)必低于用來(lái)安裝附件的凹坑或凸臺(tái)，并確保弱化線連續(xù)，這樣才能使頂蓬依照設(shè)計(jì)沿弱化線翻折。

其次，若受空間布置局限，在頂蓬附件與側(cè)氣簾距離很近的情況下，為了保護(hù)附件，可以考慮采用合適的擋板保護(hù)附件。擋板可以安裝在附件支架或側(cè)氣簾安裝支架上，也可與支架做成一體。設(shè)計(jì)擋板方案時(shí)，需要綜合考慮空間需求、零件相對(duì)位置關(guān)系、供應(yīng)商實(shí)力和成本等多方面因素。

再次，對(duì)于立柱飾板，為了配合側(cè)氣簾在各處的展開(kāi)，需要飾板在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生局部微小變形或移動(dòng)，為竄出的側(cè)氣簾騰出空間。因此，要求立柱飾板設(shè)計(jì)變形或松脫結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)上適當(dāng)?shù)販p筋、加槽來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)使用防脫卡扣固定來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保在側(cè)氣簾順利展開(kāi)的同時(shí)，立柱飾板完整且不脫落。

總之，側(cè)氣簾系統(tǒng)試驗(yàn)是一個(gè)繁瑣、復(fù)雜的過(guò)程。在確保系統(tǒng)中每個(gè)零件都設(shè)計(jì)、加工到位的同時(shí)，還要保證側(cè)氣簾與各零件以及各零件間配合合理、搭接良好。

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