基于激光投射的側(cè)氣囊靜態(tài)展開測(cè)試方法研究

楊欣霖，盧文明，蔣智鵬

(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300000)

0 引言

在汽車碰撞安全性能開發(fā)中，安全氣囊作為主要的乘員安全保護(hù)約束系統(tǒng)零部件，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)車內(nèi)乘員安全保護(hù)方面起著舉足輕重的作用。氣囊點(diǎn)爆后的展開特性直接影響著乘員的頭、胸傷害指標(biāo)[1]。因此，對(duì)安全氣囊進(jìn)行匹配、研究安全氣囊展開后的各項(xiàng)性能，是各大汽車生產(chǎn)廠商對(duì)汽車安全氣囊開發(fā)的關(guān)注重點(diǎn)，也是氣囊供應(yīng)商的主要工作之一。側(cè)面氣囊(SAB)主要集成在座椅背靠近車門一側(cè)的側(cè)面，在碰撞發(fā)生時(shí)從側(cè)面向前方展開形成緩沖。根據(jù)保護(hù)部位不同主要分為保護(hù)乘員胸部的胸部氣囊，兼顧乘員胸部、腹部、髖部保護(hù)的胸臀一體式氣囊和兼顧乘員胸部、頭部保護(hù)的頭胸一體式氣囊[2]。側(cè)氣囊靜態(tài)展開性能研究是側(cè)氣囊開發(fā)過程中關(guān)注重點(diǎn)之一。側(cè)氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)是側(cè)氣囊靜態(tài)展開性能研究的有效途徑。

1 側(cè)面安全氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)分析

1.1 側(cè)面安全氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析

在GB/T 19949.2—2005的第6條中指出，對(duì)性能試驗(yàn)中的靜態(tài)展開試驗(yàn)要記錄氣袋的充氣時(shí)間及氣袋罩蓋開始打開的時(shí)間，或進(jìn)行高速攝影。要求：在靜態(tài)展開試驗(yàn)過程中或之后，不能有任何氣囊模塊碎片打到一個(gè)正常坐姿的乘員身上，在靜態(tài)展開試驗(yàn)中，與正常坐姿的乘員相接觸的氣袋表面部分不能破裂或燃燒，其他部分允許有直徑小于3 mm的破裂小洞。氣袋撕裂縫處應(yīng)該保持完好無損。經(jīng)處置的及未處置的氣囊模塊的充氣時(shí)間應(yīng)在所定義的誤差范圍內(nèi)(具體誤差大小由氣囊類型決定)[3]。

側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)一般分為常溫靜態(tài)展開、高溫靜態(tài)展開、低溫靜態(tài)展開試驗(yàn)3種。不同企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)側(cè)氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)要求會(huì)有些許不同。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求如下：

(1)溫度要求：側(cè)面安全氣囊(SAB)試驗(yàn)溫度常溫點(diǎn)爆一般要求試驗(yàn)溫度為(23±5)℃、高溫點(diǎn)爆試驗(yàn)溫度一般要求為(85±2.5)℃或(75±2)℃、低溫點(diǎn)爆試驗(yàn)溫度一般要求為(-35+5/-2.5)℃或(-30±2)℃。一些標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)相關(guān)所有零部件要在恒溫室內(nèi)相應(yīng)溫度下至少存儲(chǔ)4 h以后才能進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)爆試驗(yàn)。同時(shí)為更好地監(jiān)控試驗(yàn)部件內(nèi)部的溫度，SAE J 1630—2011《Airbag Module Deployment Test Procedure》標(biāo)準(zhǔn)要求在氣囊內(nèi)部增加溫度傳感器以用于進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，氣囊內(nèi)溫度達(dá)到相應(yīng)試驗(yàn)溫度后才能進(jìn)行點(diǎn)爆試驗(yàn)[4]。

(2)方法要求：側(cè)面氣囊一般分為箱內(nèi)點(diǎn)爆和箱外點(diǎn)爆兩種，箱內(nèi)點(diǎn)爆要求將試驗(yàn)樣件放在高低溫環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行環(huán)境處理,處理達(dá)到環(huán)境溫度要求后在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)爆試驗(yàn)，箱外點(diǎn)爆要求環(huán)境處理完成5 min內(nèi)在環(huán)境箱外面進(jìn)行點(diǎn)爆試驗(yàn)。點(diǎn)爆過程中要在氣囊側(cè)面增加透明玻璃擋板，已用于模擬車輛側(cè)門和B柱，透明擋板距座椅外側(cè)距離與相關(guān)車型設(shè)計(jì)相匹配。要求在玻璃擋板上標(biāo)記出氣囊展開到+Z向最大位置、-Z向最大位置、X向最大位置，以便于對(duì)氣囊展開性能進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)一些標(biāo)準(zhǔn)要求在氣囊常溫點(diǎn)爆過程中增加相應(yīng)假人，并在透明擋板表面標(biāo)記假人側(cè)面投影，以便進(jìn)行氣囊展開性能檢測(cè)。點(diǎn)爆過程中用分辨率不低于1 000 幀/s高速攝像進(jìn)行記錄，圖像要求至少正面和側(cè)面兩個(gè)角度攝錄。

(3)性能要求：①氣囊沿撕裂線打開，不允許有任何對(duì)乘員造成傷害的硬質(zhì)飛出物產(chǎn)生，允許有質(zhì)量小于3 g的軟質(zhì)飛出物產(chǎn)生；②氣袋不允許翻轉(zhuǎn)到座椅靠背后面；③氣袋表面無破損，允許有直徑不超過3 mm的小孔產(chǎn)生；④氣囊展開時(shí)間應(yīng)滿足設(shè)計(jì)值要求，一般標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)過程中記錄氣囊沖破面罩時(shí)間、氣囊展開到X向最大時(shí)間、氣囊展開到-Z向最大時(shí)間、氣囊展開到+Z向最大時(shí)間、氣囊展開到最大時(shí)間。同時(shí)一些標(biāo)準(zhǔn)中要求氣囊展開過程中需記錄氣囊沖破面罩時(shí)間、氣囊展開到胸部時(shí)間、氣囊展開到肩部時(shí)間、氣囊完全展開時(shí)間。

1.2 現(xiàn)行側(cè)面安全氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)方法存在問題

目前，在現(xiàn)行的試驗(yàn)方法當(dāng)中對(duì)氣囊展開時(shí)間還無法通過試驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)得，而是由試驗(yàn)人員通過高速攝像記錄畫面進(jìn)行評(píng)判。在這一評(píng)判過程當(dāng)中，受外界因素的影響非常大，例如高速攝像角度不同得到評(píng)判結(jié)果會(huì)存在差異，不同試驗(yàn)人員對(duì)同一試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)判，也存在試驗(yàn)結(jié)果不同的風(fēng)險(xiǎn)，最終可能導(dǎo)致誤判。氣囊靜態(tài)展開時(shí)間參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)氣囊系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要，因此確定一種新的測(cè)量方法，能夠準(zhǔn)確得出氣囊靜態(tài)展開時(shí)間，減少人為因素的干擾非常重要。

2 基于激光投射的側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)方法研究

從前文分析可知，在側(cè)面氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)中，在氣囊展開時(shí)間的判斷過程中，存在著人為因素的干擾，同一試驗(yàn)不同測(cè)試人員對(duì)展開時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)果可能會(huì)不盡相同，由于氣囊靜態(tài)展開時(shí)間的性能參數(shù)對(duì)氣囊系統(tǒng)的開發(fā)尤為重要，若氣囊提前展開在發(fā)生交通事故時(shí)不但對(duì)乘員起不到保護(hù)的作用，反而會(huì)因?yàn)闅饽移鸨蟮木薮髩毫?duì)人員造成傷害。若氣囊延后展開在發(fā)生交通事故的同時(shí)不能對(duì)乘員起到很好的保護(hù)，反而很有可能造成人員的二次傷害。因此文中提出一種新的試驗(yàn)方法：基于激光投射的側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)方法，排除人為因素的干擾，提高了氣囊靜態(tài)展開時(shí)間參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性，并在側(cè)面安全氣囊試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 激光投射側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

激光投射側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)平臺(tái)主要分為：點(diǎn)爆系統(tǒng)、高低溫環(huán)境箱、通用座椅安裝固定臺(tái)架、模擬玻璃擋板、激光投射系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)。

激光投射系統(tǒng)是由間距為50 mm(間距可調(diào)整)激光發(fā)射器矩陣組成，激光投射系統(tǒng)布置方案如圖1所示，試驗(yàn)過程中激光矩陣垂直投射向氣囊氣袋，氣袋展開過程中氣袋表面對(duì)激光具有反射作用，由于氣囊氣袋大多數(shù)為白色，白色對(duì)激光的反射能力最強(qiáng)，在高速攝像畫面中能夠清晰分辨氣袋表面反射的激光點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光投射到氣袋表面的情況，通過氣袋表面反射激光點(diǎn)數(shù)量和位置能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣袋展開時(shí)間和展開面積。圖2為激光投射側(cè)向示意圖。試驗(yàn)過程中可根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置激光投射面積以及形狀著重標(biāo)記側(cè)氣囊展開重點(diǎn)關(guān)注位置(例如氣囊展開X向最大位置、+Z向最大位置、-Z向最大位置、胸部位置、腹部位置、髖部位置)，以便于準(zhǔn)確評(píng)測(cè)側(cè)氣囊展開到所需位置的展開時(shí)間及展開形狀。試驗(yàn)過程激光實(shí)時(shí)投射到側(cè)氣囊氣袋表面，根據(jù)高速攝像記錄的氣袋表面的激光投射反光點(diǎn)能夠真實(shí)確定氣囊氣袋展開的形狀、面積以及展開時(shí)間。避免僅憑視覺觀測(cè)氣囊展開狀態(tài)來評(píng)價(jià)氣囊展開性能由于視覺差所產(chǎn)生的評(píng)價(jià)誤差。提升側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

圖1 激光投射系統(tǒng)布置方案

圖2 激光矩陣投射側(cè)視圖

2.2 基于激光投射系統(tǒng)的側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)方法研究

激光投射系統(tǒng)，在座椅側(cè)氣囊靜態(tài)展開過程中將激光投射到氣袋表面，根據(jù)氣袋表面反射激光亮點(diǎn)的數(shù)量和形狀，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)氣囊展開位置，再根據(jù)高速攝像記錄時(shí)間能夠準(zhǔn)確評(píng)測(cè)出氣囊展開時(shí)間。具體試驗(yàn)方法如下：

(1)固定座椅：開發(fā)一種通用座椅安裝固定臺(tái)架，能夠適用于所有類型座椅的安裝，根據(jù)座椅安裝孔調(diào)整固定臺(tái)架螺紋孔孔距以及安裝角度，安裝固定試驗(yàn)座椅樣件；

(2)調(diào)整座椅狀態(tài)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整座椅靠背角度、高度、前后距離；

(3)調(diào)整玻璃擋板位置：根據(jù)座椅最外側(cè)到玻璃擋板的設(shè)計(jì)值要求，調(diào)整玻璃擋板并固定；

(4)調(diào)整激光投射位置：玻璃擋板上設(shè)置有4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)整激光投射位置，根據(jù)試驗(yàn)要求標(biāo)記試驗(yàn)所需關(guān)注位置(例如X向最大位置、+Z向最大位置、-Z向最大位置、胸部位置、腹部位置、髖部位置)；

(5)調(diào)整攝像：調(diào)整正向高速攝像位置使其能夠正向垂直攝錄，調(diào)整側(cè)向高速攝像位置使其能夠側(cè)向垂直攝錄，調(diào)節(jié)燈光系統(tǒng)呈現(xiàn)正向和側(cè)面兩個(gè)清晰攝錄畫面；

(6)設(shè)置點(diǎn)爆參數(shù)：根據(jù)氣囊設(shè)計(jì)值，在點(diǎn)爆系統(tǒng)中設(shè)置氣囊點(diǎn)爆參數(shù)，包含點(diǎn)爆電壓、電流、延時(shí)時(shí)間等；

(7)設(shè)置環(huán)境處理溫度及時(shí)間：將試驗(yàn)平臺(tái)拉入到環(huán)境艙內(nèi)(如有需要架設(shè)溫度監(jiān)測(cè)傳感器)，設(shè)置環(huán)境溫度和處理時(shí)間進(jìn)行環(huán)境處理；

(8)點(diǎn)爆試驗(yàn)：環(huán)境處理完成根據(jù)要求進(jìn)行點(diǎn)爆試驗(yàn)，高速攝像記錄整個(gè)氣囊展開過程；

(9)性能參數(shù)分析：①對(duì)氣囊飛出物進(jìn)行收集，稱量單個(gè)飛出物質(zhì)量以及全部總質(zhì)量；②檢查氣袋表面是否有破損；③檢查氣囊撕裂線以及連接件狀態(tài)；④評(píng)價(jià)氣囊展開時(shí)間，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)高速攝像攝錄畫面，核查投射到氣袋表面激光點(diǎn)數(shù)量以及位置，依據(jù)高速攝像記錄時(shí)間得出氣囊展開時(shí)間參數(shù)。

2.3 基于激光投射試驗(yàn)平臺(tái)側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開時(shí)間評(píng)價(jià)方法研究

氣袋展開過程中，為更加直觀核查氣袋表面反射激光點(diǎn)情況，將氣袋表面反射的激光點(diǎn)標(biāo)記為紅色其他為灰色。根據(jù)投射到氣袋表面的激光反射點(diǎn)位置以及高速攝像記錄時(shí)間能夠確定氣囊展開到特定位置的時(shí)間。

2.3.1 氣囊展開到+Z向最大位置時(shí)間評(píng)價(jià)方法

依據(jù)設(shè)計(jì)要求激光投射標(biāo)記氣囊+Z向最大位置如圖3所示。

圖3 氣囊展開到+Z向最大位置示意

核查高速攝像記錄氣囊展開全過程，通過確定氣囊氣袋表面反射激光的情況確定氣囊是否展開到+Z向最大，高速攝像記錄畫面能夠觀測(cè)到氣袋表面首次反射+Z向最大位置標(biāo)記激光點(diǎn)即為氣囊展開到+Z向最大時(shí)刻，記錄氣囊展開到+Z向最大位置時(shí)間。

2.3.2 氣囊展開到-Z向最大位置時(shí)間評(píng)價(jià)方法

依據(jù)設(shè)計(jì)要求激光投射標(biāo)記氣囊-Z向最大位置如圖4所示，核查高速攝像記錄氣囊展開全過程，通過確定氣囊氣袋表面反射激光的情況確定氣囊是否展開到-Z向最大，高速攝像記錄畫面能夠觀測(cè)到氣袋表面首次反射-Z向最大位置標(biāo)記激光點(diǎn)即為氣囊展開到-Z向最大時(shí)刻，記錄氣囊展開到-Z向最大位置時(shí)間。

圖4 氣囊展開到-Z向最大位置示意

2.3.3 氣囊展開到X向最大位置時(shí)間評(píng)價(jià)方法

依據(jù)設(shè)計(jì)要求激光投射標(biāo)記氣囊X向最大位置如圖5所示，核查高速攝像記錄氣囊展開全過程，通過確定氣囊氣袋表面反射激光點(diǎn)的情況確定氣囊是否展開到X向最大，高速攝像記錄畫面能夠觀測(cè)到氣袋表面首次反射X向最大位置標(biāo)記激光點(diǎn)即為氣囊展開到X向最大時(shí)刻，記錄氣囊展開到X向最大位置時(shí)間。

圖5 氣囊展開到X向最大位置示意

3 舉例驗(yàn)證

應(yīng)用激光投射側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)座椅側(cè)氣囊進(jìn)行點(diǎn)爆試驗(yàn)，具體操作流程為：

(1)安裝固定座椅，根據(jù)座椅安裝孔位置調(diào)整固定臺(tái)架安裝螺紋孔間距，對(duì)座椅進(jìn)行安裝，如圖6所示。

圖6 安裝固定座椅

(2)調(diào)整座椅狀態(tài)，調(diào)節(jié)靠背角度及位置，如圖7所示。

圖7 調(diào)節(jié)座椅狀態(tài)

(3)調(diào)整玻璃擋板位置，如圖8所示。

圖8 調(diào)整玻璃擋板位置

(4)調(diào)整激光投射位置，調(diào)整激光基準(zhǔn)點(diǎn)垂直投射向玻璃擋板上基準(zhǔn)點(diǎn)。

(5)調(diào)整攝像及燈光，攝像畫面如圖9和圖10所示。

圖9 側(cè)向攝像畫面

圖10 正向攝像畫面

(6)設(shè)置點(diǎn)爆參數(shù)。

(7)設(shè)置環(huán)境處理溫度及時(shí)間，本舉例為常溫箱外點(diǎn)爆。

(8)點(diǎn)爆試驗(yàn)，高速攝像記錄點(diǎn)爆過程 。

(9)性能參數(shù)分析

①無硬質(zhì)飛出物產(chǎn)生，軟質(zhì)飛出物質(zhì)量為2.32 g；

②氣袋表面完好無破損；

③氣囊沿著撕裂線展開；

④評(píng)價(jià)氣囊展開時(shí)間：展開到+Z向標(biāo)記位置時(shí)間為9 ms(該參數(shù)僅為舉例說明)，展開到+Z向標(biāo)記位置如圖11所示。

展開到-Z向標(biāo)記位置時(shí)間為7 ms(該參數(shù)僅為舉例說明)，展開到-Z向標(biāo)記位置如圖12所示。

圖11 展開到+Z向標(biāo)記位置

圖12 展開到-Z向位置

展開到X向標(biāo)記位置時(shí)間為8 ms，展開到X向標(biāo)記位置如圖13所示。

圖13 展開到X向標(biāo)記位置

4 結(jié)論

文中通過對(duì)側(cè)氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、現(xiàn)行試驗(yàn)方法以及側(cè)氣囊靜態(tài)展開時(shí)間評(píng)價(jià)方法進(jìn)行解讀，指出側(cè)氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)中氣囊展開時(shí)間的評(píng)價(jià)僅僅通過人眼去觀察判斷存在人為因素的影響，進(jìn)而提出基于激光投射的側(cè)氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)方法和基于激光投射的側(cè)氣囊靜態(tài)展開時(shí)間評(píng)價(jià)方法，同時(shí)搭建激光投射側(cè)氣囊(SAB)靜態(tài)展開試驗(yàn)平臺(tái)。有利于提升側(cè)氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)的檢驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本，減少試驗(yàn)誤判。