硬塑儀表板乘客氣囊蓋展開失效的設計改善

廖贊學，湯保良

摘? 要：硬塑儀表板的乘客安全氣囊在進行低溫和高溫爆破試驗時，出現(xiàn)了氣囊蓋鉸鏈斷裂及破碎飛濺等問題。經(jīng)過對裂口和碎片的形態(tài)進行分析，找出失效原因，制定了在氣囊門內壁預埋織布、調整氣囊蓋的激光弱化線軌跡及尺度參數(shù)、加強氣囊框的焊接強度等優(yōu)化方案，并進行多次驗證，最終實現(xiàn)氣囊高低溫爆破試驗的氣囊蓋正常展開。本文對氣囊蓋的試驗驗證設計優(yōu)化過程進行了研究和總結，歸納出能夠避免氣囊蓋爆破發(fā)生斷裂和飛濺的設計方法和參數(shù)，以期為后續(xù)新項目類似結構的氣囊蓋的設計提供參考和指導。

關鍵詞：儀表板;氣囊蓋;破碎

中圖分類號：U463.7? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）05-0032-05

Design Improvement of PAB Cover Unfold Failure of Rigid

Plastic I/P

LIAO Zan-xue， TANG Bao-liang

（ Dongfeng Motor Company Technology Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： When the PAB of the rigid plastic I/P was subjected to low-temperature and high-temperature blasting tests， the PAB cover hinges were broken， fracture and splashed. After analyzing the morphology of the cracks and fragments to find out the reasons for the failure， the optimization plan was formulated to embed fabrics on the inner wall of the PAB door， adjust the laser weakening line trajectory and scale parameters of the airbag cover， and strengthen the welding strength of the airbag frame. After many verifications， the airbag cover of the airbag high and low temperature blasting test was finally unfold normally. This paper studies and summarizes the design optimization process of the PAB cover test verification， and summarizes the design methods and parameters that can avoid the breakage and splashing of the PAB cover blasting， in order to provide reference and guidance for the design of the PAB cover with similar structure in subsequent new projects.

1? ? 引言

在車型的迭代開發(fā)中，為保證乘客安全氣囊的平臺化和通用化，全新造型的儀表板通常沿用基礎車的安全氣囊模塊，故氣袋的折疊方式不會改變。但由于新造型的特征限制，氣囊蓋的撕裂線由H型變成了U型，在安全氣囊的高低溫爆破試驗時，氣囊蓋出現(xiàn)鉸鏈斷裂和破碎飛濺等問題，未滿足氣囊蓋的設計要求。為避免氣囊爆破產(chǎn)生飛濺物傷及乘客，需對氣囊蓋的結構進行設計優(yōu)化，解決氣囊蓋斷裂和破碎飛濺的問題。

2? ? 硬塑儀表板的氣囊框結構與弱化形式

儀表板的乘客安全氣囊蓋，主要有顯式有縫氣囊蓋和隱式無縫氣囊蓋[1]兩種。為保證儀表板外觀的完整性，提升儀表板的視覺品質，目前多采用隱式無縫安全氣囊蓋。隱式無縫氣囊蓋又分軟質儀表板隱式氣囊蓋和硬塑儀表板隱式氣囊蓋。硬塑儀表板的隱式無縫氣囊蓋，是將氣囊框焊接在儀表板上蓋的內壁，隱藏在儀表板上蓋下方（圖1）：

硬塑儀表板的氣囊框，其主要結構包括：氣囊模塊掛鉤孔壁、氣囊門、氣囊門鉸鏈、氣囊框焊接邊（圖2-a）。氣囊框通過與儀表板上蓋之間的振動摩擦，使焊接邊及氣囊門上的筋和儀表板上蓋內壁融合，固聯(lián)焊為一體（圖2-b）。

在焊接氣囊框前，需對儀表板上蓋進行弱化。弱化線的軌跡通常有H型、U型、雙Y型等，本項目因造型特征限制，采用U型的弱化線（圖3-a）。硬塑儀表板氣囊區(qū)的弱化線，通常采用激光進行弱化[2]：激光束按照設定的軌跡移動，以定頻脈沖的形式，打在儀表板上蓋的內壁，使材料迅速氣化，形成不穿透的小孔，這些小孔區(qū)域的材料厚度變薄，斷裂強度降低，在受到外力沖擊時，優(yōu)先斷裂。經(jīng)過弱化后的區(qū)域與氣囊門焊接而成的兩層結構，即為氣囊蓋，在氣囊爆破時被充脹的氣袋沖擊，沿著弱化線撕裂，以鉸鏈為轉軸翻開，使氣囊順利沖出儀表板（圖3-b）：

3? ? 氣囊蓋斷裂分析和改進方案

3.1? ?氣囊蓋斷裂分析

乘客安全氣囊的常溫、低溫、高溫的爆破試驗結果見表1。

通過對比分析，常溫爆破正常，低溫爆破出現(xiàn)了鉸鏈斷裂、氣囊蓋牽扯式撕裂、焊接層分離，高溫相對低溫只出現(xiàn)了鉸鏈斷裂。故從鉸鏈斷裂、牽扯式撕裂、焊接層分離三個問題入手，分析原因并制定對策方案。

（1）鉸鏈斷裂原因

所沿用的安全氣囊，氣袋的折疊方式標定匹配了H型弱化線的氣囊門，氣袋充脹的前鋒首先沖擊圖4實線箭頭所指的氣囊蓋中部，氣囊蓋從H型弱化線的中縫撕裂，符合H型弱化線的設計目標[3]。

而本項目因造型限制，氣囊蓋只能采用U型弱化線，合理的氣袋充脹前鋒應作用于圖4虛線箭頭所指部位，氣囊蓋從該處撕裂打開。但由于沿用的氣囊模塊不可改變氣袋折疊方式，氣袋充脹首先沖擊氣囊蓋的中部，更靠近氣囊門的鉸鏈，在強烈的沖擊下，鉸鏈發(fā)生斷裂。

（2）牽扯式撕裂及焊接層分離原因

通過高速攝像的圖像分析和氣囊蓋展開的數(shù)據(jù)與實物對比，發(fā)現(xiàn)U型弱化線所圍攏的區(qū)域小于氣袋的作用面，氣袋充脹時沖擊弱化線之外的儀表板上蓋（圖5），導致儀表板上蓋隨著氣囊蓋被頂出撕裂。此外，低溫爆破時，在-35℃的環(huán)境下，PP材質的儀表板上蓋呈現(xiàn)低溫脆性，與氣囊門焊接的儀表板上蓋被牽扯式撕裂時，上蓋與氣囊門焊接強度不足的部位，焊接失效，破碎飛濺（圖6）。

3.2? ?改進方案與試驗驗證

針對上述的失效原因，分別進行方案設計優(yōu)化：

（1）鉸鏈斷裂對策：增加織布預埋

高溫、低溫爆破時，材料的高溫塑性和低溫脆性使鉸鏈的強度下降，無法承受氣袋的沖擊力而斷裂。通過在氣囊門內壁、鉸鏈、氣囊框立壁三面埋入織布[4] 進行嵌件注塑，織布的纖維網(wǎng)狀結構增強了鉸鏈的牽拉強度，解決鉸鏈受沖擊斷裂問題（圖7）。經(jīng)測試，織布預埋深度為1.0mm時能有效增強鉸鏈強度并能滿足嵌件注塑工藝要求，過深將導致嵌件注塑困難，注塑不充分;過淺則織布易浮于表面，容易脫落，造成強度不足。

（2）牽扯式撕裂對策：調整激光弱化軌跡線和弱化尺度深度

調整弱化線的軌跡：將軌跡線圍攏區(qū)擴大，完全覆蓋氣囊框立壁所投影的輪廓（圖8），可保證氣袋展開時的作用力均加載于弱化線圍攏區(qū)之內[5]。

調整弱化尺度參數(shù)：經(jīng)多輪調試驗證，儀表板撕裂線的殘厚A為0.8mm、跨距B為15mm、寬度C為1.5mm時，儀表板弱化區(qū)的性能最佳，能夠較好保證氣囊門展開撕裂的切口平整性（圖9）：

（3）焊接層分離對策：增加焊接強度

焊接層分離區(qū)域增加焊接筋及筋的厚度（圖10），原有焊接筋料厚由2.5mm增加到3.5mm。焊接剝離力由1200N增強到2000N。

根據(jù)上述制定的改進優(yōu)化方案，進行正交疊加試驗驗證，采用3×3（高、常、低溫各做3次）方式進行，出現(xiàn)驗證不合格，試驗立即終止，試驗結果見表2，試驗結果證明，三個措施同時實施，能有效解決高低溫爆破時的氣囊蓋斷裂飛濺問題，氣囊蓋完全按弱化線展開、鉸鏈無斷裂、氣囊蓋無破碎飛濺，滿足安全氣囊試驗的標準要求（圖11）：

3.3? ?結論

針對高低溫氣囊爆破出現(xiàn)鉸鏈斷裂、氣囊蓋未按弱化線撕裂展開、破碎飛濺的問題，主要的解決方案是：

（1）氣囊蓋內壁埋入紡織材料，增強鉸鏈的連接強度，鉸鏈在極限情況下斷裂后仍保持牽拉連接，可解決氣囊蓋整體彈飛的問題。

（2）調整激光弱化線軌跡與步進距離、深度、間距等參數(shù)，使氣囊蓋弱化區(qū)域與氣袋膨脹沖擊面重合，可避免弱化線之外的儀表板上蓋被氣袋膨脹沖擊造成的氣囊蓋牽扯式拉伸破裂，保證氣囊蓋按照弱化線整齊完整打開。

（3）增強氣囊蓋區(qū)域的焊接強度，弱化氣囊蓋撕裂線附近的結構，可有效避免低溫爆破時的氣囊門與儀表板上蓋焊接的破裂分離問題。

（4）氣袋的折疊方式對氣囊門撕裂線的型式有強相關，在造型限制了氣囊門撕裂線型式的情況下，需調整氣袋的折疊方式去適配撕裂線的型式。

4? ? 結束語

本文對硬塑儀表板的隱式氣囊框的結構及弱化型式進行的剖析，氣囊蓋弱化線的型式與安全氣囊的氣袋折疊方式有密切的對應關系，匹配不合理易造成氣囊蓋鉸鏈斷裂氣囊蓋整體彈飛，激光弱化的軌跡和焊接強度也有附加影響。在氣袋折疊方式不可更改的情況下，通過在氣囊門鉸鏈上增加織布預埋、調整氣囊門的撕裂線的軌跡、調整氣囊門的強弱分布和焊接強度，進行了多輪試驗驗證，最終實現(xiàn)乘客安全氣囊的成功爆破，解決了氣囊門斷裂飛濺的問題，為新車型的硬塑儀表板隱式氣囊框的設計提供了參考和指導，避免在產(chǎn)品開發(fā)試驗中出現(xiàn)重大試驗失敗的風險，減少設計的變更和模具的修改，縮短開發(fā)周期，為新車的成功上市節(jié)約寶貴的開發(fā)試驗時間和成本。

參考文獻：

[1]紀仁進.論隱式氣囊展開線的加工工藝[J].現(xiàn)代商貿工業(yè)，2010，7：302-304.

[2]卞春雷，安慧，于善平，孫軍.無縫安全氣囊儀表板氣囊區(qū)弱化線的加工工藝[B].汽車工藝與材料，2014，5：31-36.

[3]閔彩麗.儀表板氣囊區(qū)域弱化淺析[J].科技與創(chuàng)新，2016，4：107.

[4]KaschierundLaminier.紡織材料的安全氣囊鉸鏈系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造，2012，29：17.

[5]唐洪斌，朱學武，趙紫劍.前排乘員側安全氣囊子系統(tǒng)靜態(tài)展開性能控制[J].汽車安全，2013，8：28-31.