乘客安全氣囊子系統(tǒng)發(fā)展趨勢探究

程旭 劉博俊

長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司 吉林長春 130033

由于汽車市場保有量的增加，道路的交通事故越來越多，損失也越來越大，世界各國對汽車安全性都做出了強制性的要求[1]。我國也于2006年3月2日正式發(fā)布的首版中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）。按照乘員保護與事故發(fā)生時刻間的關(guān)系，汽車的安全系統(tǒng)可大體分為主動安全系統(tǒng)和被動安全系統(tǒng)。安全氣囊作為車輛被動安全系統(tǒng)的重要組成部分，可以提高車輛對乘員安全保護的作用，大幅降低事故中人員傷亡的數(shù)量。據(jù)統(tǒng)計，裝有安全氣囊的汽車發(fā)生前部碰撞，駕駛員的死亡率：大客車降低30%，中客車降低11%，轎車降低14%[2-3]。

汽車安全氣囊系統(tǒng)，簡稱 SRS（Supplement Restraint System），是一種輔助保護系統(tǒng)[4]。隨著整車安全性的要求，安全氣囊技術(shù)被大量采用，車輛配備安全氣囊的數(shù)量越來越多，有正面的，有側(cè)面的，數(shù)量也由最初的一、二個，增加到八個、十個[5]。在一些高端豪華汽車上，甚至已配備十二個安全氣囊，如寶馬（BMW7）系列，可防止碰撞及事故產(chǎn)生的人員傷亡[6]。

在車輛安全氣囊系統(tǒng)中，乘客安全氣囊是所有安全氣囊系統(tǒng)中體積最大，開發(fā)難度最高的氣囊。如果在安全氣囊展開的過程中，或囊袋損壞或系統(tǒng)產(chǎn)生碎片飛出，都極易使安全氣囊失去保護作用或?qū)Τ丝驮斐啥蝹?。氣囊靜態(tài)點爆試驗作為乘客安全氣囊在開發(fā)過程中的重要驗證手段，其試驗結(jié)果直接影響項目的整體開發(fā)認可進度以及整車的安全可靠性。因此，掌握儀表板及安全氣囊發(fā)展趨勢，對于未來的儀表板及安全氣囊開發(fā)工作具有十分重要的指導意義。

1 乘客安全氣囊子系統(tǒng)組成

在氣囊靜態(tài)點爆試驗中，乘客安全氣囊子系統(tǒng)主要是由儀表板、安全氣囊以及車身環(huán)境零件組成，涉及的主要零部件如圖1。

圖1 乘客安全氣囊子系統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)圖

乘客安全氣囊靜態(tài)點爆試驗，試驗前將儀表板、安全氣囊等子系統(tǒng)零件模擬整車裝配條件安裝到車身夾具上，按照要求的試驗溫度（通常為-35℃、23℃、85℃）對子系統(tǒng)進行存放。在存放到規(guī)定的時間后，由控制系統(tǒng)激發(fā)點火電流，完成靜態(tài)點爆試驗。為提高系統(tǒng)的可靠性，部分主機廠除驗證常壓安全氣囊外，還要求對極限安全氣囊（高壓、低壓）進行驗證。

整車安全氣囊的要求是能夠為乘員提供安全可靠的保護功能。因此，靜態(tài)安全氣囊點爆試驗主要考察的是安全氣囊能否能夠?qū)崿F(xiàn)對乘客的保護作用以及在安全氣囊展開過程中是否存在可能對乘客造成二次傷害的潛在風險。故對子系統(tǒng)中各零部件功能及要求如下：

a.儀表板——為安全氣囊提供支撐及固定，試驗后保證儀表板完整性，無設(shè)計外的碎片飛出（或飛出滿足要求）或功能性損壞；

b.安全氣囊——車輛發(fā)生碰撞后安全氣囊按照設(shè)計要求展開，提供乘員保護功能；

c.車身環(huán)境零件——模擬整車試驗條件，為子系統(tǒng)提供支撐及固定，且不能對子系統(tǒng)保護作用產(chǎn)生影響或?qū)Τ藛T造成二次傷害。

車身環(huán)境零件主要起到固定及支撐作用，其發(fā)展變化對試驗影響相對較小，本文不做分析研究。

2 乘客安全氣囊子系統(tǒng)發(fā)展趨勢探究

2.1 儀表板發(fā)展趨勢探究

在乘客安全氣囊子系統(tǒng)的靜態(tài)點爆試驗中，儀表板系統(tǒng)中對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響的零件主要有表皮（含軟化層）、上體、風道、氣囊支架，其中表皮（含軟化層）僅針對軟質(zhì)儀表板。

相對于硬質(zhì)儀表板，軟質(zhì)儀表板中表皮和軟化層的應(yīng)用能夠改善儀表板的觸感，提升終端消費者的駕乘體驗。目前國內(nèi)汽車市場上，軟質(zhì)儀表板已經(jīng)涵蓋高、中、低檔的眾多車型，并且應(yīng)用率仍在逐年上升。以富維安道拓公司研發(fā)項目為例，表皮材料也處于不斷變化改進中，如圖2。

圖2 軟質(zhì)儀表板表皮材料變化趨勢

從上表中可以看出，自2018年開始，由傳統(tǒng)的聚氯乙烯（PVC）粉料全部切換為改性PVC粉料，相較傳統(tǒng)PVC粉料，其低溫拉伸強度提升40%，斷裂伸長率降低88%。傳統(tǒng)PVC和改性PVC低溫靜態(tài)氣囊點爆試驗效果對比如圖3，改性PVC粉料可以改善表皮的撕裂狀態(tài)，減少表皮飛出的數(shù)量，降低對乘員造成二次傷害的風險。自2021年開始，低溫性能更為優(yōu)異的PU材料開始投入使用，其可以完全解決低溫表皮碎裂飛出的問題。從表皮材料變化可以看出，低溫性能優(yōu)異成為表皮材料的發(fā)展方向。

圖3 低溫試驗效果對比

硬質(zhì)儀表板以其工藝相對簡單，制造成本較低的優(yōu)點，多被應(yīng)用于中低端車型。由于硬質(zhì)儀表板沒有軟化層，爆破過程中缺少相應(yīng)的吸能單元，試驗后上體容易出現(xiàn)裂紋或尖角，對氣袋或乘客造成傷害，影響安全氣囊系統(tǒng)的可靠性。所以硬質(zhì)儀表板對氣囊支架鉸鏈的吸能作用及上體和風道的材料的抗沖擊性要求較高。對于硬質(zhì)儀表板來講，吸能是氣囊靜態(tài)點爆試驗中首要考慮的問題。硬質(zhì)儀表板上體、風道及氣囊支架鉸鏈材料發(fā)展變化趨勢如圖4。

圖4 硬質(zhì)儀表板材料性能變化趨勢

上體材料主要為改性聚丙烯（PP），今年來其缺口沖擊性能整體呈現(xiàn)升高趨勢，升高比例約29.7%；風道在滿足通風的要求的同時，還起到提高儀表板整體剛度的作用。因此，風道的缺口沖擊隨著上體材料缺口沖擊的升高，整體呈下降趨勢，下降趨勢約75.9%。這樣要求的目的在于爆破過程中滿足上體吸能的同時，又能保證儀表板的整體剛度要求。但材料韌性提高的同時，其耐刮擦性能通常會變差。所以對于上體材料而言，既要有較高的缺口沖擊性能，又要滿足耐刮擦性能。氣囊支架鉸鏈材料也由單一的聚烯烴熱塑性彈性體（TPO）過渡為TPO與織物組合的形式，在提高鉸鏈可靠性的同時，依靠織物降低氣囊門與儀表板上體之間的撞擊程度，達到吸能的要求。

氣囊支架在爆破過程中直接受到氣袋的沖擊，是乘客安全氣囊子系統(tǒng)靜態(tài)點爆試驗中最為重要的零件之一。其既要滿足安裝固定安全氣囊的要求，又要起到引導囊袋展開的作用，且爆破后不能產(chǎn)生可能造成囊袋破損的尖角。軟質(zhì)儀表板的氣囊支架經(jīng)歷了分體式，部分集成式（僅織物鉸鏈與上體集成，氣囊支架外框為單獨零件，如圖5a，圖中紅色部分為織物鉸鏈），再到完全集成式（氣囊支架與上體完全集成，如圖5b）

圖5 氣囊支架結(jié)構(gòu)

的發(fā)展過程。（包覆儀表板對表面縮痕要求較高，不適合采用集成式設(shè)計）完全集成式氣囊支架簡化了注塑和焊接步驟，工序簡單，成本較低，是未來儀表板設(shè)計的一個方向。同時鉸鏈材料也由剛性的金屬材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝钥椢锊牧希葷M足了輕量化的發(fā)展需求，又增加了鉸鏈設(shè)計的自由度。氣囊支架結(jié)構(gòu)及材料的詳細發(fā)展過程如圖6。

圖6 軟質(zhì)儀表板氣囊支架變化趨勢

2.2 安全氣囊發(fā)展趨勢探究

美國人約翰?赫特里特（John Hertrick）在1953年設(shè)計了一個名為“汽車用安全墊”的裝置并申請專利，專利中描述了一種類似于當今的安全氣囊的設(shè)備，這也通常被認為是安全氣囊研究及應(yīng)用的開始[7]。自此，經(jīng)過幾十年的升級換代，安全氣囊的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越成熟。對乘客安全氣囊而言，其結(jié)構(gòu)主要分為氣袋、罩布、殼體以及氣體發(fā)生器幾部分（如圖7）。

圖7 乘客安全氣囊總成

氣袋的作用是容納氣體發(fā)生器產(chǎn)生的氣體，在乘員及儀表板間形成柔性保護屏障，進而降低事故中對乘員造成的傷害。近年來，隨著整車尺寸的不斷增加以及對乘員保護要求的不斷提升，乘客側(cè)氣袋的容積不斷增加。在氣囊對乘員形成保護過程中，整個作用過程約150ms[8]，而囊袋從開始充氣到充滿一般在0.11s內(nèi)完成[9]。氣袋容積的增加意味著在相同時間內(nèi)氣體發(fā)生器要釋放更多的能量來產(chǎn)生更多的氣體充滿囊袋，即儀表板系統(tǒng)受力增加。囊袋容積與反作用力（注：反作用力即安全氣囊模塊點爆過程中產(chǎn)生的作用力）間關(guān)系如圖8。從表中可以看出，氣袋容積由90L增加到140L，對應(yīng)模塊反作用力由12644N增加到23818N，儀表板要承受更多的受力沖擊。

圖8 氣囊容積與反作用力變化趨勢

氣囊罩布與殼體主要起到收納袋以及為安全氣囊提供固定點的作用。罩布在氣袋展開過程中，可以避免氣袋直接與儀表板撕裂線接觸產(chǎn)生劃傷，對氣袋有一定的保護作用。罩布常見有單層和雙層兩種方式，材料為尼龍（PA66）和高密度聚乙烯（HDPE）。通常來講，雙層罩布的對氣袋的保護效果要優(yōu)于單層罩布，HDPE罩布的保護效果要優(yōu)于尼龍罩布，但成本較高。但近年來隨著成本壓力的增加，雙層罩布的使用比例有所下降，但HDPE罩布的應(yīng)用比例近兩年內(nèi)稍有上升趨勢，如圖9。

圖9 罩布及氣囊殼體變化趨勢

氣囊殼體材料已由原來的金屬逐漸過渡為塑料。與金屬殼體相比，材料殼體重量輕，制造工藝簡單，迅速占領(lǐng)了絕大部分的市場。但塑料殼體性能受試驗溫度影響較大，高溫條件下，變形極為嚴重；低溫條件下，殼體容易產(chǎn)生裂紋或直接碎裂，存在一定安全風險，需要大量的試驗進行驗證。

3 結(jié)語

通過對儀表板和乘客安全氣囊發(fā)展趨勢的探究，可匯總?cè)绫?：通過匯總分析可知，在乘客安全氣囊子系統(tǒng)中，對安全性影響較大的零件整體發(fā)展趨勢是符合提高整車安全性及經(jīng)濟性要求的。但對安全氣囊靜態(tài)點爆試驗來講，其中有些變化是不利的，需要在儀表板及安全氣囊設(shè)計過程中予以考慮，通過優(yōu)化設(shè)計來消除這些改變帶來的風險。從上表中可以看出，由于氣囊支架結(jié)構(gòu)的變化以及安全氣囊氣袋容積的增加，未來乘客安全氣囊子系統(tǒng)靜態(tài)點爆試驗中出現(xiàn)概率較高的失效模式應(yīng)為儀表板裂紋和氣袋破孔。針對此失效模式，儀表板及安全氣囊設(shè)計方向如下：

表1 儀表板及乘客安全氣囊發(fā)展趨勢匯總

儀表板：安全氣囊區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計加強，不應(yīng)有應(yīng)力集中或結(jié)構(gòu)強度差異大的設(shè)計，防止因安全氣囊能量增加導致的儀表板裂紋；

安全氣囊：

（1）選用耐摩擦性能好的尼龍或者高密度聚乙烯罩布，提升罩布對氣袋的保護作用。

（2）安全氣囊殼體結(jié)構(gòu)加強，提高殼體剛度，降低爆破過程中的變形。