氣囊折疊方式對CAB氣囊起爆影響的研究

張晚青 楊勝 蘇俊男

摘要：本文以某項目的CAB氣囊開發(fā)為實例，簡述了CAB氣囊開發(fā)過程。并以后排CAB氣囊展開速度快慢為切入點，驗證不同CAB氣囊折疊方式對氣囊后排展開速度的影響，并設(shè)計了一種臺車試驗驗證方法來驗證，最終能夠達(dá)到C-NCAP中對于CAB氣囊的保護(hù)要求。

Abstract： Taking the cab airbag development of a project as an example， this paper briefly describes the cab airbag development process. As a starting point， the impact of different CAB airbag folding modes on rear CAB airbag expanding speed was verified， and a bench test verification method was designed to verify that the protection requirements of CAB airbag in C-NCAP could finally be met.

關(guān)鍵詞：CAB氣囊;C-NCAP;保護(hù)區(qū)域

Key words： Cab airbag;C-NCAP;protected areas

中圖分類號：U467 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0095-03

0 ?引言

汽車碰撞安全是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它把盡可能的保護(hù)乘員及行人的安全作為首要研究任務(wù)，同時也要盡量保護(hù)車輛安全，即盡可能使車輛免受碰撞，或者在遭受輕微碰撞時，車輛便于修復(fù)且成本低廉。在碰撞安全保護(hù)過程中，分為主動安全和被動。近年來雖然主動安全研究的越來越多，但被動安全一直是不可忽視，不可放棄的部分，也是碰撞安全最早研究的課題。

被動安全是乘員碰撞保護(hù)的重要組成部分，在其他保護(hù)措施都無法起作用的情況下，是最終的一道防線。通常我們所講的乘員約束系統(tǒng)集成屬于被動安全領(lǐng)域，通過集成安全帶，座椅、安全氣囊、轉(zhuǎn)向盤及管柱等乘員周邊的零部件來達(dá)到較少碰撞過程中乘員傷害值的目的。但碰撞安全試驗成本高，研發(fā)周期長，改變車型就需要重新試驗，費時費力，減少試驗次數(shù)，提升約束系統(tǒng)集成能力是一個可行方法。氣囊系統(tǒng)就是被動安全是乘員碰撞保護(hù)的重要組成部分。通過被集成到約束系統(tǒng)中，減少碰撞過程乘員的損傷。當(dāng)汽車與碰撞物碰撞后，稱為一次碰撞，乘員與車內(nèi)構(gòu)件發(fā)生碰撞，稱為二次碰撞，氣囊在一次碰撞后、二次碰撞前迅速打開 ，形成一個充滿氣體的氣墊，使乘員因慣性而移動時“撲在氣墊上”從而緩和乘員受到的沖擊并吸收碰撞能量，減輕乘員的傷害程度。

CAB（curtain airbag）是氣囊系統(tǒng)的一部分，布置在車輛頂部。在側(cè)面碰撞發(fā)送過程中，CAB氣囊能夠接收到ECU發(fā)出的信號，非常迅速的展開，形成一個大的氣墊，阻隔在乘員頭部與車門側(cè)附近堅硬部件之間（如圖1所示），起到緩沖頭部慣性，保護(hù)頸椎及頭部安全的作用。而CAB氣囊如何迅速展開，以便及時有效保護(hù)前后排乘員，是CAB氣囊的研究重點。本文以某項目實際開發(fā)經(jīng)驗為例，驗證不同折疊方式對CAB展開的影響，以便保證氣囊能夠在碰撞試驗評估中滿足對乘員保護(hù)的要求。

1 ?C-NCAP中CAB氣囊碰撞過程要求

C-NCAP （中國新車評定規(guī)范）經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為中國汽車產(chǎn)品安全研發(fā)的風(fēng)向標(biāo)，更成為汽車安全的代名詞。隨著C-NCAP 的順利實施及研究的深入，中國汽車技術(shù)研究中心也對《C-NCAP管理規(guī)則》進(jìn)行了多次完善和提升，經(jīng)歷了2006 年版、2009 年版、2012 年版、2015 年版、2018年版的變更。如今，車輛被動安全技術(shù)日益精細(xì)化，而主動安全技術(shù)也進(jìn)入快速飛躍式發(fā)展階段，被動和主動安全技術(shù)的相互融合將構(gòu)成全方位的車輛乘員安全防護(hù)體系。

2018年版C-NCAP增加了CAB氣囊的加分項，包含側(cè)面碰撞試驗中氣簾的外觀尺寸、展開形態(tài)和動態(tài)保護(hù)三項性能符合規(guī)定的技術(shù)要求，則可獲得相應(yīng)的加分。其中每項性能分別設(shè)置為1 分，最高加分為3 分。具體要求如下。

1.1 整體要求

CAB氣囊必須為前后一體式氣簾，且氣簾應(yīng)覆蓋前排至第三排（如果有）乘坐位置。必須同時配置有前排側(cè)面氣囊，若兩側(cè)不對稱則單獨進(jìn)行評價，取較差評價結(jié)果。

1.2 尺寸要求

非充氣區(qū)域間的接縫寬度不超過15mm;非充氣區(qū)域的直徑不大于50mm;當(dāng)氣袋內(nèi)的氣壓處于制造商推薦的壓力值或0.3～0.4bar時，袋體應(yīng)處于有效的充氣狀態(tài)。

1.3 評估區(qū)域

HPD 評估區(qū)域為圓角四邊形，其四個圓角的圓心，通過假人頭部重心坐標(biāo)來確定的，而假人頭部坐標(biāo)依據(jù)“H”點裝置的“H”坐標(biāo)點計算而來。評估區(qū)域不包括側(cè)圍頂部、B 柱、C 柱及門腰線對應(yīng)的區(qū)域，如圖2所示。此評估區(qū)域是根據(jù)開發(fā)車型的不同假人座椅行程位置計算得出。

1.4 動態(tài)保護(hù)要求

實車碰撞中，CAB氣囊展開區(qū)域要能覆蓋假人頭部質(zhì)心120mm直徑范圍的圓區(qū)域。

2 ?CAB氣囊的保護(hù)區(qū)域設(shè)計

CAB氣囊的設(shè)計過程中要考慮氣囊評估區(qū)域。當(dāng)前常用的方法是進(jìn)行CAE仿真模擬分析方式進(jìn)行保護(hù)區(qū)域設(shè)計，可以提供前期設(shè)計目標(biāo)要求，及CAB氣囊設(shè)計過程中的反復(fù)計算驗證結(jié)果。仿真設(shè)計的過程如下：

①按照客戶提供的CAB氣囊布置的周邊環(huán)境件，及假人H點的行程位置關(guān)系，包含5%、50%、95%假人的H點位置。基于此輸入數(shù)據(jù)畫出CAB氣囊保護(hù)區(qū)域框圖;

②通過Ls-dyna軟件進(jìn)行CAB氣囊建模，按照標(biāo)準(zhǔn)要求的0.3～0.4bar進(jìn)行仿真模擬充氣得到充滿的CAB氣囊。為了保證一定的安全余量，這里可以按照0.4bar的內(nèi)壓模擬氣囊充滿狀態(tài)，內(nèi)壓越高，氣囊充氣越飽滿，上下及前后的覆蓋面積會越小。最后，把氣囊仿真模型放入環(huán)境件模型中進(jìn)行評估;

③通過后排假人頭部質(zhì)心坐標(biāo)，畫出120mm的圓，分析CAB氣囊模型展開后能否覆蓋后排頭部質(zhì)心范圍，驗證氣囊動態(tài)保護(hù)效果。

如圖3所示為當(dāng)前仿真結(jié)果，紅色線框為保護(hù)區(qū)域，仿真模擬的氣囊展開狀態(tài)都能夠覆蓋，分析此氣囊能夠滿足保護(hù)區(qū)域設(shè)計。

圖4所示為CAB氣囊后排動態(tài)保護(hù)模擬分析結(jié)果。模擬分析結(jié)果顯示，CAB氣囊后排能夠覆蓋后排假人頭部質(zhì)心周邊120mm直徑的圓。

3 ?不同折疊方式對CAB氣囊展開的影響

CAB氣囊展開是否迅速，關(guān)乎在碰撞過程中對乘員的保護(hù)效果，因此CAB氣囊展開要突出一個“快”字，要保證CAB氣囊快速展開到位。由于保護(hù)區(qū)域的劃分關(guān)系及前后排假人大小的差異前排腔體要大一些，結(jié)合上面氣囊模擬分析圖片也能證明這一點。這種大小差異會引起的問題，隨著碰撞的發(fā)生，假人頭部已經(jīng)偏轉(zhuǎn)，但是氣囊展開還未到位，影響氣囊起爆的評估，如圖5所示，氣囊未展開到位，打到假人頭部事例。

折疊方式的優(yōu)化，是改善CAB氣囊后排展開到位時間慢的原因之一，本文選出兩種比較典型的折疊方式進(jìn)行研究來驗證折疊方式的影響。方式一為常見的全Z形折疊，方案二為先卷后Z折疊，如圖6所示。

為了進(jìn)行這兩種CAB氣囊折疊展開效果的驗證，設(shè)計一種動態(tài)滑臺試驗的驗證方式，既能觀察CAB氣囊展開效果，又能分析CAB氣囊后排對動態(tài)假人的保護(hù)效果。

臺車驗證方案示意圖，如圖7所示。把安裝有CAB氣囊的白車身垂直放置在臺車上，按照箭頭方向加載車體波形，車上放置一個后排SID2s假人，整體過程模擬實車碰撞過程。隨著滑臺試驗進(jìn)行及波形的加載，假人會隨著慣性向左側(cè)車門側(cè)偏轉(zhuǎn)，就能驗證CAB氣囊展開快慢的，及會假人頭部的保護(hù)效果。

分別對比了氣囊展開0ms時刻、展開10ms時刻、20ms時刻，如圖8所示。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，折疊方式二（先卷后Z折疊）明顯氣囊展開速度更快，尤其是對于后排氣囊保護(hù)效果的對比。10ms時刻，折疊方式二，CAB氣囊的前腔和后腔展開的長度接近，展開速度也接近。20ms時刻，折疊方式二的CAB氣囊后腔，已經(jīng)能夠完全展開，覆蓋到假人頭部保護(hù)區(qū)域。而折疊方式一的后腔展開明顯要慢一些，非常直觀的驗證了改善折疊方式對CAB氣囊后腔展開速度快慢的影響。

4 ?實際碰撞結(jié)果

通過實車碰撞測試結(jié)果可知，在CAB氣囊的評價中，此CAB氣囊能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。具體評價結(jié)果如下。試驗結(jié)果如下：

對氣簾進(jìn)行靜態(tài)點爆，確認(rèn)該車型兩側(cè)的側(cè)氣簾結(jié)構(gòu)、安裝位置一致。依據(jù)C-NCAP（2018版）要求對側(cè)氣簾進(jìn)行充氣，通過三坐標(biāo)設(shè)備進(jìn)行氣簾外觀尺寸的測量和評估，測試結(jié)果見圖9和10。圖中紅色線條圍成的區(qū)域代表根據(jù)座椅H點計算得到的主駕駛頭部保護(hù)區(qū)域（簡稱“理論評估區(qū)”），橙色線條圍成的區(qū)域代表根據(jù)座椅H點計算得到的副駕駛頭部保護(hù)區(qū)域（簡稱“理論評估區(qū)”），黃色線條代表由頂棚、B柱、C柱圍成的豁免區(qū)域邊界以下簡稱（“豁免邊界線”）;豁免邊界線內(nèi)的理論評估區(qū)為氣簾充氣區(qū)域應(yīng)覆蓋的區(qū)域（簡稱“實際評估區(qū)域”）;綠色線條代表氣囊邊界及縫線區(qū)域邊界（簡稱“氣簾充氣區(qū)域”）。

圖9為前排座椅區(qū)域?qū)?yīng)的評估區(qū)域，該位置處氣簾滿足外觀尺寸要求。

圖10為后排座椅區(qū)域?qū)?yīng)的評估區(qū)域，該位置處氣簾滿足外觀尺寸要求。

圖11所示為前后排氣囊碰撞過程中截圖，分析CAB展開過程中，能夠覆蓋前后假人質(zhì)心范圍。

5 ?結(jié)論

通過臺車試驗驗證及最終碰撞測試驗證，CAB氣囊折疊中的先卷后Z的折疊方式對于氣囊展開速度的控制更優(yōu)。這種折疊方式能夠迅速打開氣囊前、后腔，以便保證CAB氣囊在側(cè)面試驗對前后排乘員的保護(hù)效果。本文中設(shè)計的試驗方法，后續(xù)可以驗證更多CAB折疊方式差異變化，為后續(xù)CAB氣囊開發(fā)提供一種可行的試驗方法。

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