安全氣囊氣體發(fā)生器用過(guò)濾網(wǎng)淺析

張銀銀 馮濤 陳樊 張俊杰

摘 要：過(guò)濾網(wǎng)是煙火式安全氣囊氣體發(fā)生器的重要組件之一。過(guò)濾網(wǎng)的主要作用是降低燃?xì)鉁囟炔⑦^(guò)濾殘?jiān)瑥亩鴾p少氣囊模塊展開(kāi)時(shí)發(fā)生器內(nèi)膨脹氣體對(duì)氣袋的沖擊和灼傷。過(guò)濾網(wǎng)種類(lèi)較多，每種過(guò)濾網(wǎng)的制作工藝差別較大。該文對(duì)各種過(guò)濾網(wǎng)的制作工藝及特點(diǎn)進(jìn)行歸納，重點(diǎn)研究針織壓制過(guò)濾網(wǎng)對(duì)發(fā)生器性能的影響。該文介紹了針織過(guò)濾網(wǎng)、編織卷制過(guò)濾網(wǎng)、金屬絲纏繞過(guò)濾網(wǎng)、拉伸鋼板網(wǎng)四種典型的過(guò)濾網(wǎng)，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型、不同密度的過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，表明在過(guò)濾網(wǎng)各參數(shù)中，影響發(fā)生器性能的關(guān)鍵因素為過(guò)濾網(wǎng)的密度，數(shù)據(jù)顯示出隨著過(guò)濾網(wǎng)密度的增加，發(fā)生器產(chǎn)生火焰的長(zhǎng)度及數(shù)量明顯減少、噴出殘?jiān)亓繙p少、氣體溫度降低；另外，通過(guò)分析針織壓制工藝并對(duì)卷網(wǎng)工序提出改進(jìn)方法，可以有效地提高發(fā)生器性能的一致性。

關(guān)鍵詞：過(guò)濾網(wǎng) 密度 絲徑 氣體發(fā)生器

中圖分類(lèi)號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0075-04

安全氣囊氣體發(fā)生器是汽車(chē)被動(dòng)安全系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。在汽車(chē)發(fā)生事故時(shí)，氣體發(fā)生器迅速向氣囊充氣，能夠有效減少事故對(duì)人體的傷害，從而保護(hù)駕駛員及乘坐人員的生命安全?，F(xiàn)有煙火式餅狀氣體發(fā)生器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通常，過(guò)濾網(wǎng)用于降低燃?xì)鉁囟炔⑦^(guò)濾殘?jiān)瑥亩鴾p少氣囊模塊展開(kāi)時(shí)發(fā)生器內(nèi)膨脹氣體對(duì)氣袋的沖擊和灼傷。發(fā)生器工作時(shí)，其快速燃燒的藥劑會(huì)產(chǎn)生膨脹的氣體，濾網(wǎng)必須能夠充分過(guò)濾掉氣流中的固體顆粒。發(fā)生器設(shè)計(jì)允許少量顆粒物從過(guò)濾網(wǎng)通過(guò)，但是飛出發(fā)生器外的顆粒物重量必須小于1 g[1]。過(guò)濾網(wǎng)重量、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容對(duì)降低通過(guò)其內(nèi)部的氣體溫度也起著關(guān)鍵的作用。最后，過(guò)濾網(wǎng)必須確保降低溫度的氣體順利擴(kuò)散出去以便加速氣袋展開(kāi)。

這些重要的功能必須有著持續(xù)的表現(xiàn)，同時(shí)減少或消除發(fā)生器的火焰以便滿足使用要求。目前過(guò)濾網(wǎng)的種類(lèi)較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，有些氣體發(fā)生器廠家有自己的過(guò)濾網(wǎng)制造技術(shù)，能夠較好的和本公司的產(chǎn)氣藥劑性能相匹配，極大地提高了發(fā)生器的整體性能和成本優(yōu)勢(shì)。通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)的改進(jìn)，最大程度地提高發(fā)生器性能顯得尤為重要。

1 過(guò)濾網(wǎng)種類(lèi)介紹[2]

1.1 針織過(guò)濾網(wǎng)

針織網(wǎng)是把金屬絲織成長(zhǎng)長(zhǎng)的筒狀，然后按一定的重量或長(zhǎng)度分切，將切下的網(wǎng)卷好后放入模具型腔內(nèi)進(jìn)行壓制就可以得到所需的形狀和密度。針織壓制過(guò)濾網(wǎng)在成型方面有著突出的表現(xiàn)，可以制作任何尺寸和形狀的過(guò)濾網(wǎng)，包括在過(guò)濾網(wǎng)上制作出肩、臺(tái)階、凹槽和凸起等結(jié)構(gòu)。

針織過(guò)濾網(wǎng)材料可以用不銹鋼、碳鋼、鍍層的絲等金屬絲。盡管如此，實(shí)際針織過(guò)程中金屬絲的最大直徑是有所限制的。目前，批產(chǎn)環(huán)境下金屬絲所允許使用的最大直徑為0.8 mm。盡管大的絲徑在發(fā)生器展開(kāi)時(shí)可以防止金屬絲燒斷，但是絲徑越大，過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)部的空隙就越大，這會(huì)增加火焰并削弱對(duì)固體顆粒的阻擋作用。針織過(guò)濾網(wǎng)的密度一般在30%～60%之間。

針織網(wǎng)見(jiàn)圖2，主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

1.2 編織卷制過(guò)濾網(wǎng)

編織卷制過(guò)濾網(wǎng)由一段或多段編織網(wǎng)切成帶狀然后卷成筒狀。里面夾入陶瓷過(guò)濾紙后可以過(guò)濾非常細(xì)小的顆粒。一般，內(nèi)層使用粗絲網(wǎng)以防止燒斷，過(guò)渡層采用較細(xì)的網(wǎng)以便阻攔顆粒，最外層采用非常粗的網(wǎng)來(lái)增大排氣開(kāi)口。這種多層結(jié)構(gòu)有利于在過(guò)濾網(wǎng)的任何徑向位置加上陶瓷濾紙。這種結(jié)構(gòu)的每一個(gè)部分切割成特定的長(zhǎng)度和寬度，然后再組裝成一個(gè)可用的多層圓環(huán)點(diǎn)焊在一起。

編織卷制過(guò)濾網(wǎng)見(jiàn)圖3，主要特點(diǎn)見(jiàn)表2。

1.3 金屬絲纏繞過(guò)濾網(wǎng)

金屬絲纏繞過(guò)濾網(wǎng)由金屬絲螺旋纏繞而成，具有彎曲徑向過(guò)濾路徑的結(jié)構(gòu)。為了使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，纏繞絲被壓制成原來(lái)直徑的一半。這種壓平使得沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生了兩個(gè)平行的表面。當(dāng)螺旋纏繞時(shí)，壓平的表面互相層疊，因此在表面區(qū)域的每個(gè)相交點(diǎn)上的相互作用更加緊密。

纏繞過(guò)濾網(wǎng)可以通過(guò)改變螺旋角來(lái)改變孔隙率和通透度。這種特性使得過(guò)濾網(wǎng)得內(nèi)部可以有更加疏松的結(jié)構(gòu)，然后再過(guò)渡到過(guò)濾網(wǎng)中部的過(guò)濾結(jié)構(gòu)。最后外部非常疏松粗大的結(jié)構(gòu)為膨脹氣體從發(fā)生器氣孔排出提供了通道。

單層或多層的過(guò)濾網(wǎng)螺旋角和坡度都可以隨時(shí)改變，使得過(guò)濾網(wǎng)可在不同的軸向位置上創(chuàng)造出密集或者封閉區(qū)域。這種技術(shù)在引導(dǎo)氣流通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)以及在過(guò)濾網(wǎng)斷面阻止氣流上都非常有用。

金屬絲纏繞過(guò)濾網(wǎng)見(jiàn)圖4，主要特點(diǎn)見(jiàn)表3。

1.4 拉伸鋼板網(wǎng)

1.4.1 多組分拉伸鋼板網(wǎng)

多組分拉伸金屬軋制過(guò)濾網(wǎng)是由一種或者多種拉伸金屬壓制成圓筒狀。所使用的拉伸金屬是經(jīng)穿孔和拉伸過(guò)程制成的，并在這一過(guò)程中形成開(kāi)孔，而且材料通過(guò)模具同時(shí)完成穿孔和拉伸過(guò)程。

這些材料又經(jīng)過(guò)一套滾子軋到最終的厚度。開(kāi)孔的形狀、結(jié)構(gòu)和數(shù)量與所使用的模具有關(guān)。開(kāi)孔的形狀一般為三角形或菱形。這種類(lèi)型的過(guò)濾網(wǎng)有一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)就是在拉伸形式上沒(méi)有限制，有一些開(kāi)放的區(qū)域，并且整個(gè)過(guò)濾網(wǎng)可由不同類(lèi)型材料的混合與配合而成，有利于過(guò)濾網(wǎng)性能的調(diào)試。

與編織卷制過(guò)濾網(wǎng)一樣，所有層重疊然后必須在交聯(lián)處點(diǎn)焊以便形成可用的金屬帶。交聯(lián)處越多，焊點(diǎn)就越多，可能造成過(guò)濾網(wǎng)凸凹不平且不協(xié)調(diào)。

1.4.2 單組分拉伸鋼板網(wǎng)

可變拉伸鋼板網(wǎng)具有多組分拉伸金屬網(wǎng)的所有優(yōu)點(diǎn)并且改善了不足的地方。

可變拉伸鋼板網(wǎng)也具有金屬的穿孔和拉伸過(guò)程。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，使得改變鋼板孔距、拉伸長(zhǎng)度和孔徑成為可能。可以制造出每一層都有不同孔隙率的鋼板網(wǎng)，并且可以消除所有的層疊以及多部分焊接的問(wèn)題。

可變拉伸鋼板過(guò)濾網(wǎng)見(jiàn)圖5，主要特點(diǎn)見(jiàn)表4。

2 密度對(duì)發(fā)生器性能影響

過(guò)濾網(wǎng)對(duì)60L Tank P-t[3]曲線影響較大，同時(shí)對(duì)發(fā)生器火焰和殘?jiān)挠绊懸脖容^明顯。本文論述的氣體發(fā)生器使用針織壓制過(guò)濾網(wǎng)，試驗(yàn)表明在過(guò)濾網(wǎng)各參數(shù)中，影響發(fā)生器性能的關(guān)鍵因素為過(guò)濾網(wǎng)的密度。

2.1 對(duì)P-t曲線的影響

密度是過(guò)濾網(wǎng)的重要參數(shù)，定義為：

密度=（過(guò)濾網(wǎng)的質(zhì)量÷與過(guò)濾網(wǎng)體積相同的鋼的質(zhì)量）×100%

分別用密度為45%、50%、55%的過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試的P-t曲線見(jiàn)圖6所示。

從圖上看出，其他條件相同時(shí)，過(guò)濾網(wǎng)密度越大，各點(diǎn)壓力值就越低。這是因?yàn)槊芏仍黾雍?，過(guò)濾網(wǎng)重量增加，吸熱量增加，導(dǎo)致氣體溫度降低，故壓力就會(huì)隨密度增加而下降。

2.2 對(duì)火焰性能影響

為了試驗(yàn)對(duì)比的有效性，將使用不同密度過(guò)濾網(wǎng)的發(fā)生器壓力調(diào)整至相當(dāng)水平，如圖7所示。

使用高速攝像機(jī)分別對(duì)3種過(guò)濾網(wǎng)密度的發(fā)生器工作過(guò)程進(jìn)行拍攝，得到的發(fā)生器的火焰情況見(jiàn)圖8所示。

從圖上看出，過(guò)濾網(wǎng)密度為45%時(shí)，火焰長(zhǎng)度超出了USCAR標(biāo)準(zhǔn)要求的50 mm限制值，隨著過(guò)濾網(wǎng)密度的不斷增加，氣體發(fā)生器的火焰逐漸減少且長(zhǎng)度變短。說(shuō)明過(guò)濾網(wǎng)密度對(duì)消除火焰有著明顯的改善作用。

2.3 對(duì)殘?jiān)挠绊慬4]

發(fā)生器放在60L密閉容器內(nèi)點(diǎn)爆，對(duì)使用不同密度過(guò)濾網(wǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的殘?jiān)M(jìn)行收集并稱重，見(jiàn)表5所示：

從表中可以看出，發(fā)生器殘?jiān)娘w出量隨著過(guò)濾網(wǎng)密度的增加而降低。

另外，對(duì)發(fā)生器內(nèi)殼體上殘留的密封金屬箔進(jìn)行整理，見(jiàn)圖9所示。

從圖中可以看出，過(guò)濾網(wǎng)密度越大，發(fā)生器內(nèi)部殘留的密封箔越完整，說(shuō)明氣體通過(guò)高密度過(guò)濾網(wǎng)后溫度較低，對(duì)密封箔的燒蝕程度減弱。

3 過(guò)濾網(wǎng)工藝改進(jìn)探索

針織過(guò)濾網(wǎng)的制作工藝流程如圖10。

3.1 織網(wǎng)針數(shù)

氣體發(fā)生器用過(guò)濾網(wǎng)織網(wǎng)針數(shù)一般為24針、36針和44針，常用材料有優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼SAE1006和SAE1008，鋼絲直徑多用0.54mm和0.6mm兩種。隨著防銹技術(shù)的進(jìn)步，過(guò)濾網(wǎng)現(xiàn)采用非鍍鋅鋼絲。分別采用24針、36針、44針的過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看出，隨著針數(shù)的增加過(guò)濾網(wǎng)的徑向強(qiáng)度逐漸降低。

對(duì)不同針數(shù)的織網(wǎng)進(jìn)行分析。針數(shù)越多，針筒直徑就越大，織出的網(wǎng)套直徑也大。為了便于將網(wǎng)套裝入模腔，需要將大直徑的網(wǎng)套尺寸進(jìn)行收縮。例如44針的網(wǎng)套需要將網(wǎng)套直徑收縮成與24針網(wǎng)套直徑相近水平，如圖11所示。

通過(guò)將大直徑的網(wǎng)套收縮，可以提高過(guò)濾網(wǎng)圓周方向透氣的均勻性，但是應(yīng)該容易理解針數(shù)多的過(guò)濾網(wǎng)在徑向的變形能力會(huì)增強(qiáng)，這也解釋了針數(shù)越多，過(guò)濾網(wǎng)工作后的徑向變形量越大。也就是說(shuō)增加針數(shù)會(huì)引起兩個(gè)相互對(duì)立的后果。為了避免這種矛盾，通常是在過(guò)濾網(wǎng)外側(cè)增加一個(gè)沖有若干開(kāi)口的鋼板保護(hù)套來(lái)增加過(guò)濾網(wǎng)的徑向強(qiáng)度。

相反，針數(shù)較小時(shí)，過(guò)濾網(wǎng)的軸向均勻性會(huì)有所提高，同時(shí)不會(huì)帶來(lái)徑向強(qiáng)度的削弱。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足要求的情況下可以盡量降低過(guò)濾網(wǎng)針數(shù)。

3.2 卷網(wǎng)

針織過(guò)濾網(wǎng)在壓制之前都會(huì)進(jìn)行卷折處理，一般情況下是將按重量裁剪好的網(wǎng)套對(duì)折卷一次，如圖12所示。

過(guò)濾網(wǎng)壓制完以后，在表面上總是會(huì)存在隨機(jī)分布的通透孔隙，這種孔隙的大量存在會(huì)導(dǎo)致殘?jiān)康脑黾雍突鹧娴娘w出。這里通過(guò)增加卷網(wǎng)的次數(shù)，即增加層數(shù)后，過(guò)濾網(wǎng)上的出現(xiàn)空隙的情況得到較大的改善。通過(guò)試驗(yàn)證明，增加卷網(wǎng)層數(shù)后，發(fā)生器的一致性提高了20%。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了各種過(guò)濾網(wǎng)的制造工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)發(fā)生器設(shè)計(jì)中過(guò)濾網(wǎng)的選型具有指導(dǎo)意義。對(duì)使用針織壓制過(guò)濾網(wǎng)的發(fā)生器進(jìn)行了P-t曲線測(cè)試、火焰試驗(yàn)以及殘?jiān)占囼?yàn)，分析了過(guò)濾網(wǎng)密度對(duì)發(fā)生器各性能的影響情況，證明隨著過(guò)濾網(wǎng)密度的增加，氣體發(fā)生器火焰長(zhǎng)度及數(shù)量得到了極大的改善，殘?jiān)娘w出量減少，氣體溫度降低，這些變化有利于提高發(fā)生器對(duì)氣袋的適應(yīng)能力，尤其是適用于無(wú)涂層氣袋。過(guò)濾網(wǎng)制造工藝的改進(jìn)有助于提高發(fā)生器性能的一致性。

參考文獻(xiàn)

[1] SAE.USCAR-24[S].Issued 2006-06.

[2] ACS Industries，Inc. Developments in pyrotechnic inflator coolant/filters[J]. International Pyrotechnic Automotive Safety Symposium， 2009.

[3] AK LV03，Airbag-System Gas Generators Requirements and Test Conditions，1999.

[4] SAE J1794，Restraint Systems Effluent Test Procedure， 2011.