整車被動安全設(shè)計之氣囊設(shè)計

張路 林祥輝

極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

安全氣囊屬于被動安全范疇，既然是屬于被動安全，那么安全氣囊主要還是從被動的角度去保護(hù)駕乘人員。對于駕駛員，主要的約束系統(tǒng)是安全帶、安全氣囊、方向盤（含轉(zhuǎn)向管柱）、儀表板和座椅；對于副駕駛員則沒有轉(zhuǎn)向系的約束。整車碰撞時，一次碰撞是汽車和其它物體的撞擊，二次碰撞是車內(nèi)駕乘人員與車內(nèi)內(nèi)外飾的碰撞，約束系統(tǒng)則是避免或減少二次碰撞傷害的零部件，安全氣囊則是緩和碰撞傷害的關(guān)鍵部件。據(jù)統(tǒng)計，單獨使用安全氣囊可以減少18%的死亡率，與安全帶配合使用則可減少47%的死亡率。安全氣囊的使用，只能減少或降低乘客的傷害程度，需要配合其它約束系統(tǒng)一并使用。

對于沒有安全氣囊的車型，在進(jìn)行正面碰撞試驗時，通過整車耐撞性及部分約束系統(tǒng)的優(yōu)化，一般經(jīng)過多輪優(yōu)化，正碰還是可以通過法規(guī)的要求。若部分車型難以滿足法規(guī)，則大概率問題是出在頸部和頭部的傷害，這兩個位置的防護(hù)，把安全氣囊配置加上則不會再出現(xiàn)問題。安全氣囊要與安全帶等約束系統(tǒng)配合使用才能發(fā)揮最大作用，則在進(jìn)行安全氣囊的設(shè)計開發(fā)是，需要關(guān)聯(lián)其它的約束系統(tǒng)、統(tǒng)籌開發(fā)，如安全帶、座椅、兒童保護(hù)、內(nèi)飾件碰撞保護(hù)方面等等，還要考慮對氣囊系統(tǒng)有很大影響的其它方面的融合，如電磁兼容、粗糙路面、誤操作等。

2 基本原理

前文分析到，二次碰撞是駕乘人員與車內(nèi)內(nèi)外飾之間的碰撞，而氣囊就是在一次碰撞發(fā)生后、二次碰撞發(fā)生前，在人體與內(nèi)外飾之間爆出氣囊，承接住人體的碰撞能量，讓人體緩沖停止，從而達(dá)到保護(hù)乘員的目的。由于碰撞在一瞬間完成，整個車輛碰撞過程一般最長也不會超過200ms，一般在100ms 左右即結(jié)束；另外，還需要駕乘人員是緩和的與氣囊接觸，這都要求在氣囊上開排氣孔；這樣，當(dāng)駕乘人員和氣囊接觸時，排氣孔放氣既可以釋放沖擊動能，又可以解決氣囊震蕩而造成駕乘人員傷害的情況，這個排氣孔的設(shè)計則需要按需進(jìn)行實際標(biāo)定。

安全氣囊的工作過程如下：當(dāng)發(fā)生碰撞事故時，傳感器接受到整車加速度（減速度）信號，并傳遞給控制器（ACU 或MDS），控制器進(jìn)行運算處理判斷是否達(dá)到氣囊起爆的閾值；當(dāng)判斷已經(jīng)達(dá)到閾值，則發(fā)出氣囊點火信號以觸發(fā)氣體發(fā)生器，后點火并產(chǎn)生大量氣體給氣囊充氣。如果將氣囊在內(nèi)部高壓作用下沖破模塊面蓋的時刻定為0ms，約需10ms 的時間氣袋沖出，20ms 氣袋已基本展開，30ms 后氣袋完全充滿氣體，工作過程見表1 所示。整個過程控制要十分精準(zhǔn)，使得乘員與一個較柔軟的吸能緩沖物件相接觸，而不是與汽車內(nèi)飾件猛烈碰撞。

表1 安全氣囊工作過程表

氣囊動作時間極短，從開始充氣到完全充滿的時間約為30ms；從汽車受碰撞開始，到安全氣囊收縮為止，僅為120ms 左右，而人的眼皮眨一下所用時間約為300ms 左右。

安全氣囊首要考察的是可靠，可靠性不能通過，則更談不上安全。不該起爆充氣的時候打開氣囊稱之為誤點火或誤爆或誤作用；應(yīng)該點爆的時候沒有點爆是漏點火；點爆太晚則是遲點火；無論是誤作用、漏點火、還是延遲點火均是絕不允許的。這些不可靠性，首先要從設(shè)計的角度進(jìn)行多輪標(biāo)定與驗證；同時，為了防止電源線在碰撞中斷線、電池遭到破壞，系統(tǒng)中備有儲能電容或電池進(jìn)行冗余；為了檢測傳感器、電子電路、氣體發(fā)生器，還設(shè)計有故障診斷模塊，并設(shè)有信號燈予以顯示。

3 設(shè)計原則

安全氣囊是一個多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，集機械、電子、火藥、紡織、軟件于一體的產(chǎn)品，氣囊的控制又在毫秒級；同時，氣囊的點爆與車身結(jié)構(gòu)與性能也是相關(guān)聯(lián)（汽車的重量、結(jié)構(gòu)耐撞性等都會影響氣囊的設(shè)計參數(shù)）。故，氣囊的通用性是很差的，基本上都是專車專用。

在安全氣囊設(shè)計中，三要素是氣袋容積、壓力、排氣孔大??；重要的參數(shù)包括充氣時間、速度、壓力、溫度和氣體的質(zhì)量等；安全氣囊的工作過程十分復(fù)雜，在進(jìn)行氣囊設(shè)計時，需進(jìn)行綜合考慮：

1) 基礎(chǔ)曲線：這里所說的基礎(chǔ)曲線，是整車碰撞的加速度曲線。在進(jìn)行氣囊設(shè)計之前，需要采集目標(biāo)車型的整車加速度曲線，這個曲線代表了整車被動安全結(jié)構(gòu)這一方面的性能水平，同時為氣囊設(shè)計開發(fā)提供了依據(jù)（比如，需要依此標(biāo)定起爆與不起爆的閾值）；

2) 氣囊尺寸：氣囊的尺寸需要結(jié)合車型的具體空間、人機情況予以設(shè)定，當(dāng)然，在現(xiàn)有汽車行業(yè)大發(fā)展的進(jìn)展下，可以考慮先去尋找現(xiàn)有資源予以匹配；

3) 氣體發(fā)生器：發(fā)生器的設(shè)計需結(jié)合具體的氣囊標(biāo)定、氣囊尺寸、排氣與保壓特性先匹配；

4) 壽命：需結(jié)合整車設(shè)計開發(fā)壽命進(jìn)行設(shè)定；

5) 材料：氣囊的材料主要涉及氣囊金屬殼體、氣囊包的布料以及縫合線以及火藥等，金屬殼體一般是高強鋼、而火藥則是需要化學(xué)穩(wěn)定性高；

6) 氣袋的折疊方式：直接影響氣囊的展開過程，以致會影響對人體的沖擊程度；

7) 總布置：氣囊的布置位置、角度等。

4 氣囊開發(fā)試驗

4.1 基礎(chǔ)試驗與數(shù)據(jù)采集試驗：

首先進(jìn)行一個基礎(chǔ)試驗(BASE LINE)試驗（50km/h 正面碰撞、GB-11551 進(jìn)行，如果開發(fā)車型需要同時滿足ECE R94 的要求，則還應(yīng)進(jìn)行56km/h 的40%偏置碰撞試驗進(jìn)行評價），該試驗的試驗?zāi)康氖窃u定車身性能并采集車輛的加速度數(shù)據(jù)。如果BASE LINE 試驗完成，試驗結(jié)果的各項數(shù)據(jù)除了頭部、胸部、腿部傷害指標(biāo)外，均滿足GB-11551 要求，則會進(jìn)行設(shè)定速度的基礎(chǔ)碰撞試驗，同時，進(jìn)行各種壞路和誤操作試驗，采集相應(yīng)的加速度信號。

一般情況下，我們會在下面這些點裝測量加速度的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：左側(cè) A柱下部、右側(cè)A 柱下部、左側(cè)B 柱下部、右側(cè)B 柱下部、左側(cè)前排座椅下橫梁中點、右側(cè)前排座椅下橫梁中點、中央通道、ECU 頂部、ECU 側(cè)面、ECU 后部、右邊側(cè)碰傳感器安裝點、左邊側(cè)碰傳感器安裝點、ECU PCB 板（ECU 傳感器位置）、前 端結(jié)構(gòu)左側(cè)（衛(wèi)星傳感器位置）、前端結(jié)構(gòu)中部（衛(wèi)星傳感器位置）、前端結(jié)構(gòu)右側(cè)（衛(wèi)星傳感器位置）、油箱、發(fā)動機頂部、儀表板。通過在這些關(guān)鍵位置裝加速度傳感器，我們可以獲得試驗中瞬時的加速度數(shù)值，并擬合成曲線。

BASE LINE 試驗與數(shù)據(jù)采集試驗的目的是采集不同速度下車輛的加速度信號，為模塊參數(shù)優(yōu)化、SDM 標(biāo)定做準(zhǔn)備。（數(shù)據(jù)采集試驗包含基礎(chǔ)試驗）

4.2 臺車試驗階段：

臺車試驗即將所配車型的白車身、座椅、安全帶、儀表板、方向盤、轉(zhuǎn)向柱、組合開關(guān)等氣囊系統(tǒng)相關(guān)部件固定于一剛性平臺上，剛性平臺撞擊吸能緩沖器，模擬實車碰撞的具體形式，以確定氣囊系統(tǒng)與整車之間的匹配參數(shù)，視具體情況，臺車試驗會在產(chǎn)品開發(fā)過程中多次進(jìn)行。

臺車試驗的目的是根據(jù)第一階段基礎(chǔ)試驗中所采集到的各種車速時車輛的加速度值標(biāo)定SDM，優(yōu)化模塊參數(shù)；對安全氣囊系統(tǒng)樣件在不同的速度下、在碰撞臺架上的碰撞試驗中是否能夠達(dá)到乘員保護(hù)的要求進(jìn)行檢測并根據(jù)檢測結(jié)果對乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整直至完全符合要求，并確認(rèn)氣囊包形和最佳發(fā)火時間及驗證零部件結(jié)構(gòu)。

4.3 驗證試驗階段：

該階段的試驗?zāi)康氖球炞C安全氣囊系統(tǒng)能否改善乘員在碰撞中受到的傷害值，并確認(rèn)是 滿足標(biāo)準(zhǔn)或者預(yù)定要求（BASE LINE 試驗部分）；同時考察氣囊系統(tǒng)能否滿足在各種狀況（Misuse test、Fire/No fire、300 斜角碰撞試驗、柱撞試驗等）時不會出現(xiàn)誤爆，不爆等情況；根據(jù)驗證試驗情況可能會對系統(tǒng)進(jìn)行修正；最終會對系統(tǒng)進(jìn)行EMC（電磁兼容試驗）試驗。通過CAE 分析及Sled test 的使用，可最大限度的減少試驗整車數(shù)量及開發(fā)周期。

4.4 SDM/ACU 標(biāo)定:

◆ 安全氣囊的目標(biāo)點火時刻：

目標(biāo)點火時刻是指：也就是點火閥值，是控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，既不能早點火、也不能遲，需要精細(xì)標(biāo)定以達(dá)到剛剛好。這個點火閾值的大小需要與碰撞減速度進(jìn)行匹配，而碰撞過程瞬間完成，這個時間把握非常重要。

確定點火時刻：前文所述，安全氣囊需要配合其它約束系統(tǒng)進(jìn)行作用，那我們在進(jìn)行氣囊的設(shè)計時，還要聯(lián)合座椅、安全帶、方向盤、人體運動等的特性，只有明確了他們之間的相互作用，才能判斷點火時刻。另一方面，氣囊是個多學(xué)科綜合體，我們還需要研究氣囊自身的熱力學(xué)與流場問題，氣囊的作用是一邊產(chǎn)生氣體，一邊從排氣孔釋放氣體，同時還要承受駕乘人員的沖擊；第三，駕乘人員的實際坐姿是隨機的，安全氣囊對于此的保護(hù)也要有冗余設(shè)計，需要研究清楚氣囊形狀、內(nèi)部壓力、溫度等因素在氣囊展開過程中的相互關(guān)系。

◆ 目標(biāo)點火時刻的確定方法：

5in-30ms 準(zhǔn)則：這個是通用方法，30ms 是氣囊從點火到充滿氣體的時刻，對應(yīng)的是乘員向前移動5in。這個依據(jù)是：大多數(shù)轎車乘員與方向盤之間的間距為305mm，氣囊充氣后的厚度為178，氣囊從點火到充滿氣體的時間為30ms，這樣當(dāng)乘員前移127mm這一時刻的前30ms為最佳點火時刻。

4.5 其它試驗：

零部件性能試驗：

·· 方向盤性能試驗-硬度、泡沫層位斷延伸率、沖擊試驗、抗扭試驗、斷裂試驗、輪轂強度試驗、共振特性試驗、彈性變形試驗、固有頻率下耐久性試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、正弦波形載荷試驗、電氣性能試驗等；

·· 氣囊模塊性能試驗-硬度、靜態(tài)展開試驗（-35℃、23℃、+85℃）、跌落試驗、機械沖擊試驗等；

··螺旋電纜性能試驗-圈數(shù)、壽命、溫度交變、電氣性能等。

環(huán)境與性能試驗：

由于本開發(fā)程序假設(shè)ECU 硬件和氣體發(fā)生器采用成熟的己經(jīng)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此再不需要對ECU 硬件和氣體發(fā)生器進(jìn)行單獨的全部產(chǎn)品性能試驗。產(chǎn)品驗證試驗應(yīng)主要考核產(chǎn)品總成模塊的性能和實車碰撞性能。

氣囊模塊的性能需要外觀確認(rèn)后進(jìn)行，根據(jù)ISO-12097-2 的要求將主要考慮以下試驗項目：跌落測試、陽光輻射模擬、鹽霧試驗；機械沖擊、振動溫度循環(huán)試驗、粉塵試驗；熱度濕度循環(huán)、溫度沖擊試驗、靜態(tài)展開試驗等。

臺架試驗：

全部氣囊系統(tǒng)零部件（方向盤、氣囊模塊、螺旋電纜、線束、ECU）等）及相關(guān)零部件（轉(zhuǎn)向柱管、組合開關(guān)、儀表臺等）按實際生產(chǎn)狀態(tài)完整裝配于臺架上，模擬實車在實際運行狀況下的振動狀態(tài)，檢驗氣囊系統(tǒng)部件是否發(fā)生共振、松動、磨損等問題。此實驗需要搭載主機廠臺架試驗進(jìn)行。

注意事項：

安全帶與座椅等法規(guī)件需要通過強檢合格后才可進(jìn)行氣囊匹配試驗（基礎(chǔ)試驗、數(shù)據(jù)采集試驗、臺車試驗、驗證試驗），防止因為全帶與座椅本身問題導(dǎo)致約束系統(tǒng)的失效，影響全系統(tǒng)的開發(fā)。

5 試驗矩陣

試驗矩陣表因市場、法規(guī)、平臺、車型不同而有差異，以下信息影響試驗矩陣及資源需求配置的制定：

表2 雙氣囊標(biāo)定試驗矩陣

布置形式：前艙X 向間距、乘員艙約束系統(tǒng)布置。

若前艙X 向空隙間距增大，可能會導(dǎo)致碰撞加速度峰值減小，點火時刻因此可能會延遲，碰撞時假人的運動位置和速度會發(fā)生變化，假人接觸氣囊的時刻發(fā)生變化，從而影響安全氣囊系統(tǒng)對假人的保護(hù)效果。低門限為不起爆門限，因此在這種情況下應(yīng)該更不會起爆。所以此處可不進(jìn)行低門限試驗的驗證，但需要進(jìn)行高門限的驗證。其次，若在前艙前部兩側(cè)的布置形式發(fā)生變化，則還需要再進(jìn)行300 角碰驗證。

約束系統(tǒng)布置形式發(fā)生較大變化，也需要重新進(jìn)行氣囊匹配，甚至?xí)绊懙綒饽椅锢硇螒B(tài)的變化。如方向盤安裝角度及前后距離的變化、座椅高度及前后位置變化、安全帶形式的變化都會影響到氣囊對乘員的保護(hù)效果。

車身結(jié)構(gòu)：主要考察車身前部結(jié)構(gòu)，如依維柯由客車改廂式貨車——氣囊可通用，而由客車改卡車則要視情況而定（特別是單排貨車，車身上部的力傳遞特性已變化）。車身結(jié)構(gòu)一面影響到前部變形形態(tài)，一面影響到碰撞加速度波形。相對于客車和卡車，只是后部結(jié)構(gòu)有差異，重點影響的是加速度波形，若碰撞特性變化不大則可通用。

整車質(zhì)量：氣囊開發(fā)主要考察的是空載狀態(tài)下的整車安全，整車質(zhì)量的大小對整車耐撞性能及氣囊標(biāo)定有重大影響，一般質(zhì)量差別在5%以內(nèi)可視同（但絕不可超過8%）。

正面碰撞安全氣囊標(biāo)定時，是以Hybrid Ⅲ 50%男性假人作為設(shè)計依據(jù)的，也就是說此安全氣囊對此型號人的保護(hù)效果最好，對于95% 的人保護(hù)弱一些，對小個子人的保護(hù)效果更差，但具體保護(hù)效果的差別還有待進(jìn)一步的研究。以雙氣囊為例，試驗矩陣示例如表2 所示。

6 總結(jié)

在設(shè)計安全氣囊過程中，還需注意其它的一些事項：氣囊的設(shè)計與標(biāo)定很復(fù)雜且精準(zhǔn)，一款氣囊及其程序匹配一款車型；ACU/MDS 的位置布置要選擇碰撞后不變形、或變形小、且能夠很好接收碰撞信號的位置、且其周圍沒有其它部件干擾、不會有其它部件、物體、液體等的侵入；時鐘彈簧、線束與氣囊等的接口要對接可靠，且必須要有自鎖能力。試驗車及試驗零部件狀態(tài)一致性要好，最好選用工裝件，特別是車身不能在試驗時或者試驗后有大的更改。