乘用車前排乘客席安全氣囊蓋板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

安惠楠，肖 博

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300457)

1 安全氣囊蓋板的材料

1.1 材料種類

軟質(zhì)安全氣囊蓋板材料主要有四大類：共聚聚酯彈性體(TPEE/COPE)、TPO、PVC和熱塑性聚氨酯(TPU)。硬質(zhì)材料主要有2類：聚丙烯和PVC/ABS吸塑復(fù)合片材[1]。

下面主要介紹安全氣囊蓋板最常用的TPO材料特性。TPO一共有4種，暫且把它稱為1A、1B、2、3。其中1A適用于駕駛席氣囊罩、乘員席氣囊蓋板(含有撕裂線)；1B適用于駕駛席氣囊罩、員席氣囊蓋板(含有撕裂線)、側(cè)氣簾氣囊盒；2和3種適用于乘員席氣囊蓋板(門式)及安裝在PILLA內(nèi)的側(cè)氣簾。

TPO材料的品質(zhì)要求相關(guān)，詳情參見表1。

表1 TPO材料的品質(zhì)要求 Tab.1 Quality requirements for TPO materials

1.2 材料評價(jià)要求

氣囊蓋板材料評價(jià)要求分為材料物性要求和零件性能試驗(yàn)要求。

①材料物性要求：密度、材料拉伸試驗(yàn)、缺口沖擊試驗(yàn)、洛氏硬度R級、霧度及阻燃性試驗(yàn)等。

②零件性能試驗(yàn)要求：氣味性試驗(yàn)、耐熱試驗(yàn)、耐光性試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、冷熱循環(huán)試驗(yàn)、燃燒性試驗(yàn)、霧化性試驗(yàn)、VOC試驗(yàn)、SOC試驗(yàn)等。

因?yàn)闅饽疑w板處于日光光照范圍，所以對光照實(shí)驗(yàn)有嚴(yán)格要求。通過50倍的顯微鏡觀察樣品照射表面的微裂紋等與試驗(yàn)前的狀態(tài)是否有不同，進(jìn)行褪色目視判定，用判定等級表示試驗(yàn)片的變褪色程度。

1.3 材料性能試驗(yàn)

①耐熱老化性試驗(yàn)，熱老化后的拉伸試驗(yàn)：將試驗(yàn)片放入設(shè)定為(110±2)℃的恒溫槽內(nèi)，放置2 400 h后立即取出并在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為(23±2)℃及(-10±2)℃。

②熱老化后彎曲試驗(yàn)：將試驗(yàn)片放入設(shè)定為 (110±2)℃的恒溫槽內(nèi)，放置2 400 h后立即取出并在室溫下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為(23±2)℃及 -102℃。

③熱老化后沖擊試驗(yàn)：將試驗(yàn)片放入設(shè)定為 (10±2)℃的恒溫槽內(nèi)，放置2 400 h后立即取出并在室溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為232℃及(-30±2)℃。

2 安全氣囊蓋板的結(jié)構(gòu)類型

安全氣囊蓋板的結(jié)構(gòu)類型按照弱化線形式通常分為3種。

①U型：弱化線型式為U型，由于沒有門朝乘員側(cè)打開，可以避免門打到乘員的風(fēng)險(xiǎn)，另外U型門還能對氣袋起到一定的導(dǎo)向作用。但由于氣囊爆破時(shí)門蓋旋轉(zhuǎn)半徑較大，有時(shí)可能很難避門蓋打前擋玻璃。圖1為U型氣囊門。

圖1 U型氣囊門 Fig.1 U-shape airbag panel

②H型：弱化線型式為U型，H型門減小了單扇門的旋轉(zhuǎn)半徑，有效避免了氣囊門打前擋玻璃的風(fēng)險(xiǎn)，但由于有一扇門是朝乘員打開，需要校核位置，以避免對乘員的傷害。圖2為H型氣囊門。

圖2 H型氣囊門 Fig.2 H-shape airbag panel

③Y型：弱化線型式為Y型，一種新型氣囊門型式，門蓋有3扇門，一扇向前打開，另外2扇分別向兩側(cè)打開?？梢员苊鈱Τ藛T的傷害，但由于氣囊在橫向的尺寸一般比較大，外側(cè)門蓋也比較難避免打到玻璃。結(jié)構(gòu)和工藝比較復(fù)雜。

氣蓋板弱化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和鉸鏈強(qiáng)度必須控制在合理范圍內(nèi)，弱化結(jié)構(gòu)和鉸鏈太強(qiáng)，則氣囊門會(huì)延時(shí)打開，造成氣囊袋完全充滿之前就與乘員接觸，起不到保護(hù)乘員的目的。如果弱化結(jié)構(gòu)和鉸鏈太弱，則鉸鏈易發(fā)生斷裂，氣囊門飛向乘員，對乘員造成傷害[2]。

3 產(chǎn)品制造工藝對設(shè)計(jì)的要求

3.1 安全氣囊蓋板的安裝形式

安全氣囊蓋板的安裝形式通常有3種：一種是直接利用儀表板骨架作為安全氣囊門，也就是當(dāng)注塑骨架完成以后(或發(fā)泡完以后)直接在骨架上做弱化；另一種是安全氣囊蓋板作為單獨(dú)的一個(gè)零件，注塑完以后和骨架焊接或者鉚接，裝配之后與骨架一同發(fā)泡，發(fā)泡完成后再進(jìn)行撕裂線處的弱化[3]；最后一種是做分件處理，即氣囊蓋板區(qū)域使用獨(dú)立的零件，這種形式目前應(yīng)用較少。

3.2 氣囊蓋板的弱化處理工藝

在氣囊蓋板的設(shè)計(jì)中，為保證氣囊爆破能順利的展開，一般會(huì)對氣囊蓋板的氣囊沖出區(qū)域進(jìn)行特殊的處理，使其降低強(qiáng)度，以保證氣囊爆破過程中優(yōu)先斷裂展開。

常見的弱化處理方法包括激光弱化、冷刀弱化等。弱化處理的關(guān)鍵工藝參數(shù)是殘余厚度，殘余厚度太小表面痕跡明顯，殘余厚度太大又可能造成氣囊門不能順利打開。一般都是在優(yōu)先滿足爆破性能的基礎(chǔ)上對外觀有一定的犧牲。

3.3 澆口的布置

澆口位置、澆口數(shù)量等模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)在很大程度上影響氣囊蓋板的性能。澆口位置對熔接線也有很大的影響。通常對于氣囊蓋板來講，一般設(shè)置 2個(gè)澆口，沿著撕裂線上下或左右分布。可以先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)澆口位置，然后通過模流分析逐步改善。某車型氣囊蓋板的左右2個(gè)澆口布置如圖3所示。

圖3 澆口位置示意圖 Fig.3 Gate location

3.4 熔接痕與產(chǎn)品外觀

熔接痕是指產(chǎn)品注射過程中兩股以上熔融樹脂流相匯合，熔料在界面處未能完全熔合，彼此不能熔為一體，造成熔接痕跡，如此所產(chǎn)生的細(xì)線狀缺陷。熔接痕的位置將影響零件的表面質(zhì)量、機(jī)械性能，嚴(yán)重的還會(huì)影響氣囊蓋的點(diǎn)爆性能。澆口也對熔接痕的形成有很大影響，可以通過改變澆口的數(shù)量和位置來調(diào)節(jié)熔接痕的位置。氣囊蓋打開時(shí)鉸鏈處不允許存在熔接痕，位置如圖4所示。另外，氣囊爆破時(shí)，為避免氣囊盒飛出，與氣囊發(fā)生器搭接的位置也應(yīng)保證強(qiáng)度，不能出現(xiàn)熔接痕，如圖5所示。

圖4 表面熔接痕不可位置 Fig.4 No weld line location

圖5 開口處熔接痕不可出現(xiàn)位置 Fig.5 No weld line location of clamping

圖6顯示了氣囊蓋板外觀不良問題，白色線處發(fā)生流痕，下面對流痕進(jìn)行說明。

圖6 氣囊蓋板流痕 Fig.6 Airbag panel flow mark

外周的形狀為板厚4 mm，內(nèi)部的板厚為2 mm，有壁厚差。在CAE分析中也可以確認(rèn)流動(dòng)速度的差異，因?yàn)閮烧叩谋诤翊嬖诓町?，一股溶膠在流速上存在差異，使其形成一定夾角，故成型后表面顯示一條膠位流出痕跡。

“熔接痕”指在具有相對于多點(diǎn)澆口或流動(dòng)方向分開的形狀的情況下，產(chǎn)生2個(gè)方向的流動(dòng)，導(dǎo)致流體互相的表層碰撞。此零部件中，相對于2點(diǎn)澆口，沒有對流方向(縱向)的熔接痕，這是調(diào)整成型條件的結(jié)果(可以對應(yīng)樹脂溫度低，射出速度低)。由于雙方表層的樹脂溫度都進(jìn)行了調(diào)整，既沒有熔接外觀問題，也沒有樹脂的結(jié)合強(qiáng)度(樹脂密度)問題。這次將對橫向外觀不良進(jìn)行驗(yàn)證。

氣體產(chǎn)生的圖像截面如圖7所示。流動(dòng)是指樹脂從“厚的空間向狹窄的空間”流動(dòng)。因?yàn)槿苣z跑進(jìn)狹窄的地方，所以從整流變成湍流，流動(dòng)混亂。這種湍流會(huì)在樹脂內(nèi)部產(chǎn)生剪切發(fā)熱，進(jìn)而產(chǎn)生氣體。另外，跑進(jìn)狹窄部位的樹脂會(huì)加速流動(dòng)，由此會(huì)產(chǎn)生樹脂的流速差。在有偏壁板厚的情況下，會(huì)產(chǎn)生上述的樹脂流動(dòng)變化點(diǎn)，結(jié)果會(huì)向外觀產(chǎn)生氣體圖案的轉(zhuǎn)印。由于TPO材料特別富含橡膠成分，其特征是氣體產(chǎn)生量比PP材料多。

圖7 氣體產(chǎn)生的截面 Fig.7 Section of gas generation

速度快的樹脂拉慢的樹脂表示了樹脂之間一邊拖著一邊流動(dòng)的現(xiàn)象。盡管彼此的樹脂溫度不變，交聯(lián)溫度(樹脂的結(jié)合)不變，強(qiáng)度和密度沒有變化，但是產(chǎn)生的氣體因?yàn)闆]有退路，所以被推向溫度低的表面?zhèn)?，結(jié)果氣體被轉(zhuǎn)印到設(shè)計(jì)面上。一般來說，我們對于熔接痕和流痕的不同，作為看清熔接痕→一條直線的花紋、流痕→波形的線的基準(zhǔn)，在試作時(shí)候分為不良層，如圖8所示。因?yàn)槭遣ɡ诵螤畹木€，所以驗(yàn)證了流痕及之前的假說。

圖8 氣體產(chǎn)生的截面 Fig.8 Section of gas generation

由于需要在流痕部位確認(rèn)斷裂強(qiáng)度，有必要通過拉伸試驗(yàn)確認(rèn)斷裂面是否為流痕產(chǎn)生的部位、斷裂強(qiáng)度是否滿足規(guī)格要求。

通過樹脂斷裂強(qiáng)度的評價(jià)結(jié)果評價(jià)過程從略?？梢宰C明流痕只是產(chǎn)品外觀發(fā)生不良，對強(qiáng)度并沒有影響。

4 氣囊爆破性能確認(rèn)

氣囊工作過程簡單描述：碰撞時(shí)，空氣囊傳感器檢測撞擊強(qiáng)度，引燃器點(diǎn)燃增強(qiáng)劑和氣體發(fā)生劑顆粒，產(chǎn)生大量氣體使氣囊膨脹，減少對乘員的撞擊，然后迅速通過袋子背后的排放孔泄出。這就減少了對氣囊的撞擊力，并且確保了適當(dāng)?shù)囊曇啊?/p>

碰撞時(shí)間→0 ms；遇到碰撞→10 ms；點(diǎn)火引爆開始充氣→40 ms；氣囊充滿人體前移→60 ms；排氣節(jié)流吸收動(dòng)能→110 ms；人體復(fù)位恢復(fù)視野→120 ms；危害解除車速為0。

試驗(yàn)方法如下所示：

①將儀表板總成安裝于車頭工裝；②常溫點(diǎn)爆，在23℃下氣囊點(diǎn)爆；③高溫點(diǎn)爆，在75℃的條件下存放4 h，使用加熱毯加熱儀表板表面至102℃并保持5 min，并使用風(fēng)扇對前擋風(fēng)玻璃吹風(fēng)，撕去加熱毯，當(dāng)儀表板表面溫度降低至(93±3)℃時(shí)進(jìn)行點(diǎn)爆；④低溫點(diǎn)爆，在-30℃的條件下存放4 h，將儀表板拉出環(huán)境箱， -等待表面溫度上升至20℃時(shí)候進(jìn)行氣囊的點(diǎn)爆。

試驗(yàn)要求：無硬質(zhì)碎片飛出；氣囊門的打開不影響氣袋的正常打開；進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

5 氣囊爆破的失效案例及預(yù)防方法

為了安全，不要在氣囊的前方、上方或近處放置物品，這樣有時(shí)候卻會(huì)帶來一些隱患。如在中控臺(tái)或儀表板上放置一些雜物，一旦遇到事故，氣囊打開，這些東西都會(huì)隨著打開的氣囊拍到前排乘客的臉上，造成二次傷害。乘車時(shí)與氣囊保持合適的距離，氣囊膨開時(shí)爆發(fā)力很大，而且比一眨眼的時(shí)間還短。如果離氣囊太近，例如身體前傾，可能會(huì)受到嚴(yán)重傷害。在撞車前和撞車過程中，安全帶可以保持住您的位置。因此，即使有氣囊，也要系好安全帶。

以下列舉一些氣囊爆破失效的案例。

5.1 低溫實(shí)驗(yàn)——IP前部在氣囊門沖擊下破裂并有碎片飛出

如圖9所示，失效機(jī)理：材料在-30℃低溫下韌性急劇下降，受到氣囊門爆破力的沖擊而出現(xiàn)破裂，并有硬質(zhì)碎片飛出。

圖9 碎片飛出 Fig.9 Debris flying out

改進(jìn)方法：檢查材料的彈性體含量及厚度；加強(qiáng)氣囊門鉸鏈的結(jié)構(gòu)，增加厚度到2.3～2.8。

前期預(yù)防：監(jiān)控原材料質(zhì)量波動(dòng)(如在IVMRD前進(jìn)行Multiaxial Impact@Cold Temperature)。

5.2 氣囊門在handimpact實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋

失效機(jī)理：材料弱化后強(qiáng)度低，在落球沖擊下出現(xiàn)破裂。

改進(jìn)方法：增加產(chǎn)品弱化的殘余厚度；調(diào)整深淺孔的比列。

前期預(yù)防：IVMRD之前進(jìn)行Hand Impact實(shí)驗(yàn)。

5.3 低溫實(shí)驗(yàn)——本體與氣囊門脫焊飛出

失效機(jī)理：本體與氣囊門焊接受到剪切力發(fā)生脫焊。

改進(jìn)方法：調(diào)整焊接熔深到1.2 mm；調(diào)整氣囊弱化線位置，避免本體受剪切。

前期預(yù)防：IVMRD之前進(jìn)行GMW16610 PAB Chute Weld Test。

5.4 高溫實(shí)驗(yàn)——IP表皮無規(guī)律地沿縫線和弱化線處撕開

如圖10所示，失效機(jī)理：表皮的發(fā)泡層強(qiáng)度較弱，使得表皮在氣囊爆破過程中易與發(fā)泡層撕裂。

改進(jìn)方法：改善表皮發(fā)泡層的強(qiáng)度；使用裝飾壓條控制表皮沿弱化邊先撕開。

前期預(yù)防：BP(控制撕裂線與縫線距離)。

圖10 撕開 Fig.10 Tear seam

5.5 低溫實(shí)驗(yàn)——?dú)饽议T蓋與擋風(fēng)玻璃干涉后斷裂飛出

失效機(jī)理：氣囊門翻開后與玻璃的干涉量太大約55 mm。

前期預(yù)防：BP(控制氣囊門蓋與玻璃干涉量)。

5.6 高溫實(shí)驗(yàn)——儀表板骨架破裂并有碎片飛出

失效機(jī)理：IP骨架弱化線至PAB chute焊接筋的設(shè)計(jì)距離過長(比BP要求長2 mm左右)，導(dǎo)致“懸臂”結(jié)構(gòu)過長，在爆破過程中易破裂。

改進(jìn)方法：撕裂線前移以減小撕裂線和骨架焊接筋之間的距離。

前期預(yù)防：BP(控制焊接筋懸臂長度)。

5.7 高溫實(shí)驗(yàn)——乘員側(cè)除霜除霧風(fēng)口飛出

失效機(jī)理：格珊與IP骨架有定位問題；snap卡接量不足。

改進(jìn)方法：Tuning格珊定位筋；增加snap卡 接量。

前期預(yù)防：P-spec(控制除霜除霧格珊點(diǎn)爆實(shí)驗(yàn)前及老化后拉脫力)-Ongoing

6 結(jié) 語

通過闡述前排乘客席氣囊蓋板的設(shè)計(jì)原理、材料選擇、氣囊蓋板打開型式、安裝型式、澆口及熔接痕位置、流痕位置及氣囊的失效模式、失效案例和預(yù)防方法等內(nèi)容，總結(jié)寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)自主設(shè)計(jì)開發(fā)氣囊蓋板提供了技術(shù)支持。