側氣簾系統試驗中的開發研究

馮 靜

（北汽股份汽車工程研究院，北京 101300）

0 引 言

隨著汽車被動安全系統的發展，車內安全氣囊的種類和數量都逐漸增加[1]。側氣簾[2]，也稱作簾式氣囊、頭部氣囊或頂梁氣囊，漸漸成為高檔轎車和高配中小型轎車的必要配置。側氣簾布置在車身上邊梁內板和頂蓬之間[3]。在車輛發生側面碰撞時，側碰傳感器感知到外部撞擊，向氣囊控制器發布信號，控制器對信號進行分析和判斷，若撞擊達到了起爆要求，控制器會控制點火機構觸發氣體發生器，使氣袋充氣形成柔軟的氣墊，起到緩沖和吸能作用，從而保護各排外側乘員的頭部和頸部[4]。

側氣簾與周圍的車身鈑金和內飾件（如頂蓬及其附件、立柱飾板等）共同構成側氣簾系統。側氣簾展開速度非常快，通常在十幾毫秒甚至幾毫秒以內完成充氣并迅速膨脹，占據周圍空間[5]。對于中小型轎車來說，車內空間較局促，側氣簾附近的零件布置得較緊湊，側氣簾的展開空間受到周邊零件的限制，側氣簾也會對這些零件產生一定沖擊。若此沖擊力過大會造成周邊零件失效，主要失效形式有：頂蓬大面積撕裂甚至脫落、頂蓬扶手松脫飛出、A柱飾板局部碎裂等。失效零件上快速飛濺出的碎片會在發生碰撞時直接對乘員造成傷害或對車內設備造成破壞，進而導致乘員受傷甚至身亡。同時，國標中規定碰撞時和碰撞后，“所有內部構件在脫落時均不得產生鋒利的凸出物或鋸齒邊，以防止增加傷害乘員的可能性”[6]。為避免零件失效傷害乘員，保證車輛零部件滿足國標，需要在車型開發過程中，讓側氣簾在實車環境中展開，以評價系統內零件的結構完整性和系統總體性能，預防零件缺陷。

由于實車碰撞試驗成本高、試驗準備周期長、試驗環境不易調控等弊端，在車型開發的過程中，為了驗證側氣簾系統的性能和系統內零件結構的完整性，國際上各大主機廠（如通用[7]、大眾[8]）和國內很多自主品牌車企都會進行側氣簾在系統中的靜態展開試驗[9]（以下簡稱“側氣簾系統試驗”），用成本低、周期短的系統模擬試驗代替實車碰撞試驗。同時，由于系統試驗可以在高、低溫試驗箱中進行，模擬極寒、極熱環境，可通過該試驗驗證側氣簾系統和系統中的零件在極端環境中的性能。

在一款自主品牌轎車的開發過程中，為考察側氣簾系統性能，做到缺陷預防，組織供應商進行了側氣簾系統試驗。試驗在代表整車狀態的白車身上進行，同時按實際裝車狀態裝配頂蓬、扶手、眼鏡盒、遮陽板、ABC柱飾板等零件。試驗在常溫（+23℃）、低溫（-35℃）和高溫（+85℃）的環境中分別進行，需要使用環境倉。為使白車身大小適應環境倉的尺寸，試驗前需對白車身進行切割和加固。以下對試驗中頂蓬、頂蓬扶手和A柱飾板的失效情況和整改措施的形成、實施與驗證過程進行詳細的分析和研究。

1 頂蓬失效問題的整改研究

在常溫試驗中，頂蓬發生前部大面積撕裂（圖1）、側氣簾發生器附近形成大鼓包（圖2）、整體掀起脫落（圖3）等失效。同時，頂蓬掀起位置高于固定在頂蓬上的扶手、眼鏡盒等附件，給了附件很大的沖擊，導致附件被頂蓬帶下（如圖 1、圖 3）。

側氣簾充氣從頂蓬與門框密封條和立柱飾板之間沖出的同時，頂蓬也會從密封條與立柱飾板中脫出，頂蓬邊緣會向車輛內側翻折，給側氣簾留出一定的展出空間。為了控制頂蓬的翻折位置，需要在頂蓬內表面設計弱化線，弱化線通過將厚度減薄到原來的 1/3到 1/2來實現。弱化線處強度相對周圍弱，受力后，易于屈服，使頂蓬沿此線翻折。整改前頂蓬弱化線如圖4所示。

通過仔細觀察試驗錄像，可以發現頂蓬在側氣簾展開時并沒有按設計的弱化線翻折，而是根據頂蓬型面隨意翻折（如圖 1～圖3）。由圖 4可見，由于弱化線在安裝扶手的凹坑處被打斷，沒有形成連續線條；且凹坑在一定程度上起到了“加強筋”的作用，使弱化線被打斷處強度加大，因此頂蓬完全無法按設計意圖翻折，阻礙了側氣簾的正常展出，側氣簾充氣后只能從頂蓬邊緣硬擠出來，給頂蓬外側很大壓力。在膨脹氣袋的作用下，頂蓬在凹坑以上任意翻折，有時翻折線甚至延伸到天窗邊緣（如圖 2），造成頂蓬各種形式的失效。

針對上述問題，經與頂蓬工程師進行交流，降低弱化線的位置，避開扶手凹坑，使弱化線連續。整改后的頂蓬弱化線數據狀態和實物狀態分別如圖5和圖6所示。弱化線中部曲線是為在裝配時避開B柱飾板而設。

通過試驗驗證，整改后的頂蓬可沿弱化線翻折，在側氣簾展出的位置按設計脫出，側氣簾完全展開后，頂蓬整體保持原有的姿態。同時，也改善了頂蓬扶手脫落問題，配合扶手自身整改，解決了扶手失效問題。試驗后頂蓬狀態見圖7。隨后，進行了高溫和低溫系統試驗，頂蓬均未出現失效，說明側氣簾系統中頂蓬失效問題整改成功。

2 頂蓬扶手失效問題的整改研究

在常溫試驗中，頂蓬扶手脫落（如圖8所示），通過對試驗后頂蓬上扶手殘留物（圖9）和失效扶手樣件（圖10）的分析，可以看出扶手脫落是由于扶手底座撕裂造成的。

由圖10可見，扶手底座沿兩個相互垂直面的過渡處撕裂。由于折角位置壁厚不連續，導致應力集中，強度變弱，受到沖擊時，發生失效。對于上述問題，對扶手底座進行了結構優化，在底座外表面增加R1的圓角（如圖11），使壁厚過渡較為均勻，一定程度上減小了應力集中，增強了扶手底座抗沖擊能力。

然而，在整改件驗證試驗中，扶手仍然脫落。可見結構的細微變化并不能根治樣件缺陷。同時，通過與材料工程師溝通，得知扶手底座所用材料為增強尼龍PA6+GF30。該材料力學性能中等，且廣泛應用在汽車頂蓬扶手的生產上。在目前的成本壓力下，以現供應商的實力，已無法對材料本身的強度和韌性進行提升。

因此，我們必須換個思路來解決這個問題。研究可能造成扶手底座碎裂的原因，可分為內因和外因：內因是底座材料力學性能差和結構缺陷；外因是沖擊力大。如今內部整改已不可行，只能從外部下手，通過減小扶手受力解決問題。為保證側氣簾充氣時間和展開形態，滿足乘員保護要求，氣袋充氣速度和發生器充氣孔尺寸和位置都不能變化，故側氣簾起爆產生的沖擊力的強度和方向都固定在一定范圍內。如果要減小扶手底座所受的力，只能在底座與側氣簾氣袋之間增加導向和緩沖機構，一方面可以限制氣袋的展開方向，減少充氣早期氣袋 Y方向的膨脹，另一方面擋板的彈性變形可以吸收部分能量，起到緩沖作用。

通過與供應商和頂蓬附件工程師的溝通，將擋板設計成一個鈑金折彎件，并通過焊接方式固定在原扶手支架上。第一版帶擋板的扶手支架見圖12。側氣簾與頂蓬和扶手支架的布置關系在圖13中表示。驗證試驗中，擋板對扶手的保護效果良好。但是，由于擋板為手工件，邊緣未處理到位，存在毛刺；在氣袋展開時，將氣袋割破。針對此問題，對擋板邊緣進行了翻邊處理（如圖14）。翻邊方向與擋板接觸氣袋方向相反，使擋板與氣袋接觸的表面平滑，避免劃傷氣袋。

通過試驗驗證，翻邊效果良好。在常溫試驗整改到位后，依次進行了高溫試驗和低溫試驗。高溫試驗中，高溫氣體膨脹會更加劇烈，使沖擊力變大。但令人欣喜的是，扶手支架擋板發揮了作用，扶手在高溫試驗中并未發生失效。

然而，在低溫試驗中，扶手再次脫落，失效形式與常溫時一致。通過分析和研究，得出失效原因為：在低溫時雖然發生器氣體膨脹程度會有所減弱，沖擊力減小，但塑料在低溫時會變脆，韌性和強度下降較大，使底座的抗沖擊能力下降，更易發生失效。

為提升扶手支架擋板對扶手底座的保護性能，進行了兩方面的改進：1）在保證不與周邊件干涉的前提下，盡可能增大支架擋板的 X向和 Z向長度，增加擋板的導向性并擴大擋板的保護范圍。前排支架擋板X向增至238 mm，后排支架擋板X向增至255 mm，Z向均增至30 mm；2）在擋板鈑金上增加2條加強筋（如下圖15所示），提高擋板的強度，增強保護能力。由此形成第二版帶擋板的扶手支架。前后扶手支架手工件的裝車狀態如圖16。量產后，采用工裝和焊裝夾具生產的擋板可以保證邊緣質量，確保無毛刺，因此去掉了翻邊設計。量產狀態的第二版帶擋板的扶手支架如圖15所示。

經過試驗驗證，第二版帶擋板支架對扶手的保護性能很好。試驗完成后，扶手未脫落。試驗后扶手狀態如圖17所示。底座處沒有任何裂痕，說明底座基本沒受到沖擊。至此，通過整改頂蓬、扶手本身和增加扶手支架，頂蓬扶手失效問題完全整改到位。

3 A柱飾板失效問題的整改研究

A柱飾板在常溫試驗和高溫試驗中，均能保證性能和結構完整，而在低溫試驗中，因為材料性能惡化，上端下側發生碎裂（如圖18）。

在側氣簾展開時，為了確保氣袋的形狀和位置，側氣簾的前端需要設置拉帶。拉帶一端縫制在氣袋邊緣，另一端通過固定片用螺栓固定在 A柱上。通常情況下，拉帶位于A柱飾板內。在側氣簾展開時，拉帶從A柱飾板上端與門框密封條間擠出并拉直，拉出后狀態如圖19所示。

由圖19可見，拉帶展出的位置與A柱飾板碎裂的位置重合。因此可以推定，拉帶拉出時對 A柱飾板上端造成沖擊。A柱飾板的材料為PP+EPDM-T20，常溫時力學性能十分優異。但由于塑料件固有的缺陷，低溫時材料性能退化，較易破碎，導致零件失效。

要解決上述問題，可以從材料和結構兩方面入手。與扶手底座一樣，在成本壓力下，更改材料的路行不通，只能從優化結構下手。若在拉帶拉出的過程中，A柱前端在受到拉帶擠壓時可以產生彎曲變形，給拉帶讓出空間，就可以避免被拉帶打碎。A柱飾板背面為了防止樣件變形，設置了加強筋（如圖 20左側），這些加強筋直接導致飾板局部過硬，難于變形。手工削去該區域的加強筋（如圖20右側）后，進行了試驗驗證。

試驗結果證實：在低溫試驗時，拉帶在拉出過程中，飾板上端下側可以被拉帶彈開，空出拉帶拉出空間。試驗后，飾板保持完整。整改后試驗結果見圖21。同時，A柱飾板去筋后樣件也無變形現象。A柱飾板失效問題整改完畢。

4 結 論

通過對某自主品牌轎車側氣簾系統中各零件的研究整改，保證了在-35℃～+85℃的溫度范圍內，側氣簾展開時和展開后，系統中所有零件均保持性能良好、結構完整。同時，在整改過程中，經過研究分析得出了一般側氣簾系統零件設計過程中的一些關注點。

首先，頂蓬弱化線的設計要考慮頂蓬上各種附件的位置，如扶手、眼鏡盒等。弱化線的高度務必低于用來安裝附件的凹坑或凸臺，并確保弱化線連續，這樣才能使頂蓬依照設計沿弱化線翻折。

其次，若受空間布置局限，在頂蓬附件與側氣簾距離很近的情況下，為了保護附件，可以考慮采用合適的擋板保護附件。擋板可以安裝在附件支架或側氣簾安裝支架上，也可與支架做成一體。設計擋板方案時，需要綜合考慮空間需求、零件相對位置關系、供應商實力和成本等多方面因素。

再次，對于立柱飾板，為了配合側氣簾在各處的展開，需要飾板在短時間內產生局部微小變形或移動，為竄出的側氣簾騰出空間。因此，要求立柱飾板設計變形或松脫結構，可以通過結構上適當地減筋、加槽來實現，也可以通過使用防脫卡扣固定來實現，以確保在側氣簾順利展開的同時，立柱飾板完整且不脫落。

總之，側氣簾系統試驗是一個繁瑣、復雜的過程。在確保系統中每個零件都設計、加工到位的同時，還要保證側氣簾與各零件以及各零件間配合合理、搭接良好。

[1]張金換. 汽車碰撞安全性設計[M]. 北京：清華大學出版社，2010.

[2]GB 19949.1-2005道路車輛安全氣囊部件 第1部分：術語[S].

[3]魯植雄. 汽車安全氣囊系統故障診斷圖解[M]. 南京：江蘇科學技術出版社，2008.

[4]劉晶郁，李曉霞. 汽車安全與法規[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

[5]葛如海，劉志強，陳曉東. 汽車安全工程[M]. 北京：化學工業出版社，2005.

[6]GB 20071-2006. 汽車側面碰撞的乘員保護[S].

[7]GMW 3118-2006. Verification of Requirements for Side Impact/Roof Rail Airbag Modules.

[8]TL 82533-2001. Airbag System Head Impact Protection Airbag Modules （Mounting Location：Roof Frame） Requirements and Test Conditions.

[9]GB 19949.2-2005. 道路車輛 安全氣囊部件 第2部分：安全氣囊模塊試驗[S].