側面簾式安全氣囊的優化設計

倪丹

（德州學院汽車工程學院,山東 德州 253023）

側面簾式安全氣囊的優化設計

倪丹

（德州學院汽車工程學院,山東 德州 253023）

側面簾式安全氣囊在汽車碰撞事故中發揮著保護人體頭部,避免或減輕對人體傷害的作用,如何最優的發揮側面簾式安全氣囊的保護功能,是設計中的重點和難點。本文通過真車模型以及相關實驗數據,對側面簾式安全氣囊的結構和工作原理進行了分析。本研究以轎車側面簾式氣囊仿真實驗以及氣囊實驗數據為基礎,對側面簾式氣囊的各個參數進行了優化計算，以上研究結論達到了安全氣囊的優化目的，通過實驗計算得到證明。

簾式氣囊；側面碰撞；優化參數；安全

1 前言

1.1 本文研究背景及意義

隨著近些年我國交通事故頻發,給人們帶來了無法彌補的傷害。因此車輛安全越來越受到廣大社會群眾的重視。汽車安全分為主動安全和被動安全：主動安全是汽車發生事故提前預警的能力；被動安全是汽車發生事故后果的減輕能力。而安全氣囊則是汽車被動安全中重要的一員。隨著人們對汽車安全性能要求的提高,各汽車生產商也隨之提高汽車安全系數,以提高品牌知名度。據調查,在交通事故類型中,碰撞事故發生比率最高,其中側面碰撞占到30%以上。我國2010年道路交通事故統計年報總匯事故形態——四項數據統計中顯示,如表1-1所示。

碰撞類事故形態達72.26%。由表1中數據顯示,2010年我國交通事故中碰撞事故發生頻率最高,且側面碰撞高于正面碰撞和尾隨碰撞之和。側面碰撞死亡人數僅次于正面碰撞,直接財產損失也最高。

汽車側面簾式安全氣囊在中國的應用并不廣泛,一般只裝在中高檔車上。在發生側面碰撞事故時,頭部、面部、頸部等部位受到的傷害比例較高。據統計,這三個部位實際受傷比率達到75.5%,尤其是頭部,對人體產生致命的傷害的比率達到60.5%。側面簾式安全氣囊可在汽車受到側面碰撞時,將設置在車頂側面的全氣囊瞬間膨脹,保護乘員安全,減輕對乘員頭部、面部受到汽車支架的硬性傷害。側面玻璃沖擊的同時,還可抑制頸部的過度扭曲,減輕頭部受到的傷害。氣囊被動安全作用在交通事故中起到了有效的保護作用,無論是駕駛員和乘員氣囊還是側面簾式安全氣囊,幾乎成為買車一族的標配要求。

1.2 側面簾式氣囊國內外研究現狀

汽車安全氣囊系統,簡稱 SRS（Supplement Restraint System）,側面簾式氣囊簡稱IC(Inflatab Curtain),也被成為CAB（Curtain Airbag）。SRS是汽車被動安全技術中技術含量較高的產品之一,保護效果已經被世人普遍認識。SRS最早出現在美國,1958年出現安全氣囊的第一個專利。20世紀80年代后期,一些汽車的生產廠家開始逐步安裝安全氣囊。到20世紀90年代是安全氣囊的蓬勃發展時期。我國從1991年底開始研究汽車安全氣囊,并于1992年9月研制出了汽車安全氣囊的樣品且申請了國家專利。安全氣囊在歐美等發達國家達到快速的普及。瑞典的沃爾沃側撞防護體統于1991年設計了第三代產品IC側撞防護氣簾,并在1998年將其引入到生產的某款車型當中。到1995年,美國汽車安裝SRS比例達到60%,并規定1997年之后生產的小型轎車需要安裝側面簾式安全氣囊。

1.3 側面氣囊相關法規

汽車安全法規分為兩類：①由國家頒布的汽車安全技術法規：如美國的 FMVSS(Federal Mortor Vehicle Satety Standards),每一輛被出售的汽車必須滿足這項規定。②汽車安全星級評定標準,如新車評估組織NCAP（New Car Assessment Program）的評定標準。向消費者提供了每一輛車型相對安全的水平等級。歐洲于1991年頒布了ECE《側面碰撞保護》草案,1995年頒布了正式的ECE R95側面碰撞法規。我國的汽車碰撞安全性研究比歐、美、日等工業發達國家落后。從我國發展安全氣囊,經過多年的迅速發展,我國于2006年頒布實施了國標GB20071-2006《汽車側面碰撞的成員保護》,此法規推動了簾式氣囊的發展。

1.4 側面簾式氣囊存在的問題

側面簾式氣囊經折疊后安裝在車輛側面頂篷橫梁和內飾板之間,發生碰撞事故時,IC能夠有效地保護乘員頭部和頸部,降低傷害,無論從結構還是保護功能上都有其自身的特點。由于側面碰撞比正面碰撞的時間歷程要短的多,且簾式氣囊的覆蓋面積也比一般氣囊大,因此對側面簾式氣囊的傳感器系統和氣體發生器系統提出了更高的要求。在具體的IC設計中,由于簾式氣囊的設計參數眾多,在相關參數優化時,定量分析耗時耗力,優化設計分析有限。文章基于現有IC存在的問題,研究內容如下：

（1）研究簾式氣囊模塊的構成及原理；

（2）以相關實驗數據和實例為依據研究簾式氣囊充氣過程,及乘員與其接觸過程；

（3）對簾式氣囊模塊結構進行系統詳細的分析研究；（4）對簾式氣囊相關部件參數的優化選擇。

表1 事故形態-四項數據統計

2 汽車側面簾式安全氣囊的工作原理和結構

2.1 側面簾式安全氣囊簡介

簾式安全氣囊又被稱作IC(Inflatable Curtain),也叫頭部側氣簾（Curtain Airbag）。簾氣囊主要組成有：氣體發生器、簾式氣袋、導管、發生器支架等。由于車輛在發生碰撞時氣囊系統開始工作,氣囊要在成員頭部與車窗之間彈出,防止乘員頭部與汽車側面部位發生碰撞,所以簾式安全氣囊一般安裝在車輛側面頂棚的橫梁上。汽車側碰時,對乘員的傷害主要有以下3個方面：①巨大的側向沖擊力,是直接導致乘員受到傷害的力量；②車輛內飾件的損壞飛射，車窗玻璃的破碎,車窗、車體結構變型對乘員造成的威脅；③車身翻滾導致乘員撞擊車內堅硬物體導致的傷害。

簾式氣囊的氣袋起到直接保護乘員的作用,氣袋可分為功能區和非功能區。功能區域直接與乘員頭部接觸,是簾式氣囊膨脹重啟的區域,在碰撞過程中緩沖和吸能,降低對頭部的傷害值。非功能區域與拉帶聯合作用,為非充氣區域,保證氣囊展開時的穩定性,防止側碰時乘員頭部或上身伸到車窗外。非功能區域的設計可減少發生側碰時導致乘員射出窗外的情況發生,乘員被射出窗外所受的傷害比在車內所受傷害大三倍圖。高中檔轎車車內的簾式氣囊展開如圖1所示。

圖1 簾式安全親囊展開圖

2.2 側面簾式安全氣囊工作原理

不同氣囊對乘員保護的側重點不同,但其工作原理基本是一樣的,安全氣囊系統控制系統和氣囊模塊。控制系統主要負責采集信號和發出指令,由碰撞傳感器（SIS）和電子控制單元（ECU）組成。汽車在行駛時,由于速度的不斷變化,加速度傳感器會不斷地向控制器發送加速度的信息,控制器會根據接受的信息對是否發生碰撞進行判定,確定其是否超過預定值,如果被判定為發生碰撞,此時控制器就會對氣體發生器發出指令,氣體發生器發生化學反應且產生大量氣體,在規定時間內氣袋沖破車中內飾物,氣袋被氣體充滿,隔離乘員與車體,完成簾式氣囊的工作。還有另外一種氣囊工作方法：由傳感器直接對氣體發生器發出點火電流,爆管在接收到點火電流后，激發產生大量氣體,發生器產生化學反應生成大量氣體充入氣囊氣袋中,在發生二次碰撞前沖破內飾物,氣袋充滿氣體,達到保護乘員的作用，原理如圖2所示。

圖2 安全氣囊系統組成

發生側碰時,由于乘員和車側面的擠壓空間特別小,空間有限,所以對側面簾式安全氣囊的展開感應、充氣、展開時間等具有以下3點要求：①側面碰撞時,側碰感應系統6～13ms內區分出碰撞情況；氣囊氣袋展開在45ms之內；②簾式安全氣囊所需覆蓋面積大,能夠覆蓋多扇側面車窗；③對氣體發生器要求較高,由于簾式氣囊面積大,所需氣體多,充氣過程要求氣體分配均勻,不能產生應力集中。為了滿足側面簾式氣囊的特殊設計要求,通常會在氣袋的頂部放置一個氣體輸送管,能夠使簾式氣囊更好地完成充氣過程,這是與一般氣囊的的不同之處。

2.3 側面簾式安全氣囊的結構

（1）控制系統。控制系統主要包括電子控制單元（ECU）和碰撞傳感器（SIS）。電子控制單元負責處理由碰撞傳感器實時發過來的信息,對信息進行分析和檢測并判斷是否發生碰撞,并及時發送點火指令。電子控制單元核心元器件如圖3所示。

圖3 電子控制器（ECU）內部核心元器件圖

碰撞傳感器根據其功能的不同可分為：觸發碰撞傳感器,實時收集加速度變化量的信號,并給電子控制單元實時傳送碰撞信號；防護碰撞傳感器,通常與觸發碰撞傳感器結合使用,主要是為了防止車內安全氣囊誤爆。常見的碰撞傳感器分類，如表2所示。

表2 碰撞傳感器的分類

（2）簾式安全氣囊模塊。①氣體發生器。氣體發生器是整個簾式安全氣囊模塊的核心部件。其特點是性能穩定、耐久性好、環保、工作可靠。由于對簾式氣囊要求比較高,對發生器產生氣體的時間控制也非常嚴格，產生的氣體主要以對人體無害的二氧化碳為主,其中也包括：一氧化碳、二氧化碳、氨氣和氧化氮等。一般發生器內部都有點火器,當收到電子控制器的點火信號后,打開混合氣體存儲室,氣體通過排氣孔,將大量氣體大量充入氣袋,將其充滿。常見一般氣體發生器，如下圖4所示。②簾式氣袋。它是一種高強度尼龍布，外面涂有硅涂層,通過特殊的技術進行縫制而成的承載氣體的簾式袋子。氣袋的材料具有一定的柔韌性,充分考慮到了氣袋的物理性能,對氣袋的縫制和材料選擇要求非常高,否則會導致氣袋縫線口開合或氣袋撕裂等問題。③氣袋的折疊。氣袋除了本身的質量一定要符合要求外,由于車內空間有限,不但要求美觀，而且要實用,所以對于氣袋的折疊也是非常重要的。要考慮到氣囊展開的方向、角度、平穩性及所占空間,這些都直接影響到安全氣囊工作的效果。若氣袋的折疊方式不正確,可能會導致充氣不充分,時間不符合規定條件。所以氣袋的折疊也根據其整車的實際條件,有其合理的折疊方式。

圖4 氣體發生器示意圖

3 側面簾式氣囊的參數優化選擇

3.1 側面簾式氣囊袋的參數優化

（1）氣袋的面積選擇。側面簾式氣囊所需覆蓋面積大,氣袋設計設有前部吸能區——非吸能區——后部吸能區,既可以保護前排駕乘人員,也可以保護后排乘員的安全。如圖5所示，a、b、c、d、e、h均要大于20mm才能達到保護各類乘員的保護效果。也正因此,氣袋的覆蓋面積較大,所以對于氣袋充氣,各個區域的氣體分配則是被考慮到的重點,要求在充氣過程中不能產生應力集中。不同高度人包括后排座位可坐的6歲兒童，簾式氣囊所需覆蓋的面積如圖5所示。

圖5 簾式氣囊覆蓋面積示意圖

側簾氣囊的面積設計上要根據車型大小，以及考慮不同人高度的情況下，保證人頭部輪廓邊緣與側簾氣囊袋各邊緣留有20mm的距離，才能達到一個面積標準值。如果設計面積過大，則會導致充氣時間過長；面積過小，則達不到保護效果。

（2）氣袋的厚度設計。對于氣袋充滿時的厚度,可以根據在實驗中假人的移位來計算出合理的氣袋厚度,以保證氣囊達到理想的保護效果,使傷害值達到最低。

圖6 氣袋厚度設計示意圖

圖6所示為理想情況下，車發生碰撞，假人產生位移與氣囊接觸時的平面簡圖，其中各參數及公式如下：

L為碰撞前假人頭部到柱的距離,假設一般人頭部直徑154mm；Lo為碰撞前假人頭部（臨窗側）到柱；S為開始碰撞到氣袋充滿時間；S1為開始碰撞到開始點火；S2—為氣袋充滿時間。

L1為開始碰撞到氣袋充滿頭部位移距離；

l1為開始碰撞到氣袋充滿時刻頭部到柱距離；

由圖可知,氣袋的最大侵入位移不能超過l1；最大加速度為48g。得出力值：所以最大力不應超過3202N。

常見的氣袋厚度的選擇有以下4種，如表3所示：

表3 四種氣袋厚度

由以上3點可以總結，氣袋厚度為160mm時,氣囊展開保護成員效果最佳。所以在氣袋厚度的選擇上首先要確保其最大應力不應超過3202N，且最佳厚度為160mm。

（3）氣袋縫制線的選擇。氣袋的縫制線要求有一定的拉伸回彈性能,能夠抵制氣體發生器產生的熱,具有抗熱性和耐摩擦的性能,在縫制中要求最少的跳針、跳線和斷線情況。縫紉線的正確選取,在氣囊設計中也是必不可少的重要環節。一般采用黃色尼龍線、綠色尼龍線、藍色尼龍線、粉色尼龍線,這四種縫紉線能夠達到規定的氣囊氣袋縫紉標準,其性能如表4所示。

表4 四種縫紉線性能

（4）氣袋用的布料。氣袋的材料選擇，需要滿足以下7點進行選擇。①能承受氣體發生器產生的熱能；②能阻止灼熱粒子擊穿布料；③能使氣袋方便順利從模塊中沖出和展開；④能夠阻止乘員大幅度運動；⑤能夠吸收撞擊產生的能量；⑥可壓縮折疊保存15年在-35℃到到+85℃的溫度條件下；⑦可以方便的折疊合適的體積并放入氣囊模塊中。

如表5所示，根據上述要求,選擇氣袋材料時需要注意的材料性能如下：

（1）斷裂強度：不同車型所選擇的氣袋材料規格不同,布料規格越高,斷裂強度越大,需根據自身設計需求,考慮到自身斷裂強度和產品成本，一般車輛會選擇使用470dtex規格的布料。

表5 不同規格氣袋面斷裂強度

（2）撕裂強度：氣袋的撕裂性能和布料的拉伸強度、與縫制線間的摩擦以及織物的自身結構密切相關。粗紗織的布料撕裂強烈度較高；紗線密度越大,布料撕裂強度越差；紗線間摩擦越小,布料撕裂強度越大。

（3）縫接強度：布料縫接強度會影響氣袋展開效果,織物自身結構和紗線間的摩擦影響著氣袋的縫接強度。氣袋密度越大,縫接強度越強。一般簾式氣囊的氣袋布有一層輕薄的硅涂層,這種硅膠可減少摩擦,變得滑潤,所以此時的縫接強力比非涂層的要小，所以選擇有硅涂層的布料性能更好。

（4）氣密性：氣密性不夠,會使氣袋內的氣壓不夠、泄氣過快等問題。一般氣袋分為有硅涂層的尼龍布和無涂層的尼龍布,就氣密性而言,選擇有硅涂層的尼龍布氣袋氣密性更強。

（5）老化性能：應選擇氣袋可以在-35℃到+85℃的條件下，折疊壓縮保存15年的氣袋布料。

（6）阻燃性：發生器在工作時可能產生火花,所以要選擇具有阻燃性的布料。

綜上所述，可選擇可隆的硅涂層尼龍布，其各參數符合以上標準，參數如表6所示。

3.2 側面簾式氣囊折疊方式的選擇

氣囊的折疊方式的選擇,對于側面簾式安全氣囊的展開過程尤為重要,折疊后體積的大小和折疊方式,影響在車體內的安裝。一般比較好的折疊方式可以使安全氣囊在合理的時間內平順的打開,不被車體內飾件所干擾,同時正確的折疊方法可以使氣囊體積更小,更容易安裝于車內而不會影響到車內的美觀，更重要的是，好的折疊方法可以有效地達到保護車內乘員的效果。側面簾式安全氣囊的充氣過程需要20ms～40ms,氣囊展開的瞬間會釋放大量的能量,能夠產生9000kN的沖擊力,氣囊邊緣展開速度可以達到192km/h～320km/h。簾式安全氣囊的折疊方式有很多種,其中比較常見的是卷入式和對折式。兩種折疊方式都有各自的優勢，折疊方法如圖7（卷入式）、圖8對折式）所示。

圖7 卷入式圖

圖8 對折式圖

表6 硅涂層尼龍性能結果

這兩種折疊方式有各自的優缺點：①卷入式折疊方法,展開式阻力比較大,不易展開,但是方向性很強,比較穩定,容易控制。②對折式折疊方法,由于氣囊反復折疊,阻力比較小,容易展開,方向性也比較容易控制。簾式安全氣囊的折疊方法中有時候也會選擇對折和卷入同時使用。氣囊的不同折疊方法和相關展開數據如表6所示

由表6看出,5號的折疊方式效果最好,展開方向向下,利用空間小,符合側面簾式氣囊有限空間的條件,且展開過程平穩。但是該表數據是在未安裝在車體內的氣囊在靜態起爆下的數據,當氣囊安裝在車內時,氣囊的相關特性會有所改變。

表7說明同樣是5號數據折疊方式更好。綜合兩組數據,無論是在靜態起爆條件下還是撞車使用條件下，5號折疊方式展開非常平穩,且方向性較強,符合側面簾式安全氣囊的展開條件,展開時間較快且充滿時刻較早,最終得出5號折疊是最優方案。

3.3 側面簾式氣囊導氣管的選擇

由于側面簾式氣囊與其他普通氣囊不同,它的覆蓋面積大,氣體發生器產生的氣體壓力無法準確均勻的將氣體傳送到各個區域內,所以需要一個軟硬適中的導氣管來傳送氣體,以保證氣囊在充氣過程中,可以短時間平順地完成充氣過程,而不會出現氣體充氣發生應力集中而導致對乘員的傷害。一般的導氣管上面都設有導氣孔,且有兩端,一端與氣體發生器相連,而另一端則處于開口狀態。氣體發生器必須迅速將產生的氣體通過這個導氣管的氣孔,快速的充滿整個氣袋。所以導氣管的選擇在側面簾式氣囊的優化中也至關重要。對于導氣管的相關參數如：導氣管的材質、導氣管的形狀、導氣管內徑、導氣管的氣孔直徑、氣孔位置的分布、個數等等,則成為選擇一個最優導氣管的重要參數，圖9為常見導氣管。

表6 氣袋不同折疊方式下靜態起爆特性數據

表7 氣袋不同折疊方式下裝車后起爆特性數據

圖9 簾式氣囊導氣管

在介紹簾式氣囊時已經提到,簾式氣囊分為吸能區和非吸能區,且功能區又有前吸能區和后吸能區,前吸能區要比后吸能區大的多,所以根據實際情況可判定,前部吸能區的氣孔分布個數一定多于后部吸能區的氣孔個數。由此以保證前后部分充氣的一致性,以及簾式氣囊內的壓力平衡,從而避免一處壓力過大導致氣袋損壞等情況。表8是一般普通簾式氣囊導氣管的幾種參數。

表8 導管各參數數據

由此表分析各不同參數對導管內壓力和對導管壓力的影響。導氣管參數優化目標是氣囊內部壓力的快速平衡,避免出現氣囊內局部壓力過大的情況，這樣就要求氣體發生器在充氣過程中，保證導氣管內壓力足夠大且持續夠大，在氣囊逐漸被氣體充滿，壓力逐漸增強的條件下，要保證導氣管內仍然有足夠壓強將氣體壓入氣囊，直至充滿整個簾式氣囊且導氣管內壓力值與氣囊內壓力值達到平衡，可以根據恒定參數的簡單方法，討論出最佳導氣管參數：

（1）B、C一定的條件下，氣孔個數越少，壓力值越大，氣囊袋越容易達到平衡值，充氣充分且不易出現局部壓力過大情況，則A3符合要求。

（2）A、C一定的條件下，導管直徑越小，導管內壓力越強，越容易將氣體快速擠壓充入氣囊袋，所以選擇B1。

（3）A、B一定的條件下，導管氣孔的直徑越小，導管內壓力越大，且充氣越均勻；若導管氣孔直徑過大，則會引起導管內壓力不足，氣囊袋內壓力不均勻，則充氣不充分，所以選擇C3。

由以上3點可以得出結論，在選擇A3B1C3時刻滿足，壓力值夠大且能保證不會出現局部壓力，在短時間內快速充滿整個氣囊等要求。

4 結語

文章結合中國交通事故頻發的實際情況,根據我國實施的《車輛側面碰撞的乘員保護》,和中國汽車技術研究中心推出的新車測試評價程序C-NCAP中的要求進行研究。側面簾式氣囊為側面碰撞中保護乘員生命安全的至關重要被動安全系統。側面碰撞獨有的碰撞特性,對側面簾式氣囊的各項復雜參數選擇,提出了更高的要求。文章深入的探討了簾式氣囊袋的體積、厚度、織物、折疊方式的設計確定,以及對氣氣囊導管的參數選擇確定了方向。

本文具體工作和結論為以下方面：

（1）閱讀大量相關文獻法規,簡單介紹了側面碰撞的一些特性,闡述了國內外側面碰撞法規。

（2）對側面簾式氣囊的工作原理、側面簾式氣囊的結構,以及側面簾式氣囊在側面碰撞中的作用進行了簡單的介紹。

（3）討論簾式氣囊在設計開發中各關鍵部件的參數優化：①對側面簾式氣囊的各個參數進行了優化計算：氣袋的覆蓋面積、氣袋厚度、氣囊導管直徑尺寸、導管氣孔個數、導管氣孔直徑；②對氣袋縫紉線選擇、氣袋布料的選擇、氣袋折疊方式的選擇提供了選擇優化和評估方法。通過實際數據、相關實驗,提出了不同優化參數值,獨立的對每個部件進行了優化設計,最終選擇最佳方案。

側面碰撞與側面簾式安全氣囊無論是在我國還是在國外,都處于發展階段,沒有形成一個系統的全面的安全體系,出具的相關資料較少,在研究中發現一些問題：①由于條件限制,對相關部件的優化參數較少,數據相互獨立,在實際行車中可能會發生各部件相互影響等情況,所以研究結果在實際應用情況下要進一步加強。②側面簾式氣囊由于其覆蓋面積較大,除了受到自身特性和折疊方式的限制外,汽車內飾也影響它的工作性能。具體還需做進一步的研究。③在簾式氣囊導管的選擇上,未考慮導管的泄氣率,下一步可以對泄氣率進行模擬研究。

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OptimaizedDesign forSde Curtain Airbags

NI Dan
(Automotive Engineering Institute;Dezhou College Dezhou,Shandong 253023，China)

The side curtain airbags playsarole in protecting head,avoiding or reducing the harm to human bodyin a car crash,how to optimallymakeuse of the protectionfunction of the side curtain airbags,,is the important and difficult pointof the design.This paper,based onthe real car model and relevant experimental data,analyzedstructure and working principle of the side curtain airbag.Based on the simulation experiment of curtain air bagof car and the experiment data of airbag,this papermade optimized calculation for each parameterand the researchabove achieved the optimization of the airbag,and was proved throughthe experimentcalculation.

curtain air bag;side collision;optimaizeparameter;safety

U491.61

A

2095-980X（2015）02-0020-06

2015-01-18

倪丹（1992-），女，大學本科，主要研究方向：交通運輸。