安全氣囊氣體發生器用過濾網淺析

張銀銀 馮濤 陳樊 張俊杰

摘 要：過濾網是煙火式安全氣囊氣體發生器的重要組件之一。過濾網的主要作用是降低燃氣溫度并過濾殘渣，從而減少氣囊模塊展開時發生器內膨脹氣體對氣袋的沖擊和灼傷。過濾網種類較多，每種過濾網的制作工藝差別較大。該文對各種過濾網的制作工藝及特點進行歸納，重點研究針織壓制過濾網對發生器性能的影響。該文介紹了針織過濾網、編織卷制過濾網、金屬絲纏繞過濾網、拉伸鋼板網四種典型的過濾網，通過對不同類型、不同密度的過濾網進行對比試驗，表明在過濾網各參數中，影響發生器性能的關鍵因素為過濾網的密度，數據顯示出隨著過濾網密度的增加，發生器產生火焰的長度及數量明顯減少、噴出殘渣重量減少、氣體溫度降低；另外，通過分析針織壓制工藝并對卷網工序提出改進方法，可以有效地提高發生器性能的一致性。

關鍵詞：過濾網 密度 絲徑 氣體發生器

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0075-04

安全氣囊氣體發生器是汽車被動安全系統中的關鍵部件。在汽車發生事故時，氣體發生器迅速向氣囊充氣，能夠有效減少事故對人體的傷害，從而保護駕駛員及乘坐人員的生命安全。現有煙火式餅狀氣體發生器的典型結構如圖1所示。

通常，過濾網用于降低燃氣溫度并過濾殘渣，從而減少氣囊模塊展開時發生器內膨脹氣體對氣袋的沖擊和灼傷。發生器工作時，其快速燃燒的藥劑會產生膨脹的氣體，濾網必須能夠充分過濾掉氣流中的固體顆粒。發生器設計允許少量顆粒物從過濾網通過，但是飛出發生器外的顆粒物重量必須小于1 g[1]。過濾網重量、熱傳導系數和熱容對降低通過其內部的氣體溫度也起著關鍵的作用。最后，過濾網必須確保降低溫度的氣體順利擴散出去以便加速氣袋展開。

這些重要的功能必須有著持續的表現，同時減少或消除發生器的火焰以便滿足使用要求。目前過濾網的種類較多，各有優缺點，有些氣體發生器廠家有自己的過濾網制造技術，能夠較好的和本公司的產氣藥劑性能相匹配，極大地提高了發生器的整體性能和成本優勢。通過過濾網的改進，最大程度地提高發生器性能顯得尤為重要。

1 過濾網種類介紹[2]

1.1 針織過濾網

針織網是把金屬絲織成長長的筒狀，然后按一定的重量或長度分切，將切下的網卷好后放入模具型腔內進行壓制就可以得到所需的形狀和密度。針織壓制過濾網在成型方面有著突出的表現，可以制作任何尺寸和形狀的過濾網，包括在過濾網上制作出肩、臺階、凹槽和凸起等結構。

針織過濾網材料可以用不銹鋼、碳鋼、鍍層的絲等金屬絲。盡管如此，實際針織過程中金屬絲的最大直徑是有所限制的。目前，批產環境下金屬絲所允許使用的最大直徑為0.8 mm。盡管大的絲徑在發生器展開時可以防止金屬絲燒斷，但是絲徑越大，過濾網內部的空隙就越大，這會增加火焰并削弱對固體顆粒的阻擋作用。針織過濾網的密度一般在30%～60%之間。

針織網見圖2，主要特點見表1。

1.2 編織卷制過濾網

編織卷制過濾網由一段或多段編織網切成帶狀然后卷成筒狀。里面夾入陶瓷過濾紙后可以過濾非常細小的顆粒。一般，內層使用粗絲網以防止燒斷，過渡層采用較細的網以便阻攔顆粒，最外層采用非常粗的網來增大排氣開口。這種多層結構有利于在過濾網的任何徑向位置加上陶瓷濾紙。這種結構的每一個部分切割成特定的長度和寬度，然后再組裝成一個可用的多層圓環點焊在一起。

編織卷制過濾網見圖3，主要特點見表2。

1.3 金屬絲纏繞過濾網

金屬絲纏繞過濾網由金屬絲螺旋纏繞而成，具有彎曲徑向過濾路徑的結構。為了使結構強度更高，纏繞絲被壓制成原來直徑的一半。這種壓平使得沿長度方向產生了兩個平行的表面。當螺旋纏繞時，壓平的表面互相層疊，因此在表面區域的每個相交點上的相互作用更加緊密。

纏繞過濾網可以通過改變螺旋角來改變孔隙率和通透度。這種特性使得過濾網得內部可以有更加疏松的結構，然后再過渡到過濾網中部的過濾結構。最后外部非常疏松粗大的結構為膨脹氣體從發生器氣孔排出提供了通道。

單層或多層的過濾網螺旋角和坡度都可以隨時改變，使得過濾網可在不同的軸向位置上創造出密集或者封閉區域。這種技術在引導氣流通過過濾網以及在過濾網斷面阻止氣流上都非常有用。

金屬絲纏繞過濾網見圖4，主要特點見表3。

1.4 拉伸鋼板網

1.4.1 多組分拉伸鋼板網

多組分拉伸金屬軋制過濾網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穿孔和拉伸過程制成的，并在這一過程中形成開孔，而且材料通過模具同時完成穿孔和拉伸過程。

這些材料又經過一套滾子軋到最終的厚度。開孔的形狀、結構和數量與所使用的模具有關。開孔的形狀一般為三角形或菱形。這種類型的過濾網有一個明顯優點就是在拉伸形式上沒有限制，有一些開放的區域，并且整個過濾網可由不同類型材料的混合與配合而成，有利于過濾網性能的調試。

與編織卷制過濾網一樣，所有層重疊然后必須在交聯處點焊以便形成可用的金屬帶。交聯處越多，焊點就越多，可能造成過濾網凸凹不平且不協調。

1.4.2 單組分拉伸鋼板網

可變拉伸鋼板網具有多組分拉伸金屬網的所有優點并且改善了不足的地方。

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

可變拉伸鋼板過濾網見圖5，主要特點見表4。

2 密度對發生器性能影響

過濾網對60L Tank P-t[3]曲線影響較大，同時對發生器火焰和殘渣的影響也比較明顯。本文論述的氣體發生器使用針織壓制過濾網，試驗表明在過濾網各參數中，影響發生器性能的關鍵因素為過濾網的密度。

2.1 對P-t曲線的影響

密度是過濾網的重要參數，定義為：

密度=（過濾網的質量÷與過濾網體積相同的鋼的質量）×100%

分別用密度為45%、50%、55%的過濾網進行試驗，測試的P-t曲線見圖6所示。

從圖上看出，其他條件相同時，過濾網密度越大，各點壓力值就越低。這是因為密度增加后，過濾網重量增加，吸熱量增加，導致氣體溫度降低，故壓力就會隨密度增加而下降。

2.2 對火焰性能影響

為了試驗對比的有效性，將使用不同密度過濾網的發生器壓力調整至相當水平，如圖7所示。

使用高速攝像機分別對3種過濾網密度的發生器工作過程進行拍攝，得到的發生器的火焰情況見圖8所示。

從圖上看出，過濾網密度為45%時，火焰長度超出了USCAR標準要求的50 mm限制值，隨著過濾網密度的不斷增加，氣體發生器的火焰逐漸減少且長度變短。說明過濾網密度對消除火焰有著明顯的改善作用。

2.3 對殘渣的影響[4]

發生器放在60L密閉容器內點爆，對使用不同密度過濾網發生器產生的殘渣進行收集并稱重，見表5所示：

從表中可以看出，發生器殘渣的飛出量隨著過濾網密度的增加而降低。

另外，對發生器內殼體上殘留的密封金屬箔進行整理，見圖9所示。

從圖中可以看出，過濾網密度越大，發生器內部殘留的密封箔越完整，說明氣體通過高密度過濾網后溫度較低，對密封箔的燒蝕程度減弱。

3 過濾網工藝改進探索

針織過濾網的制作工藝流程如圖10。

3.1 織網針數

氣體發生器用過濾網織網針數一般為24針、36針和44針，常用材料有優質碳素結構鋼SAE1006和SAE1008，鋼絲直徑多用0.54mm和0.6mm兩種。隨著防銹技術的進步，過濾網現采用非鍍鋅鋼絲。分別采用24針、36針、44針的過濾網進行試驗，試驗結果見表6所示。

從試驗結果看出，隨著針數的增加過濾網的徑向強度逐漸降低。

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

通過將大直徑的網套收縮，可以提高過濾網圓周方向透氣的均勻性，但是應該容易理解針數多的過濾網在徑向的變形能力會增強，這也解釋了針數越多，過濾網工作后的徑向變形量越大。也就是說增加針數會引起兩個相互對立的后果。為了避免這種矛盾，通常是在過濾網外側增加一個沖有若干開口的鋼板保護套來增加過濾網的徑向強度。

相反，針數較小時，過濾網的軸向均勻性會有所提高，同時不會帶來徑向強度的削弱。通過試驗結果表明，在滿足要求的情況下可以盡量降低過濾網針數。

3.2 卷網

針織過濾網在壓制之前都會進行卷折處理，一般情況下是將按重量裁剪好的網套對折卷一次，如圖12所示。

過濾網壓制完以后，在表面上總是會存在隨機分布的通透孔隙，這種孔隙的大量存在會導致殘渣量的增加和火焰的飛出。這里通過增加卷網的次數，即增加層數后，過濾網上的出現空隙的情況得到較大的改善。通過試驗證明，增加卷網層數后，發生器的一致性提高了20%。

4 結語

該文介紹了各種過濾網的制造工藝和結構特點，對發生器設計中過濾網的選型具有指導意義。對使用針織壓制過濾網的發生器進行了P-t曲線測試、火焰試驗以及殘渣收集試驗，分析了過濾網密度對發生器各性能的影響情況，證明隨著過濾網密度的增加，氣體發生器火焰長度及數量得到了極大的改善，殘渣的飛出量減少，氣體溫度降低，這些變化有利于提高發生器對氣袋的適應能力，尤其是適用于無涂層氣袋。過濾網制造工藝的改進有助于提高發生器性能的一致性。

參考文獻

[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.