半導(dǎo)體橋式汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具設(shè)計研究

陳思文，李賢連，劉 平，胡美華，李劍光

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半導(dǎo)體橋式汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具設(shè)計研究

陳思文，李賢連，劉 平，胡美華，李劍光

（湖南神斧集團(tuán)向紅機(jī)械化工有限責(zé)任公司，湖南岳陽，414100）

為了解決目前汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具可靠性、安全性、抗靜電能力等不足的問題，采用半導(dǎo)體橋替代灼熱橋絲制作汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具，對抗靜電結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，解決了上述問題；同時通過對電極塞結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了電點(diǎn)火藥涂覆效率低的問題；對輸出裝藥進(jìn)行設(shè)計，既滿足了輸出壓力要求，又保證了瞬發(fā)度要求。

電點(diǎn)火具；半導(dǎo)體橋；汽車安全氣囊；抗靜電；生產(chǎn)效率；瞬發(fā)度

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展和頻發(fā)的道路交通安全事故，汽車安全氣囊對人體的保護(hù)作用日益突出，因此，電點(diǎn)火具作為汽車安全氣囊的初始作用元件，對其可靠性、安全性、瞬發(fā)度、抗靜電能力等均有了更高的要求。湖南神斧集團(tuán)向紅機(jī)械化工有限責(zé)任公司目前的汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具采用灼熱橋絲式結(jié)構(gòu)，其可靠性、安全性、抗靜電能力等在生產(chǎn)交驗(yàn)過程均時有不合格現(xiàn)象。

半導(dǎo)體橋火工品具有小體積、發(fā)火能量低、安全性高、作用迅速等特點(diǎn)[1-2]，可以很好地滿足汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具的使用要求。目前，國內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)采用半導(dǎo)體橋的汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具，因此決定采用半導(dǎo)體橋結(jié)構(gòu)制作汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具。本文通過電極塞結(jié)構(gòu)設(shè)計、輸出裝藥設(shè)計和抗靜電設(shè)計，解決了電點(diǎn)火具生產(chǎn)效率低、輸出能力及抗靜電能力不足等問題。

1 電極塞結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋絲式電點(diǎn)火具主要由電極塞、絕緣內(nèi)管、金屬外管和點(diǎn)火藥組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 橋絲式汽車安全氣囊用電點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)圖

為了不更改與用戶汽車安全氣囊的配套尺寸，同時為了更快地研制出半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具，只對電點(diǎn)火具的電極塞進(jìn)行更改，其余均借用原結(jié)構(gòu)和尺寸。

生產(chǎn)過程中橋絲式電點(diǎn)火具的橋絲焊接和電點(diǎn)火藥涂覆均為手工操作，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。半導(dǎo)體橋采用的是自動化超聲波焊接，解決了手工焊接效率低問題。為了解決涂覆電點(diǎn)火藥效率低的問題，結(jié)合半導(dǎo)體橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在電極塞上增加凹槽，將半導(dǎo)體橋置于凹槽內(nèi)，采用滴加的工藝涂覆電點(diǎn)火藥，以解決手工涂覆效率低的問題，調(diào)整后的半導(dǎo)體橋電極塞結(jié)構(gòu)見圖2。同一人分別對半導(dǎo)體橋電極塞和橋絲式電極塞進(jìn)行涂覆電點(diǎn)火藥，其產(chǎn)量對比見表1。

圖2 半導(dǎo)體橋電極塞結(jié)構(gòu)圖

表1 半導(dǎo)體橋電極塞和橋絲式電極塞涂覆電點(diǎn)火藥產(chǎn)量對比

Tab.1 Yield comparison of painting ignition powder for SCB electrode plug and bridge-wire electrode plug

從表1可看出，半導(dǎo)體橋電極塞涂覆電點(diǎn)火藥的效率較橋絲式電極塞提升了5倍。若采用群模滴加涂覆電點(diǎn)火藥，生產(chǎn)效率將會得到更大提升。

2 輸出裝藥設(shè)計

電點(diǎn)火具的輸出指標(biāo)為：在10cm3的密閉容器內(nèi)輸出壓力不小于3.5MPa，作用時間不大于2ms。

為保證1.2倍設(shè)計裕度，設(shè)計輸出壓力應(yīng)不低于4.2MPa。統(tǒng)計原電點(diǎn)火具輸出壓力平均值約為3.5MPa，根據(jù)理想狀態(tài)氣體方程式=，壓力與氣體摩爾量成正比，而點(diǎn)火藥燃燒后的氣體摩爾量與質(zhì)量成正比，原電點(diǎn)火具輸出裝藥為散裝200mg點(diǎn)火藥，因此應(yīng)將電點(diǎn)火具輸出裝藥量設(shè)計為240mg點(diǎn)火藥。但受管殼尺寸限制，電點(diǎn)火具中最多只能散裝入210mg點(diǎn)火藥，若需裝入240mg點(diǎn)火藥則需采取壓裝方式。以10MPa壓力將240mg點(diǎn)火藥壓入管殼中，再與半導(dǎo)體橋電極塞裝配成電點(diǎn)火具，然后進(jìn)行測壓測時試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具測壓測時試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Test result of output pressure and function time of igniter with SCB electrode plug

從表2可知，240mg、10MPa裝壓藥條件下半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具輸出壓力最低為4.43MPa，超過了4.2MPa的設(shè)計值；但最大作用時間均超過了2ms，不能滿足用戶提出的不超過2ms的要求。

分析作用時間偏長的原因是：電點(diǎn)火藥點(diǎn)燃被壓裝的輸出裝藥時會有延遲。因此必須有散裝的點(diǎn)火藥被電點(diǎn)火藥點(diǎn)燃。將裝壓藥條件改進(jìn)設(shè)計為：先裝160mg點(diǎn)火藥，以10MPa壓力壓裝，再裝入80mg點(diǎn)火藥。以兩裝一壓的方式裝配電點(diǎn)火具進(jìn)行測壓測時試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

從表3可知，采用兩裝一壓方式裝配的電點(diǎn)火具輸出壓力較一次裝壓藥裝配的電點(diǎn)火具輸出壓力有所降低，但仍超過了4.2MPa的設(shè)計要求，且最大作用時間均縮短至低于1ms。

表3 改進(jìn)裝藥工藝的半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具測壓測時試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Test result of output pressure and function time of igniter with SCB electrode plug after charge manner improvement

3 抗靜電設(shè)計

用戶提出電點(diǎn)火具不僅要能抗25kV靜電電壓，其絕緣電阻也要在500V電壓下大于20MΩ。從半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具的結(jié)構(gòu)分析，其管殼-電極間抗靜電措施為“堵”靜電方式，半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)圖

為使腳殼間有足夠的絕緣強(qiáng)度，需選用介電強(qiáng)度高的絕緣材料作為絕緣內(nèi)管。內(nèi)管壁厚為0.5mm，為能滿足抗25kV電壓能力，則應(yīng)選用介電強(qiáng)度大于50kV/mm的絕緣材料。經(jīng)查找，選用介電強(qiáng)度為100kV/mm的聚酰亞胺作為絕緣內(nèi)管材料。以聚酰亞胺內(nèi)管裝配電點(diǎn)火具進(jìn)行25kV的靜電放電試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 電點(diǎn)火具靜電放電試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Electrostatic discharge test result of electric ignitor

從表4可知，雖然絕緣內(nèi)管理論上可抗50kV電壓，但實(shí)際并不能全部抗25kV靜電電壓。王凱民[3]指出，從結(jié)構(gòu)上采取“堵泄結(jié)合”方式，可保證同時滿足抗靜電和絕緣性能要求。因此對電點(diǎn)火具的電極塞進(jìn)行改進(jìn)，在電極塞卡口槽距電極最近位置開出兩個凹槽，使金屬電極與空氣接觸，作為靜電泄放通道，同時減小絕緣內(nèi)管長度，使金屬外管直接接觸卡口槽，使金屬外管與電極通過擊穿的空氣隙形成回路，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 有靜電泄放通道的半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)

因泄放通道處的腳殼間距為0.75mm，此時保護(hù)通道擊穿電壓泄放通道=4kV/mm×0.75mm=3kV，而危險通道擊穿電壓危險通道=100kV/mm×0.5mm=50kV，危險通道與保護(hù)通道擊穿電壓之比為16.67，滿足大于4的要求[4]。用有泄放通道的電極塞裝配電點(diǎn)火具進(jìn)行25kV的靜電放電試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 有泄放通道電點(diǎn)火具靜電放電試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Electrostatic discharge test result of electric ignitor with bleed passage structure

從表5可知，采取“堵泄結(jié)合”方式的電點(diǎn)火具能夠滿足抗25kV靜電能力要求。再次裝配有泄放通道的電點(diǎn)火具進(jìn)行絕緣電阻測試，結(jié)果均大于1 000MΩ，同時滿足了絕緣性能要求。

4 結(jié)論

（1）將半導(dǎo)體橋置于凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)，便可采用滴加法涂覆電點(diǎn)火藥，使生產(chǎn)效率得到極大提升。

（2）直接壓裝的輸出裝藥被點(diǎn)燃的時間會明顯延長，可采用先裝壓一道點(diǎn)火藥，再散裝一道點(diǎn)火藥的工藝，在滿足輸出壓力的同時保證瞬發(fā)度。

（3）單純“堵”靜電結(jié)構(gòu)很難滿足抗25kV靜電要求，可采用“堵泄結(jié)合”方式，在電極塞上設(shè)置靜電泄放通道，使電極與金屬外管通過擊穿的空氣隙形成回路，則可滿足抗25kV靜電要求，同時也可滿足絕緣性能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任煒,周智,劉舉鵬.半導(dǎo)體橋點(diǎn)火器的設(shè)計與研究[J].火工品,2007(6):43-46.

[2] 張文超,張偉,徐振相,秦志春,等.半導(dǎo)體橋的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].爆破器材,2009(2):21-23.

[3] 王凱民.火工品工程（上卷）[D].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[4] 趙文虎.某導(dǎo)彈用電點(diǎn)火具抗靜電技術(shù)研究[J].火工品,2001 (3):24-27.

Design on Semiconductor Bridge Electric Ignitor for the Automotive Airbag

CHEN Si-wen，LI Xian-lian，LIU Ping，HU Mei-hua，LI Jian-guang

(Hunan Shinehood Group Xianghong Mechanical and Chemical Co.Ltd.，Yueyang，414100)

In order to solve the problems of reliability, security, antistatic ability of the electric ignitor for automotive airbag, the semiconductor bridge was used to replace the hot bridge wire to make the electric ignitor of automotive airbag, and through designing the antistatic structure, the above problems were solved. At the same time, the electrode plug structure was designed to solve the low efficiency of painting ignition powder, as well as the output charge was improved, which both meet the requirement of the output pressure, and ensure the instantaneity requirements.

Electric ignitor；Semiconductor bridge；Automotive airbag；Antistatic；Production efficiency；Instantaneity

1003-1480（2016）04-0022-03

TJ45+4

A

2016-04-24

陳思文（1988-），男，助理工程師，主要從事火工品設(shè)計及工藝研究。